Die Vision des Notebook-PC mit Propan-Antrieb

Hochtemperatur-Brennstoffzelle heizt sich selbst

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Prototypen von Methanol-Brennstoffzellen für tragbare elektronische Geräte gibt es schon seit einigen Jahren. Propan hat – bezogen auf die Masse – einen doppelt so hohen Heizwert, leider lässt es sich nur in Brennstoffzellen verwerten, die bei hoher Temperatur laufen.

Lithium-Ionen-Akkus in tragbaren elektronischen Geräten speichern nur eine drittel Kilowattstunde elektrische Energie pro Kilogramm Masse. Verglichen mit den Heizwerten organischer Stoffe erscheint dieser Wert lausig, diese betragen für Methanol und Propan 22,5 beziehungsweise 50,4 MJ pro kg, wobei eine kWh 3,6 MJ entspricht. Methanol ist eine Flüssigkeit mit einer Dichte von 0,79 g/cm3; flüssiges Propan hat bei einer Temperatur von 25 Grad Celsius einen Dampfdruck von 10 bar, so dass es sich problemlos lagern lässt.

Mit Brennstoffzellen ließen sich diese genannten Heizwerte zumindest teilweise nutzen. Die klassische Wasserstoff-Brennstoffzelle (Keine Spur von einer Wasserstoffwirtschaft?) erzielt einen Wirkungsgrad von rund 50 Prozent. Hochtemperatur-Brennstoffzellen (Brennstoffzelle ist nicht gleich Brennstoffzelle) kommen auf bis zu 70 Prozent.

Wasserstoffspeicher erscheinen für tragbare Geräte als unpraktisch, Kohlenwasserstoffe wie Methanol lassen sich leichter lagern. Bei letzteren entstehen nennenswerte Mengen an Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid, welches wiederum weiter oxidiert werden muss – jedoch spielt die Umweltverträglichkeit verglichen mit Automobilen hier nur eine untergeordnete Rolle.

Eine Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden, die durch eine Membran oder ein Elektrolyt voneinander getrennt sind. An der Anode wird der Brennstoff – beispielsweise Wasserstoff – oxidiert, an der Kathode das Oxidationsmittel – normalerweise Sauerstoff – reduziert, so dass die Elektronen durch den angeschlossenen Leiter fließen. Die Wasserstoffionen können die trennende Schicht durchdringen und sich schließlich mir den Sauerstoffionen zu Wasser verbinden. Brennstoffzellen wandeln chemische Energie effizienter als Verbrennungsmotoren mit Generatoren in elektrische Energie um. (Bild: Wikipedia)

Bei den Kohlenwasserstoffen muss der Wasserstoff erst katalytisch abgespalten werden, denn Brennstoffzellen können Kohlenwasserstoffe nicht direkt verwerten. Im Hinblick auf ihren hohen Heizwert wären schwerere Kohlenwasserstoffmoleküle als Methanol oder Ethanol vielversprechend, zum Beispiel Propan. Eine Arbeitsgruppe am California Institute of Technology (Caltech) im kalifornischen Pasadena konstruiert Hochtemperaturbrennstoffzellen – auch Festelektrolytbrennstoffzellen genannt – für schwerere Kohlenwasserstoffe, diese Zellen sind außen jedoch so kalt, dass sie sich mit bloßer Hand anfassen lassen. Bisher brauchten Hochtemperaturbrennstoffzellen ein Heizelement, daher erschienen sie für tragbare Geräte ungeeignet. Nunmehr hat die erwähnte Arbeitsgruppe am Caltech eine mit Propan zu betreibende Brennstoffzelle konstruiert, die ohne Heizelemente auskommt, sie berichten ihre Ergebnisse in der Ausgabe vom 9. Juni 2005 der Zeitschrift Nature in Band 435 auf Seite 795. Die Brennstoffzelle liefert eine elektrische Leistung von 0,35 Watt, ihre maximale Spannung beträgt 1,0 Volt, typisch 0,7 Volt; mit zwei Stück ließe sich ein MP3-Abspielgerät versorgen.

Die kalifornischen Forscher fanden einen geeigneten Katalysator, der Heizelemente überflüssig macht. Ein poröser Film aus Ruthenium und Cer-Dioxid katalysiert die gewünschte Reaktion von Propan mit Sauerstoff zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Einmal durch anfängliches Erwärmen auf über 300 Grad Celsius gestartet, läuft die Reaktion ohne Heizung weiter, für den Start der Reaktion ist nach wie vor ein Heizelement nötig.

Am Katalysator aus Ruthenium und Cer-Dioxid in der Anode reagiert das Propan mit Sauerstoff, die Reaktionsprodukte sind Kohlenmonoxid und Wasserstoff, letzterer ist der für die elektrochemische Reaktion erforderliche Brennstoff. (Bild: Sossina M. Haile, Caltech)

Einerseits ist die Anode ein elektrochemischer Katalysator fürs Oxidieren von molekularem Wasserstoff und Kohlenmonoxid, andererseits wirkt sie als nicht-elektrochemischer Katalysator, der für eine teilweise Oxidation der Kohlenwasserstoffmoleküle sorgt, genauer: er erzeugt den elektrochemisch aktiveren molekularen Wasserstoff. Aus Propan und Sauerstoff entsteht Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Glücklicherweise ist diese chemische Reaktion exotherm, so dass keine permanente Heizung mehr nötig ist.

Die Forscher hoffen, auch die Startheizung entbehrlich zu machen und suchen nach einem noch besseren Katalysator. Zudem werden sie den Wirkungsgrad noch deutlich verbessern müssen.

Von einem anderen Fortschritt berichtet die Zeitschrift Physik-Journal in ihrer Juni-Ausgabe auf Seite 16: Eine Arbeitsgruppe der Universität von Illinois hat eine membranlose Brennstoffzelle konstruiert, in der eine laminare Strömung den Brennstoff vom Sauerstoff trennt. Als Brennstoff – also als Protonen-Lieferant – dient Methanol. Es ist also keine Membran mehr nötig, die in der abgebildeten konventionellen Brennstoffzelle das Mischen von molekularem Wasserstoff und Sauerstoff unterbindet. Wegen der erforderlichen laminaren Strömung lässt sich die Apparatur nicht beliebig groß bauen, jedoch lassen sich die Zellen parallel und / oder seriell verdrahten. Die Kosten der eingesparten Membran machen bis zu 40 Prozent aus, zudem hat diese eine recht kurze Betriebsdauer.