Der Einfluss der Arbeiten und des Wirkens von Sir William Grove auf die technische Entwicklung

INHALTSVERZEICHNIS

1. Einleitung

2. Leben Sir William Groves

3. Entwicklung der Brennstoffzelle
3.1 Erforschung des galvanischen Prinzips durch Christian Friedrich Schönbein
3.2 Entwicklung der ersten Brennstoffzelle durch Sir William Grove

4. Der Einfluss der Entwicklung der Brennstoffzelle durch Sir William Grove auf die Technik
4.1 Weiterentwicklung der Groveschen Gasbatterie zur modernen Brennstoffzelle
4.2 Funktionsprinzipien einiger ausgewählter Brennstoffzellentypen
4.2.1 Die alkalische Brennstoffzelle (AFC)
4.2.2 Die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEMFC)
4.2.3 Die Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC)
4.2.4 Die Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC)
4.3 Stationäre und mobile Anwendungen

5. Fazit

6. Literaturverzeichnis

1. EINLEITUNG

Sir William Robert Grove realisierte die erste praktisch nutzbare Brennstoffzelle, die chemische Energie direkt in elektrische Energie umwandeln konnte. Aufgrund preisgünstig verfügbarer fossiler Brennstoffe sowie der Erfindung des deutlich einfacher aufgebauten elektrischen Generators durch Werner von Siemens wurde die komplexere Brennstoffzelle jedoch zunächst in den Hintergrund gedrängt [1: 1-2].

Durch die stetigen Preissteigerungen fossiler Brennstoffe und das gestiegene Umweltbewusstsein in der Gesellschaft wird die Brennstoffzelle heutzutage wiederentdeckt und vermehrt als Energiequelle für zahlreiche mobile und stationäre Anwendungen, beispielsweise in der Fahrzeug- und Raumfahrttechnik, genutzt.

Bereits Christian Friedrich Schönbein entdeckte den Vorgang, der der Brennstoffzelle zu Grunde liegt, 1838 als Umkehrung der Elektrolyse, indem er zwei Platinelektroden in ein Gefäß mit Salzsäure tauchte und diese mit Wasserstoff und Sauerstoff umspülte². Grove nutzte seine Ergebnisse und entwickelte den ersten funktionstüchtigen Prototypen [3: 158].

In der folgenden wissenschaftlichen Arbeit wird der Einfluss der Arbeiten Sir William Groves auf die technische Entwicklung, insbesondere auf die der Brennstoffzelle, dargestellt. Ziel dieser Arbeit ist es, neben dem Entwicklungsprozess und den verschiedenen Funktionsprinzipien, besonders die Auswirkungen dieser Technologie zu betrachten und die heutigen mobilen und stationären Anwendungsmöglichkeiten beispielhaft aufzuzeigen.

2. LEBEN SIR WILLIAM GROVES

Sir William Robert Grove, bekannt als Erfinder der Brennstoffzelle, wurde am 11. Juli 1811 in Swansea, South Wales, geboren. Zunächst erhielt Grove Privatunterricht, später wechselte er auf die Swansea Grammar School, um seinen Schulabschluss zu erlangen⁴.

Nach seinem Schulabschluss widmete er sich dem Jurastudium am Brasenose College der University of Oxford, welches er 1832 mit dem Bachelor of Arts abschloss. Nachdem er im Jahre 1835 sein Masterstudium am Lincoln’s Inn beendete, erhielt er seine Zulassung als Rechtsanwalt. Im gleichen Jahr trat er der Royal Institution bei und gründete die Swansea Literary and Philosophical Society ⁵.

1839 begann Grove mit seiner naturwissenschaftlichen Arbeit: Inspiriert durch die Forschungsergebnisse Christian Friedrich Schönbeins entwickelte er noch im gleichen Jahr eine galvanische Zelle, das heute nach ihm benannte Grovesche Element [3: 157].

In den folgenden Jahren konzentrierte sich seine Forschung auf die Entwicklung der reversiblen Brennstoffzelle, welche er 1842 vorstellte. Diese bestand nun aus zwei Elektroden in Glasröhren, von denen jeweils die Anode von Sauerstoff, die Kathode von Wasserstoff umgeben war⁶.

Des Weiteren beschäftigte er sich mit den Wechselwirkungen zwischen mechanischen Kräften und formulierte eine Theorie der Energieerhaltung⁷, welche 1847 ein Jahr später von Hermann von Helmholtz in weiterentwickelter Form als Energieerhaltungssatz veröffentlicht wurde⁴.

Ab 1846 forschte er weniger, sondern widmete sich vermehrt seiner Arbeit am Gericht, wo er, wegen seiner technischen Kenntnisse und seinem Interesse an seinem Fachgebiet, überwiegend im Bereich Patentrecht arbeitete. 1853 wurde Grove aufgrund seiner langjährigen juristischen Erfahrung zum Kronanwalt, 1864 zum Mitglied der Königlichen Kommission für das Patentrecht und schließlich 1871 zum Richter ernannt⁵.

Nach seiner Pensionierung befasste er sich wieder hauptsächlich mit verschiedenen wissenschaftlichen Themen bis zu seinem Tod am 1. August 1896⁴.

3. ENTWICKLUNG DER BRENNSTOFFZELLE

3.1 ERFORSCHUNG DES GALVANISCHEN PRINZIPS DURCH CHRISTIAN FRIEDRICH SCHÖNBEIN

Die Entwicklung der Brennstoffzelle begann mit den galvanischen Forschungen durch Christian Friedrich Schönbein, die er Januar 1839 im Philosophical Magazine and Journal veröffentlichte. Hierin beschrieb er seinen Versuch, zwei von einer Membran getrennte, in Salzsäure getauchte Platindrähte mit einem Amperemeter zu verbinden².

Der Zeiger des Amperemeters schlägt hierbei aus, was auf elektrischen Strom, hervorgerufen durch eine elektrische Spannung zwischen den beiden Elektroden, schließen lässt. Schönbein wies nach, dass der Stromfluss aus der chemischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff resultiert:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Er führte ebenfalls Versuche an einer Variante mit Wasserstoff und Chlor durch, bei der das gleiche Phänomen zu beobachten ist und als Reaktionsprodukt Salzsäure entsteht. Dies kann durch die folgende chemische Reaktionsgleichung beschrieben werden [8: 4-5]:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Dabei widersprach er Jean Peltiers Kontakttheorie, die den Stromfluss ausschließlich auf die Lösung der beiden Gase im Wasser zurückführt².

Durch diese Versuchsergebnisse erkannte Schönbein, dass die chemische Reaktion der Elektrolyse umkehrbar und als Energiequelle nutzbar ist.

3.2 ENTWICKLUNG DER ERSTEN BRENNSTOFFZELLE DURCH SIR WILLIAM GROVE

Christian Friedrich Schönbein besuchte im Sommer 1839 das jährliche Treffen der Royal Society Birmingham. Dort traf er den walisischen Physiker und Juristen Sir William Grove, der sich durch die Forschungsergebnisse Schönbeins inspirieren ließ. Noch im gleichen Jahr führte Grove seine ersten Versuche zur heutigen Brennstoffzelle durch⁹.

Das Ergebnis bezeichnete er als gaseous voltaic battery (Gasbatterie). Sie besteht aus zwei Glasröhren, durch die jeweils eine Platinelektrode in einen mit verdünnter Schwefelsäure gefüllten Behälter ragt ¹⁰. Nach dem Anschließen einer Spannungsquelle füllen sich die Glasröhren durch den Elektrolyseprozess mit Wasserstoff und Sauerstoff. Nach dem Abklemmen der Spannungsquelle kehrt sich der Vorgang der Elektrolyse um:

Wasserstoff und Sauerstoff reagieren miteinander, ein elektrischer Strom lässt sich mit Hilfe eines Amperemeters messen.

Da die elektrische Spannung nur etwa 0,5-1 Volt beträgt, schaltete er zunächst vier Zellen in Reihe (Abb.

1). Später erhöhte er die Zahl der in Reihe geschalteten Zellen auf bis zu 50, womit er eine Kohlebogenlampe betreiben konnte¹⁰.

Abb. 1. Grovesche Gasbatterie. Grove, William R.: LXXII. On a gaseous voltaic battery. In: Philosophical Magazine Series 3 21(1842),

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Des Weiteren untersuchte er die Wirkung alternativer Brennstoffe und Oxidationsmittel und veröffentlichte im Jahre 1845 seine Versuchsergebnisse ausführlich in den Philosophical Transactions of the Royal Society. In dieser Veröffentlichung postulierte er, dass die Brennstoffzelle eine Alternative zur Batterie darstellen könne¹¹. Im Gegensatz zur Batterie kann die Brennstoffzelle durch den Vorgang der Elektrolyse regeneriert werden.

Durch die oben beschriebenen Forschungsergebnisse und insbesondere deren erstmalige Veröffentlichung gilt Sir William Grove in wissenschaftlichen Kreisen als Erfinder der Brennstoffzelle und somit als Wegbereiter für die modernen Anwendungen dieser Technologie.

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