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Brennstoffzellen: Geschichte, Aufbau, Grundprinzip

Geschichte der Brennstoffzelle

Bereits im Jahre 1839 wurde der Grundstein für die heutige Brennstoffzellentechnik gelegt.

Der wallisische Jurist und Physiker Sir William Robert Grove (1811-1896) war es, der den ersten funktionsfähigen Prototypen konstruierte. Dieser bestand aus zwei Platin-Elektroden, die jeweils von einem Glaszylinder umschlossen waren. In dem einen Glaszylinder befand sich Wasserstoff, in dem anderen Sauerstoff. Beide Elektroden tauchten in verdünnte Schwefelsäure ein, die als Elektrolyt diente und die elektrische Verbindung schuf. An den Elektroden konnte eine Spannung abgegriffen werden. Da diese sehr gering war, schaltete Grove mehrere dieser Brennstoffzellen zusammen, um eine höhere Spannung zu erhalten.

Groves Zeitgenossen verkannten seine Entdeckung, und das Thema "Brennstoffzelle" geriet in Vergessenheit. Erst in den 1950er Jahren, im Zeichen des kalten Krieges, ist seine Idee wieder aufgegriffen worden. In der Raumfahrt und in der Militärtechnik wurden kompakte und leistungsfähige Energiequellen benötigt.
In Raumfahrzeugen und U-Booten gibt es Bedarf an elektrischer Energie, ohne dass Verbrennungsmotoren eingesetzt werden können. Da Batterien für Raumfahrzeuge zu schwer sind, entschied sich die NASA (z.B. im Apollo Programm) für die direkte chemische Energieerzeugung durch Brennstoffzellen.

Die zivile Nutzung der Brennstoffzelle wurde erst in den letzten 10 Jahren interessant.
Wissenschaftler und Ingenieure entwickelten zu Beginn der 90er Jahre verschiedene neue Konzepte und Technologien, mit denen es gelang, die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle kontinuierlich zu steigern und gleichzeitig die Kosten zu senken. Inzwischen reichen die Einsatzmöglichkeiten von Fahrzeugantrieben, Hausheizungen und Blockheizkraftwerken bis in den Bereich der Kleinstanwendungen wie Mobiltelefone oder mobile Computer hinein.

Die Brennstoffzelle könnte die Welt der Energietechnik revolutionieren!

 

Aufbau einer Brennstoffzelle

Brennstoffzellen sind sehr einfach aufgebaut. Die eigentliche Zelle besteht aus drei übereinander liegenden Schichten: Zwei gasführenden Platten und einem dazwischen liegenden Elektrolyten.

Die gasführende erste Schicht ist die Anode, die zweite ein Elektrolyt und die dritte Schicht bildet die Kathode. Anode und Kathode dienen als Katalysator. Die mittlere Schicht besteht aus einer Trägerstruktur, die den Elektrolyten in sich aufnimmt. Als Elektrolyten dienen in den verschiedenen Brennstoffzellentypen jeweils unterschiedliche Stoffe. Manche Elektrolyten sind flüssig, andere sind fest und haben eine Membran-Struktur.

Da eine einzelne Zelle nur eine kleine Spannung erzeugt, werden je nach benötigter Spannung einzelne Zellen in Reihe geschaltet, d.h. aufeinander gestapelt. Solch ein Stapel nennt sich "Stack". Die Spannungen der einzelnen Zellen addieren sich zu einer Gesamtspannung die an einem solchen Stack anliegt.

 

Das Grundprinzip der Brennstoffzelle

Die Brennstoffzelle kehrt den Prozess der aus dem Schulunterricht bekannten Elektrolyse um. Erinnern wir uns: bei der Elektrolyse wird Wasser mit Hilfe elektrischer Energie in die gasförmigen Bestandteile "Wasserstoff" und "Sauerstoff" zerlegt. Beide Gase können getrennt voneinander aufgefangen werden.

Die Brennstoffzelle nimmt genau diese beiden Stoffe "Wasserstoffgas" und "Sauerstoff" und wandelt sie wieder in Wasser. Dabei wird theoretisch die Menge elektrischer Energie wieder abgegeben, die bei der Elektrolyse zur Spaltung notwendig war. In der Praxis führen verschiedene physikalisch-chemische Prozesse und innere elektrische Widerstände zu geringfügigen Verlusten. Außerdem ist es einfacher, statt Sauerstoff einfach Luft zu verwenden. Der in der Luft enthaltene Sauerstoff reagiert dann mit dem Wasserstoff zu Wasser. Man kann also sagen, "wenn bei der Elektrolyse der Wasserstoff aufgefangen wird", wird elektrische Energie in Form von Wasserstoff gespeichert. Mit "Wasserstoff" haben wir also ein Gas, in dem wir Energie speichern können. Geben wir den Wasserstoff in eine Brennstoffzelle, so können wir damit die im Wasserstoff gespeicherte Energie in Form von elektrischem Strom zurück gewinnen. Und zwar genau zu dem Zeitpunkt, wenn wir den Strom benötigen.

Es gibt verschiedene Arten von Brennstoffzellen die sich in Aufbau und Funktionsweise unterscheiden. Exemplarisch soll anhand einer PEM-Brennstoffzelle (siehe auch PEM-Brennstoffzelle) das grundlegende Arbeitsprinzip der Brennstoffzelle beschrieben werden.

Befindet sich an der mit einem Katalysator belegten Anode Wasserstoff und an der Kathode Sauerstoff (Luft), läuft folgender Vorgang ab: Ein Wasserstoffmolekül (H2) wird unter Abgabe von zwei Elektronen in zwei Wasserstoffatome gespalten. Die entstandenen Wasserstoff-Ionen (H+, auch Protonen genannt) wandern durch den für sie durchlässigen Elektrolyten zur Kathode und oxidieren mit dem Sauerstoff zu Wasser. Damit Wasser entstehen kann, werden jene Elektronen benötigt, die vorher an der Anode abgegeben wurden. Der Elektrolyt stellt aber einen Isolator dar, durch den sich die Elektronen nicht bewegen können. Verbindet man nun die beiden Elektroden mit einem elektrischen Leiter, so wandern die Elektronen durch diesen von der Anode zur Kathode: es fließt ein nutzbarer, elektrischer Strom.

Dieser Prozess läuft kontinuierlich ab, solange ausreichend Wasserstoff und Sauerstoff an Anode und Kathode zur Verfügung stehen.

 

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