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Brennstoffzellen: Gib (Wasser-)Stoff!

Verbrennungsmotoren machen Lärm, sie verschmutzen die Umwelt und auch ihr Wirkungsgrad lässt zu wünschen übrig. Was uns in Zukunft Energie liefern soll, ist leise, sauber, effizient und heißt Brennstoffzelle. Doch bis wir endlich Ruhe haben, gibt es noch einige Probleme zu lösen.
Kein Motorenlärm, Wasserdampf als Abgas, enorme Effizienz und Zuverlässigkeit, "saubere" Energie aus erneuerbaren Quellen: Die Versprechen der Brennstoffzelle scheinen zu schön, um wahr zu sein. Die Technologie, chemische Energie aus Wasserstoff und Sauerstoff ohne Umwege in elektrische umzuwandeln, ist über 150 Jahre alt. Die ersten Versuchsfahrzeuge fahren bereits durch die Städte. Doch nach wie vor trennen uns technische Hürden von der rosigen Zukunft ohne Verbrennungsmotoren.

Solarturmanlage | Wasserstoff-Gewinnung über Fotovoltaik ist zur Zeit noch sehr ineffizient.
Kopfzerbrechen bereitet zunächst die Frage der Wasserstoffproduktion. Sowohl bei der Erzeugung mittels Solarstrom oder aus Biomasse, als auch bei der Verflüssigung für den platzsparenden Transport treten hohe Energieverluste auf. Zur Speicherung des Wasserstoffs werden besonders dichte Tanks benötigt, schlicht weil die Moleküle so klein sind. Außerdem sind die Gase Sauerstoff und Wasserstoff, die in Brennstoffzellen eingesetzt werden, als Gemisch hochexplosiv. Aber auch an der Brennstoffzelle selbst hakt es noch.

Dank drei neuer Studien rückt die breite Anwendung der PEM-Brennstoffzelle (Polymer Electrolyte Membrane) nun ein Stück näher. Weil sie bei niedrigen Temperaturen und direkt mit Luftsauerstoff arbeitet, stellt sie eines der viel versprechendsten Konzepte dar. Ein Nachteil ist jedoch die langsame Reaktion des Sauerstoffs. Um ihr auf die Sprünge zu helfen, werden Katalysatoren benötigt. Leider ist Platin, der bislang effizienteste Katalysator, nicht eben billig und löst sich bei periodischer Belastung der Brennstoffzelle, wie bei einem Fahrzeug im stockenden Verkehr, allmählich auf.

Um diesem Effekt vorzubeugen, versahen der Chemiker Junliang Zhang und seine Kollegen vom Brookhaven National Laboratory die Platinoberfläche mit einer atomdicken Schicht aus Gold, das dann beim Anlegen einer elektrischen Spannung winzige Klumpen bildet [1]. Wie die Forscher in einem Stabilitätstest unter Bedingungen ähnlich denen in der Brennstoffzelle zeigen konnten, schützen die Goldpartikel das Platin vor Korrosion: Nach 30 000 Betriebszyklen betrug die Abnutzung weniger als vier Prozent, ohne die Schutzschicht war fast die Hälfte des wertvollen Platins verbraucht.

Die Forschergruppe um Vojislav Stamenkovic am Argonne National Laboratory ging einen Schritt weiter und verwendet eine Nickel-Platin-Legierung als Reaktionshelfer [2]. Sie schlägt damit gleich drei Fliegen mit einer Klappe: Diese Verbindung ist nicht nur stabiler als bisher verwendete Katalysatoren, wegen ihrer besonderen Oberflächenstruktur lässt sie die Sauerstoffreaktion auch zehn Mal so schnell ablaufen. Und drittens verbessert sie den Wirkungsgrad – die thermodynamische Obergrenze beträgt 83 Prozent.

Experimenteller Aufbau der Brennstoffzelle | Experimenteller Aufbau der Brennstoffzelle von Woo und Benziger: Rechts ist die Brennstoffzelle zu sehen, davor eine Pipette, die den Wasserstand anzeigt. Die beiden schwarz-gelben Kästen kontrollieren den Gasfluss.
Claire Woo und Jay Benziger von der Universität Princeton bieten eine elegante Lösung für ganz andere Probleme [3]. Gewöhnlich verfügen Brennstoffzellen über ein komplexes Labyrinth aus Kanälen, das nicht verbrauchten Wasserstoff zurückführt und die für die Reaktion nötige Feuchtigkeit kontrolliert – beides macht das neue Konzept überflüssig. Das Wasser, das bei der Reaktion entsteht, sammelt sich einfach in der Brennstoffzellenkammer, sorgt so für Feuchtigkeit und verhindert gleichzeitig, dass unverbrauchter Wasserstoff wieder abfließt.

Schema der Brennstoffzelle | Schema des Brennstoffzellenkonzepts von Woo und Benziger: Über den Druck wird der Wasserspiegel und damit Größe der Reaktionskammer kontrolliert.
Die Leistung der Brennstoffzelle wird nicht wie sonst über effizienzmindernde Widerstände gesteuert, sondern über den Druck in der Kammer: je höher der Druck, desto mehr Wasser wird aus der Kammer verdrängt und desto größer ist die Oberfläche, auf der die Reaktion stattfinden kann. Selbst Benziger ist erstaunt, das so ein simples System überhaupt funktioniert. Obwohl sich das Konzept prinzipiell auch auf größere Systeme anwenden ließe, betont er aber auch, dass die Vorteile nur bei kleinen Aggregaten mit Leistungen von weniger als zwei Kilowatt überwiegen. Das reicht immerhin für einen Rasenmäher und könnte, mangels Lärm, so manchen Nachbarschaftsstreit verhindern.

Brennstoffzellen sollen in Zukunft aber nicht nur Verbrennungsmotoren ersetzen. Elektronikhersteller basteln fleißig an einem Ersatz für schnell erschöpfte Batterien und präsentieren bereits erste, wenn auch etwas klobige, Prototypen mit nachfüllbaren Methanol-Brennstoffzellen. Forscher der Universität Freiburg haben noch kleinere Dimensionen im Sinn: Sie entwickeln autonome Glukose-Brennstoffzellen, die permanente medizinische Implantate, wie Herzschrittmacher, mit Energie aus dem Körper versorgen sollen.

Langsam aber stetig erobern Brennstoffzellen die große wie die kleine Welt – zumindest im Labor. Doch die Fortschritte der Wissenschaftler lassen hoffen, dass sie uns bald als stille Alltagsbegleiter begegnen.

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