Chance der Zelle – Die Technologie

Zu keinem anderen Zeitpunkt war die Brennstoffzellentechnologie der Serienreife so nah wie heute.


Zu keinem anderen Zeitpunkt war die Brennstoffzellentechnologie der Serienreife so nah wie heute.


Zukunftsweisende Wasserstofftechnologieanwendungen, wie der Einbau einer Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) in den tragbaren Computer genauso wie der Betrieb einer Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) als Kraftwerk für das Privathaus, kommen bereits heute schon zum Tragen. Das Wirkungsprinzip der verschiedenen Techniken ist dabei gleich: Ein Energieträger (zum Beispiel Wasserstoff, Erdgas oder Methanol) reagiert in der Zelle mit Sauerstoff aus der Luft. Dabei werden Elektrizität und Wärme freigesetzt. Auch die Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), die sich besonders für den Antrieb von Fahrzeugen eignet, funktioniert so. Sie wird mit Wasserstoff betrieben, als einzige Emission entsteht Wasserdampf.

Brennstoffzellen bilden einen jungen, globalen Technologiemarkt mit starkem Wachstum über die Branchen hinweg. Die Bedeutung für die Industrie zeichnet sich ab, je mehr Produkte aus der Entwicklung in die Serienfertigung überführt werden. Die Steigerung der Lebensdauer und die Kostensenkung sind nun wichtige Ziele der kommenden Jahre. Der neue Energiewandler fasziniert die Welt. Dabei ist das elektrochemische Prinzip der Brennstoffzelle schon 1839 von William R. Grove entdeckt worden. Doch erst die vergangenen 20 Jahre haben entscheidende Fortschritte in der Forschung gebracht, um die Brennstoffzelle auch für Alltagsanwendungen tauglich zu machen. Davon profitiert die Technologie jetzt, denn Brennstoffzellen starten im 21. Jahrhundert durch – und zwar mit voller Kraft.

Wasserstoff ist der Treibstoff für die besonders umweltfreundliche Brennstoffzelle. Die Nummer 1 des Periodensystems ist das einfachste und daher häufigste Element auf unserem Planeten. Wasserstoff kommt hier im Normalfall als Gas vor, dessen Moleküle aus zwei Atomen bestehen – dafür steht das chemische Kürzel H2. Diese Moleküle sind klein, leicht und haben eine hohe Energiedichte. So wird der Treibstoff zum Schlüssel für einen nachhaltigen Energiekreislauf: Aus Wasser wird durch Elektrolyse der darin befindliche Wasserstoff separiert, der Prozess wandelt dabei die elektrische Energie in chemische Energie um, die bei der erneuten Verbindung von Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser wieder freigesetzt werden kann. Bei dieser Umkehrung des Vorgangs entstehen Elektrizität und Wasserdampf. Am effizientesten lässt sich Wasserstoff auf diese Weise in einer Brennstoffzelle verwerten.

Mercedes-Benz B-Klasse F-CELL

Globale Verantwortung

Wasserstoff ist unendlich oft wieder verwendbar, deshalb lässt er sich überall mit Strom aus herkömmlichen oder am besten aus regenerativen Energiequellen durch Spaltung von Wasser gewinnen. Das geschieht entweder direkt mit am Ort gewonnener Energie – zum Beispiel durch einen Windpark neben dem Elektrolyseur. Oder der nachhaltig erzeugte Strom wird über das Netz geliefert.

Das sind die Eckpunkte einer Wasserstoffwirtschaft, die eine neue Qualität der Versorgung von Menschen in aller Welt mit Bedürfnissen wie Strom, Mobilität und Kommunikationstechnik erlaubt. Neue Qualität heißt dabei, dass Emissionen maßgeblich sinken und die Energiegewinnung nicht mehr von fossilen Rohstoffen abhängig ist. Das gilt insbesondere für die individuelle und kollektive Mobilität mit dem Kraftfahrzeug: Elektrofahrzeuge mit Brennstoffzelle, wie die B-Klasse F-CELL von Mercedes-Benz, setzen dazu an, die herkömmliche Technologie vergangener Jahre ganz einfach links zu überholen – und zwar auf den Straßen von heute. Das Fahrzeug ist der hochfokussierte Ausdruck außergewöhnlicher Kompetenz und jahrelanger Forschungs- und Entwicklungsarbeit: „In Sachen Brennstoffzelle hat Daimler international eine absolut herausragende Stellung, und in vielen Punkten sind wir eindeutig am besten aufgestellt“, sagt Christian Mohrdieck. Der Physiker leitet den Bereich Antriebsentwicklung für Brennstoffzellen- und Batterietechnik bei Daimler.

Die Funktionsweise der Brennstoffzelle


Auf die Membran ist beidseitig eine Katalysatorschicht aus Platin und Kohlenstoff aufgetragen. Dann folgt ebenfalls auf beiden Seiten eine Gasdiffusionsschicht (Gas Diffusion Layer, GDL), die für eine gleichmäßige Verteilung von Wasserstoffgas und Luft auf der Oberfläche der Zelle sorgt. Abgeschlossen werden die Brennstoffzellen schließlich von einer sogenannten Bipolarplatte. Das sind durch Kanäle für den Gasaustausch strukturierte Metallplatten, die gleichzeitig als Elektroden und Kühlelemente dienen: An der Anode wird der Wasserstoff zugeführt, an der Kathode die komprimierte Luft zur Sauerstoffversorgung. Feine Wasserkanäle in den Bipolarplatten dienen zur Kühlung.

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Wasserstoff und Luft liefern den Zellen die Zutaten für die kontinuierlich ablaufende Reaktion, die das Fahrzeug mit Energie versorgt. Der Wasserstoff reagiert, von der Katalysatorschicht aus Platin und Kohlenstoff angeregt, mit dem Sauerstoff zu Wasser. Dabei werden die Protonen durch die Membran hindurch an den Sauerstoff gebunden, die Elektronen des Wasserstoffatoms erzeugen dagegen einen Gleichstrom von der Anode zur Kathode. Und diese elektrische Energie treibt schließlich den Elektromotor an.

Seiten

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Text
Peter THOMAS

Fotografie
Stefan HOHLOCH

Erscheinungsdatum
27. Oktober 2010

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Kommentare

1 Kommentar zu “Chance der Zelle – Die Technologie


Dr.G.Marquardt


Guten Tag.
Durch ein Versehen habe ich das mir zugeschickte Exemplar 02/2010 mit dem interessanten Artikel über die Brennstoffzellen Technologie entsorgt.
Besteht die Möglichkeit, mir erneunt ein kostenloses Exemplar zur Verfügung zu stellen.
Danke im Voraus für Ihre Freundlichkeit.
Dr. Gottfried Marquardt
Schwabenstr. 7
89267 Illertissen

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