Brennstoffzellen - die Energiequelle der Zukunft!


1. Prinzip

Die Brennstoffzelle ist wie die Batterie eine Apparatur zur Umwandlung von chemischer in elektrische Energie. Im Unterschied zur Batterie liegen die chemischen Energieträger (klassisch: H2 und O2) in gasförmiger Form vor. Dies ermöglicht eine kontinuirliche Energieumwandlung.

In der klassischen Brennstoffzelle wird H2 mit O2 oxidiert, wobei elektrischer Strom freigesetzt wird und Wasser entsteht (1 Zelle ~ 1.23 V).


2. Aufbau

Brennstoffzellen sind sehr einfach aufgebaut. Die eigentliche Zelle besteht aus drei übereinander liegenden Schichten: Anode - Elektrolyt - Kathode.

Anode und Kathode dienen als Katalysator. Die mittlere Schicht besteht aus einer Trägerstruktur, die den Elektrolyten in sich aufnimmt (je nach Brennstoffzellentyp flüssig oder Membranstruktur).

Da eine einzelne Zelle nur eine sehr geringe Spannung erzeugt, werden ja nach benötigter Spannung einzelne Zellen aufeinander gestapelt (Stack).


3. Chemische Reaktion

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


4. Anwendung

Der erste funktionsfähige Prototyp wurde bereits 1839 konstruiert (Sir William Robert Grove). Das Thema Brennstoffzelle geriet dann in Vergessenheit, erst in den 50er Jahren wurde die Brennstoffzelle in der Raumfahrt und Militärtechnik eingesetzt. Die zivile Nutzung der Brennstoffzelle wurde erst in den letzten Jahren interessant.


4.1 Alkalische Brennstoffzelle (AFC)

Sie ist der älteste Brennstoffzellentyp und findet in der Raumfahrt und U-Boot-Antrieben Verwendung. Diese Zellenart benötigt reinsten O2 und H2 und schon geringste Verunreinigungen zerstören die Zelle, für den täglichen Einsatz daher wenig geeignet.


4.2 Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEM)

Sie steht zur Zeit im Vordergrund der Brennstoffzellenentwicklung (Potential für Massenanfertigung, ca. 200 DM/kWh). Weitere Vorteile sind:

Die PEM-Brennstoffzelle ist sehr flexibel in der Anwendung, vom Mobiltelefon über Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen bis zu Fahrzeugantrieben. Diese Systeme sind oft mit einem Reformer gekoppelt, der Wasserstoff aus Erdgas oder Methanol freisetzt. Eine Weiterentwicklung ist die Direct Methanol Fuel Cell (DMFC), bei der ein Gemisch aus Methanol und Wasser oxidiert wird (kleine tragbare Geräte, z. B. Laptop).


4.3 Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC)

Dies ist der am weitesten entwickelte Brennstoffzellentyp und aufgrund der hohen Betriebstemperatur ideal für den Einsatz in Blockheizkraftwerken geeignet.


5. Probleme


Literaturhinweise:

http://www.innovation-brennstoffzelle.de

Büchi, F.: "Wasserstoff für?s Handy", Spektrum der Wissenschaft 7, 2001, S. 48ff