Daimler-Benz News vom 2.4.1995

So funktioniert die Brennstoffzelle

Hannover, 02. April 1995
Aus einer chemischen Reaktion direkt elektrischen Strom zu gewinnen - an diesem Ziel arbeiten weltweit Tausende von Forschern. Alle bisherigen Elektrizitätsgewinnungsverfahren - mit Ausnahme der Solarzellen - benötigen zwei oder mehr Schritte: In einer ersten Stufe entsteht dabei durch eine chemische Reaktion (z. B. Verbrennung) Wärme. Diese Wärme muß anschließend - meist in einem Sekundärkreislauf - z. B. durch Erhitzen von Wasser zu Wasserdampf, der dann eine Turbine antreibt - in elektrischen Strom umgewandelt werden. Die Nachteile dieser Verfahren sind bekannt: Bei dem mehrstufigen Prozeß entsteht wesentlich weniger elektrischer Strom als theoretisch möglich wäre. Der Techniker spricht von einem "niedrigen Wirkungsgrad" bei der Stromerzeugung.

Bei mobilen Anwendungen hatte aus diesem Grund die elektrisch erzeugte Energie bislang wenig Chancen, den Verbrennungsmotor abzulösen: Elektrische Energie, die so unökonomisch zu erzeugen ist und die dann noch in schweren Stromspeichern (Batterien) zu transportieren ist, muß es gegenüber dem Verbrennungsmotor schwer haben, der seine Energie unmittelbar an das Getriebe abgeben kann. Mit der Brennstoffzelle als Energieerzeuger könnte jetzt der Elektromotor eine echte Chance als Antrieb erhalten.

Das Prinzip der Brennstoffzelle

Sowohl die Elektrolyse - die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff - als auch die triviale Umkehrung dieses Vorganges, die explosionsartige Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff ("Knallgasreaktion") - gehören zum Standard-Repertoire des Chemieunterrichts. Weitgehend unbekannt ist die "kalte" Variante dieser Reaktion: In der Brennstoffzelle vereinigen sich Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser, wobei die freiwerdende Energie nicht in explosiver Form verpufft, sondern direkt in elektrischen Strom umgewandelt wird.

Der Trick: Die beiden Gase dürfen nicht direkt miteinander in Berührung kommen. Sie werden durch eine Schicht - den "Elektrolyt" - getrennt, der lediglich eines der beiden Gase passieren läßt, und zwar nur in elektrisch geladener Form, als lonen. In der protonenleitenden "PEM-Brennstoffzelle" (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) sind dies positiv geladene Wasserstoff-lonen (Protonen). Jedes von ihnen läßt ein Elektron zurück, so daß sich negative Ladung auf der Wasserstoff- und positive Ladung auf der Sauerstoffseite des Elektrolyt aufbaut und damit auch eine elektrische Spannung. Die Energie für diese "Ladungspumpe" stammt aus der Vereinigung der Wasserstoffionen mit dem Sauerstoff zu Wasser.

Der Elektrolyt einer solchen PEM-Zelle besteht aus einer nur zehntelmillimeterdicken Polymerfolie, die auf beiden Seiten mit einem platinhaltigen Katalysator beschichtet ist. Er unterstützt die lonisierung des Wasserstoffs bzw. die Reaktion der Wasserstoffionen mit dem Sauerstoff. Sogenannte Bipolarplatten schließen die Zelle auf beiden Seiten ab. Sie leiten in einem feinen Kanalsystem den Wasserstoff beziehungsweise Luft an den Katalysatorflächen entlang. Außerdem führen sie die Reaktionswärme ab und stellen die elektrische Verbindung zur Nachbarzelle her. Jede Zelle des von Daimler-Benz verwendeten Typs erzeugt eine Spannung von 0,6 Volt und hat eine Leistung von ca. 250 Watt. Durch das Zusammenschalten vieler Zellen in sogenannten Stacks wird die für das Fahren benötigte Energie bereitgestellt. Durch Regelung der Wasserstoff bzw. später der Methanolzufuhr kann die benötigte Energie unmittelbar erzeugt und genau dosiert werden.

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