Brennstoffzellen sind technische Anordnungen, mit
deren Hilfe aus Wasserstoff und Sauerstoff elektrischer Strom erzeugt
werden kann.
Entdeckung des Grundprinzips
Bereits 1839 demonstrierte der englische Astronom und Physiker WILLIAM
GROVE (1811-1896) im Labor die prinzipielle Wirkungsweise einer Brennstoffzelle
(Bild 1): 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.
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
Erst als elektrische Quellen für U-Boote und für Raumfahrzeuge gewannen Brennstoffzellen wieder an Bedeutung. Sie wurden erstmals 1965 in der Raumfahrt als Energiequellen genutzt. Heute wird daran gearbeitet, sie als Energielieferanten für Elektroautos und sogar in Kraftwerken einzusetzen.
Aufbau und Wirkungsweise
Der Aufbau einer Brennstoffzelle ist in Bild 2 dargestellt. Sie besteht
aus zwei Elektroden und einem
Elektrolyten.
Die Anode wird mit dem Brennstoff,
meist Wasserstoff, und die Katode mit Sauerstoff versorgt. Der Elektrolyt
verbindet die beiden Elektroden miteinander. Bei einer Betriebstemperatur zwischen 80 °C und 1000 °C gibt Wasserstoff an der Anode (Minuspol)
Elektronen ab:
Die frei gewordenen Elektronen fließen
über einen Verbraucher zur Katode und können dabei Arbeit verrichten.
An der Katode nimmt Sauerstoff Elektronen auf. Sauerstoff-Ionen bewegen
sich durch den Elektrolyten zur Anode und vereinigen sich dort mit Wasserstoff-Ionen
zu Wasser:
Als Gesamtreaktion entsteht aus Wasserstoff und Sauerstoff Wasser. Eine einzelne Zelle liefert eine Spannung von 0,6 V bis 0,9 V. Durch Reihenschaltung solcher Zellen erreicht man Spannungen bis etwa 200 V.
Der Vorteil von Brennstoffzellen besteht vor allem darin, dass bei ihrem Betrieb keine Umweltbelastungen auftreten. Darüber hinaus ist ihr Wirkungsgrad mit 35 % bis 85 % sehr hoch.
Der derzeitige Nachteil von Brennstoffzellen besteht vor allem in den hohen Produktionskosten.