Die kälteste Brennstoffzelle der Welt

News: Die kälteste Brennstoffzelle der Welt

Was wäre schöner, als den täglichen Strom statt aus einem rauchenden Braunkohlekraftwerk oder einem Kernkraftwerk direkt aus einem blühenden Rapsfeld zu gewinnen? Brennstoffzellen stellen einen ersten Schritt in diese Richtung dar. Denn sie lassen sich mit Kohlenwasserstoffen aus erneuerbaren Energiequellen betreiben und wandeln die chemische Energie direkt in elektrische Energie um, ohne den Energieträger dabei zu verbrennen. Der Traum hatte bisher nur einen Haken, denn sie funktionierten nur bei sehr hohen Temperaturen, die wiederum die Zellen zerstörten. Wissenschaftler entwickelten nun eine "niedrig-Temperatur"-Version, die problemlos Strom aus Kohlenwasserstoffen gewinnt.

Wie eine Batterie wandelt eine Brennstoffzelle chemische Energie ohne Umwege direkt in elektrische Energie um. Kraftwärme-Maschinen wie beispielsweise Dampfturbinen verbrennen zuerst den Energieträger, um dann anschließend die entstehende Wärme in elektrische Energie umzuwandeln. Ihr Wirkungsgrad liegt bei 30 bis 35 Prozent, eine Brennstoffzelle erreicht dagegen etwa 70-85 Prozent. Im Gegensatz zur Batterie arbeitet sie kontinuierlich, solange von außen Brennstoff und Oxidationsmittel zugeführt werden. Als Energieträger dienen Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Alkohole und Erdgas.

Die Zelle besitzt eine positive geladene Elektrode (Anode) und eine negativ geladene Elektrode (Kathode), die durch eine Keramik-Membran voneinander getrennt sind. Der Energieträger wird der Anode zugeführt, während das Oxidationsmittel – meist Luft oder Sauerstoff – an der Kathode zuströmt. Die Kathode gibt Elektronen an die Sauerstoffmoleküle ab, die nun aufgrund ihrer negativen Ladung durch die Keramikmembran zur Anode wandern. Hier tragen die Sauerstoff-Ionen dazu bei, die Energieträger zu spalten, so dass elektrische Spannung, Wasser und bei Kohlenwasserstoffen auch Kohlendioxid entsteht. Die bisher für Kohlenwasserstoff-Brennstoffzellen eingesetzten Keramik-Membranen aus Zirkonium haben jedoch einen Nachteil: Sie benötigen Temperaturen von etwa 1 000 Grad Celsius, um für Ionen passierbar zu sein. Bei diesen Temperaturen verbinden sich jedoch die frei werdenden Kohlenstoff-Atome zu Rußschichten, welche die Zelle wiederum zerstören. Die Entstehung von Ruß kann aber nur dann verhindert werden, wenn die Temperatur in den Zellen 800 Grad Celsius nicht übersteigt.

Um dieses Problem zu lösen, entwickelten Takaschi Hibino vom National Industrial Research Institute of Nagoya und seine Mitarbeiter von der Nagoya University jetzt eine Brennstoffzelle mit einer Ceriumdioxid-Membran, die auch bei niedrigeren Temperaturen für Ionen durchlässig ist. Die Membran ist auf der einen Seite mit Nickel beschichtet, das als Anode fungiert. Die andere Seite, die Kathode, ist ein keramisches Gemisch aus Samarium, Strontium, Kobalt und Sauerstoff. Die Membran befindet sich in einer und wird von einem Gemisch aus Kohlenwasserstoff und Luft umwirbelt. Ihre chemische Zusammensetzung und die geometrische Struktur der Zelle ermöglichen eine Betriebstemperatur von nur 500 Grad Celsius.

Durch die neue Erfindung könnten Brennstoffzellen in Zukunft erheblich billiger werden als zuvor, da die teuren, hitzebeständigen Weissmetallkomponenten nun durch Stahlkonstruktionen austauschbar sind. Subash Singal vom Pacific Northwest National Laboratory in Richland, Washington weist jedoch darauf hin, dass die Ingenieure noch einige Jahre tüfteln werden, bis der Prototyp für den industriellen Einsatz bereit ist.

Siehe auch

Spektrum Ticker vom 23.6.1998
"Die Suche nach dem besten Kat für Methanol"
(nur für Ticker-Abonnenten zugänglich)
Spektrum der Wissenschaft 2/99, Seite 944
"Brennstoffzellen für die Automobilindustrie"
(nur für Heft-Abonnenten online zugänglich)

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