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Zur Geschichte der Brennstoffzelle

1839 beschrieb der in Swansea (Wales) geborene Physiker und Jurist William Robert Grove (1811-1896) eine "galvanische Gasbatterie". Duch "kalte Verbrennung" von Wasserstoff mit Sauerstoff sollte sie - mit einen Wirkungsgrad von nahezu 100% - elektrischen Strom liefern.
Einer der ersten Wissenschaftler der die Bedeutung dieser Entdeckung erahnte, war wohl Wilhelm Ostwald (1853-1932), der seit 1887 Direktor des ersten Lehrstuhls für physikalische Chemie in Leipzig war. Im Jahre 1894 beschreibt Ostwald seine visionären Ideen über die "wissenschaftliche Elektrochemie der Gegenwart und ... der Zukunft" folgendermaßen:
"Haben wir ein galvanisches Element , welches aus Kohle und dem Sauerstoff der Luft unmittelbar elektrische Energie liefert ...,dann stehen wir vor einer technischen Umwälzung, gegen welche die bei der Erfindung der Dampfmaschine verschwinden muss. Denken wir nur, wie ... sich das Aussehen unserer Industrieorte ändern wird! Kein Rauch, kein Ruß, keine Dampfmaschine, ja kein Feuer mehr ... ." [ 1 ]
Gleichzeitig räumte er aber bereits ein, dass es noch ein weiter Weg von dieser Idee bis zu einer technisch funktionierende Maschine ist:
"...denn bis diese Aufgabe einmal ernst in Angriff genommen wird, wird noch einige Zeit vergehen. Aber dass es sich hier nicht um eine unpraktische Gelehrtenidee handelt, glaube ich allerdings annehmen zu dürfen." [1]
Wie recht hatte Ostwald mit seinen Vorhersagen. Die ersten brauchbaren Brennstoffzellen wurden tatsächlich erst in den 50er Jahren unseres Jahrhunderts entwickelt, um sie zur Stromversorgung an Bord der Satelliten des amerikanischen Raumfahrtprogramms zu verwenden. Hier spielte sowohl der "astronomische" Preis dieser Geräte, als auch die extremen Reinheitsanforderungen an die verwendeten Gase keine Rolle. Später machte auch das Militär von der Brennstoffzelle Gebrauch und nutzt sie u.a. für den emissionslosen und geräuschfreien Antrieb von Elektromotoren in U-Booten. Auf der Suche nach neuen von fossilen Kohlenwasserstoffen unabhängigen Energiequellen und mit dem gestiegenen Umweltbewußtsein wurde gegen Ende der 80er Jahre erstmals ein breites Interesse an der Brennstoffzelle geweckt. Die Forschungsanstrengungen zu deren Realisierung wurden deutlich verstärkt. Insbesondere der Aspekt, daß die BZ eine Möglichkeit zur kohlendioxidfreien Erzeugung von elektrischer Energie darstellt, macht sie sowohl für die stationäre als auch für die mobile Nutzungen äußerst attraktiv. Der zu ihrer Betreibung notwendige Wasserstoff könnte als Träger chemischer Energie viele der bisher verwendeten Energieträger ablösen. Wasserstoff wird daher bereits oft als der Energieträger des 21. Jahrhunderts angesehen.
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Die Funktion der Brennstoffzelle (BZ)

Brennstoffzellen sind elektrochemische Stromerzeuger, die ohne den Umweg über die Wärme, direkt aus einer chemischen Verbindung, Elektrizität erzeugen. Sie können auch als gasbetriebene Batterien, die durch kalte, elektrochemische Verbrennung eines Gases - in der Regel Wasserstoff- Gleichspannungsenergie erzeugen bezeichnet werden. [2]
Die Technologie der BZ basiert auf der Umkehrung der elektrolytischen Zersetzung des Wassers. Während bei der Wasserelektrolyse durch einen Stromfluß die Gase Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) gebildet werden, dreht sich diese Reaktion bei der BZ um:

Summe: 2 H2 + O2 -> 2 H2O

Diese Gesamtreaktion wird in der BZ in zwei Einzelreaktionen getrennt, welche separat an den beiden Elektroden erfolgen. An der Anode wird der Wasserstoff zu Protonen oxidiert:

Anode: 2 H2 -> 4 H+ + 4 e-

während an der Kathode der Sauerstoff umgesetzt wird:

Kathode: O2 + 4 H+ + 4 e- -> 2 H2O

An der Kathode herrscht also Elektronenmangel und an der Anode Elektronenüberschuß. Verbindet man nun die beiden Elektroden mit einem elektrischen Leiter, so fließt ein elektrischer Strom. Auf Grund der Trennung der beiden Reaktionen kann der Elektronenübergang nur durch einen äußeren Leiterkreis erfolgen. Dies ist in dem Schema (Abbildung 1) dargestellt. Die BZ besteht demzufolge aus zwei Elektroden, die mit Wasserstoff bzw. mit Sauerstoff versorgt werden müssen und einer dazwischenliegenden Trennschicht, dem Elektrolyten. Dieser Elektrolyt ist notwendig, damit sich die Gase nicht mischen und nicht in direkten Kontakt treten können. Er ist gewöhnlich flüssig oder halbflüssig. Auf Grund der verschiedenen Materialien, die für den ionenleitenden Elektrolyten verwendet werden, unterscheidet man unterschiedliche BZ-typen. Bei der hier verwendeten BZ handelt es sich um eine sogenannte Membranbrennstoffzelle (engl. Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEM), bei der ein wassergequollenes, ionenleitendes Polymer als Elektrolyt dient (Bild 1)

Schema einer PEM-Brennstoffzelle
Abb. 1: Schema einer PEM-BZ
Die PEM-BZ von Conrad Electronics
Bild 1 PEM- Brennstoffzelle


Neben der geringen Schadstoffemission haben Brennstoffzellen des weiteren den Vorteil eines extrem hohen Verstromungswirkungsgrades von 40-65%. Die erzielbaren Wirkungsgrade liegen damit deutlich höher als die von konkurrierenden Techniken wie Ottomotoren (10-20%), Dieselmotoren (20-35%) und Gasturbinen (15-40%). Des weiteren erlaubt die Aneinanderreihung von mehreren einzelnen Brennstoffzellen ("Einzeller") einen modularen Aufbau ("Stacks").
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Die Typen der Brennstoffzelle

Nach dem heutigem Entwicklungsstand unterscheidet man fünf Hauptvarianten, die nach ihrem Elektrolyten eingeteilt sind:

NameElektrolytArbeitstemperatur
in °C		Reaktionsgase
Alkalische Brennstoffzelle
(AFC)		 Alkalilauge 70 - 100 H2 + O2 (hochrein)
Membranbrennstoffzelle
(PEM)		 Polymermembran 50 - 100 H2 + Luftsauerstoff
Phosphorsaure BSZ
(PAFC)		 Stabilisierte Phosphorsäure 160 - 210 H2(reformiert aus Erdgas)
Luftsauerstoff
Schmelzkarbonat- BSZ
(MCFC)		 Schmelzkarbonatlösung 650 H2 (interne Reformierung v. Erdgas)
Luftsauerstoff
Festoxid-BSZ
(SOFC)		 Festkeramischer Elektrolyt 800 - 1000 H2 (interne Reformierung v. Erdgas)
Luftsauerstoff

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Anwendungen

Brennstoffzellen kommen in den unterschiedlichsten Bereichen zur Anwendung.

Stationäre Energieerzeugung

Gerade in gering besiedelten Gebieten kann die Brennstoffzelle eingestzt werden, um Elektoenergie zur Verfügung zu stellen ohne teure Überlandleitungen legen zu müssen. In Deutschland starteten in diesem Jahr in mehreren Städten Pilotprojekte (u.a. in Leipzig), bei denen in Ein- oder Mehrfamilienhäuser BZ-Blockheizkraftwerke (BHKW) installiert wurden. Nebenstehend das Bild einer 7kW PEM-Brennstoffzelle für den stationären Betrieb (Bild 2). stationäre PEM-BZ
Bild 2: stationäre PEM-BZ

Mobile Energieerzeugung

Als Energiequelle für Nutzfahrzeuge:
Als Beispiel für die Nutzung der Brennstoffzelle in Nutzfahrzeugen kann der vom Siemens-Bereich-Energieerzeugung gebaute Gabelstapler dienen (Bild 3). Hier versieht eine PEM-Brennstoffzelle ihren Dienst. 		Gabelstapler mit PEM-BZ
Bild 3: Siemens Gabelstapler


Als Energiequelle für Personenkraftwagen:
Viele Automobil-Hersteller untersuchen die Möglichkeiten des Einsatzes der Brennstoffzelle als emissionsarmen Energielieferanten für Autos (CO2-Reduzierung!!). Als Beispiel sei hier nur auf die Entwicklung der Necar Fahrzeuge der Firma Daimler-Benz hingewiesen. Nebenstehend ein Foto des Necar 4 (Bild 4). 		Necar 4
Bild 4: Necar 4 von Daimler-Benz


Als Energiequelle für andere mobile Energieverbraucher:
Das nebenstehende Bild zeigt eine Brennstoffzelle, die als Energielieferant für ein Notebook dient.
Die BZ wurde vom Frauenhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) entwickelt und auf der Hannover-Messe 1998 vorgestellt. Es handelt sich dabei um eine Streifenmembran-Brennstoffzelle. 		BZ für Notebook
Bild 5: BZ für Notebooks
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Wasserstoff

Wasserstoff ist das häufigste Element im Weltall, er stellt über 90% aller Atome und rund 3/4 der gesamten Masse. Auf der Erde ist der größte Teil des Wasserstoffs in Wasser gebunden (H2O), daher das chemische Symbol H für Hydrogenium ("Wasserbildner"). Atomarer Wasserstoff verbindet sich mit den meisten Elementen zu Hydriden. Ungebunden bildet er zweiatomige Moleküle (H2) und ist dann ein farb- und geruchloses Gas. Unterhalb von -240°C läßt sich Wasserstoff verflüssigen.Die Speicherung von Wasserstoff erfolgt meist in Form von Flüssigwasserstoff oder in Metallhybridspeichern. Daduch sind Transport und Lagerung problemlos möglich. Die Gewinnung von Wasserstoff erfolgt durch Reformierung (z.B. von Erdgas), durch Elektrolyse von Wasser, oder durch Bakterien und Algen, welche mit Hilfe von Sonnenlicht und Abfällen aus der Zuckerrübenverwertung Wasserstoff produzieren.
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Quellen

JUNI 1999
created by René Müller
renemueller@gmx.de
Last Update: 15.12.1999
administrated by Ralf Moros
moros@sonne.tachemie.uni-leipzig.de
Zugriffe seit dem 01.01.2000:
15.07. - 31.12.1999: 120