Zur Geschichte der Brennstoffzelle
1839 beschrieb der in Swansea (Wales) geborene Physiker und Jurist William Robert Grove (1811-1896) eine "galvanische Gasbatterie". Duch "kalte Verbrennung" von Wasserstoff mit Sauerstoff sollte sie - mit einen Wirkungsgrad von nahezu 100% - elektrischen Strom liefern.
Einer der ersten Wissenschaftler der die Bedeutung dieser Entdeckung erahnte, war wohl Wilhelm Ostwald (1853-1932), der seit 1887 Direktor des ersten Lehrstuhls für physikalische Chemie in Leipzig war. Im Jahre 1894 beschreibt Ostwald seine visionären Ideen über die "wissenschaftliche Elektrochemie der Gegenwart und ... der Zukunft" folgendermaßen:
"Haben wir ein galvanisches Element , welches aus Kohle und dem Sauerstoff der Luft unmittelbar elektrische Energie liefert ...,dann stehen wir vor einer technischen Umwälzung, gegen welche die bei der Erfindung der Dampfmaschine verschwinden muss. Denken wir nur, wie ... sich das Aussehen unserer Industrieorte ändern wird! Kein Rauch, kein Ruß, keine Dampfmaschine, ja kein Feuer mehr ... ." [ 1 ]
Gleichzeitig räumte er aber bereits ein, dass es noch ein weiter Weg von dieser Idee bis zu einer technisch funktionierende Maschine ist:
"...denn bis diese Aufgabe einmal ernst in Angriff genommen wird, wird noch einige Zeit vergehen. Aber dass es sich hier nicht um eine unpraktische Gelehrtenidee handelt, glaube ich allerdings annehmen zu dürfen." [1]
Wie recht hatte Ostwald mit seinen Vorhersagen. Die ersten brauchbaren Brennstoffzellen wurden tatsächlich erst in den 50er Jahren unseres Jahrhunderts entwickelt, um sie zur Stromversorgung an Bord der Satelliten des amerikanischen Raumfahrtprogramms zu verwenden. Hier spielte sowohl der "astronomische" Preis dieser Geräte, als auch die extremen Reinheitsanforderungen an die verwendeten Gase keine Rolle. Später machte auch das Militär von der Brennstoffzelle Gebrauch und nutzt sie u.a. für den emissionslosen und geräuschfreien Antrieb von Elektromotoren in U-Booten. Auf der Suche nach neuen von fossilen Kohlenwasserstoffen unabhängigen Energiequellen und mit dem gestiegenen Umweltbewußtsein wurde gegen Ende der 80er Jahre erstmals ein breites Interesse an der Brennstoffzelle geweckt. Die Forschungsanstrengungen zu deren Realisierung wurden deutlich verstärkt. Insbesondere der Aspekt, daß die BZ eine Möglichkeit zur kohlendioxidfreien Erzeugung von elektrischer Energie darstellt, macht sie sowohl für die stationäre als auch für die mobile Nutzungen äußerst attraktiv. Der zu ihrer Betreibung notwendige Wasserstoff könnte als Träger chemischer Energie viele der bisher verwendeten Energieträger ablösen. Wasserstoff wird daher bereits oft als der Energieträger des 21. Jahrhunderts angesehen.

Die Funktion der Brennstoffzelle (BZ)
Brennstoffzellen sind elektrochemische Stromerzeuger, die ohne den Umweg über die Wärme, direkt aus einer chemischen Verbindung, Elektrizität erzeugen. Sie können auch als gasbetriebene Batterien, die durch kalte, elektrochemische Verbrennung eines Gases - in der Regel Wasserstoff- Gleichspannungsenergie erzeugen bezeichnet werden. [1]
Die Technologie der BZ basiert auf der Umkehrung der elektrolytischen Zersetzung des Wassers. Während bei der Wasserelektrolyse durch einen Stromfluß die Gase Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) gebildet werden, dreht sich diese Reaktion bei der BZ um:

Summe: 2 H₂ + O₂ -> 2 H₂O

Diese Gesamtreaktion wird in der BZ in zwei Einzelreaktionen getrennt, welche separat an den beiden Elektroden erfolgen. An der Anode wird der Wasserstoff zu Protonen oxidiert:

Anode: 2 H₂ -> 4 H⁺ + 4 e^-

während an der Kathode der Sauerstoff umgesetzt wird:

Kathode: O₂ + 4 H⁺ + 4 e^- -> 2 H₂O

An der Kathode herrscht also Elektronenmangel und an der Anode Elektronenüberschuß. Verbindet man nun die beiden Elektroden mit einem elektrischen Leiter, so fließt ein elektrischer Strom. Auf Grund der Trennung der beiden Reaktionen kann der Elektronenübergang nur durch einen äußeren Leiterkreis erfolgen. Dies ist in dem Schema (Abbildung 1) dargestellt. Die BZ besteht demzufolge aus zwei Elektroden, die mit Wasserstoff bzw. mit Sauerstoff versorgt werden müssen und einer dazwischenliegenden Trennschicht, dem Elektrolyten. Dieser Elektrolyt ist notwendig, damit sich die Gase nicht mischen und nicht in direkten Kontakt treten können. Er ist gewöhnlich flüssig oder halbflüssig. Auf Grund der verschiedenen Materialien, die für den ionenleitenden Elektrolyten verwendet werden, unterscheidet man unterschiedliche BZ-typen. Bei der hier verwendeten BZ handelt es sich um eine sogenannte Membranbrennstoffzelle (engl. Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEM), bei der ein wassergequollenes, ionenleitendes Polymer als Elektrolyt dient (Bild 1)

Abb. 1: Schema einer PEM-BZ

Bild 1 PEM- Brennstoffzelle

Neben der geringen Schadstoffemission haben Brennstoffzellen des weiteren den Vorteil eines extrem hohen Verstromungswirkungsgrades von 40-65%. Die erzielbaren Wirkungsgrade liegen damit deutlich höher als die von konkurrierenden Techniken wie Ottomotoren (10-20%), Dieselmotoren (20-35%) und Gasturbinen (15-40%). Des weiteren erlaubt die Aneinanderreihung von mehreren einzelnen Brennstoffzellen ("Einzeller") einen modularen Aufbau ("Stacks").

Der Verstromungswirkungsgrad eines Kohlkraftwerks liegt bei ca. 40% [3]. Der Nachteil der BSZ liegt zur Zeit noch in dem viel zu hohen Herstellungspreis. Bis 2016 wird jedoch ein Preisrückgang auf 1/100 des heutigen Preises geschätzt [3].

Siemens hat in Pittsburgh bereits ein erstes BSZ-Kraftwerk gebaut. In Nürnberg werden durch BSZ angetriebene Busse getestet.

Quellen:

[1] WDR Computerclub 2001

[2] Weitere Informationen finden Sie unter techni.chemie.uni-leipzig.de/bz/index.htm .

[3] Pro7-Magazin Galileo vom 2.5.01