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Tutorial MenueElektrochemieLerneinheit 6 von 9

Brennstoffzellen - Funktionsweise und Anwendungen

Geschichte der Brennstoffzellen-Technik

Abb.1
Schematischer Aufbau einer Brennstoffzelle von Sir William Robert Grove (1842)

Die unteren vier Gefäße bilden die Brennstoffzelle. Der Strom, den sie aus Wasserstoff- und Sauerstoff-Gas erzeugt, versorgt einen Elektrolyseur, der das Gegenteil der Brennstoffzelle bewirkt: Er zerlegt Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff.

Die Erfindung der Brennstoffzelle liegt rund 170 Jahre zurück. Zu dieser Zeit entdeckten Sir William Robert Grove (1811-1896) und Christian Friedrich Schoenbein (1799-1868), dass eine Elektrolyse umkehrbar ist.

Grove elektrolysierte 1839 angesäuertes Wasser an Platin-Drähten und fing die dabei entstandenen Gase - Wasserstoff und Sauerstoff - in getrennten Reagenzgläsern auf. Als er die Anschlüsse der Elektroden in den Reagenzgläsern mit einem Galvanometer - einem elektromechanischen Strommessgerät - verband, schlug dieses aus. Er schloss daraus, dass durch die chemische Reaktion der beiden Gase an den Platin-Elektroden elektrische Energie erzeugt wird. Mit dieser umgekehrten Elektrolyse, der "kalten Verbrennung" von Wasserstoff und Sauerstoff, hatte Grove die Brennstoffzelle erfunden.

Nun war es möglich, mit freiwillig ablaufenden elektrochemischen Reaktionen elektrischen Strom zu erzeugen. Im Jahr 1842 konstruierte Grove eine größere Brennstoffzelle aus vier hintereinander geschalteten Elementen, die im unteren Teil von (Abb. 1) dargestellt ist. Wie ihre Vorgängerin produzierte sie Energie in Form von elektrischem Strom, durch Reaktion der Brennstoffe Wasser- und Sauerstoff zu Wasser:

2H2+ 4OH 4H2O+ 4e Anodenreaktion O2+ 2H2O+ 4e 4OH Kathodenreaktion 2H2+ O2 2H2O Gesamtreaktion

Entwicklung der Brennstoffzelle:

Die Spannungen und Stromstärken, die Brennstoffzellen lieferten, waren anfangs relativ gering. Außerdem war man noch nicht in der Lage, die chemischen Vorgänge in den Zellen vollständig zu verstehen und entsprechend zu optimieren. Bald setzten sich daher elektrische Generatoren (Dynamos) und Verbrennungsmotoren gegen Brennstoffzellen durch, denn sie waren verhältnismäßig einfach aufgebaut, unkompliziert zu warten und leicht zu verstehen. Die Brennstoffzellen-Technologie geriet vorläufig in Vergessenheit.

Einen starken Aufschwung nahmen die wissenschaftlichen Arbeiten zu Brennstoffzellen um 1950, als für die Weltraumfahrt leistungsfähigere Galvani'sche Systeme gesucht wurden als die zunächst eingesetzten primären Batterien. Die Bordenergieversorgung bemannter Raumfähren erforderte nämlich größere Stromspeicher, die höhere Leistungen erbrachten, als unbemannte. Bald stellte sich heraus, dass Brennstoffzellen relativ leicht sind, und man deshalb mehr Brennstoffe mitnehmen konnte. Die wachsende Grundlagenforschung gab wichtige Impulse zur Weiterentwicklung der Brennstoffzellen-Technologie.1) Dennoch spielt diese Technik aber - abgesehen von wenigen Spezialanwendungen - noch immer keine große Rolle.

Abb.2
Skizze des ersten Brennstoffzellen-Stapels, der im All zum Einsatz kam - an Bord der Raumfähre Gemini V.
Mit freundlicher Genehmigung der National Aeronautics and Space Administration

Die Gemini V, die 1965 von den USA ins All startete, war das erste Raumschiff mit Brennstoffzellen an Bord. Sie war mit zwei Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen-Einheiten ausgerüstet, die sich aus je drei der dargestellten Stapel zusammensetzten, die in Reihe geschaltet waren. Jeder Stapel fasste 32 Einzelzellen und lieferte zwischen 23 und 26V. Die maximale Leistung pro Brennstoffzellen-Einheit lag bei rund 1kW.

Abb.3
Auch das bemannte Raumschiff Gemini VII - hier 257km über der Erde - hatte Brennstoffzellen an Bord.
Mit freundlicher Genehmigung der National Aeronautics and Space Administration

Neben der Gemini V waren auch die folgenden Gemini Raumschiffe VII (Foto) bis XII mit Membran-Brennstoffzellen ausgerüstet. Sie dienten als Hauptstromquellen an Bord. Das Wasser, das beim Betrieb der Brennstoffzellen als Reaktionsprodukt anfiel, tranken die Astronauten.

Ausblick:

Durch den Klimawandel, der durch die großen Mengen Kohlendioxid verursacht wird, die bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entstehen, und steigende Preise für fossile Brennstoffe gewinnen Brennstoffzellen deshalb wieder an Bedeutung. Sie sollen helfen, Emissionen zu verringern und Betriebskosten zu senken.

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