Die Brennstoffzelle

Die Brennstoffzelle ist ein elektrochemisches Gerät, das Wasserstoff mit Sauerstoff verbindet, um elektrische Energie, Hitze und Wasser zu produzieren. In vielen Teilen gleicht die Brennstoffzelle einem Akku. Sie verlangt aber keine regelmässige Wiederaufladung, weil Sauerstoff und Wasserstoff ständig von aussen geliefert werden. Sauerstoff kommt aus der Luft und Wasserstoff wird als Brennstoff aus einem Druckbehälter bezogen. Als alternativer Brennstoff kann Methanol, Propan, Butan oder natürliches Gas verwendet werden.

Die Brennstoffzelle erzeugt die Energie nicht durch Verbrennung, sondern durch einen elektrochemischen Prozess. Es gibt wenig oder gar keine schädlichen Emissionen. Das einzige Abfallprodukt ist sauberes Wasser. In der Tat ist das Wasser so rein, dass Besucher im Vancouver Ballard Power System sauberes Wasser aus den Auspuffrohren der Busse tranken, die mit der Ballard Brennstoffzelle angetrieben wurden.

Die Brennstoffzelle ist doppelt so effizient in der Energieumwandlung durch einen chemischen Prozess wie durch Verbrennung. Wasserstoff, das einfachste Element, bestehend aus einem Proton und einem Elektron, ist reichlich vorhanden und aussergewöhnlich sauber als Brennstoff. Wasserstoff macht 90% des Universums aus. Solch ein Reichtum an Brennstoff würde eine fast unerschöpfliche Menge an Energie zu relativ geringen Kosten zur Verfügung stellen. Aber es ist ein Preis zu bezahlen. Der Kern der Brennstoffzelle, der Sauerstoff und Wasserstoff umwandelt, ist teuer zu bauen und zu unterhalten.

Wasserstoff muss in einer Druckflasche transportiert werden. Egal ob Propan, Erdgas oder Diesel gebraucht wird, es braucht einen Reformer, der das Wasserstoff aus dem Brennstoff herauszieht. Die Reformer für PEM sind unhandlich und teuer. Sie starten langsam und eine Reinigung ist erforderlich. Oft wird der Wasserstoff mit tiefem Druck geliefert und zusätzliche Kompression ist nötig. Brennstoffeffizienz geht so verloren und es kommt zu Verunreinigungen der Umwelt. Diese Schadstoffe sind jedoch 90% weniger gefährlich als die Abgase eines Autos.

Das Konzept der Brennstoffzelle wurde 1839 von Sir William Grove, einem walisischen Richter und Wissenschaftler entwickelt. Die Erfindung hatte nie grossen Erfolg, zum Teil wegen dem Siegeszug des Verbrennungsmotors. Es war erst in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts, als Wissenschaftler lernten, Materialien wie Platin und TeflonÔ besser zu nutzen, dass die Brennstoffzelle auch praktisch genutzt werden konnte.

Eine Brennstoffzelle ist eine umgekehrte Elektrolyse. Sie beinhaltet zwei separate Elektroden, die durch einen Elektrolyt verbunden sind. Wasserstoff wird der negativen Elektrode (Anode) und Sauerstoff der positiven Elektrode (Kathode) zugeführt. Ein Katalysator an der Anode teilt den Wasserstoff in positiv geladene Wasserstoffionen und Elektronen auf. Beim PEM-System wird der Sauerstoff ionisiert und zieht dann über den Elektrolyt zum positiven Teil, wo er sich mit Wasserstoff verbindet. Die Nebenprodukte sind Elektrizität, Hitze und Wasser. Eine einzelne Brennstoffzelle erzeugt 0.6 bis 0.8V unter Last. Mehrere Zellen sind in Serien verbunden um höhere Spannung zu erhalten.

Zum ersten Mal praktisch angewendet wurde das System der Brennstoffzelle ab 1960 während des Gemini Space Programms, als diese Energiequelle gegenüber der nuklearen oder solaren Energie vorgezogen wurde. Die Brennstoffzelle, basierend auf dem alkalischen System, erzeugte Elektrizität und produzierte das Trinkwasser der Astronauten. Die kommerzielle Anwendung dieser Energiequelle war zu dieser Zeit unerschwinglich wegen der hohen Materialkosten. In den frühen 1990er Jahren wurden Verbesserungen im Design der Zellen gemacht, welche zu zunehmender Energiedichte und reduzierten Platinladungen bei den Elektroden führten.

Die hohen Materialkosten hinderten Dr. Karl Kordesch, den Miterfinder der alkalischen Batterie, nicht sein Auto in den frühen Siebzigerjahren in eine alkalische Brennstoffzelle umzuwandeln. Dr. Kordesch fuhr seinen Wagen viele Jahre lang in Ohio, USA. Der Wasserstofftank war auf dem Dach platziert und im Kofferraum waren die Brennstoffzelle und die Ersatzbatterie verstaut. Nach Dr. Kordesch war noch genug Platz für vier Personen und einen Hund.