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Sektion H: Elektrotechnik

Brennstoffzelle

H01M 8/08

Querschnitt-Prinzipskizze der Funtionsweise einer Brennstoffzelle mit Elektroden und Gaszufuhr.Bild vergrößert anzeigenFigur 1: Schemazeichnung einer Brennstoffzelle (DE 10 2006 059 643 A1).

Ob nun der gebürtige Württemberger Christian Wilhelm Schönbein oder der Waliser William Robert Grove als "Vater der Brennstoffzelle" anzusehen sind, wird auch hier nicht abschließend geklärt werden können. Schönbein publizierte in der Januarausgabe des "Philosophical Magazine" 1839 als erster über die Existenz einer elektrischen Spannung zwischen zwei Platinelektroden, die in einer Elektrolytlösung von Wasserstoff bzw. Sauerstoff umspült werden. Ebenfalls 1839 machte Grove sich in einer primitiven Apparatur die Umkehrung der Elektrolyse von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, also die Oxidation von Wasserstoff zu Wasser, zunutze, um Strom zu erzeugen. In den Folgejahren entwickelte er diese Apparatur weiter zu einer als "Gasbatterie" bezeichneten Wandlervorrichtung.

Stapel von in Reihe geschalteten Brennstoffzellen im Querschnitt.Bild vergrößert anzeigenFigur 2: Brennstoffzellenstapel aus DE 10 2005 038 931 A1.

Auch jede heutige Brennstoffzelle (z.B. 300, aus DE 10 2006 059 643 A1, Figur 1) nutzt die Oxidation eines Brennstoffs an einer Anode (310) und die Reduktion eines Oxidationsmittels an der Kathode (330) zur Energiegewinnung. Zwischen den Elektroden befindet sich meist eine Membran oder eine Elektrolytschicht (320), die Oxidations- und Reduktionsmittel voneinander trennt, während sie die Elektroden "umspülen". Als Brennstoffe dienen derzeit neben Wasserstoff auch Alkohol, Methan und Zuckerlösungen. Als Oxidationsmittel wird oft Luft verwendet und nicht reiner Sauerstoff.

Einzelne Brennstoffzellen liefern aufgrund des festen elektrochemischen Potentials zwischen den Elektroden nur eine vergleichsweise geringe Spannung (im Falle einer Wasserstoff-Sauerstoff-Zelle theoretisch 1,2 V, baulich bedingt in der Praxis nur 0,3 - 0,8 V). Daher müssen viele Zellen in Reihe geschaltet werden, um die beim Betrieb eines Automobils üblicherweise benötigten Spannungen zu erzielen (Figur 2, DE 10 2005 038 931 A1). Diese Reihenschaltung nennt man einen "Stack", nach dem englischen Begriff für "Stapel".

Auto mit Prinzipskizze zum Einbau von Brennstoffzellenstapeln im zentralen Teil unterhalb der Fahrgastzelle.Bild vergrößert anzeigenFigur 3: Anordnung von Brennstoffzellen in einem Automobil aus DE 11 2004 001 832 T5.

Da die fossilen Energieträger immer seltener und damit teurer werden, nehmen die Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet der Brennstoffzellen in den letzten Jahren enorm zu. Dies führte zum einen zu Patentanmeldungen über nur mit Brennstoffzellen angetriebene Fahrzeuge (z.B. DE 11 2004 001 832 T5, Figur 3), zum anderen zu den Hybridfahrzeugen. Brennstoffzellen gelten derzeit im Rahmen der Hybrid-Fahrzeugtechnik als effektive Ergänzung zur den traditionellen Verbrennungsmotoren und werden wegen des quasi schadstofffreien Ausstoßes beworben. Man darf jedoch nicht außer Acht lassen, dass das Material für diese Zellen, d.h. die hierfür benötigten Rohstoffe, auch erst energieintensiv prospektiert, gefördert und verarbeitet werden müssen, bevor die Brennstoffzelle als einsetzbares Produkt vorliegt. Die Abhängigkeit im Energiesektor von fossilen Rohstoffen kann durch ihren Einsatz jedoch ohne Zweifel verringert werden. Dies ist angesichts der globalen Klimaveränderung und Umweltverschmutzung ein wichtiger Aspekt zur Schonung der Ressourcen der Erde.

Für eine Recherche relevante IPC-Gruppen
IPCTechnischer Aspekt
H01M 8/08   Brennstoffzellen mit wässrigem Elektrolyten zwischen den Elektroden 
H01M 8/10   Brennstoffzellen mit festem Elektrolyten zwischen den Elektroden 
H01M 8/24   Stapeln von Brennstoffzellen (Reihenschaltung in Batterien) 
B60L 11/18   Brennstoffzellen als Energiequelle in Kraftfahrzeugen 
B05D 5/12   Erzielung bestimmter Oberflächeneigenschaften von Elektroden  
H01M 4/94   Diffusionselektroden, Ionenaustauschermembranen 

Zitierte Patentdokumente
PatentnummerJahrTitel
DE 10 2006 059 643 A1   2006   Vorrichtung und Verfahren zum Freigeben des Überdrucks eines Brennstoffzellenkühlmitteltanks 
DE 10 2005 038 931 A1   2005   Brennstoffzellenstack 
DE 11 2004 001 832 T5   2004   Brennstoffzellensystem und Brennstoffzellen-Kraftfahrzeug 

© 2016 Deutsches Patent- und Markenamt | 22.12.2014