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 abgegebenen elektrischen Energie. Dies wurde bereits 1839 von Sir William Grove an einer Wasserstoff-Sauerstoffzelle mit flüssiger Schwefelsäure als Elektrolyt beschrieben.

Sir Grove`s Versuchsaufbau
Sir William Robert Grove
     
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-Energieversorgunsgsystem auf Polymerlektrolyt-Brennstoffzellen beruhte (PEFC, Polymer Electrolyte 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 CO2. Deshalb blieb die Anwendung der AFC hauptsächlich auf die Raumfahrt beschränkt (Eine Ausnahme sind z.B. AFC-Systeme der englischen Fa. Zetek für den Einsatz in Fahrzeugen).
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, CO2-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. 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 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. Ihre Entwicklung befindet sich noch im Forschungsstadium. Dieser Brennstoffzellentyp wird beispielsweise in einem GoCart verwendet, das von DaimlerChrysler kürzlich vorgestellt wurde.