Brennstoffzelle

Entdeckung des Grundprinzips
Bereits 1839 demonstrierte der englische Astronom und Physiker WILLIAM GROVE (1811 - 1896) im Labor die prinzipielle Wirkungsweise eine Brennstoffzelle: Elektrolytisch erzeugter Wasserstoff und Sauerstoff wird Elektroden aus Platin zugeführt. Dabei bildet sich zum einen Wasser, zum anderen entsteht zwischen den Elektroden eine Spannung, die zu einem Strom führt (Bild 1).

Die Entwicklung einer leistungsfähigen elektrischen Quelle erwies sich allerdings als so schwierig, dass dieses Konzept nicht weiter verfolgt wurde. Hinzu kommt, dass mit der Entdeckung des elektrodynamischen Prinzips im Jahre 1866 durch WERNER VON SIEMENS (1816-1892) die Konstruktion von Dynamomaschinen möglich wurde, mit denen ausreichende Mengen elektrischer Energie erzeugt werden konnten.

Moderne Brennstoffzellen
Nach Vorarbeiten durch britische und russische Wissenschaftler in den 1930er Jahren gelangte die Brennstoffzelle nach dem Zweiten Weltkrieg wieder mehr und mehr in den Mittelpunkt des Interesses der Forschung. Der Grund hierfür waren einerseits Fortschritte in der Materialwissenschaft und Elektrochemie, welche effizientere und haltbarere Zellen ermöglichten. Andererseits suchte man im Kalten Krieg während des "Wettlaufs zum Mond" (1961-1969) und des Wettrüstens zwischen den USA und der Sowjetunion nach Stromquellen mit langen Betriebsdauern, zum Beispiel für Raketen, Satelliten oder U-Boote. Die erste praktische Anwendung von Brennstoffzellen war die Stromversorgung der US-amerikanischen Gemini-Weltraummissionen ab 1963. Auch die Raketen des Apolloprogramms, mit denen 1969 erstmals Menschen zum Mond flogen, sowie der Space Shuttle wurden mit Brennstoffzellen ausgerüstet.
Im Laufe der 70er Jahre gelangte der anthropogene, vom Menschen verursachte Treibhauseffekt in zunehmendem Maße ins öffentliche Bewusstsein. Seitdem wird verstärkt an der Entwicklung von Brennstoffzellen für die allgemeine Stromversorgung und auch als Fahrzeugantrieb geforscht; Brennstoffzellen, die mit Wasserstoff und Sauerstoff betrieben werden, erzeugen nämlich lediglich Wasser oder Wasserdampf als Abgas. Allerdings ist noch nicht abschließend geklärt, welche Effekte große Mengen an freigesetzten Wasserstoff auf die Ozonschicht der Erde haben würde.
Heute wird daran gearbeitet, sie als Energielieferanten für Elektroautos und sogar in Kraftwerken einzusetzen. Es gibt bereits eine Reihe von Prototypen von Autos mit Brennstoffzellenantrieb (Bild 3) und mehrere kombinierte Brennstoffzellen-Heizkraftwerke, die auf ihre Praxistauglichkeit getestet werden.

Die Brennstoffzelle
Konventionelle Brennstoffzellen nutzen den Vorgang der gesteuerten Knallgasreaktion (Redoxreaktion) zwischen Sauerstoff und Wasserstoff. Wird gereinigter Sauerstoff in einem geringeren Verhältnis zu Wasserstoff als 1 : 2 gegeben bzw. fehlt eine Zündquelle zur Überwindung der Aktivierungsenergie, so kann diese chemische Reaktion kontrolliert zur Umwandlung in elektrische Energie genutzt werden. Man bezeichnet diese Reaktion auch von der "kalten Verbrennung".
Eine Brennstoffzelle (Bild 2) besteht aus zwei elektrochemischen Halbzellen, die durch eine Polymermembran getrennt sind. Diese Membran besitzt eine Dicke von ca. 0,1 mm und ist undurchlässig für Wasserstoff, Sauerstoff und die elektrischen Ladungsträger (Elektronen), während die Oxonium-Ionen (Protonen) durch die Membran gelangen. Man spricht auch von einer semipermeablen Membran, die nur für ganz bestimmte Ionen oder Teilchen durchlässig ist.
Als Elektroden werden Grafit mit einer katalytischen Schicht aus Platin bzw. Platin-Legierungen mit sehr großen Elektrodenoberflächen (hohe Rauhigkeit bzw. hohe Porosität) eingesetzt, um so einen entsprechenden elektrochemischen Umsatz zu erreichen. Die Elektroden müssen die Redoxreaktionen bei möglichst niedrigen Temperaturen erlauben und gegen den Elektrolyten beständig sein.
Als Elektrolyt dient z. B. Kalilauge.
Die Anode wird mit Wasserstoff und die Katode mit Sauerstoff versorgt. Die bei der Oxidation abgegebenen Elektronen fließen von der Anode zur Katode und können von einem Verbraucher genutzt werden.

Letztendlich stellt die Gesamtelektrodenreaktion die Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff dar.

Die Vorteile der Brennstoffzelle bestehen darin, dass die Rohstoffe Sauerstoff und Wasserstoff nahezu unbegrenzt zur Verfügung stehen und dass das Reaktionsprodukt Wasser ökologisch unbedenklich ist. Außerdem ist der Wirkungsgrad, also das Verhältnis von erzeugter elektrischer zu aufgewandter chemischer Energie in Brennstoffzellen sehr hoch. Während etwa Solarzellen Werte von höchstens 20 % und ein Ottomotor einen Wirkungsgrad von 25 % (Dieselmotor bis 40 %) erreicht, liegt der Wirkungsgrad von Brennstoffzellen zwischen 40 % und 65 %. Mithilfe von Brennstoffzellen lässt sich darüber hinaus der Wirkungsgrad anderer Energiewandlungsanlagen kräftig steigern. So können Hochtemperaturbrennstoffzellen in Blockheizkraftwerken eingesetzt werden, deren Prozesswärme die Voraussetzung für den Betrieb der Brennstoffzellen liefert. Diese wandeln zugeführte chemische Energie (Wasserstoff und Sauerstoff) in elektrischen Strom um, wodurch der Wirkungsgrad der Gesamtanlage auf 70 % - 80 % anwächst - weit mehr als die knapp 60 %, die moderne Gaskraftwerke erreichen.

Die Nachteile ergeben sich aus der Verwendung von teurem und mit Luft hoch explosivem Wasserstoff. Anoden- und Katodenraum müssen strikt voneinander getrennt sein. Die sehr kleinen Wasserstoffmoleküle können trotzdem durch viele "dichte" Materialien hindurch diffundieren und so gefährliche Unfälle verursachen. Außerdem ist noch ungeklärt, welchen Effekt große Mengen an Wasserstoffmolekülen in der Atmosphäre, beispielsweise in der Ozonschicht ausüben..

Auch das "Nachtanken" von Wasserstoff als Kraftstoff ist nicht unproblematisch. Bei der Verwendung in Kraftfahrzeugen werden besonders hohe Anforderungen an das Volumen und die Dichtigkeit des Tanks sowie der Tankverschlüsse gestellt. Wasserstoff ist ein Gas mit geringem Kompressionsvermögen, sodass bei einem begrenzten Tankvolumen die Reichweite mit einer Tankfüllung nicht sehr groß ist. Weitere Sicherheitsprobleme ergeben sich aus der Explosivität von Wasserstoff-Luft-Gemischen. Um dieses Problem zu umgehen, wurde ein Reformierung genanntes Verfahren entwickelt. Darunter versteht man die Abspaltung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen, etwa Erdgas (Hauptbestandteil: Methan) oder Alkohol (Methanol) innerhalb oder außerhalb der Zelle. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass anstatt des teuren und gefährlichen Wasserstoffgases flüssiger Alkohol oder das preiswerte Erdgas als Betriebsstoff zugeführt werden kann. Nachteilig ist, dass die Reformierung Energie verbraucht, wodurch der Gesamtwirkungsgrad herabgesetzt wird.

Brennstoffzelltypen
Eine Einteilung der verschiedenen bisher entwickelten Varianten der Brennstoffzelle erfolgt meist nach der Betriebstemperatur. Niedertemperaturbrennstoffzellen haben Betriebstemperaturen von unter 100 °C. Auf Grund des notwendigen Einsatzes von Wasser können diese Brennstoffzellen nur bei relativ niedrigen Temperaturen betrieben werden, da Wasser unter Normaldruck beginnen würde zu sieden. Nur durch Druckerhöhung in der Brennstoffzelle könnten höhere Temperaturen erreicht werden. Damit in diesem Temperaturbereich eine ausreichend hohe Reaktionsgeschwindigkeit erreicht wird, müssen die Elektroden mit einem speziellen Katalysatormaterial beschichtet sein.
Die Vorteile dieser Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen liegen vor allem in ihrer hohen Flexibilität, d. h. der Möglichkeit, diese Zellen je nach Bedarf ein- und auszuschalten. Die Zellen erreichen schnell die notwendige Betriebstemperatur, da sie sich durch die eigene Wärmeproduktion der Zelle schnell aufheizt.
Zu den Niedertemperaturbrennstoffzellen zählt vor allem die alkalische Brennstoffzelle (AFC, alkaline fuel cell). Dieser Typ mit einer Betriebstemperatur von 80 °C bis 90 °C benutzt Wasserstoffgas als Brennstoff sowie Sauerstoff oder Luft als Oxidationsmittel. Namensgebend ist der Elektrolyt, eine alkalische Lauge wie Natron- oder Kalilauge. Da die starke Elektrolytlauge die meisten Polymere und viele andere Stoffe angreift, ist die Konstruktion langlebiger AFCs nicht einfach. Sie werden jedoch seit Jahren mit Erfolg im Space Shuttle eingesetzt, und zwar nicht nur zur Strom-, sondern auch zur Wasserversorgung!
Bei 60 °C bis 80 °C wird die Polymer-Elektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) betrieben. Der Elektrolyt besteht aus einer dünnen, Protonen (bzw. Oxonium-Ionen) leitenden Membran aus Perfluorosulfonsäure oder einem anderen Polymer-Ionenleiter, welche sich zwischen zwei ebenfalls flach ausgeführten Elektroden befindet. Eine Zelleneinheit besteht aus vielen hintereinandergeschalteten Membran-Elektroden-Kombinationen.
Beide Niedertemperaturzellen eignen sich prinzipiell für die Anwendung als Fahrzeugantrieb, jedoch muss reiner Wasserstoff getankt werden oder eine externe Reformierung erfolgen, da die Betriebstemperatur für eine gekoppelte Reformierung zu niedrig ist.

Mitteltemperaturbrennstoffzellen arbeiten bei 100 °C bis 600 °C. Ein Beispiel dafür ist die Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC, phosphoric acid fuel cell). Die Kohleelektroden tragen eine Katalysatorbeschichtung, der Elektrolyt ist Phosphorsäure. Die poröse Stützstruktur, welche den flüssigen Elektrolyten enthält, besteht aus speziellem Grafit, was die Gesamtkosten beträchtlich erhöht. Phosphorsäurezellen können mit Wasserstoff, der Kohlenstoffdioxid enthält, oder reformiertem Methan betrieben werden.

Hochtemperaturbrennstoffzellen arbeiten bei 500 °C bis 1000 °C, zum Teil auch darüber. Zwei Typen von Brennstoffzellen dominieren zurzeit im Hochtemperaturbereich: die Schmelzcarbonat- und die Festkeramik-Brennstoffzelle. Die Schmelzcarbonat-Brennstoffzelle (MCFC, molten carbonate fuel cell) entält geschmolzenes Calcium- oder Kaliumlithiumcarbonat als Elektrolyt, die Betriebstemperatur liegt bei 650 °C. Als Brennstoff dient eine Mischung aus Wasserstoff und Kohlenstoffmonooxid, das aus Wasser und einem fossilen Energieträger (z. B. Erdöl) gewonnen wird. Im Betrieb verbinden sich zunächst die Carbonat-Ionen des Elektrolyten mit Wasserstoff und Kohlenstoffmonooxid und bilden dann mit dem zugeführten Sauerstoff Wasser und Kohlenstoffdioxid. Als Strukturmaterialien für Pumpen, Lager u. a. werden Metalle und Spezialkunststoffe benutzt, wodurch dieser Zelltyp zwar dreimal teurer als AFCs, jedoch immer noch preiswerter als PAFCs ist. Mit Hochtemperatur-Brennstoffzellen können Wirkungsgrade von über 50 % erreicht werden. Neben den hohen Temperaturen stellt auch die Tatsache, dass Kohlenstoffmonooxid ein starkes Atemgift ist, die Ingenieure vor Probleme.
Mit 850 °C -1000 °C benötigt die Polymer-Elektrolytmembran-Brennstoffzelle (SOFC, solid oxide fuel cell) die höchsten Betriebstemperaturen. Als Elektrolyt dient das feste keramische Zirkondioxid. Anders als in den Protonen leitenden sauren und alkalischen Flüssigelektrolyten wandern hier Sauerstoff-Ionen (bzw. Oxid-Ionen) durch den Festelektrolyt von der Katode zur Anode. Das passiert allerdings nur bei den genannten hohen Temperaturen, weswegen für den Betrieb einer SOFC von außen Wärme zugeführt werden muss. Hochtemperaturbrennstoffzellen sollen zum Beispiel in Verbindung mit Heizkraftwerken eingesetzt werden. Durch die Abwärme der Kraftwerke werden sie auf Betriebstemperatur gebracht. Dadurch verschlechtert sich zwar die Energiebilanz, andererseits könnte bei den hohen Temperaturen die Reformierung besonders effektiv genutzt werden, sie könnte nämlich ohne weitere Energiezufuhr vor Ort, also innerhalb einer Zelle, erfolgen.

Erste Versuche gibt es auch zu Biobrennstoffzellen. Diese verwenden nur Grafit als Elektrodenmaterial und die katalysierende Wirkung wird durch Enzyme erreicht. Die Protonen in Biobrennstoffzellen werden nicht direkt aus Wasserstoff umgewandelt, sondern aus organischen Substanzen, wie Ethanol oder Methanol, umgesetzt. Die Enzyme spalten an der Anode von den Alkoholmolekülen Oxonium-Ionen ab. Der Nachteil der Biobrennstoffzellen ist, dass die Enzyme sehr sensibel auf Temperatur- bzw. auch pH-Änderungen reagieren und schon bei kleinen Schwankungen unbrauchbar werden. Deshalb wurden die Enzyme in einer porösen Polymerfolie verankert, die sich direkt um die Grafitelektrode befindet. Die Alkoholmoleküle können durch diese Poren zu den relativ großen Enzymmolekülen diffundieren und dort erfolgt der Prozess der Deprotonierung des Alkohols.

Anwendungen
Fahrzeugantrieb: Relativ weit entwickelt ist der Einsatz der Brennstoffzelle - in Verbindung mit einem Elektromotor - zum Antrieb von Personen- und Nutzfahrzeugen. Pionier dieser Entwicklung war der Daimler-Benz-Konzern, der 1994 das Versuchsfahrzeug Necar-I (New Electric Car), einen Kleintransporter, vorstellte, der mit einer Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzelle ausgestattet war (Bild 3). Im März 1999 wurde der auf der A-Klasse basierende Necar-4 präsentiert, nach Firmenangaben der erste emissionsfreie Brennstoffzellenpersonenwagen; er hat eine Leistung von 56 Kilowatt und erreicht über 100 km/h Höchstgeschwindigkeit. Auch andere Fahrzeughersteller arbeiten an entsprechenden Antriebsystemen.
Allerdings sind nur mit reinem Wasserstoff betriebene Brennstoffzellenfahrzeuge wirklich emissionsfrei, Fahrzeuge, die reformierte Kohlenwasserstoffe verwenden, emittieren das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid, wenn auch in deutlich geringerem Ausmaß als herkömmliche Verbrennungsmotoren. Welches der beiden Konzepte sich langfristig durchsetzen wird - entweder emissionsfrei, aber Aufbau einer Wasserstoffinfrastruktur, oder niedrige Kohlenstoffdioxidemission unter Nutzung der bestehenden Tankstelleninfrastruktur -, kann heute noch nicht abgesehen werden. Die geringen oder verschwindenden Schadstoffemissionen sind nicht der einzige Vorteil des Brennstoffzellenantriebs: Er ist lärmarm, nahezu vibrationsfrei, sehr wartungsfreundlich und hat aufgrund des hohen Wirkungsgrads einen relativ niedrigen Verbrauch. Der größte Nachteil ist die Gefahr einer Explosion des Wasserstofftanks bei Unfällen sowie die noch relativ geringe Reichweite.

Kraftwerke: Die zweite kommerziell aussichtsreiche Anwendung der Brennstoffzelle ist die Stromerzeugung in Großkraftwerken oder lokalen Blockheizkraftwerken. Für große Anlagen bieten sich Hochtemperaturzellen auf der Basis von Feststoffkeramikelektrolyten (SOFC) an, die mit der in einem Kraftwerk anfallenden Prozesswärme auf Betriebstemperatur gebracht werden können.
Am 19. Juni 2000 ging in Berlin-Treptow die erste Brennstoffzellenanlage Europas und die weltweit zweite Anlage mit einem PEMFC-Testaggregat in Betrieb. Die 250-kW-Anlage ist am Bewag-Heizkraftwerk Treptow installiert. Für die Strom- und Wärmeerzeugung wurde Erdgas und Wasserstoff genutzt. Der benötigte Wasserstoff wird mithilfe einer Solaranlage durch Elektrolyse erzeugt.
In Essen ist eine Demonstrationsanlage mit 300 Kilowatt Leistung ebenfalls im Jahr 2000 in Betrieb gegangen.

Raumfahrt: Das erste und am längsten erprobte Einsatzgebiet der Brennstoffzelle ist die Raumfahrt. AFCs haben viele, vor allem bemannte Raummissionen begleitet. Der Space Shuttle besitzt drei 92 Kilogramm schwere Brennstoffzelleneinheiten mit je 14 Kilowatt Leistung. Gleichzeitig produziert die Anlage sieben Liter Wasser pro Stunde. Der Wirkungsgrad der in der Raumfahrt benutzten Niedertemperaturzellen liegt mittlerweile bei über 80 %.

Solare Wasserstoffwirtschaft
Brennstoffzellen allein lösen trotz ihrer vielen Vorteile nicht das Problem der Klimaerwärmung durch die Verstärkung des natürlichen Treibhauseffekts. Die entscheidende Frage ist, auf welche Weise der Wasserstoff als Brennstoff gewonnen wird. Geschähe dies auf herkömmliche Weise durch Elektrolyse mit Strom aus Kohlekraftwerken, so würde die Kohlenstoffdioxidemission nur von der Brennstoffzelle in das Kraftwerk verlagert. Daher spielt in heutigen Szenarien für eine globale nachhaltige Energiewirtschaft die solare Wasserstoffwirtschaft eine große Rolle. Diese verbindet die Stromerzeugung aus Wasserstoff mit der Gewinnung von Wasserstoff durch Ausnutzung der Sonnenenergie. Der Strom, der für die Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser benötigt wird, könnte beispielsweise fotovoltaisch, also mit Solarzellen, gewonnen werden. Die Hauptschwierigkeit der Wasserstoffwirtschaft ist der sichere Transport und die Lagerung von großen Mengen von Wasserstoff, sollte dieser zum Hauptenergieträger der Weltwirtschaft werden. Die hierzu notwendigen Entwicklungskosten sollten aber durch die Vorteile einer praktisch unerschöpflichen und klimaverträglichen Energiequelle mehr als aufgewogen werden.