Die Miniatur-Brennstoffzelle

Seit langem schon suchen die Batteriehersteller nach Wegen, um die elektrochemischen Batterien ersetzen zu können. Hohe Energiedichte, kleinere Abmessungen, tiefere Kosten pro Watt Leistung und kürzere Ladezeiten sind auf der Wunschliste. Die elektrische Energie aus wieder aufladbaren Batterie ist teuer, wenn man die hohen Batteriepreise, die begrenzte Lebenserwartung und die kleine Leistung, die die Batterie liefern kann, berücksichtigt.

Wird die Brennstoffzelle ein Ersatz sein?

Die Brennstoffzelle hat in den vergangenen Jahren viel Aufsehen erregt. Für viele ist sie die Energiequelle der Zukunft. Dabei ist die Brennstoffzelle nichts Neues; Sir William Grove entwickelte bereits 1839 das erste Modell. Obwohl sie dem Verbrennungsmotor voraus war, blieb die Brennstoffzelle ein Unikum bis 1950, als sie in Raumfahrt- und Militäranwendungen der USA zum ersten Mal zum Einsatz kam. In den 80er Jahren wurde die Brennstoffzelle noch einmal wiedergeboren, als Wissenschaftler und Aktienhändler sie als saubere Energiequelle, gespeist vom unerschöpflichen Wasserstoff, anpriesen. Die Autos würden von Brennstoffzellen getrieben und Haushalte mit Elektrizität versorgt werden, von Brennstoffzellen hinter dem Haus erzeugt. Hohe Herstellungskosten und eine kurze Lebensdauer standen der Realität jedoch im Weg.

Kraftstoff der Brennstoffzelle sind Wasserstoff und Sauerstoff. Die Verbindung dieser beiden Gase erzeugt Elektrizität und Wasser. Es gibt keine Verbrennung, keine Umweltverschmutzung. Das Nebenprodukt ist reines Wasser. Eine solche Anlage ist so sauber, dass Geoffey Ballard, der Entwickler der Ballard-Brennstoffzelle, seinen Gästen mit diesem Wasser angesetzten Tee zum Trinken anbot. Die theoretische Energieabgabe einer Brennstoffzelle ist hoch, die Hälfte geht jedoch als Wärme verloren.

In den vergangenen Jahren kamen tragbare Versionen der Brennstoffzelle auf den Markt. Die vielversprechendste Mini-Brennstoffzelle ist die Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMBZ). DMBZ ist billig, einfach, benötigt kein druckbeaufschlagtes Wasserstoffgas und bietet eine einigermaßen gute elektrochemische Leistung. Die gegenwärtigen Systeme liefern 900 Wh und eine Energiedichte von 102 Wh/l, sind jedoch gegenüber einem elektrochemischen Akku ziemlich groß. Als Ausgleich für die großen Abmessungen, hat man das Aufladen durch die Möglichkeit des Austauschs der Brennstoffpatrone vereinfacht. So steht eine ständige Energiequelle, wie beim Auftanken des Autos, zur Verfügung.

Toshiba hat den Prototyp einer Brennstoffzelle für Laptops vorgestellt, die nach eigenen Angaben jedoch noch in den Kinderschuhen steckt. Es gibt noch keine Hinweise darauf, wann das Produkt kommerziell erhältlich sein wird. Ein Ersatz mit hoher Leistung, kleinen Abmessungen und zu einem wettbewerbsfähigen Preis wird noch Jahre auf sich warten lassen. In Abbildung 2 ist die DMBZ von Toshiba zu sehen. Die Mikro-Brennstoffzelle auf der linken Seite bietet eine Dauerleistung von 300 mW. Der Brennstoff besteht zu 99,5% aus Methanol und ist in einem 10 ml großen Behälter untergebracht. Links ist das Nachfüllen abgebildet.


Abbildung 1: Die Toshiba-Brennstoffzelle mit Nachfüllpatrone. Es wird gegenwärtig nur eine begrenzte Anzahl dieser Geräte hergestellt. Abbildung mit der freundlichen Erlaubnis von Toshiba.

Angstrom Power entwickelt eine tragbare Brennstoffzelle, die den Wasserstoff einem Behälter, den Sauerstoff jedoch der Luft entnimmt. Das System, das weder eine Pumpe noch einen Lüfter benötigt, kann bei normalen Umgebungsbedingungen betrieben werden. Die Vorteile reinen Wasserstoffs gegenüber Methanol sind ein höherer Wirkungsgrad und kleinere Abmessungen. Das Ziel ist eine saubere, leise Stromquelle, die einfach und schnell wieder nachgefüllt werden kann. Abbildung 3 zeigt eine Fahrradlampe als Anwendungsbeispiel.

Abbildung 2: Von einer Brennstoffzelle versorgter Fahrradlampe. Die 21 Kubikzentimeter große Patrone liefert eine Energie, die in etwa der von 10 alkalischen AA-Akkus entspricht. Das einzige Nebenprodukt ist Wasserdampf. Voll aufgefüllt beträgt die Laufzeit 20 Stunden.

Laut Angstrom Power hat die Fahrradlampe des Typs micro hydrogen™ in Winter- und Frühlingsbedingungen eine gute Leistung erbracht. Die Benutzer äußerten sich positiv. Der Wasserstoff ist in einer 21 Kubikzentimeter großen Patrone untergebracht und liefert eine Energie, die in etwa der von 10 alkalischen AA-Akkus entspricht. Das einzige Nebenprodukt ist Wasserdampf. Das Nachfüllen nimmt nur wenige Minuten in Anspruch und liefert eine Laufzeit von 20 Stunden.

So gut die Brennstoffzelle auch von außen aussehen mag, haben 15 Jahre Versuche eine ganze Anzahl von Problemen noch nicht lösen können. Dazu gehören das langsame Anlaufen und die niedrige elektrochemische Reaktion an der Anode. Das macht sich insbesondere bei der DMBZ bemerkbar. Eine Zelle liefert etwa 1 Volt; wird sie jedoch belastet, so sinkt die Spannung wegen des relativ hohen Innenwiderstands schnell ab. Abbildung 4 zeigt den Spannungsabfall in Abhängigkeit vom Laststrom. Es ist deutlich zu sehen, dass der Leistungsbereich recht schmal ist.

Abbildung 4: Leistungsbereich einer tragbaren Brennstoffzelle. Mit steigendem Laststrom sinkt die Zellenspannung wegen des hohen Innenwiderstands schnell ab. Der Leistungsbereich ist auf 300-800 mA beschränkt.

Die Belastung ist bei einer kleinen Fahrradlampe kein Problem, insbesondere, wenn es sich um ein LED handelt. Ein Laptop benötigt jedoch 40 Watt Leistung, was eine kleine Brennstoffzelle nicht mehr schaffen kann. Hier ist zur Unterstützung ein Akku notwendig. Die Brennstoffzelle dient dem Akku dann eher als Ladeelement. Das gleiche gilt für brennstoffzellengespeiste Handys und Kameras.

Noch hat die Brennstoffzelle nicht den umwerfenden Durchbruch geschafft, auf den die Mikroelektronik zurückblicken kann. Moores Gesetz gilt in diesem Fall wohl nicht. Die Probleme sind weiterhin niedrige Leistung, große Abmessungen, niedrige Lebensdauer und hohe Kosten. Auch verbieten die Sicherheitsvorschriften, dass Fluggäste den Brennstoff mit an Bord nehmen dürfen. Diese Vorschriften werden sich in den kommenden zwei Jahren voraussichtlich ändern. Die ICAO hat bereits eine Ausnahme beschlossen, gemäß der Methanol-Brennstoffzellen mit an Bord von kommerziellen Flügen genommen werden dürfen. Das gilt jedoch noch nicht für Wasserstoffgas.

Fazit

Nach Prüfung alternativer Energiequellen steht der herkömmliche Akku plötzlich sehr gut da. Er ist klein, sauber, leise und liefert sofort die benötigte Leistung. Ähnlich dem Verbrennungsmotor wird der Akku nicht leicht mit etwas zu ersetzen sein, das die gleiche Energiedichte bietet und genauso erschwinglich ist. Eine unerschöpfliche Brennstoffzelle wäre toll; noch jedoch sind wir auf die altmodische Elektrochemie, den Akku, angewiesen. Revolutionäre Neuentwicklungen für unsere mobilen Geräte sind nicht in Sicht. Auch die Atomfusion als potentielle Energiequelle ist noch nicht im Rennen.

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Created: November 2006, Lest edited February 2007