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Brennstoffzellen als Energiewandler
 
Brennstoffzelle Nahaufnahme
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Nahaufnahme einer Elektrode in einer Brennstoffzelle vom Typ PEMFC
   

In einer Brennstoffzelle wird chemische Energie in einem galvanischen Element durch das regelmäßige Zuführen eines Brennstoffs mit einem Oxidationsmittel in elektrische Energie umgewandelt. Im Gegensatz zu einer Batterie ist die Energie in der Brennstoffzelle nicht gespeichert; während des Betriebs wird ein Brennstoff zusammen mit dem Oxidationsmittel kontinuierlich zugeführt. Bei einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser, das aus der Brennstoffzelle laufend entnommen wird. Die Reaktionsgleichung entspricht der Knallgasreaktion, die Reaktion verläuft aber nicht explosionsartig, sondern geregelt: 
  
2 H2  +  O2   2 H2O    ΔHR = -572 kJ/mol 
  
Der deutsch-schweizerische Chemiker Christian Friedrich Schönbein (1799-1868) tauchte um 1838 zwei Platindrähte in eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit und umspülte sie mit Wasserstoff und Sauerstoff. Aufgrund der messbaren Spannung vermutete er, dass es möglich sein könnte, die "chemische Energie des Knallgases" in Elektrizität verwandeln zu können. Als eigentlicher Vater der Brennstoffzelle gilt aber der englische Naturwissenschaftler Sir William Grove (1811-1896). Grove beobachtete das Phänomen, dass nach einer Elektrolyse von Wasser eine elektrische Spannung an den Elektroden auftrat. Im Labor kann man ein ähnliches Experiment durchführen, wenn man mit zwei Kohlelektroden eine verdünnte Kalilauge elektrolysiert und nach dem Ende der Elektrolyse eine Spannungsmessung durchführt. Die in den feinen Poren der Kohle adsorbierten Wasserstoff- und Sauerstoffanteile reichen aus, um einige Zeit den Effekt aufrecht zu erhalten und sogar einen kleinen Solarmotor zu betreiben. 
  
Grove konnte nachweisen, dass der zuvor an den Platinelektroden gebildete Wasserstoff und Sauerstoff an den Elektroden reagierte und so die elektrische Energie erzeugte. Schon 1842 baute er eine Batterie, bestehend aus mehreren galvanischen Wasserstoff-Sauerstoff-Elementen. Grove experimentierte auch mit anderen Brennstoffen, die sich in einem galvanischen Element mit Sauerstoff oxidieren lassen, beispielsweise mit Ether, mit Alkoholen, mit Ölen oder mit Campher [Lit Glöckner 1994]. 
  
  
  
Brennstoffzellen-Batterie nach Grove (nicht kontinuierlich): In den Gefäßen befindet sich
verdünnte Schwefelsäure, die Glasröhren sind jeweils mit Wasserstoff und Sauerstoff gefüllt.
Darin befinden sich Platinelektroden. Der Voltmeter zeigt die elektrische Spannung an.
Grove versorgte mit dem erzeugten elektrischen Strom einen Elektrolyseur,
in dem Wasser wieder in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wurde.
 

Die oben gezeigte Anordnung erzeugt trotz der Hintereinanderschaltung der vier galvanischen Elemente nur Stromstärken von wenigen Milliampere. Zur Erzeugung einer höheren Stromdichte müssen poröse Plattenelektroden eingesetzt werden. Dadurch ist gewährleistet, dass die Oberfläche der sogenannten "Dreiphasenzone" vergrößert wird, nur dort findet eine schnelle Wanderung der Wasserstoff-Ionen statt. Damit wird die Stelle bezeichnet, an der die Elektrode, der Elektrolyt und die Gasphase direkt zusammentreffen [Lit Hamann 2005] . In der Anordnung nach Grove hat man eine solche Zone nur am Kontakt der Platinelektroden mit den Flüssigkeitsoberflächen innerhalb der Glasröhren. Zur Erhöhung der Stromdichte benötigt es poröse Trägermaterialien wie Kohlenstoffnanoröhren, gepresste Aktivkohle oder Sinternickel, die mit katalytisch wirkenden Metallen wie Platin, Palladium oder Ruthenium beschichtet sind. Die Gase perlen durch diese Schichten und durchdringen sie intensiv. In einer Brennstoffzelle muss der Elektrolyt wie eine Sperrschicht wirken, da sich sonst die elektrische Spannung über den Elektrolyt direkt entladet, ohne dass sie zwischen den beiden Elektroden genützt werden könnte [Lit Internet Leuschner 2011]. 
  
Der prinzipielle Aufbau einer Brennstoffzelle soll anhand der alkalischen Brennstoffzelle (AFC, Alkaline Fuel Cell) erläutert werden. Dieser Typ wurde bei den Apollo-Mondflügen der NASA zur Energieversorgung der Apollo-Raumfahrzeuge eingesetzt. Als Elektrolyt wird Kalilauge, eine wässrige Lösung von Kaliumhydroxid in Wasser, verwendet. Wasserstoff wird an der Anode, Sauerstoff an der Kathode umgesetzt. In den Apollo-Raumschiffen wog ein Wasserstoff-Sauerstoff-Zellen-Modul 110kg. Es lieferte 1120 Watt Leistung bei einer Spannung von 28 Volt. Im Vergleich dazu wäre ein Bleiakku erheblich schwerer gewesen [vgl. Lit Hamann 2005]. Im späteren Space Shuttle waren drei Brennstoffzellen-Anlagen im vorderen Teil des Raumschiffes untergebracht. Jede Anlage erzielte 2000 Watt Leistung. Über einen zeitlich begrenzten Zeitraum von 15 Minuten konnte jede Anlage sogar bis zu 12000 Watt erzeugen [Lit Schmidt-Walter] . 

Ein Nachteil der alkalischen Brennstoffzelle liegt darin, dass Luft als Oxidationsmittel nicht geeignet ist. Das darin enthaltene Kohlenstoffdioxid würde in der Lauge zu Carbonat reagieren und die Leistung der Brennstoffzelle herabsetzen. Daher kann sie nur mit reinem Sauerstoff betrieben werden. Die Betriebstemperatur liegt zwischen 20 und 90°C, es kann ein Wirkungsgrad bis zu 83% erreicht werden. Die theoretisch erzielbare Spannung beträgt 1,23 Volt, die tatsächlich verfügbare Spannung liegt aber nur bei höchstens einem Volt. Im Vergleich zu Brennstoffzellen mit festen Membranen (PEFC, PEMFC) ist der Wirkungsgrad besser, die Leistungsdichte aber etwas schwächer. 
  
Zum Aufbau einer alkalischen Brennstoffzelle im Schullabor eignen sich mit Platin oder mit Palladium beschichtete Nickeldrahtnetze. Als Diaphragma zur Trennung der Zelle wird poröser Ton verwendet. Zum Einsatz kommt verdünnte Kalilauge. Alternativ dazu werden in der Literatur auch Versuchsanleitungen beschrieben, bei denen eine 1molare Kaliumnitratlösung eingesetzt wird. In diesem Fall kann man einen dünnen Kartonstreifen als Trennwand verwenden [Lit Glöckner 1994] . 

Im Vergleich zur Knallgasreaktion wird die Gesamtreaktion - bestehend aus Oxidation und Reduktion - bei der alkalischen Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle in einzelne Schritte aufgespalten. An der Anode oxidiert Wasserstoff unter Elektronenabgabe. An der Kathode wird Sauerstoff unter Elektronenaufnahme reduziert. Die Hydroxid-Ionen  OHder Kalilauge dienen dabei als Ladungsträger in der Lösung. 
  
Oxidation an der Anode (-Pol) 2 H2  +  4 OH-   4 H2O  +  4 e-
Reduktion an der Kathode (+Pol) O2  +  2 H2O  +  4 e-   4 OH-


Gesamtreaktion 2 H2  +  O2   2 H2O
  
      
 
Bei der Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) kann ebenfalls Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser umgewandelt werden. Die im Lehrmittelhandel erhältlichen, reversiblen Brennstoffzellen, die gleichzeitig auch als Elektrolyseur dienen, gehören in der Regel zu diesem Typ. Eine Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC) ist ähnlich aufgebaut, nur verwendet sie Methanol oder ein Methanol-Wassergemisch statt Wasserstoff. Ein weiterer Vorteil der Brennstoffzellen mit Membran ist, dass auch ein Betrieb mit Luft möglich ist (statt mit Sauerstoff). Die PEMFC verwendet als Elektrolyt keine Flüssigkeit, sondern eine Polymer-Membran (in der Grafik unten orange). Nafion lässt sich durch eine Fluorierung und Sulfonierung von Teflon herstellen, es ist ein Kunststoff, der Protonen und Kationen leitet, während Anionen gesperrt werden. Daher ist Nafion ein optimaler Elektrolyt für Membranen in PEMFC-Brennstoffzellen. Das Nafion kam erstmals um 1969 in einem Satelliten zum Einsatz. Die Firma DOW-Chemical entwickelte später das DOW-Polymer, das eine noch höhere Leistungsdichte ermöglicht  [Lit Ledjeff-Hey, u.a. 2001] . 
  
  
  
  
Die Elektroden können aus Kohlenstoff aufgebaut sein (in der Grafik dunkelgrau), der mit einem Metall als Katalysator benetzt ist. Hierfür eignen sich Platin und Ruthenium oder Platin und Nickel. Auf die Elektrode wird eine Gasdiffusionslage (GDL) gepresst. Diese Schicht besteht aus einem Fasergewebe aus Graphit. Sie ermöglicht, dass die Gase fein zerteilt an die Elektrode herangeführt werden, außerdem reguliert sie einen optimalen Verlauf der Reaktion.  
 
   
 
Oxidation an der Anode (-Pol)  2 H2   4 H+  +  4 e-
Reduktion an der Kathode (+Pol) O2  +   4 H+  +  4e-   2 H2O

Gesamtreaktion 2 H2  +  O2   2 H2O
  
 
Die Grafik stellt den Aufbau einer PEMFC vereinfacht dar. Die tatsächlichen Schichtdicken sind viel geringer als  dargestellt. So werden pro Quadratzentimeter nur 0,1mg Edelmetall aufgetragen und die Elektrolytfolie ist höchstens 0,1mm dünn. Insgesamt beträgt die Dicke der gesamten PEMFC-Einheit nur etwa einen halben Millimeter! Mit einem Quadratzentimeter kann eine Leistung von einem halben Watt erzeugt werden [Lit Pehnt] . Der Wirkungsgrad ist etwas niedriger im Vergleich zur alkalischen Brennstoffzelle, dafür ist die Leistungsdichte höher. Außerdem wirkt der feste Elektrolyt nicht korrosiv, die Haltbarkeit der Zelle ist daher ein weiterer Vorteil. Der optimale Temperaturbereich liegt bei 60-120°C. Die katalytische Wirkung wird durch Verunreinigungen mit Kohlenstoffmonooxid herabgesetzt. Dies ist dann der Fall, wenn statt dem Wasserstoff Synthesegas als Brennstoff eingesetzt wird. Theoretisch würde die Spannung 1,23 Volt betragen, aber auch bei diesem Brennstoffzellentyp erreicht man in der Praxis nur Spannungen von 0,6 - 0,9 Volt. Durch eine Reihenschaltung mehrerer Einheiten erhält man Stacks oder Stapel mit einer höheren Entnahmespannung. Im Handel sind Stacks von fünf bis einhundert Einheiten erhältlich. Die Einzelzellen sind dabei jeweils durch eine Bipolarplatte verbunden. 
  
  
 
Hier sind fünf PEMFC-Einheiten zu einem Stapel verbunden.
 

Neben der alkalischen Brennstoffzelle und der PEMFC gibt es noch weitere Typen mit unterschiedlichen Elektrolyten. Bei der Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC) wird Phosphorsäure in Gelform als Elektrolyt und Wasserstoff oder Methan als Brennstoff verwendet. Diese Brennstoffzelle benötigt eine relativ hohe Betriebstemperatur von etwa 200°C. Noch höhere Temperaturen sind für den Betrieb der Schmelzcarbonat-Brennstoffzelle (MCFC, 650°C) oder bei der oxidkeramischen Brennstoffzelle (SOFC, 800°C) notwendig. Der Vorteil dieser beiden Typen besteht darin, dass sie auch mit Kohlegas oder Biogas betrieben werden können. Die SOFC verwendet eine ionenleitende Keramik aus Zirkonoxid mit einer Beigabe von Yttriumoxid als Elektrolyt.  
 
 
Weitere Informationen
Arbeitsblätter   
Solarenergie   
Wasserstoff im Periodensystem  
Experimente mit Wasserstoff und Wasserstoffauto   
  
Literaturquellen  
Literaturverzeichnis 
  
Weitere Infos im Internet  
Brennstoffzellen (Prof. Blume)  
Informationen über Brennstoffzellen (Umweltbundesamt)  
Alexander Kabza - Informationen zum Thema Brennstoffzellen: www.pemfc.de
Schmidt-Walter, Heinz: Projekte Brennstoffzellen und Brennstoffzellen in der Raumfahrt  
   
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