Brennstoffzelle
Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, die die Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in nutzbare elektrische Energie umwandelt.
Technisch besonders bedeutsam ist die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle. Wasserstoff und Sauerstoff können durch Einsatz regenerativer Energien aus der Erdatmosphäre gewonnen werden. So kann z.B. Solarenergie genutzt werden, um den Wasserstoff mittels Elektrolyse aus Wasser zu gewinnen. Damit ist dieser Energiewandler einer der Hoffnungsträger für eine nachhaltige Energieerzeugung. Im Folgenden wird diese Brennstoffzelle beschrieben.
Geschichte
Das Prinzip der Brennstoffzelle wurde bereits 1839 von Sir William Grove beschrieben, auf Grund unzureichender Materialien jedoch nicht umgesetzt und geriet in Vergessenheit. Erst in den 1950er Jahren wurden Brennstoffzellen als Nischenlösungen genutzt, vor allem in Raumfahrzeugen und U-Booten.
Die modernen deutschen U-Boote mit Brennstoffzellenantrieb, gebaut bei den Nordseewerken Emden in Kooperation mit HDW, nennen sich U-Boot Klasse 212. Die Auslieferung dieser U-Boote mit Brennstoffzellenantrieb erfolgt seit 2003. (siehe http://www.deutschemarine.de )
Funktionsprinzip
Eine Brennstoffzelle besteht aus zwei Platinelektroden, die durch eine Membran voneinander getrennt sind. An der Anode wird Wasserstoff katalytisch in Elektronen und Protonen aufgespalten. Die Protonen diffundieren durch die Membran, die Elektronen nehmen den 'Umweg' durch den elektrischen Verbraucher. Beide verbinden sich an der Kathode mit dem Sauerstoff unter Bildung von Wasser. Für die Reaktionen an den Elektroden lassen sich folgende Gleichungen formulieren:
Die so erzeugte elektrische Spannung ist vergleichsweise gering. Daher besteht eine Brennstoffzelle für gewöhnlich aus vielen in Reihe geschalteten Membran-Elektroden-Einheiten.
Brennstoffzellentypen
AFC (Elektrtolyt: Kalilauge) PEMFC (Proton-Exchange-Membran-Fuel-Cell) PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) SOFC (Solid-Oxide-Fuel-Cell)
Anwendungen
Mehrere Automobilfirmen (u.a. DaimlerChrysler, Ford, Honda, Opel) arbeiten an Autos, deren Treibstoff Wasserstoff ist, und die Brennstoffzellen zur Energieumwandlung sowie einen Elektromotor zum Antrieb nutzen.
Die Automobilindustrie, insbesondere DaimlerChrysler, forscht seit über 20 Jahren auf diesem Gebiet und hat in Erwartung eines Verbotes von Autos mit Abgasen diverse Varianten erprobt und zur Serienreife entwickelt (siehe NECAR 1 bis NECAR 5 von DaimlerChrysler).
Die Motivation dazu findet sich wahrscheinlich in der Einsicht, dass die Erdölvorkommen der Erde begrenzt sind, und eine Fortsetzung des lukrativen Autogeschäfts in der "Zeit-nach-dem-Erdöl" wünschenswert ist. Entscheidend für die erheblichen Anstrengungen in Forschung war insbesondere der "Zero emission act", ein Gesetz in den USA, das vorschreibt, dass zukünftig Autos abgasfrei fahren sollen.
Für das Jahr 2003 war vorgesehen, dass 10% aller neuzugelassenen Fahrzeuge in Kalifornien diesem Gesetz unterliegen sollten. Unter dem Präsidenten der USA W.Bush wurde dieses Gesetz weiter in die Zukunft verschoben!!!
Ein Nebeneffekt ist, dass die Emissionen vom Auto (Zero Emission Vehicle) zu den Stellen verlagert werden, wo der Wasserstoff hergestellt wird. Als Folge erwartet man eine Verbesserung der Luftqualität in Großstädten.
Die bislang nur ansatzweise gelösten Probleme sind nicht nur, die Größe und das Gewicht der Brennstoffzelle zu reduzieren, sondern auch, geeigneten Treibstoff bzw. eine geeignete Lagerung desselben zu finden. Wasserstoff selbst ist zwar ein geeigneter Treibstoff; er lässt sich allerdings nur schwer in einer Menge, die ein Auto etwa 500 km weit bringt, kompakt im Auto lagern. Alle drei Alternativen (Druckflasche, flüssiger Wasserstoff, Metallhydrid) sind zur Serienreife entwickelt.
Eine weitere Möglichkeit um Wasserstoff zu speichern sind Kohlenstoff-Nanotubes. Das sind Röhrchen, die aus einem Gitter von Kohlenstoffatomen bestehen und theoretisch unendliche Faserlängen bilden können. Füllt man einen Tank mit diesen (heute noch sehr teuren Fasern) so kann man eine Wasserstoffmenge speichern, die ein Elektroauto ca. 8.000 Km (achttausend Km) weit fahren lässt. Nelly Rodriguez und ihre Kollegen von der Northeastern University in Boston (USA) ist es mit dieser Technik gelungen, das Dreifache seines eigenen Gewichts an Wasserstoff zu speichern. (Siehe Berichtet der New Scientist Nr. 2061, S. 20).
Ein möglicher alternativer Treibstoff ist Äthanol, Methanol oder andere Kohlenwasserstoffe, von dem kurz vor Gebrauch der Wasserstoff abkatalysiert wird. Dieses Verfahren erzeugt jedoch nennenswerte Mengen an CO2, was die ansonsten perfekte Umweltverträglichkeit der Brennstoffzelle einschränkt.
Eine der wichtigsten stationären Anwendungen wird mit Brennstoffzellen-Heizgeräten voraussichtlich in den kommenden Jahren marktreif werden. Bei diesen Geräten wird Erdgas durch einen Reformer zu Wasserstoff umgewandelt und der Brennstoffzelle zugeführt. So wird zum einen Strom gewonnen, zum anderen kann die enstehende Abwärme für die Brauch- und Heizwasser-Erwärmung verwendet werden. Ziel der dezentralen Strom- und Wärmeerzeugung ist insbesondere die Vermeidung von Leitungsverlusten (bis zu 40% bei Hochspannungsmasten). Die Firma Vaillant hat gerade in einem europaweiten Feldversuch über 30 solche Geräte mit einer Leitstelle vernetzt, um ein erstes "virtuelles Kraftwerk" zu schaffen.
Siehe auch: Wasserstoff, Ölkrise, Wasserstoffherstellung, Wasserstoffspeicherung