Brennstoffzellen erzeugen elektrische Energie auf chemischem Wege wie Batteriesysteme. Anders als bei diesen lassen sich die Reaktanden aber kontinuierlich zu- und das Reaktionsprodukt abführen.

Nachdem der italienische Physiker Allessandro Volta (1745 bis 1827) im Jahre 1783 den Plattenkondensator entwickelt hatte, begann er 1794 mit der elektrochemischen Stromerzeugung zu experimentieren: Er tauchte einen Kupfer- und einen Zinkstab in verdünnte Schwefelsäure und erzeugte so eine Spannung, die in der später nach ihm benannten Einheit etwa ein Volt betrug. Dazu angeregt wurde er von einem Landsmann, dem Arzt und Naturforscher Luigi Galvani (1737 bis 1798), der die freipräparierten Nerven von Froschschenkeln mit zwei unterschiedlichen Metallen berührt und dabei eine Muskelkontraktion beobachtet hatte. Mit einer Reihenschaltung der dann als "galvanisch" bezeichneten Elemente erreichte Volta die hundertfache Spannung. Napoleon Bonaparte, dem er diese erste Gleichstromquelle 1801 in Paris demonstrierte, ernannte ihn zum Grafen und Senator der Lombardei; doch geringe Leistungen und Speicherkapazitäten behinderten die praktische Anwendung.

Auch als der englische Physiker Sir William Grove (1811 bis 1896) im Jahre 1839 das Prinzip der Brennstoffzelle entdeckte, waren die erzielbaren Leistungen recht begrenzt. Er hatte zunächst erstmals die thermische Dissoziation von Molekülen erzielt – Wasserdampf, mit einem Platindraht beheizt, zerfiel in Wasser- und Sauerstoff – und dann nachgewiesen, daß diese Reaktion als quasi kalte Verbrennung reversibel ist, wobei die chemische Energie direkt in elektrische umgewandelt wird.

Gegen Ende des 19. Jahrhunderts schien die elektrochemische Stromerzeugung jedoch bereits veraltet zu sein, denn Werner von Siemens (1816 bis 1892) entdeckte das elektrodynamische Prinzip, das auf der Induktion von elektrischem Wechselstrom in einer Spule beruht, die in einem Magnetfeld rotiert, und entwickelte entsprechende Generatoren. Zwar gab es immer wieder Arbeiten auch in der Elektrochemie; der 1920 mit dem Chemie-Nobelpreis ausgezeichnete Walter Nernst (1864 bis 1941) formulierte beispielsweise 1889 die Theorie der galvanischen Stromerzeugung. Aber technische Bedeutung erlangten lediglich die Batterien, also solche galvanischen Elemente, deren Spannung sich mit der Zeit erschöpft.

Erst für Raumfahrzeuge und Unterseeboote wurde die Brennstoffzelle in den sechziger Jahren wiederentdeckt. Seit ihrem ersten Einsatz 1963 in den Gemini-Missionen haben Alkalizellen, in denen Kalilauge als Elektrolyt dient, mehr als 10000 Betriebsstunden im Weltraum absolviert. Sie verbrennen Wasserstoff und Sauerstoff und liefern dabei Strom mit einem Wirkungsgrad von 60 Prozent sowie reines Wasser als Reaktionsprodukt zur Versorgung der Besatzung.

Weil so die Brennstoffe optimal genutzt und keine Schadstoffe emittiert werden, sucht man derartige Stromquellen seit einigen Jahren auch für elektrische Fahrzeugantriebe und in Kraftwerken für die gleichzeitige Erzeugung von Strom und Wärme einzusetzen. Perspektiven auf eine nachhaltige Energiewirtschaft ergeben sich aus der Möglichkeit, Wasserstoff mittels Solar- oder Hydroenergie bereitzustellen (Spektrum der Wissenschaft, August 1989, Seite 30, September 1990, Seite 34, November 1990, Seite 158, und April 1992, Seite 130).


Funktionsweise

Wenn sich elektrisch neutrale Moleküle oder Atome miteinander verbinden, tauschen sie Elektronen aus; der Chemiker spricht von Redoxprozessen, da sich bei einem Partner die negative Ladung erhöht (Oxidation), beim andern verringert (Reduktion). Weil das aber völlig ungeordnet an einer Vielzahl von Teilchen geschieht, ist von außen kein Stromfluß feststellbar. Trennt man nun die beiden Reaktionen räumlich, indem man sie jeweils auf die Kontaktfläche von Elektrode und Elektrolyt begrenzt, lassen sich die bei der Reduktion abgegebenen Elektronen in einem angeschlossenen Gerät – etwa Lampe oder Motor – als Strom nutzen (Bild 1).

Dazu müssen die gasförmigen Reaktionspartner – beispielsweise Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel – durch die Poren der jeweils dafür vorgesehenen Elektrode an die Grenzflächen herangeführt werden, wo sie Elektronen mit den Elektroden austauschen und in ihre atomaren Bestandteile zerfallen. Negativ geladene Sauerstoff-Ionen (O2-) wandern durch den Elektrolyten und treffen an der Grenzfläche zur Anode mit Protonen – positiv geladenen Wasserstoff-Ionen (H+) – zusammen. Sie geben ihre überschüssigen Elektronen an diese ab, und es bildet sich Wasserdampf (H2O). Dieser diffundiert durch die Anode zurück und wird als Abgas entfernt. Die an die Anode abgegebenen Elektronen wandern über den äußeren Stromkreis zur Kathode, wo sie vom Sauerstoff aufgenommen werden.


Optimaler Wirkungsgrad

Im Unterschied zur Stromerzeugung über die verlustbehaftete Kette Wärme – Dampf – Turbine – Generator kann der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle, sofern sie reversibel betrieben wird, die Reaktion also in allen Teilschritten umkehrbar abläuft, mehr als 100 Prozent betragen, weil das System auch der Umgebung entnommene Wärme in elektrische Energie umsetzt. Bei Stromentnahme ist das nicht mehr gegeben. Dann berechnet man den sogenannten praktischen Wirkungsgrad als Quotienten aus der nun an den Klemmen gemessenen Spannung und der theoretischen Zellenspannung.

Klemmenspannung und damit auch Wirkungsgrad ändern sich mit zunehmender Stromdichte. Eine typische Kennlinie (Bild 3) zeigt den anfänglich schnellen Abfall.

Es folgt ein allmählich abfallender Bereich, in dem der ohmsche Widerstand des Elektrolyten und die begrenzte Reaktionsgeschwindigkeit dominieren. Diese Begrenzung hat ihre Ursache in der beschränkten Anzahl aktiver Zentren, also Berührungspunkten von Elektrolyt- und Anodenteilchen sowie Gasraum. Aufgrund der weitgehenden Linearität des Kurvenabschnitts läßt sich eine Brennstoffzelle in diesem Bereich steuern.

Der Grund für den endgültigen Abfall der Kennlinie ist die Diffusionshemmung, also das bei hohen Stromdichten – mehr als 800 Milliampere pro Quadratzentimeter – unzureichende Vermögen des Systems, ausreichend Reaktionspartner heranzuführen und Reaktionsprodukte abzutransportieren. Insgesamt vermindern diese Effekte den realisierbaren Wirkungsgrad im besten Falle auf etwa 60 Prozent.


Nieder- und Mitteltemperatur-Zellen

Man unterteilt Brennstoffzellen heute meist nach ihren unterschiedlichen Betriebstemperaturen in Nieder-, Mittel- und Hochtemperatur-Aggregate (Bild 2). Insbesondere die Möglichkeit bei einigen Systemen, mit Luft statt mit reinem Sauerstoff zu arbeiten oder ihre eigene Prozeßwärme zur Wasserstoffaufbereitung (Reformierung) aus Methan oder Kohlegas zu nutzen, erschließt unterschiedliche Anwendungsgebiete.

Die alkalische Brennstoffzelle hat die höchsten Wirkungsgrade und benötigt auch nur – außer den Edelmetallelektroden – relativ preiswerte Materialien. Niedrige Betriebstemperaturen und die geringe Korrosivität der Kalilauge stellen kaum Werkstoffprobleme. Teuer sind aber Oxidationsmittel und Brennstoff: Weil der Elektrolyt mit Kohlendioxid zu Karbonat reagiert, muß reiner Sauerstoff verwendet werden statt Luft; und der Wasserstoff darf nicht unmittelbar in der Zelle aus Methan oder Erdgas gewonnen werden, weil dabei wiederum Kohlendioxid entstünde.

Die Brennstoffzelle mit Polymer-Elektrolytmembran (PEMFC) hat sich bereits in U-Booten bewährt. Mit einem Wirkungsgrad von 60 Prozent und derzeit 20 Kilowatt Leistung wäre sie eine ideale Energiequelle für Elektroautomobile. Weil Elektromotoren Wirkungsgrade von mehr als 90 Prozent und einen günstigen Drehmomentverlauf haben, lassen sich mit diesen Zellen gute Beschleunigungs- und Geschwindigkeitswerte auch für komfortable, großräumige Wagen erreichen. Durch ihre sehr viel größere Kapazität haben sie Vorteile gegenüber der Batteriespeisung.

Derzeit wird daran gearbeitet, den Luftbetrieb der PEMFC zu ermöglichen und die Fertigungskosten deutlich zu senken. Ein Problem beider Varianten sind aber die hohen Anschaffungskosten. Deswegen erwächst ihnen möglicherweise durch den Hybridantrieb – eine Kombination aus Diesel- und Elektromotor – ein ernsthafter Konkurrent. Dieser ist allerdings, wenn seine Batteriekapazität aus Kosten- und Gewichtsgründen klein gehalten werden muß, nur für kurze Zeit mit elektrischem, mithin emissionsfreiem Antrieb zu fahren.

Phosphorsaure Zellen für den Betrieb in Kraftwerken und Blockheizkraftwerken stehen derzeit vor der Markteinführung, Prototypen für Anlagengrößen von meist einigen 100 Kilowatt sind bereits im Einsatz. Von Nachteil ist der geringe elektrische Wirkungsgrad dieses Typs von etwa 40 Prozent. Ein Grund ist die zusätzliche energieverbrauchende Wasserstoffaufbereitung – die Betriebstemperatur von 200 Grad Celsius ist für die direkte Reformierung noch zu gering.

Nutzt man die Abwärme hingegen zu Heizzwecken, wird die eingesetzte Energie zu 90 Prozent genutzt. Allerdings geht der Wärmeverbrauch von Gebäuden dank besserer Isolierung insgesamt immer mehr zurück und schwankt zudem jahreszeitlich. Deshalb ist die Wirtschaftlichkeit der Stromgewinnung bei Blockheizkraftwerken wesentlicher; und so dürften phosphorsaure Zellen durch Hochtemperatur-Brennstoffzellen wegen ihres deutlich höheren Wirkungsgrades und der in Gas- und Dampfturbinen- (GUD)-Kraftwerken mit Leistungen im Megawatt-Bereich zu nutzenden Abwärme verdrängt werden. Für solche Kombinationen werden dann elektrische Wirkungsgrade bis zu 70 Prozent erwartet; allerdings sollen derzeit projektierte GUD-Kraftwerke allein schon 58 Prozent erreichen.


Hochtemperatur-Brennstoffzellen

In einer Entwicklungslinie verwendet man Carbonatschmelzen als Elektrolyt. Diese Zellen arbeiten bei 650 Grad Celsius und nutzen außer Erd- und Kohlegas sogar Kohlendioxid in den ablaufenden chemischen Reaktionen. Wegen der hohen Abwärme läßt sich der Wasserstoff aus kohlenstoffhaltigen Gasen direkt in den Zellen gewinnen. Diesem Vorteil steht die Aggressivität der Carbonatschmelze gegenüber, die bislang die Einsatzdauer der Werkstoffe noch zu stark einschränkt.

In oxidkeramischen Festelektrolyt-Brennstoffzellen (solid oxide fuel cells, SOFC) wird meist Zirkonoxid als Elektrolyt eingesetzt. Sie wird bei Temperaturen ab 850 Grad Celsius für Sauerstoff-Ionen leitend; die Elektroden bestehen aus Nickel und leitenden Oxiden.

Die derzeit weltweit leistungsstärkste SOFC in planarer Bauweise stammt aus unseren Entwicklungslabors; sie liefert bei Abmessungen von 26 mal 26 mal 4 Zentimetern 1,8 Kilowatt. Ihre wichtigste Komponente ist ein weniger als 0,2 Millimeter dickes Keramik-Elektrolytplättchen, das auf beiden Seiten mit keramischen Elektroden beschichtet wurde. Indem man vier mal vier davon aneinanderfügt und parallelschaltet, ergibt sich bereits ein Gesamtstrom von 200 Ampere; durch Stapeln solcher Ebenen in Reihenschaltung erhält man die geforderten Spannungswerte.

Zwischen die Ebenen legt man metallische bipolare Platten, um die Prozeßgase durch dünne eingefräste Kanäle zu- und abzuführen sowie den Strom abzuleiten (Bild 4). Die Kathoden aus Lanthanstrontiummanganat und die Nickelanoden sind mit dem Zirkonoxid-Festelektrolyten zu einem 100 bis 300 Mikrometer dicken Keramikverbund gesintert. Weil dieser immer etwas wellig ist, vermittelt eine Unebenheiten ausgleichende keramische Paste guten Kontakt zu den bipolaren Platten; nach dem Zusammenbau härtet sie beim Aufheizen während der Erstinbetriebnahme aus. Zudem muß der Verband durch Fensterfolien so abgedichtet werden, daß kein Gas von der Anoden- auf die Kathodenseite gelangen kann.

Die größten Herausforderungen an Werkstoffentwicklung und Konstruktion stellten jedoch die hohe Betriebstemperatur von 900 Celsius Grad und die Temperaturänderungen beim Anfahren und Abkühlen der Zelle dar. So mußte für die metallische bipolare Platte ein spezieller pulvermetallurgischer Werkstoff entwickelt werden, dessen Ausdehnungskoeffizient sehr eng an den des Keramikverbunds angepaßt ist. Dieses Material hat zudem hohe Korrosionsbeständigkeit gegenüber Wasserstoff, Sauerstoff und Wasserdampf.

Brennstoffzellen-Kraftwerke werden aus einer großen Zahl solcher Module bestehen, die sich dann in kostensparender Massenfertigung herstellen lassen. Schon eine Einheit von beispielsweise 50 mal 50 Zentimeter Fläche und einer Dicke von ein bis zwei Millimetern hat eine Leistung von einem halben Kilowatt. Ein Stapel aus 250 davon wäre 50 Zentimeter hoch und erbrächte mehr als 100 Kilowatt – fast jede beliebige Leistungsgröße wäre wirtschaftlich herstellbar. Bis zu einer großtechnischen Produktion von Hochtemperatur-Brennstoffzellen werden jedoch noch einige Jahre vergehen.

Die Wirtschaftlichkeit dieser Systeme ergibt sich insbesondere durch die Möglichkeit der direkten Reformierung. Vor allem Erdgas ist ein kostengünstiger, in vielen Regionen der Erde reichlich verfügbarer Brennstoff. Allerdings sind auch seine Ressourcen begrenzt, so daß langfristig andere Energiequellen verfügbar sein müssen. Technisch bereits machbar und in einer Pilotanlage schon in Erprobung (Bild 5) ist die Solar-Wasserstoff-Technik: Photovoltaisch erzeugter Strom spaltet Wasser elektrolytisch in Wasserstoff und Sauerstoff, die sich speichern oder transportieren lassen und dann als Primärenergieträger bedarfsgerecht zur Verfügung stehen. Bei ihrer sanften Verbrennung in Brennstoffzellen wird wieder Strom erzeugt. Das Reaktionsprodukt Wasser schließt den Stoffkreislauf.

Allerdings ist der Gesamtwirkungsgrad mit derzeit weniger als 10 Prozent so niedrig, daß die Investitionskosten um ein Vielfaches höher sind als die konventioneller Techniken. Zudem muß die Fertigungsenergie für die Komponenten und Anlagen konventionell erzeugt werden und wird erst nach vielen Jahren Betrieb wieder zurückgewonnen. Damit sich eine solche Gesamtanlage energetisch lohnt, muß sie also eine lange Betriebsdauer haben.

Eine Solar-Wasserstoff-Kreislaufwirtschaft läßt sich somit nur allmählich einführen. Dennoch ist sie wohl die effektivste Art, nachhaltig – das heißt ressourcen-, klima- und umweltschonend – auch für den künftigen Bedarf Energie zu erzeugen.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 7 / 1995, Seite 88
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