Wasserstoff-Brennstoffzelle

Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle erzeugt Strom, indem sie Wasserstoff und Sauerstoff an zwei durch einen Elektrolyten getrennten Elektroden verbindet; dabei entstehen nur Wasser und Wärme. Anders als eine Batterie wird sie von außen versorgt und arbeitet, solange Gas nachströmt. Christian Schönbein beobachtete den Effekt 1838, er und William Grove berichteten 1839 darüber, Grove baute 1842 eine Gasbatterie aus fünfzig Zellen, und in den 1960er-Jahren versorgten Brennstoffzellen die Raumschiffe Gemini und Apollo.

Was es ist

Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, der ihre Ausgangsstoffe laufend zugeführt werden. In einer Wasserstoff-Brennstoffzelle gelangt Wasserstoff an die eine Elektrode und Sauerstoff, meist aus der Luft, an die andere, und die Zelle liefert Gleichstrom, solange die Gase nachkommen. Eine Batterie trägt einen festen Vorrat an Chemikalien, der sich erschöpft; in einer Brennstoffzelle sollen Elektroden und Elektrolyt unverändert bleiben.

Die Reaktion ist die Umkehrung der Wasserelektrolyse: Wasserstoff und Sauerstoff verbinden sich zu Wasser, und ein Teil ihrer chemischen Energie tritt als Strom statt als Wärme aus. Mit reinem Wasserstoff sind Strom, Wasser und Wärme die einzigen Produkte. Da kein Brennstoff verbrannt wird, um eine Maschine anzutreiben, kann der Wirkungsgrad über 60 % liegen.

Wie es funktioniert

Eine einzelne Brennstoffzelle in Explosionsdarstellung, schräg von vorn: zwei Endplatten mit Gasanschlüssen, zwei gerillte Platten, die die Gase verteilen, und dazwischen eine dünne Membran, beidseitig dunkel mit Katalysator beschichtet Eine moderne Zelle ist geschichtet: Gerillte Platten führen Wasserstoff an die eine Seite der Membran und Luft an die andere.

Die Elektroden tragen einen Katalysator, oft Platin. Der Elektrolyt dazwischen lässt Ionen durch, nicht aber Elektronen; diese müssen den Umweg über den äußeren Stromkreis nehmen und verrichten dort in einer Lampe oder einem Motor Arbeit. In einer Protonenaustauschmembran-Zelle gibt der Wasserstoff an der negativen Elektrode, der Anode, seine Elektronen ab und wird zu Wasserstoffionen; diese wandern durch die Membran zur positiven Elektrode, der Kathode, und bilden dort mit den zurückkehrenden Elektronen und dem Sauerstoff Wasser. Eine alkalische Zelle bewegt Hydroxidionen in der Gegenrichtung: Sie entstehen an der Kathode aus Sauerstoff, Wasser und Elektronen, wandern durch den Elektrolyten zur Anode und verbinden sich dort mit dem Wasserstoff, sodass das Wasser an der Anode entsteht.

Die Reaktion findet nur dort statt, wo Gas, Elektrolyt und Katalysator sich berühren. Deshalb sind die Elektroden porös, damit diese Berührungslinie möglichst lang wird. Grove bemerkte das schon 1842: Auf glatter Platinfolie lief die Wirkung nur an der Wasserlinie ab, also überzog er seine Streifen mit feinem Platin, das er aus einer Lösung abschied. Moderne Elektroden sind dünne Lagen aus einer wasserabweisenden Schicht, einer aktiven Schicht aus Katalysator auf Kohlenstoff und einer leitenden Schicht.

Eine einzelne Zelle liefert nur eine geringe Spannung, daher werden Zellen in Reihe gestapelt. Bei Protonenaustauschmembran-Zellen ist der Elektrolyt eine dünne Kunststoffmembran, die nur Wasserstoffionen durchlässt. Alkalische Zellen, wie Bacon sie entwickelte, arbeiten mit einer alkalischen Lösung. Andere Bauarten laufen heiß mit Karbonatschmelze oder einem festen keramischen Elektrolyten. Ein vollständiges System braucht außerdem Pumpen oder Gebläse, eine Abfuhr für Wasser und Wärme, Sensoren und eine Regelung.

So geht’s

Zwei an beiden Enden gespitzte Bleistifte stecken in einer Pappe über einem Wasserglas, die oberen Spitzen mit Krokodilklemmen an ein kleines Multimeter angeschlossen, daneben liegt eine abgeklemmte 9-Volt-Batterie, an den unteren Spitzen haften noch einige Bläschen Ohne Batterie macht das an den Minen verbliebene Gas sie zu einer winzigen Brennstoffzelle.

Eine Brennstoffzelle lässt sich im Kleinen bei der Arbeit beobachten. Dazu den Bleistiftaufbau aus dem Artikel zur Wasserelektrolyse vorbereiten: zwei an beiden Enden gespitzte Holzbleistifte, durch eine Pappe gesteckt, die auf einem Glas Wasser mit etwas gelöstem Bittersalz liegt, die unteren Spitzen in der Flüssigkeit, ohne sich zu berühren. Außerdem braucht man eine 9-Volt-Batterie, zwei Kabel mit Krokodilklemmen und ein Multimeter, eingestellt auf Gleichspannung.

Die Batterie an die beiden oberen Spitzen klemmen, bis an beiden Minen Bläschen aufsteigen. Ein Teil des Wasserstoffs und des Sauerstoffs bleibt am Graphit haften. Die Batterie abklemmen und stattdessen die beiden Bleistifte an das Multimeter anschließen, den Bleistift vom Minuspol an das schwarze Messkabel.

Das Multimeter zeigt eine Spannung: Der Wasserstoff an der einen und der Sauerstoff an der anderen Mine verbinden sich über die Lösung wieder und treiben einen Strom durch das Messgerät, wie an Groves Platinstreifen. Für neues Gas die Batterie wieder anklemmen.

Sicherheit. Die Bläschen enthalten Wasserstoff, der mit Luft explosive Gemische bildet und mit fast unsichtbarer Flamme brennt. Flammen und Funken vom Glas fernhalten und das Gas nie in einem Gefäß auffangen.

Geschichte und Entwicklung

Eine Glasglocke auf einem Holzsockel, durch deren Boden zwei Platinstreifen eingeschmolzen sind, über jedem Streifen ein umgestülptes Gasrohr, Drähte von den Streifen zu einem Galvanometer mit großer Nadel Im Februar 1839 berichtete Grove, wie eine Galvanometernadel ausschlug, als ein Platinstreifen in Wasserstoff und der andere in Sauerstoff ragte.

Christian Friedrich Schönbein, Professor für Physik und Chemie in Basel, beobachtete den Effekt 1838. In einem Brief vom Dezember 1838, abgedruckt im Januarheft 1839 des Philosophical Magazine, beschrieb er, wie Platindrähte, die in angesäuertem Wasser als Elektroden gedient hatten, in Wasserstoff oder Sauerstoff ihre voltaische Wirkung verloren oder annahmen, und führte die entstehenden Ströme auf die Vereinigung der beiden Gase zurück. Im Februarheft beschrieb William Robert Grove, später Professor für Experimentalphysik an der London Institution, den Effekt am Ende eines Aufsatzes über die Verbindung von Gasen durch Platin. Er schmolz zwei Platinstreifen durch den Boden eines Glasgefäßes mit schwefelsäurehaltigem Wasser ein und stülpte über den einen ein Rohr mit Sauerstoff, über den anderen eines mit Wasserstoff. Sobald die Streifen die Gase berührten, schlug ein angeschlossenes Galvanometer aus, und in den folgenden Stunden stieg die Flüssigkeit in beiden Rohren, im Wasserstoffrohr stärker. Grove schloss mit der Hoffnung, „Wasser durch seine Zusammensetzung zu zersetzen“.

Im Dezember 1842 beschrieb er eine „gasförmige Voltasche Batterie“ aus 50 Rohrpaaren, jedes mit einem Streifen aus platiniertem Platin, in verdünnter Schwefelsäure. Sie gab einen elektrischen Schlag, einen Funken zwischen Kohlespitzen und genug Strom, um Wasser zu zersetzen. Sein Assistent bemerkte, dass der Wasserstoff doppelt so schnell verbraucht wurde wie der Sauerstoff.

Ende der 1880er-Jahre bauten Ludwig Mond und Carl Langer haltbarere Zellen, indem sie den Elektrolyten in einem porösen, nichtleitenden Material festhielten. Francis Thomas Bacon nahm sich der Wasserstoff-Sauerstoff-Zelle an, als er bei der Maschinenbaufirma C. A. Parsons arbeitete, setzte die Arbeit am King’s College London fort und ab 1946 in Cambridge, wo er brauchbare alkalische Zellen mit Gasdiffusionselektroden entwickelte. Die Raumfahrt verlangte dann nach leichter, effizienter Energie. Brennstoffzellen versorgten die Raumschiffe Gemini und Apollo und später das Spaceshuttle; die Zellen von Apollo gingen auf eine 6-kW-Anlage zurück, die die Cambridger Firma Marshall für Bacons Projekt gebaut hatte. Heute dienen sie in Fahrzeugen, in Gebäuden und als Notstromversorgung, doch der Preis des Platins und die Speicherung des Wasserstoffs bremsen ihre Verbreitung.