Harald Landes

Die Brennstoffzelle wurde zwar schon 1839, also 27 Jahre vor der Dynamomaschine erfunden. Aber erst seit wenigen Jahren nähert sich die Technik einem Entwicklungsstand, der schließlich dem Dynamo in einigen Anwendungsfeldern ernsthaft Konkurrenz machen könnte.

Was einerseits als Vorteil der Brennstoffzelle erscheint, die Erzeugung elektrischer Energie direkt aus der Oxidation eines Brenngases ohne Umweg über eine Flamme, eine Gas- oder Dampfturbine und einen Generator, entpuppt sich bei der Realisierung als große Hürde. Die aggressiven chemischen Bedingungen um den Verbrennungsvorgang herrschen nämlich in der Brennstoffzelle unweigerlich auch dort, wo z.B. elektrischer Strom über korrosionsanfällige Kontakte zwischen verschiedenen Materialien fließen muss.

Die bei der konventionellen Stromerzeugung über die Zwischenschritte chemisch-thermisch, thermisch-mechanisch und mechanisch-elektrisch stattfindende Energiewandlung ermöglichte offenbar durch die Entkopplung technischer Anforderungen eine wesentlich raschere Lösung der gestellten Aufgabe.

Nur High-Tech-Werkstoffe, die dementsprechend teuer sind, halten den Anforderungen des Brennstoffzellen-Betriebes stand. Diese hohen Kosten sind aber mit einem wirtschaftlich konkurrenzfähigen Produkt unvereinbar.

Damit sind schon die typischen Hindernisse charakterisiert, die einer raschen Verbreitung dieser Technik im Wege stehen und an deren Überwindung die Entwickler weltweit arbeiten.

Ihr wichtigstes Bauteil ist der so genannte Elektrolyt, ein Material, das elektrischen Strom ausschließlich in Form von Ionen, also geladenen Atomen oder Atomgruppen leitet. Der Elektrolyt trennt in Form einer dünnen, gasdichten Wand zwei flache Kammern. Die eine Kammer wird mit dem Brenngas, z.B. Wasserstoff, gespült, die andere mit Luft.

Abbildungen 1 und 2: links: Das Prinzip der Brennstoffzelle rechts: Röhrenförmige keramische Brennstoffzellen für ein Blockheizkraftwerk

Leitet der Elektrolyt z.B. Sauerstoffionen (O^2-), so saugt die sauerstoffverzehrende Oxidation des Wasserstoffs den Sauerstoff von der Luftseite durch den Elektrolyten auf die Brenngasseite. Da der Elektrolyt aber eben nur Ionen leitet, wird der Sauerstoff gezwungen, dabei Ladung zu transportieren.

Er muss Elektronen auf der luftseitigen Elektrolytoberfläche aufnehmen, sich dadurch in ein Ion verwandeln, den Elektrolyten durchqueren und auf der brenngasseitigen Elektrolytoberfläche diese Elektronen wieder abgeben, wenn er das Brenngas oxidiert.

Können die Elektronen von der Elektrolytoberfläche nicht abfließen, so baut sich eine elektrische Gegenspannung von etwa 1 V auf, die schließlich Ionenwanderung und Brenngasoxidation zum Stillstand bringt. Erst wenn die Elektronen durch einen äusseren Stromkreis von der Brenngasseite auf die Luftseite zurückfließen können, sinkt diese Gegenspannung, und Ionenfluss und Brenngasoxidation gehen wieder weiter.

Da die Elektrolytoberfläche, so wie der Elektrolyt selbst, nicht elektronenleitend ist, müssen sogenannte "Elektroden" aufgebracht werden, um die Ladungen in den äusseren Stromkreis abzuleiten. Damit der Umsatz zwischen den Gasmolekülen, den Elektronen und den Ionen erleichtert wird, sind die Elektroden gasdurchlässig, also porös, elektronisch gut leitend und katalytisch wirksam ausgeführt.

Zum Verständnis des Funktionsprinzips einer Brennstoffzelle ist es offensichtlich nebensächlich, ob das Oxidationsmittel, also der Sauerstoff, durch den Elektrolyten wandert oder ob der Elektrolyt nur das Brenngas, wie z.B. den Wasserstoff, als Ion passieren lässt. Für den jeweiligen technischen Anwendungsbereich ist dieser Unterschied allerdings wesentlich.

Der Energiebedarf für diesen Ladungstransport wird aus der Verbrennungswärme des Brenngases gedeckt. Deshalb wird bei der elektrochemischen Oxidation wesentlich weniger Wärme frei als bei der gewöhnlichen Verbrennung: statt dessen wird elektrische Energie an den äusseren Stromkreis abgegeben.

An die Anwendung des elektrochemischen Grundprinzips dieser Art der Stromerzeugung sind wir eigentlich gewöhnt, seit wir Taschenlampen benützen. In deren Batterie findet ein vergleichbarer Prozess statt, nur dass dort der Brennstoff und das Oxidationsmittel in den Elektrodenmassen gespeichert sind. Die Batterie ist "leer", wenn die Elektrodenmassen durch die den Strom treibende Oxidationsreaktion aufgebraucht sind. Dem gegenüber werden bei der Brennstoffzelle Brennstoff und Oxidationsmittel den Elektroden kontinuierlich über Leitungen zugeführt, so dass Strom fließen kann, solange diese Versorgung aufrecht erhalten wird.

Warum gilt heute die Brennstoffzelle als Hoffnungsträger einer umweltfreundlichen Stromerzeugung? Das ist zunächst gar nicht selbstverständlich. Zwar kann mit Wasserstoff, dem Brenngas, das für die elektrochemische Oxidation am besten geeignet ist, nur Wasserdampf als Abgas entstehen. Aber erstens gilt das auch für einen Wasserstoffmotor, und zweitens hat man so das Problem der CO₂-Freisetzung nur vom Ort der Stromerzeugung an den Ort der Wasserstoffproduktionsanlage verlagert.

Diese Schwierigkeit kann mit Hilfe der Hochtemperatur-Brennstoffzellen, die bei 650 bis 1000°C arbeiten, gelöst werden. Sie basieren auf Elektrolyten aus geschmolzenem Karbonat oder aus ionenleitender Keramik und können ihre eigene Abwärme dazu nutzen, den Wasserstoff, den sie "verzehren", aus Erdgas ohne zusätzlichen Energieaufwand selbst herzustellen. Mit solchen Konzepten konnten die Firmen MTU und Siemens in Anlagen von 100 bis 250 kW bereits Stromerzeugungswirkungsgrade von 46 % nachweisen. Damit kann der CO₂-Ausstoß pro erzeugter kWh, verglichen mit konventionellen Blockheizkraftwerken gleicher Größe, gesenkt werden.

Gemessen an der gewöhnlichen Verbrennung in einer Flamme erzeugt die Brennstoffzellen-Reaktion auch weniger von dem schädlichen Spurengas NO_x, da dieses erst bei Temperaturen deutlich über 1000°C nennenswert gebildet wird.

Bis heute wurde nur die prinzipielle Funktionsfähigkeit der Brennstoffzelle in verschiedenen technischen Anwendungen gezeigt. Es kommt nun darauf an, ein sowohl technisch zuverlässiges als auch wirtschaftlich konkurrenzfähiges Produkt zur umweltfreundlichen Stromerzeugung zu entwickeln. Dazu muss ein breites Spektrum von Disziplinen beherrscht werden. Im Fall der keramischen Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SOFC) sind das:

• elektronische und ionische Leitungsvorgänge in Metallen, oxidischen Keramiken und ihren Kontakten unter Betriebsbedingungen
• Thermodynamik der Brenngase und Zellmaterialien
• Gasdiffusion und Strömung in porösen Strukturen
• Elektrokatalyse an Elektrodenmaterialien
• Katalyse und Verfahrenstechnik der Brenngasaufbereitung/Wasserstofferzeugung
• Strömungsmechanik der Gase über den Elektroden, in den Gasverteilungskanälen und Zuleitungen
• Zelldesign und Erkennung kritischer Betriebszustände durch Computersimulation von Gasfluss-, Wärmefluss- und Stromflussverteilungen
• Chemische Wechselwirkung der Zellmaterialien und der Reaktionsgase im Dauerbetrieb ("Alterungsverhalten")
• Bruchfestigkeit der Zellen bei Beanspruchung durch Wärmedehnungseffekte (verursacht durch Temperaturunterschiede im Betrieb und beim Aufheizen und Abkühlen der Zellen)
• Herstellung metallischer und keramischer Ausgangsmaterialien und deren Formgebung
• Beschichtungstechnik zur Herstellung der dünnwandigen Zellstrukturen
• Maschinenbau.

Deshalb arbeiten in einem Brennstoffzellen-Entwicklungsteam Physiker, Chemiker, Werkstoffwissenschaftler, Verfahrenstechniker, Fertigungstechniker, Maschinenbauer und Elektrotechniker eng zusammen. Um eine marktgerechte Lösung zu finden, bedarf es frühzeitig der Einbindung des Marketings und potentieller Kunden.