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Hintergrund: Die Brennstoffzelle

Eine explosive Mischung: Wasserstoff und Sauerstoff

  • Nahaufnahme eines Funken sprühenden Schweißgerätes. Die hohe Temperatur einer Knallgasexplosion ist beim Schweißen nützlich; Rechte: dpa

Die Brennstoffzelle ist eine raffinierte Verpackung für die Energie freisetzende Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff. Sie zwingt einen Energieverschwender dazu, ehrliche Arbeit zu verrichten. Als Abfall entsteht dabei lediglich Wasser. Während die Versorgung mit dem umweltfreundlichen Wasserstoff noch nicht ausgereift ist, wird die Technik immer ausgefeilter.

Wasserstoff und Sauerstoff reagieren normalerweise explosionsartig zu Wasser. Ein Funke, ein Knall, eine Stichflamme – schon ist die Reaktion vorbei. Dieses ungestüme Verhalten prägte den Namen "Knallgasexplosion". Die Reaktion wandelt die chemische Energie der Ausgangsstoffe in Wärme um. Die Stichflamme wird bis zu 3300 Grad Celsius heiß. Die Hitze ist nicht völlig unnütz, sie wird zum Beispiel beim Schweißen angewendet. In der Physik gilt Wärme jedoch als Energieform zweiter Klasse: Wärmeenergie kann zwar in Arbeit umgewandelt werden, man denke zum Beispiel an Dampfmaschinen, jedoch gelingt diese Umwandlung nur unter hohem Energieverlust. Außerdem kann man Wärme schlecht speichern, um sie später woanders zu nutzen.

Die Brennstoffzelle zähmt die explosive Reaktion nicht nur, sondern entlockt ihr auch noch wertvolle elektrische Energie. Mit dieser Energie lassen sich Maschinen antreiben, vom Laptop bis zum Elektromotor. Die Verpackung zwingt die Teilchen durch einen Parcours, in dem sie Arbeit verrichten müssten, um zueinander zu kommen. Die Reaktion ist chemisch identisch, durch die Hindernisse im Parcours aber weniger stürmisch.

Durchgangssperre für Elektronen: der Elektrolyt

  • Die Skizze zeigt vier Brennstoffzellen, jeweils bestehend aus einem Becher Schwefelsäure und zwei in Reagenzgläsern steckenden Drähten. William Grove schaltete mehrere seiner Brennstoffzellen hintereinander; Rechte: WDR
  • Die Skizze zeigt verschiedene Zustände der an der Reaktion beteiligten Wasserstoff- und Sauerstoffatome. Die Elektronen (blaue Punkte) des Wasserstoffs (weiß) gelangen nur durch den Stromkreis zum Sauerstoff (rot); Rechte: WDR/Eva Prost

Der Erfinder der ersten funktionstüchtigen Brennstoffzelle, William Grove (1811-1896), baute 1839 folgenden Parcours für die Gasteilchen: Er fädelte je einen Platindraht durch den Boden zweier Reagenzgläser. Dann füllte er ein Reagenzglas mit Wasserstoff, das andere mit Sauerstoff und tauchte sie kopfüber in Schwefelsäure. Als er die Drähte verband, floss Strom, und aus den Gasen entstand Wasser.

Der Parcours zwingt die Wasserstoff- und Sauerstoffteilchen zu unnatürlichem Verhalten, denn die Schwefelsäure trennt die Gasteilchen voneinander. Sie ist ein so genannter Elektrolyt. Das heißt, sie leitet nur geladene Teilchen wie etwa Protonen, keine neutralen Wasserstoff- oder Sauerstoffteilchen. Protonen sind die positiv geladenen Atomkerne von Wasserstoff. Sie entstehen, wenn einem Molekül aus zwei Wasserstoffatomen die beiden Elektronen entrissen werden. Das Platin beschleunigt diesen Elektronenraub.

Die Elektronen und Protonen des Wasserstoffs gelangen so auf getrenntem Weg zum Sauerstoff. Die Elektronen nehmen den Weg durch den Platindraht, um vom negativen Pol zum positiven Pol der Brennstoffzelle zu gelangen. So fließt Strom. Am positiven Pol wartet der Sauerstoff. Er nimmt die Elektronen auf und reagiert mit den Protonen, die der Elektrolyt durchgelassen hat. Dabei entsteht Wasser.

Ein flüchtiges Element: Wasserstoff

  • Die Radierung zeigt die Befüllung eines Ballons am Boden. Im Jahr 1783 wurde in Paris der erste Ballon mit Wasserstoff befüllt; Rechte: akg

Über die ausgetüftelte Verpackung darf man den Inhalt nicht vergessen. Die Brennstoffzelle ist schließlich eine Batterie, deren chemische Verbrauchsstoffe ständig nachgeliefert werden müssen. Der Sauerstoff kommt einfach aus der Luft. Doch woher nimmt man den Wasserstoff? Die gute Nachricht ist: Wasserstoff ist auf der Erde reichlich vorhanden. Die schlechte: Dieses reaktionsfreudige Element liegt nur gebunden vor, etwa in Wasser, Fett, Benzin oder Kunststoff. Bildet sich in der Natur dennoch einmal reiner Wasserstoff, so überwindet das leichteste aller Gase die Schwerkraft und entschwebt ins All.

Wasserstoff muss also hergestellt und sorgsam gespeichert werden. Am meisten Wasserstoff enthält Erdgas. Es besteht überwiegend aus Methan, chemisch CH4. Auf ein Kohlenstoffatom (C) kommen hier vier Wasserstoffatome (H). Auch der Alkohol Methanol (CH3OH) enthält viel Wasserstoff, ebenso Wasser (H2O). Bei Erdgas und Methanol genügt heißer Dampf, um Wasserstoff zu gewinnen. Mit Strom lässt sich Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spalten – quasi eine Rolle rückwärts der Brennstoffzellen-Reaktion.

Die Herstellung von Wasserstoff ist einfach, kostet aber viel Energie. Die Brennstoffzelle ist nur dann umweltfreundlich, wenn diese Energie etwa aus Sonnenlicht oder Windkraft gewonnen wird. Klimaneutral ist nur Wasserstoff, der durch grünen Strom aus Wasser gewonnen wurde. Die Verpackung alleine erzeugt also keine alternative Energie. Es kommt auf den Inhalt an.

Sechs Richtige: die Nachfolger der ersten Brennstoffzelle

  • Das Foto zeigt Brennstoffzellen, die wie Bücher in Regalen gestapelt sind. Brennstoffzellen werden für die gewünschte Leistung oft gekoppelt; Rechte: WDR
  • Das Foto zeigt eine kleine Brennstoffzelle samt Kartuschen für Methanol. Auch als Akkus für Laptops sind Brennstoffzellen einsetzbar; Rechte: WDR

Inzwischen gibt es sechs Typen von Brennstoffzellen, die teils unterschiedliche Brennstoffe umsetzen. Sie unterscheiden sich im Elektrolyt, aber auch in Betriebstemperatur und Einsatzort.

Die Renaissance der Brennstoffzelle begann mit einem Modell, das statt Schwefelsäure Kalilauge enthielt. AFC war sein Name, eine Abkürzung der englischen Bezeichnung "alkaline fuel cell" (Deutsch: alkalische Brennstoffzelle). Das Modell, das in der Raumfahrt im Einsatz war, ist heute nahezu ausgemustert, denn das Sensibelchen verträgt das Kohlendioxid in der Luft nicht. Für Autos wird heute die PEMFC, ein Modell mit Kunststofffolie ("proton exchange membrane") gehandelt. Ihre jüngere Schwester braucht keinen Wasserstoff, sondern kann Methanol umsetzen. Sie heißt Direkt-Methanol-Brennstoffzelle, kurz DMFC.

Die drei mobilen Typen funktionieren bei rund 100 Grad Celsius. Drei weitere Modelle benötigen 200 bis 1000 Grad Celsius, damit Wasserstoff und Sauerstoff reagieren. Sie werden als kleine Blockheizkraftwerke oder Großkraftwerke verwendet. Am weitesten entwickelt ist die PAFC, die als Elektrolyt Phosphorsäure ("phosphoric acid") enthält. Die MCFC enthält geschmolzene Salze ("molten carbonate"), die SOFC Keramik ("solid oxide"). Die beiden letzten Typen sind im Betrieb so heiß, dass sie Erdgas umsetzen können.

Die Technik hat sich seit Groves erstem Modell also stark gewandelt. Die Grundidee, durch einen raffinierten Versuchsaufbau eine Verbrennung in einen Stromerzeuger umzuwandeln, ist geblieben.

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