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Brennstoffzellen > Historie

Geschichte der Brennstoffzelle

Brennstoffzellen sind keine neue wissenschaftliche Entdeckung. Das Wirkungsprinzip beruht auf der kontrollierten elektrochemischen Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser unter Nutzung der abge- gebenen elektrischen Energie. Dieses Prinzip der Brennstoffzelle wurde schon 1838 von Christian Friedrich Schönbein entdeckt, indem er zwei Platindrähte in einer Elektrolytlösung (wahrscheinlich Schwefelsäure) mit Wasserstoff beziehungsweise Sauerstoff umspülte und zwischen den Drähten eine Spannung feststellte. 1839 veröffentlichte Schönbein diese Ergebnisse.

Im gleichen Jahr schrieb Sir William Grove (Bild links) eine Notiz über das „batterisierte“ Knallgas und wandte diese Erkenntnisse in Zusammenarbeit mit Schönbein in mehreren Versuchen an.

Bereits im Jahre 1897 verwendete Walther Herrmann Nernst yttriumdotiertes Zirkonoxid als Elektrolyt in der Nernst-Lampe, mit der die Allgemeine Electrizitätsgesellschaft einen Pavillon auf der Weltausstellung 1900 beleuchtete.

Als Elektrolyt stellt die "Nernst-Masse" auch heute noch die Basis für die in der stationären Energieerzeugung vielversprechende Hochtemperaturbrennstoffzelle (SOFC = Solid Oxide Fuel Cell) dar.

In der Folgezeit konnte sich die Brennstoffzellentechnik Nischenplätze in Hochpreisanwendungen erobern. So basierten die Bordenergiesysteme von U-Booten und von Raumfähren auf Brennstoffzellensystemen. Während z.B. das 1 kW Gemini-Energieversorgungssystem auf Polymerlektrolytmembran-Brennstoffzellen beruhte (PEMFC = Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), kam im Apollo Programm für die 1,5 kW Einheit eine alkalische Brennstoffzelle (AFC = Alkaline Fuel Cell) zum Einsatz. Alkalische Brennstoffzellen haben bis heute in über 87 Flügen des Space Shuttles über 65.000 Betriebsstunden absolviert.

Das entscheidende Problem alkalischer Brennstoffzellen liegt in ihrer Empfindlichkeit gegenüber Kohlendioxid. Deshalb blieb die Anwendung der alkalischen Brennstoffzelle lange hauptsächlich auf die Raumfahrt beschränkt.

Sowohl Siemens als auch Varta bauten Ende der sechziger Jahre auf der Basis alkalischer Brennstoffzellen Umsetzer-Stationen für Fernsehsender im Leistungsbereich von 25 und 100 W. Erhebliche Einschränkungen für die Anwendbarkeit dieser Brennstoffzellen ergaben sich aber immer noch daraus, dass nur reiner Wasserstoff als Brennstoff und reiner Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet werden konnten. Hinzu kamen die hohen Kosten der eingesetzten Materialien und Fertigungsverfahren.

Für die terrestrische Anwendung wurde auf einen sauren, Kohlendioxid-unempfindlichen Elektrolyten zurückgegriffen. Dieser kommt in der phosphorsauren Brennstoffzelle zum Einsatz (PAFC = Phosphoric Acid Fuel Cell). Von 1971 bis 1973 wurden im Rahmen des Demonstrationsprojekts TARGET in den USA, Kanada und Japan 65 PAFC Einheiten mit je 12,5 kW Leistung betrieben. Die Kosten der Einheiten waren jedoch zu hoch, und die Lebensdauer der Zellstapel (Stacks) noch unzureichend. Ein Folgeprogramm lieferte die Basis für die bis heute bereits 160 mal gebaute Brennstoffzellenanlage ONSI PC25 mit 200 kW elektrischer Leistung (jetzt PureCell Module 200 der Fa. UTC Power). Weitere Programme bis in den MW-Bereich hinein wurden dadurch angeregt.

Mit der technischen Umsetzung der Kerntechnik und einer scheinbar ausreichenden Versorgung mit fossilen Brennstoffen wurde um 1970 die Brennstoffzellenforschung weltweit zurückgefahren. Das änderte sich jedoch rasch wieder nach der Energiekrise von 1973. Eine Antwort darauf war das MOONLIGHT-Programm in Japan. Hierin wurden besonders die PAFC und die Schmelzkarbonatbrennstoffzelle gefördert (MCFC = Molten Carbonate Fuel Cell). Sowohl die MCFC als auch die SOFC werden bis heute in Japan als Technik der 2. Generation angesehen, die der der PAFC folgen sollen. Mittlerweile hat aber vor allem die SOFC-Entwicklung aufgeholt, angetrieben durch dessen hohes Wirkungsgradpotential.

Als Besonderheit ist schließlich noch die Direktmethanolbrennstoffzelle (DMFC = Direct Methanol Fuel Cell) zu erwähnen, deren Vorteile in der einfachen Systemtechnik liegen. Sie basiert auf einer PEFC, die direkt mit Methanol als Brennstoff anstelle von Wasserstoff betrieben wird.