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Geschichte der Brennstoffzellen
Die Geschichte der Brennstoffzellen beschreibt die Entdeckung, Erforschung und Entwicklung der verschiedenen Brennstoffzellen und entsprechender Systeme von …
Inhalt6 Abschnitte
Grundprinzip und frühe Voraussetzungen
Die Geschichte der Brennstoffzellen beschreibt, wie das Funktionsprinzip seit 1838/1839 entdeckt, erforscht und bis zu technischen Anwendungen wie Brennstoffzellenfahrzeugen weiterentwickelt wurde. Eine Brennstoffzelle wandelt die chemische Energie eines Brennstoffs elektrochemisch in elektrische Energie um. Im frühen Beispiel reagierten Wasserstoff und Sauerstoff an Elektroden; im Prinzip ist das die Umkehrung der Wasserelektrolyse, also der Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff.
Wichtige Voraussetzungen entstanden um 1800: Alessandro Volta berichtete über die Voltasche Säule, die erste moderne Batterie. Im selben Jahr entdeckten William Cruickshank, William Nicholson und Anthony Carlisle die Wasserelektrolyse. William Robert Grove beschäftigte sich 1838 mit besseren Batterien und entwickelte eine Zelle mit amalgamierter Zinkelektrode und Platinelektrode in Salpetersäure, die fast 2 V lieferte. Durch seine späteren Arbeiten gilt er meist als Erfinder der Brennstoffzelle.
Entdeckung der Gasbatterie
Christian Friedrich Schönbein beschrieb als Erster das Grundprinzip: Im Dezember 1838 veröffentlichte er, dass Platinelektroden in Schwefelsäure unterschiedlich aufgeladen werden, je nachdem, ob Wasserstoff oder Sauerstoff, beziehungsweise Chlor, vorhanden ist. Damit hatte er das Prinzip der Brennstoffzelle gefunden.
William Robert Grove baute daraufhin eine entsprechende Spannungsquelle. Im Januar 1839 berichtete er, dass Wasserstoff und Sauerstoff an Platindraht-Elektroden umgesetzt werden konnten und dabei elektrische Spannung entstand. Er verband mehrere solcher Zellen zu einer Batterie und nannte sie „Gasbatterie“, da der Begriff „Brennstoffzelle“ noch nicht existierte. 1842/1843 stellte Grove verbesserte Zellen mit platinierten Platinfolienstreifen vor. Durch die größere und katalytisch aktive Oberfläche waren sie leistungsfähiger als Zellen mit glatten Elektroden.
Laborforschung und wichtige Konzepte
Zwischen 1874 und 1950 wurden verschiedene Brennstoffe, Elektrolyte und Bauarten untersucht. Grove bestätigte 1874 Schönbeins Beobachtung, dass die „Gasbatterie“ nicht nur mit Wasserstoff und Sauerstoff funktionierte. Wasserstoff-Chlor ergab eine sehr starke Brennstoffzelle, Ethen statt Wasserstoff nur einen schwachen Effekt.
1889 entwickelten Carl (Charles) Langer und Ludwig Mond eine verbesserte Konstruktion mit Mondgas, einem wasserstoffhaltigen Gemisch aus Kohle, Luft und Wasser. Sie prägten auch den Begriff „Brennstoffzelle“. Wilhelm Ostwald erklärte 1894, dass Brennstoffzellen im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren nicht dem begrenzten Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen unterliegen. Er sah in der Elektrochemie daher einen Weg zu effizienter Energieumwandlung. William W. Jacques meldete 1896 eine Kohlenstoff-Brennstoffzelle zum Patent an; der von ihm angegebene Wirkungsgrad von 82 % soll nach Berechnungen seiner Kritiker jedoch nur 8 % betragen haben.
Weitere wichtige Schritte waren Michael Cressé Potters Messungen von 1911 an Glucoselösungen mit Hefe- oder Bakterienkulturen, ein früher Beitrag zu mikrobiellen Brennstoffzellen. Alfred Schmid beschrieb 1923 und 1924 eine Gasdiffusionselektrode mit großer innerer Oberfläche und starken Strömen. Auf Grundlage der Nernstlampe und fester Elektrolyte entwickelten Emil Baur, William Treadwell, Hans Preis und später O. K. Davtyan Festelektrolyt-Brennstoffzellen, die bei Temperaturen bis zu 1000 °C betrieben wurden. Davtyan veröffentlichte 1947 das erste Buch über Brennstoffzellen. Francis Bacon arbeitete seit Ende der 1930er Jahre an Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen mit alkalischem Elektrolyten und entwickelte die ersten praktisch verwendbaren Systeme, etwa mit Blick auf Unterseeboote.
Entwicklung zur Anwendungsreife
Nach mehr als zwei Jahrzehnten Entwicklungsarbeit stellte Francis Bacon 1959 ein System mit bis zu 5 kW Leistung vor. Es zeigte, dass Drucktanks mit Brennstoffzellen einer Batterie überlegen sein konnten, wenn über längere Zeit beträchtliche elektrische Leistung benötigt wurde. Ebenfalls 1959 wurde mit dem Allis-Chalmers-Brennstoffzellentraktor das erste Brennstoffzellenfahrzeug vorgestellt. 1961 wurde eine Zelle beschrieben, die eine flüssige Methanollösung als Brennstoff und Wasserstoffperoxidlösung als Oxidans nutzte und 600 Watt leisten konnte. 1966 präsentierte General Motors den Electrovan, das erste Brennstoffzellenauto; er blieb jedoch ein Demonstrationsobjekt.
Die Ölpreiskrise von 1973 und strengere Emissionsgesetze, besonders in Kalifornien, verstärkten das Interesse an Elektroantrieben. Diese arbeiteten effizient, leise und abgasfrei, waren aber bei Gewicht, Preis, Ladezeit und Reichweite noch im Nachteil. Anfang der 1990er Jahre wurde die Brennstoffzelle stärker als Alternative für Autos betrachtet, obwohl sie vorher vor allem in der Raumfahrt genutzt wurde. Daimler-Forscher arbeiteten mit Ballard Power Systems zusammen und präsentierten 1994 ein fahrzeugtaugliches Brennstoffzellen-System.
Für eine breite Nutzung blieben Kosten, Wasserstoffversorgung, Gewicht und Lebensdauer lange Hindernisse. Mit dem Bacon-System hätte ein denkbarer Brennstoffzellen-Stadtbus etwa 14 Tonnen Batteriemasse benötigt. 1962 galt der Justi-Motor als aussichtsreich; seine Batteriemasse für einen Stadtbus hätte noch 5 Tonnen betragen. Die Niedrach-Brennstoffzelle wurde ebenfalls als perspektivreich genannt und später in Raumfahrt und Straßenfahrzeugen eingesetzt.
Raumfahrt und Straßenfahrzeuge
In der Raumfahrt wurden Brennstoffzellen praktisch eingesetzt, weil dort hohe Fördermittel verfügbar waren und Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen zusätzlich Trinkwasser liefern konnten. Im Gemini-Programm kam ein 1,0-kW-System zum Einsatz, im Apollo-Programm ein 1,5-kW-System. Das Gemini-System beruhte auf der Polymerelektrolytbrennstoffzelle, die unter Mitwirkung von Leonard Niedrach bei General Electric entwickelt wurde. Die Apollo-Anlagen von Pratt und Whitney wogen insgesamt 810 kg, enthielten 31 in Reihe geschaltete Einzelzellen und lieferten bis zu 500 kWh. Es waren alkalische Zellen mit 75%iger Kalilauge, die bei über 200 °C betrieben wurden. Das Space Shuttle hatte drei Einheiten von jeweils etwas über hundert Kilogramm; zusammen leisteten sie durchschnittlich 7 kW und maximal 12 kW.
Für Straßenfahrzeuge spielte Ballard Power Systems eine zentrale Rolle. Das 1979 gegründete Unternehmen forschte seit 1983 an Brennstoffzellen, zunächst unterstützt vom kanadischen Verteidigungsministerium. Bis 1986 entstand ein leistungsstarker Zellstapel mit zwölf Zellen, 1993 ein erster Demonstrations-Brennstoffzellenbus. Ebenfalls 1993 schlossen Daimler-Benz und Ballard einen Vertrag zur Entwicklung von Straßenfahrzeugen. Daimler stellte 1994 den NECAR 1 vor, auf Basis des Mercedes-Benz MB 100. 1996 folgte der NECAR 2 mit sechs Passagierplätzen und 250 km Reichweite. Der NECAR 3 von 1997 war eine modifizierte Mercedes-Benz A-Klasse mit 120 km/h Höchstgeschwindigkeit und Methanol-Reformer zur Wasserstofferzeugung während der Fahrt. Der NECAR 4 von 1999 nutzte flüssigen Wasserstoff und erreichte 450 km Reichweite.
Kommerzialisierung im 21. Jahrhundert
Im 21. Jahrhundert gab es viele Versuche, Brennstoffzellen kommerziell zu nutzen. Von 2000 bis 2010 wurden zahlreiche Prototypen kleiner Brennstoffzellen für Mobilelektronik gezeigt. Firmen wie Sony, Toshiba, NEC, Fujitsu und Motorola kündigten Geräte mit Direktmethanolbrennstoffzellen an. Casio kombinierte einen kleinen Methanolreformer mit einer Wasserstoff-Brennstoffzelle, also einer PEM-Brennstoffzelle. Tatsächlich wurden kaum Geräte vermarktet; ein Grund dürfte der sinkende Preis und die steigende Leistungsfähigkeit von Lithiumionenbatterien gewesen sein.
Erfolgreicher waren Spezial- und Industrieanwendungen. Die 2000 gegründete SFC Energy verkauft Direktmethanolbrennstoffzellen, unter anderem für Spezialanwendungen, Industrie und Reisemobile. Nach eigenen Angaben hatte das Unternehmen bis Januar 2019 über 41.000 Brennstoffzellen verkauft. Seit 2003 gebaute Unterseeboote der Klassen 212 und 214 der Howaldtswerke-Deutsche Werft Kiel nutzen außenluftunabhängige Brennstoffzellensysteme. Für Haushalte werden zunehmend Kraft-Wärme-Kopplungs-Brennstoffzellenanlagen angeboten, die Strom und Wärme liefern und mit Wasserstoff, Erdgas oder Methan betrieben werden können.
Auch im Straßenverkehr entstanden Kleinserien. Hyundai produziert seit 2013 den Hyundai ix35 FCEV. Toyota verkauft seit 2014 den Mirai. Honda liefert bereits seit 2008 den Honda FCX Clarity. Die verbesserte Version des Clarity sollte ab Ende 2016 auch in Europa verkauft werden und hatte nach Angaben der US-Umweltschutzbehörde EPA mit 589 km die höchste Reichweite unter rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugen.
