Dieser Artikel konzentriert sich auf die Entwicklungsgeschichte der Brennstoffzellen und führt Sie durch einige wichtige Ereignisse in ihrer Evolution.
Entdeckung der Wasserelektrolyse
Die Entwicklung der Brennstoffzellen kann nicht ohne Erwähnung von William Nicholson und Anthony Carlisle diskutiert werden. Ihr Vorschlag im Jahr 1800, Elektrizität zu nutzen, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen, führte zu einer Reihe von nachfolgenden Experimenten zur Wasserelektrolyse.
Geburtsdatum des ersten Brennstoffzellen-Prototyps
In den 1830er Jahren hatte der britische Chemiker William Grove eine interessante Idee, während er Wasserelektrolyse-Experimente durchführte. Er dachte, dass, wenn Wasser mit Elektrizität in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt werden könnte, der umgekehrte Prozess, bei dem Wasserstoff und Sauerstoff sich zu Wasser verbinden, Elektrizität erzeugen sollte. Er trennte den Stromkreis und stellte fest, dass die Elektroden nach der Trennung polarisiert blieben und eine Potenzialdifferenz aufrechterhielten. Wenn ein externer Stromkreis verbunden wurde, floss ein Strom. Grove nannte dieses Gerät „Gas-Voltaische Batterie“. Diese Forschung wurde im Februar 1839 in einer philosophischen Zeitschrift veröffentlicht und markiert das Geburtsdatum des ersten Brennstoffzellen-Prototyps.
Vorschlag des Brennstoffzellen-Konzepts
Fünfzig Jahre später führten der renommierte Chemiker Ludwig Mond und sein Assistent Charles Langer 1889 erfolgreich Experimente durch, um mit Wasserstoff und Sauerstoff Elektrizität zu erzeugen. Sie verwendeten platinbeschichtete Platinbleche mit großer Oberfläche als Elektroden, um zu verhindern, dass die Katalysatorporen vom Elektrolyt überflutet werden, und eine poröse Keramikbasis, die mit Schwefelsäure als nicht fließendem Elektrolyt gefüllt war. Diese Zelle erzeugte eine Stromdichte von 6A/ft² (1ft² = 0,092903m²) bei einer Spannung von 0,73V.
Diese Zelle hatte jedoch erhebliche Nachteile: Sie war teuer, hatte eine schlechte Wiederverwendbarkeit und ihre Leistung nahm schnell ab, was ihre praktische Anwendung einschränkte. Trotz dieser Probleme wurde der Begriff „Brennstoffzelle“ zu dieser Zeit eingeführt und wird seither verwendet.
Funktionen der verschiedenen Brennstoffzellenkomponenten
Bis 1894 hatte die Entwicklung der Brennstoffzellen theoretische Grundlagen zur Orientierung. In diesem Jahr erwähnte Friedrich Wilhelm Ostwald, eine Gründungsfigur der physikalischen Chemie, in einer deutschen elektrochemischen Zeitschrift das Konzept, Sauerstoff aus der Luft zu nutzen, um natürliche Brennstoffe direkt durch elektrochemische Prinzipien zu oxidieren, ohne Wärme zu erzeugen, um ein Strom erzeugendes Gerät zu schaffen. Er erklärte: „In Zukunft wird die Erzeugung von elektrischer Energie elektrochemisch sein, unbegrenzt durch das zweite Gesetz der Thermodynamik. Daher wird die Energieumwandlungseffizienz höher sein als die Effizienz von Wärmekraftmaschinen.“
Ostwald konzentrierte sich auf die theoretische Forschung zur Thermodynamik von Brennstoffzellen, schlug viele Ideen und Theorien darüber vor, wie Brennstoffzellen arbeiten, und bewies experimentell die Funktionen der verschiedenen Brennstoffzellenkomponenten. Sein veröffentlichter Artikel legte das Fundament für das Gebiet der Brennstoffzellen und markierte den Beginn umfangreicher Forschungsarbeiten.
„Kohle-Batterie“
Im Jahr 1896 behauptete der amerikanische Ingenieur William Jacques, eine „Kohle-Batterie“ entwickelt zu haben, die aus einer Kohle-Anode und einer Eisen-Kathode bestand, die in einen geschmolzenen ätzenden Elektrolyten mit hindurchströmender Luft eingetaucht war. Jacques erzielte aus dieser Batterie eine Stromdichte von 100mA/cm² und eine Leistungsabgabe von 1,5kW (aus einem Stapel von 100 Zellen) bei 450°C.
Nachfolgende Untersuchungen ergaben jedoch, dass die Anodenreaktion in Jacques‘ Batterie die Oxidation von Wasserstoff war, der durch die Reaktion zwischen Eisen und Elektrolyt-Wasser erzeugt wurde, und die tatsächliche Effizienz der Batterie nur 8% betrug, weit unter den von Jacques behaupteten 82%. Darüber hinaus wurde das geschmolzene Natriumoxid kontinuierlich durch die Reaktion mit dem erzeugten CO2 verbraucht, wodurch die Batterie eine Lebensdauer von nur sechs Monaten hatte.
Die erste Welle der Brennstoffzellenentwicklung
Während dieser Zeit verbesserte Professor Francis Thomas Bacon von der Universität Cambridge 1932 die frühe Mond-Langer-Brennstoffzelle. Er ersetzte den sauren Elektrolyten durch einen alkalischen (KOH) und verwendete poröse Gasdiffusionselektroden. Eine Schicht, die das Gasdurchdringen verhinderte, wurde auf die Seite aufgebracht, wo die Elektroden den Elektrolyten berührten, um zu verhindern, dass Gas durch die Elektroden gelangt. Nach Jahren der Forschung erhielt Bacon 1959 ein Patent für die erste alkalische Brennstoffzelle. 1960 demonstrierte er öffentlich einen Brennstoffzellenstapel mit einer Eingangsleistung von 5-6 kW. Seine Demonstration führte zu groß angelegten Forschungsaktivitäten in vielen Ländern und markierte die erste Welle der Brennstoffzellenentwicklung.
Eine neue Art von Brennstoffzelle: Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle
In den späten 1950er Jahren entwarf W. Thomas Grubb, ein Chemieforscher bei der General Electric Company (GE), eine Brennstoffzelle mit einer sulfonierten Polystyrol-Ionenaustauschmembran als Elektrolyt, was eine Revolution in den Brennstoffzellen brachte. Drei Jahre später verbesserte ein weiterer Forscher bei GE, Leonard Niedrach, das Design weiter, indem er Platin auf der Membran ablagerte, wobei Platin der wesentliche Katalysator für die Wasserstoffoxidations- und Sauerstoffreduktionsreaktionen war. Dies führte zur Geburt der neuen Brennstoffzelle, der Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle, auch bekannt als Grubb-Niedrach-Brennstoffzelle.
Gleichzeitig entwickelte GE eine kleine Brennstoffzelle für die U.S. Navy’s Bureau of Ships Electronics Division und das U.S. Army Signal Corps, die Wasserstoff verwendete, der durch die Reaktion von Wasser und Lithiumhydrid erzeugt wurde. Bis in die 1960er Jahre wurden Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen kommerzialisiert und in den Gemini-Raumfahrtmissionen eingesetzt. Leider wurden sie aufgrund interner Verunreinigungen und Gasdurchdringungsprobleme mit der Austauschmembran nicht in den nachfolgenden Apollo-Missionen oder dem Space Shuttle-Programm eingesetzt. Im nächsten Jahrzehnt erzielte GE bedeutende Fortschritte bei Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen, die sowohl im militärischen als auch im luft- und raumfahrttechnischen Bereich Anwendung fanden.
Aufrüstung von Alkalischen Brennstoffzellen
Anfang der 1960er Jahre erwarb der Flugzeug- und Triebwerkshersteller Pratt & Whitney (P&W) die Patentrechte für Bacons Stapel und gestaltete ihn neu. Durch die Einführung einer höherkonzentrierten alkalischen Lösung (85 % KOH) und die Senkung des Gasdrucks wurde die Effizienz der alkalischen Brennstoffzelle erheblich gesteigert. Diese P&W-Brennstoffzellen wurden später im Apollo-Programm eingesetzt.
Wiederaufleben der Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen
In den 1980er Jahren wurde die Anwendung von Brennstoffzellen als mittel- bis kleinformatige unabhängige Stromquellen immer prominenter. Brennstoffzellen konnten die Bedürfnisse von Gebieten außerhalb des städtischen Stromnetzes erfüllen und zeigten vielversprechendes Potenzial im Transportwesen und bei tragbaren Geräten.
Infolgedessen wurde die von DuPont in den USA entwickelte Nafion-Polymer-Ionenaustauschmembran anerkannt, da sie die Leistung und Lebensdauer relativ kleiner Brennstoffzellen erheblich verbesserte und gleichzeitig die Platinbeladung effektiv reduzierte. Dies führte zu einem Wiederaufleben des Interesses an Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen und zog potenzielle Nutzer in neuen Anwendungsfeldern an.
Die zweite Welle der Brennstoffzellenentwicklung
Ab Mitte der 1980er Jahre nahm die Anzahl der Veröffentlichungen zu Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen rapide zu. Dies lag hauptsächlich an zwei Gründen: der zunehmenden Anzahl von Automobilen, die zur Luftverschmutzung beitrugen, und der hohen Nachfrage nach großkapazitiven Batterien für tragbare Geräte. Diese Faktoren trieben die kontinuierliche Forschung an Brennstoffzellen voran und markierten den Beginn der zweiten Welle der Brennstoffzellenentwicklung. Die bedeutendsten Fortschritte während dieser Phase wurden bei Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen erzielt.
Der erste Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenstapel, der im Gemini-Raumschiff verwendet wurde, hatte eine Ausgangsleistung von 1 kW. Aufgrund des hohen ohmschen Widerstands und der unzureichenden chemischen Stabilität der Membran hatte die einzelne Zelle eine Stromdichte von weniger als 100 mA/cm² bei 0,6 V, eine Leistungsdichte von etwa 60 mW/cm² und eine Lebensdauer von weniger als 2000 Stunden. Während der zweiten Welle der Brennstoffzellenentwicklung erlebte die Leistung von Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen jedoch revolutionäre Verbesserungen. Bis 1990 erreichte die Leistungsdichte 600-800 W/cm² und die Lebensdauer erstreckte sich auf Zehntausende Stunden. Diese Durchbrüche wurden auf Fortschritte bei verschiedenen Komponenten zurückgeführt, was zur weitverbreiteten Kommerzialisierung verbesserter Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen führte.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen werden Mainstream
Ende der 1990er Jahre wurden Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEM) zum Mainstream, während die Forschung an Festoxidbrennstoffzellen (SOFC) und Hochtemperatur-Molten-Carbonate-Brennstoffzellen (MCFC) fortgesetzt wurde. Die Forschung an alkalischen Brennstoffzellen nahm jedoch seit den 1980er Jahren erheblich ab.
Eintritt ins 21. Jahrhundert
Im 21. Jahrhundert wurden tragbare Brennstoffzellen-Geräte und zivile Brennstoffzellenfahrzeuge kontinuierlich weiterentwickelt. Brennstoffzellenfähren, -busse und -schienentransitsysteme haben in vielen Ländern und Regionen relativ ausgereifte strategische Einsatzpläne und Entwicklungspläne.
2014: Das erste Jahr der Kommerzialisierung von Brennstoffzellenfahrzeugen
Die Markteinführung des Mirai-Modells im Jahr 2014, Toyotas erstem in Serie produzierten Brennstoffzellenfahrzeug, markierte den Beginn der Kommerzialisierung von Brennstoffzellenfahrzeugen. Aufgrund seines hohen Preises und des Mangels an Wasserstofftankstellen wurden weltweit nur 6.000 Mirai-Fahrzeuge verkauft. Der Mirai wird in Toyotas japanischer Fabrik von Hand montiert, wobei Komponenten aus 13 verschiedenen Fabriken von Arbeitern zusammengebaut werden, was nur 6,5 Autos pro Tag produziert. Die teuerste Komponente des Mirai ist der Brennstoffzellenstapel, der 11.000 US-Dollar kostet und ein Sechstel des Gesamtpreises des Autos ausmacht. Toyotas System kann die Produktionskosten des Brennstoffzellenstapels durch erhöhte Produktionskapazität auf unter 8.000 US-Dollar senken.
Die erste wasserstoffbetriebene Superyacht der Welt
Im Jahr 2020 wurde die Aqua-Yacht vorgestellt, die weltweit erste wasserstoffbetriebene Superyacht. Entworfen von der niederländischen Firma Sinot Yacht & Architecture, verfügt die Aqua-Yacht über fünf Decks oben und zwei 28-Tonnen-Vakuum- versiegelte Tanks, die flüssigen Wasserstoff unten halten. Sie hat eine Höchstgeschwindigkeit von 32 km/h und kann mit einer vollen Tankfüllung Wasserstoff 6.035 km zurücklegen. Im Falle einer unzureichenden Flüssigwasserstoffversorgung kann die Aqua-Yacht auf Diesel als Notkraftstoff zurückgreifen, um den normalen Betrieb sicherzustellen.
Chinas Wasserstofffahrzeug-Meilenstein
Im Jahr 2022 überschritt die Zahl der Wasserstofffahrzeuge in China erstmals die Marke von 10.000 und erreichte 14.979, wodurch es das Land mit der höchsten Anzahl an Wasserstoff-Nutzfahrzeugen weltweit wurde. China baute auch 358 Wasserstofftankstellen, was fast 50 % der weltweiten Gesamtzahl ausmacht und weltweit an erster Stelle bei gebauten, in Betrieb befindlichen und neu errichteten Stationen liegt. Bis 2025 wird geschätzt, dass China 100.000 Wasserstofffahrzeuge und über 1.000 Wasserstofftankstellen haben wird.
Aktuelle Forschung zu Brennstoffzellen
Im Jahr 2023 entwickelte die Ural Federal University in Russland eine umweltfreundlichere Festoxidbrennstoffzelle (SOFC), die saure, alkalische und Lithiumbatterien ersetzen kann. SOFCs haben keramische Metallanoden und poröse Oxidkathoden. Um die Produktion von SOFCs zu vereinfachen, entwarfen die Forscher symmetrische Zellen mit identischen Elektrodenzusammensetzungen. Die neuen Ferritverbindungen auf Basis von Eisen, Barium und Lanthan, die zur Herstellung symmetrischer SOFCs verwendet werden, weisen eine hohe Leitfähigkeit und einen niedrigen Polarisationswiderstand in Luft auf. Forscher der Universität Nagoya in Japan entwickelten eine neue superhochdichte sulfonierte Polymer-Elektrolytmembran für Brennstoffzellen, eine Schlüsselkomponente umweltfreundlicher Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen.
Breite Anwendung und Zukunft der Brennstoffzellen
Laut dem neuesten Bericht „Global Hydrogen Review 2023“ der Internationalen Energieagentur bleibt das weltweite Interesse an Wasserstoff hoch. Es wird erwartet, dass die weltweite Produktion von kohlenstoffarmem Wasserstoff bis 2023 38 Millionen Tonnen pro Jahr erreichen wird, ein Anstieg von 50 % gegenüber dem Bericht von 2022. Im Dezember veröffentlichten der Hydrogen Council und McKinsey & Company gemeinsam einen aktualisierten Bericht „Global Hydrogen Insights“. Die Analyse von über 1.400 großen Wasserstoffprojekten zeigt, dass trotz Herausforderungen wie steigender Zinssätze und Lieferkettenengpässen die globale Wasserstoffwirtschaft weiter wächst. Der Bericht stellt fest, dass die Gesamtsumme der Investitionen in globale Wasserstoffprojekte auf 570 Milliarden US-Dollar gestiegen ist, was Produktion, Endanwendung und Infrastruktur abdeckt, ein Anstieg von 35 % gegenüber 2022.
Die Brennstoffzellentechnologie entwickelt sich weiterhin rasant und findet Anwendung, und es wird angenommen, dass sie in Zukunft glänzen und uns in eine Wasserstoffgesellschaft führen wird.
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