Brennstoffzellen

Galvanische Zellen wandeln chemische Energie in elektrische Energie um, wie zum Beispiel in Akkumulatoren. Dabei laufen Reduktion und Oxidation der verwendeten Substanz räumlich getrennt in einer der beiden Halbzellen ab, die durch Verbinden mit einem Elektronenleiter und einem Ionenleiter zu einem Stromkreis geschlossen sind. Eine Brennstoffzelle besteht aus einer galvanische Zelle, bei der Brennstoff (z. B. Wasserstoff) und Oxidationsmittel (z. B. Sauerstoff) ständig zugeführt werden und damit kontinuierlich aus chemischer Energie elektrische Energie erzeugen.

Christian F. Schönbein
(1799−1868)

Die erste noch als Gasbatterie bezeichnete Brennstoff-zelle, siehe unten, erfanden in den Jahren 1838/1839 Christian Friedrich Schönbein und William Grove.

Die Gefäße der untenstehenden Abbildung sind mit verdünnter Schwefelsäure gefüllt. Die acht Kolben, die die Platinelektroden in den vier unteren Zellen umhüllen, sind vor der Inbetriebnahme mit Sauerstoff oder Wasserstoff gefüllt worden. Es entsteht eine galvanische Spannung. Wenn ein Verbraucher angeschlossen wird, fließt ein Strom Strom, und die Gase in den Kolben wandeln sich über H⁺ und O^2- in Wasser um.
In untenstehender Abbildung ist der Verbraucher wiederum eine galvanische Zelle (schwarzes Gefäß oben), in dem der umgekehrte Vorgang abläuft, also im Kolben befindliches Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt wird.

William Grove
(1811−1896)

Die Zukunftsvision für die Brennstoffzelle formulierte
Jules Verne im Jahre 1877:
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.

Auf einen wesentlichen Unterschied zu den mehrheitlich für die Stromerzeugung eingesetzten Wärmekraftmaschinen wies 1894 Wilhelm Ostwald hin:
Die Effizienz der Brennstoffzelle ist nicht durch den Carnot-Wirkungsgrad begrenzt.

Die Entwicklung technisch nutzbarer Brennstoffzellen für Raumfahrt und militärische Anwendungen begann in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts. Inzwischen sind zahlreiche Anwendungsgebiete erschlossen. Bei der einzelnen Brennstoffzelle, die eine Spannung von etwa einem Volt erzeugt, sind die aus einem Elektronen leitenden Material hergestellte Anode und Kathode durch eine Ionen leitende dünne Schicht getrennt. Größere Betriebsspannungen werden durch Stapelung solcher Zellen erreicht.

Obenstehende Abbildung zeigt den für alle Brennstoffzellen gültigen schematischen Aufbau, wobei Wasserstoff durch organische Verbindungen wie z.B. Methan oder Methanol und der reine Sauerstoff durch Luft mit einem Anteil von ca.
20 % Sauerstoff ersetzt werden können. An der Anode läuft die Oxidationsreaktion (Elektronenabgabe)

 

und an der Kathode die Reduktionsreaktion (Elektronenaufnahme)

Insgesamt entsteht das umweltfreundliche Abgasprodukt Wasser durch

Bei 70 °C wird die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (proton exchange membrane fuel cell, PEMFC) betrieben. Sie verwendet für die Elektrolytmembran ein gasdichtes und nicht Elektronen-leitendes aber Protonen-leitendes Ionomer (thermoplastischer Kunststoff). Der Wirkungsgrad zur Erzeugung elektrischer Energie erreicht 35 %. Eine Erhöhung des Wirkungsgrads auf 47 % ermöglicht die bei etwa 900 °C arbeitende Festoxidbrennstoffzelle (solid oxide fuel cell, SOFC). Die meist aus Yttrium-dotiertem Zirkonium hergestellte Elektrolytmembran hat eine gute Leitfähigkeit für Sauerstoffionen und ist wiederum nicht Elektronen-leitend. Ausführliche Darstellungen bieten "Planet Wissen" und Wikipedia.

 

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