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Energietechnik: Heißer Nachschub für Brennstoffzellen

Wo ist er geblieben - der Aufbruch in den umweltverträglicheren Individualverkehr? Niemand spricht mehr vom 3-Liter-Auto, und alternative Antriebssysteme wie die Brennstoffzelle schaffen nicht den Schritt aus dem Labor. Nur langsam geht es voran mit den Transportmitteln der Zukunft.
Für manchen ist es die einzige Erinnerung an den Chemieunterricht an der Schule: die Knallgasreaktion. Alles, was man dazu braucht, ist ein wenig Wasserstoff und eine kleine Flamme – den Sauerstoff liefert die Umgebungsluft. Endlich macht auch der Lehrer Krach, dabei stinkt es nicht einmal, und gelegentlich fliegt das ein oder andere Reagenzglas in die Luft. Chemie von ihrer unterhaltsamen Seite. Und wirklich jeder versteht, welche Energie in diesem bisschen Wasserstoff steckt.

Das müsste man doch nützen können, ist die Idee hinter der Brennstoffzelle. Auch hier werden Wasserstoff und Sauerstoff vereint, allerdings nicht auf einen Schlag, sondern kontrolliert mit Katalysatoren. Deshalb gibt es auch keine Explosion – aus Schülersicht ein schweres Manko –, vielmehr elektrische Energie und zwar mit Wirkungsgraden von bis zu 80 Prozent! Wenn das nicht die Lösung für den Energiehunger unserer technisierten Zivilisation ist ...

Allerdings haben Schulversuch und Brennstoffzelle ein gemeinsames Problem: Beide brauchen Wasserstoff. Während der Lehrer seine Demonstration mit einer kleinen Menge starten kann, benötigt die Brennstoffzelle ständigen Nachschub für den dauerhaften Betrieb. Und genau hier hakt es bei der Technik. Denn alle Quellen haben so ihre Nachteile: Die Spaltung von Wasser mit Sonnenenergie kann den riesigen Bedarf nicht decken, und den Wasserstoff aus chemischen Verbindungen zu gewinnen, senkt den Wirkungsgrad der Methode auf etwa ein Drittel ab.

Im Prinzip wären auch mit Kohlenwasserstoffen als Lieferanten für Wasserstoff Wirkungsgrade um 50 Prozent zu erreichen, sagen Zhongliang Zhan und Scott Barnett von der Northwestern University, wenn man die bei der Reaktion entstehende Abwärme für die Abspaltung des Wasserstoffs nutzen würde. Leider lagert sich dabei jedoch Kohlenstoff auf der Anode ab und macht die ganze Zelle so unbrauchbar. Es sei denn, man modifiziert die Brennstoffzelle ein wenig.

Im Nachhinein ist der Trick, den Zhan und Barnett gefunden haben, recht einfach. Sie überzogen die Anode ihrer oxidkeramischen Brennstoffzelle (solid oxide fuel cell, SOFC) mit einem Katalysator aus Ruthenium und Cer und mischten etwas zusätzliche Luft in ihren Versuchsaufbau – schon lief ihre Brennstoffzelle stundenlang ohne Ablagerungen und zog ihren Wasserstoff aus dem Iso-Oktan, das stellvertretend für die komplexeren Kraftstoffgemische stand. Immerhin 0,6 Watt pro Quadratzentimeter brachte sie bei 770 Grad Celsius – weit mehr als andere Arbeitsgruppen beispielsweise durch Austausch von Nickel gegen Kupfer erzielt hatten.

Was man den Ergebnissen auf den ersten Blick nicht ansieht, ist, dass auch die Wissenschaftler nicht in jeder Hinsicht mit ihnen gerechnet hatten. So waren für manche Bedingungen, wie Temperaturen unterhalb von 720 Grad, durchaus Kohlenstoffablagerungen erwartet worden – sie bildeten sich bloß nicht. Offenbar sind die Abläufe in Brennstoffzellen aller bisherigen Forschung zum Trotz also noch nicht völlig verstanden. Vielleicht erwartet uns ja noch so manche Überraschung – und so mancher Durchbruch.

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