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Brennstoffzelle
Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, die die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Im Sprachgebrauch steht Brennstoffzelle meist für die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle.
Die Gewinnung von elektrischer Energie aus chemischen Energieträgern erfolgt heute zumeist durch Verbrennung und Nutzung der entstehenden heißen Gase in einer Wärmekraftmaschine, welche einen Generator antreibt. Dies geschieht durch die Umwandlung der thermischen Energie in mechanische Arbeit. Die Brennstoffzelle ist geeignet, die Umformung ohne die Umwandlung in Wärme und Kraft zu erreichen und damit potenziell effizienter zu sein. Der Energiewirkungsgrad von Brennstoffzellen ist durch die Enthalpie bestimmt. In der Praxis sind die bisher von Brennstoffzellen erzielten Wirkungsgrade deutlich höher als die von Otto- oder Dieselmotoren, aber nicht wesentlich besser als die von modernen Gasturbinen, welche mit höheren Temperaturen operieren.
Besonders intensiv erforscht ist die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle. Wasserstoff kommt in der Natur nur in gebundener Form vor und muss daher erst erzeugt werden, wobei hohe Energieverluste entstehen.
Brennstoffzellen werden bereits als Energiewandler in der Raumfahrt (Apollo, Space Shuttle) und für U-Boot-Antriebe verwendet. Die häufig diskutierte Verdrängung des Verbrennungsmotors als Automobilantrieb ist derzeit nicht erkennbar, zumal Alternativen vorhanden sind (siehe Mobiler Einsatz). Jedoch ist es Wissenschaftlern des MIT vor kurzem gelungen, einen Katalysator zu entwickeln, der die Effizienz der Elektrolyse auf nahezu 100% steigern könnte.
Schon in Jahre 1838 wurde die Reaktion durch den Forscher Schönbein entdeckt. Dieser entdeckte bei einem Experiment mit zwei Platindrähten in einer Elektrolytlösung. DIese Drähte wurden mit Wasserstoff und Sauerstoff umspült und dabei wurde eine Spannung registriert.
Eine Brennstoffzelle besteht aus Elektroden, die durch eine Membran oder Elektrolyt (Ionenleiter) voneinander getrennt sind.Die Elektrodenplatten/Bipolarplatten bestehen meist aus Metall oder Kohlenstoffnanoröhren. Sie sind mit einem Katalysator beschichtet, zum Beispiel mit Platin oder mit Palladium. Als Elektrolyten können beispielsweise gelöste Laugen oder Säuren, Alkalicarbonatschmelzen, Keramiken oder Membranen dienen.
Die Energie liefert eine Reaktion von Sauerstoff mit dem Brennstoff, der Wasserstoff sein kann, jedoch ebenso aus organischen Verbindungen wie z.B. Methan und Methanol bestehen kann. Beide Reaktionspartner werden über die Elektroden kontinuierlich zugeführt. Die gelieferte Spannung liegt theoretisch bei 1,23 Volt für die Wasserstoff-Sauerstoff-Zelle bei einer Temperatur von 25 °C. In der Praxis werden jedoch nur Spannungen von 0,5 bis 1 V (experimentell auch darüber) erreicht. Die Spannung ist vom Brennstoff, von der Qualität der Zelle und von der Temperatur abhängig. Um eine höhere Spannung zu erhalten, werden mehrere Zellen zu einem Stack (engl. für "Stapel") in Reihe geschaltet.
Reversible Brennstoffzelle
Eine Weiterentwicklung der herkömmlichen Polymerelektrolytbrennstoffzellen auf Wasserstoff-Sauerstoff-Basis ist die Reversible Brennstoffzelle (en. reversible fuel cell, RFC), die ursprünglich aus der Kombination einer Wasserstoff-Brennstoffzelle mit einem Elektrolyseur bestand. Neuere Modelle kombinieren den Verbrennungs- und den Elektrolyse-Prozess, um Gewicht zu sparen und die Komplexität zu vermindern. Damit eignen sich reversible Brennstoffzellen als Energiespeicher und zum Einsatz etwa als Akkumulator.
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