Brennstoffzelle

Wussten Sie, dass die Brennstoffzelle schon 1838 entdeckt wurde?

Die Fortschritte bei der Elektrifizierung der Antriebe werden immer deutlicher sichtbar: Ob es um die größere Reichweite der Batterien geht, um Fahrzeugantriebe oder um mobile und stationäre Anwendungen, die Brennstoffzelle als Energiewandler bietet viele Einsatzmöglichkeiten.

Aufgrund ihrer Kombination von hoher Effizienz in der Brennstoffausnutzung und der umweltfreundlichen Betriebsweise wird die Brennstoffzelle als eine neue Technologie für die zukünftige Energieversorgung angesehen. Jüngstes Anwendungsfeld der Brennstoffzellenforschung sind miniaturisierte Brennstoffzellen, die beispielsweise in Laptops oder bei weiterer Kompaktierung auch in Handys eingesetzt werden können. Die größten Herausforderungen in diesem Bereich bestehen in der Entwicklung kleiner Systemkomponenten und der kompakten Speicherung von Wasserstoff. Dies sind Bedingungen für die Herstellung einer Brennstoffzelle, die bei Umgebungstemperatur eine ausreichende Leistungsdichte und einen guten Wirkungsgrad aufweist.

Der Fahrzeugantrieb wird derzeit als das wichtigste potenzielle Anwendungsfeld der Membran-Brennstoffzelle (PEMFC) angesehen, die aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte und ihres großen Kostensenkungspotenzials favorisiert wird. So arbeiten fast alle großen Automobilhersteller an der Einführung von serienmäßigen elektrischen Antrieben.
Aufgrund der Aktualität des Themas scheint die Brennstoffzelle eine Erfindung des 21. Jahrhunderts zu sein, doch die Brennstoffzelle ist keine neue wissenschaftliche Entdeckung.

Brennstoffzelle

Brennstoffzellen nutzen das Prinzip der „kalten Verbrennung"

Das Wirkungsprinzip der Brennstoffzelle ist bereits seit 174 Jahren bekannt und beruht auf der kontrollierten elektrochemischen Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser unter Nutzung der abgegebenen elektrischen Energie. 1838 entdeckte Christian Friedrich Schönbein, Professor für Physik und Chemie an der Universität Basel, die elektrische Spannung zwischen zwei Platindrähten, die in einer Elektrolytlösung mit Wasserstoff und Sauerstoff umspült wurden. Ein Jahr später gelang dem britischen Physiker Sir William Grove in London die gezielte Umkehr der H2/O2-Elektrolyse und er entwickelte den ersten Stromgenerator, der dieses Prinzip nutzte. Sogar Zeitgenossen wie Jules Verne erkannten bereits das Potenzial der Brennstoffzelle. So schrieb der Schriftsteller 1870: „Das Wasser ist die Kohle der Zukunft. Die Energie von morgen ist Wasser, das durch elektrischen Strom zerlegt worden ist. Die so zerlegten Elemente des Wassers, Wasserstoff und Sauerstoff, werden auf unabsehbare Zeit hinaus die Energieversorgung der Erde sichern.“ Doch die neue Technik der „Galvanischen Gasbatterie“ konnte sich zuerst nicht gegen den Explosionsmotor, Dampfmaschinen und die späteren Dampfturbinen in der Erzeugung mechanischer und elektrischer Energie durchsetzen. Die edelmetallintensive Stromerzeugung mit Brennstoffzellen wurde daher weitestgehend eingestellt.

Erst mit Beginn der Raumfahrt wurden wieder Anforderungen an eine Stromquelle gestellt, die mit Batterien oder Wärmekraftmaschinen nicht zu erfüllen waren. 1960 entdeckte die NASA die Brennstoffzellen (Typ AFC – Alkaline Fuel Cell) als ideales Bordkraftwerk für Raumschiffe und setzte die ersten Brennstoffzellen in Gemini-Kapseln ein. In den heutigen Space Shuttles sorgen drei Brennstoffzellenmodule für maximal 12 Kilowatt Leistung – für das Trinkwasser und die Kühlung des Raumschiffs. Seitdem arbeiten immer mehr Wissenschaftler an „terrestrischen“ Anwendungen der Brennstoffzelle. Pioniere konstruierten in den 1960er-Jahren erste Brennstoffzellenvehikel. Der erste Brennstoffzellentraktor wurde 1959 vorgestellt.
Gefördert durch die kalifornische Gesetzgebung, die eine Verkaufsquote von ULEVs (Ultra-Low-Emission Vehicles) und ZEVs (Zero-Emission Vehicles) vorschrieb, kam es erst in den 1990er-Jahren zum Boom der Brennstoffzelle als kommerzielle Technologie. Seitdem macht die internationale Brennstoffzellenentwicklung große Fortschritte und insbesondere bei der PEMFC im Fahrzeugbereich sowie bei den Hochtemperaturbrennstoffzellen (MCFC, SOFC) ist eine Renaissance in der Brennstoffzellenforschung augenfällig. Ob sich die Brennstoffzelle jedoch gegen andere umweltschonende Technologien durchsetzen wird, bleibt abzuwarten.

Text: Harald Bröge
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