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Brennstoffzelle
Die Anfänge der Brennstoffzellentechnik haben ihre Wurzel in der Mitte des 19. Jahrhunderts. Christian Friedrich Schönbein entdeckte das Prinzip der Brennstoffzelle. Sir William Robert Grove entwickelte einen ersten Prototypen, mit dessen Hilfe aus Wasserstoff und Sauerstoff eine elektrische Spannung erzeugt werden konnte.
Lange Zeit wurde diese Entdeckung nicht genutzt. In der Mitte des 20. Jahrhunderts begann man, die Brennstoffzellentechnolgie für Raumfahrt und Militär zu nutzen. Erst seit ca. 25 Jahren wird an Lösungen für zivile Zwecke gearbeitet. Entscheidend für die zivile Nutzbarkeit ist die Reduzierung der Kosten, die Steigerung des Wirkungsgrades und der Lebensdauer der Brennstoffzellenmembranen sowie die Bereitstellung von Wasserstoff, der im Gegensatz zu fossilen Energieträgern nicht ungebunden in der Natur vorkommt.
Das Prinzip einer Brennstoffzelle ist einfach. Sie besteht aus zwei durch einen Elektrolyten getrennte Elektroden - Anode und Kathode.
Chemisch findet eine Redoxreaktion statt. Die an der Anode ablaufende Oxidation verbraucht das Reduktionsmittel, also den Wasserstoff. An der Kathode findet die entsprechende Reduktion des Oxidationsmittels (Luftsauerstoff) statt. Der Elektrolyt, das Herzstück der Brennstoffzelle, ist eine semipermeable Membran. Sie verbindet die Anoden- mit der Kathodenseite und lässt Wasserstoffionen, nicht aber elementaren Wasserstoff passieren. Somit bewirkt sie, dass es nicht zur bekannten Knallgasreaktion kommt, sondern dass die Reaktion langsam und mit geringer Wärmeabgabe abläuft - sozusagen eine kalte Verbrennung von Wasserstoff. Die an der Anodenseite erzeugten Elektronen werden über den an die Zelle angeschlossenen Verbraucher, in unserem Fall den Elektromotor, zur Kathodenseite transportiert und vervollständigen dort die Reaktion der Protonen und des Luftsauerstoffs zu purem Wasser. Durch diesen örtlich von der chemischen Reaktion getrennten Transport der Elektronen, d. h. einen Stromfluss, lässt sich die elektrische Energie nutzen.
Jede Zelle kann theoretisch im Leerlauf entsprechend der elektrochemischen Spannungsreihe eine Spannung von 1,23 Volt liefern. Durch inner Verlustströme beträgt diese Spannung real nur etwa ein Volt und sinkt mit zunehmender Belastung der Zelle, d.h. steigender äußerer Stromabnahme, weiter ab. Um technisch sinnvolle Spannungen zu erzeugen, werden mehrere Zellen zu einem Stapel (Stack) verbaut und elektrisch in Reihe geschaltet.
Ein Brennstoffzellensystem (BZS) besteht aus der Brennstoffzelle und deren Peripherie. Die Peripherie sorgt für die Zuführung der Reaktionsgase zur Zelle. Sie wird zum Start von einem Akku mit Strom versorgt, bis die Brennstoffzelle dies mitübernehmen kann - ähnlich dem Start eines Verbrennungsmotors. Der Energiebedarf für die Peripherie muss bei der Bestimmung des Wirkungsgrades des Gesamtsystems berücksichtigt werden. Die restliche Leistung wird für den Verbraucher direkt von den Elektroden der Brennstoffzelle entnommen und der Leistungselektronik zugeführt.
