Brennstroffzelle

Die Brennstoffzelle - vielseitig einsetzbar

Das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle ist seit über 150 Jahren bekannt. Es ist die Umkehrung der Elektrolyse bei der Wasser nach 2 H2O -> O2 + 2 H2 durch Anlegen einer elektrischen Spannung an zwei Elektroden in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten wird.

Wirkungsweise
In der Brennstoffzelle werden an der Anode durch Oxidation nach 2 H2 -> 4 H+ + 4 e- Protonen und Elektronen erzeugt. An der Kathode entsteht durch Reduktion nach O2 + 4 H+ + 4 e- -> 2 H2O Wasser. Die Gesamtreaktion lautet also 2 H2 + O2 -> 2 H2O. Diese Reaktion erzeugt theoretisch 1,23 Volt elektrischen Strom bei 25 oC. In der Praxis liegen die erhaltenen Spannungen jedoch nur bei 0,5 bis 1 Volt.

Aufbau am Beispiel einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle
In der Brennstoffzelle sind die Anode und die Kathode durch eine gasdichte Polymer-Membran, die nur für Ionen durchlässig ist, getrennt. Die Membran muss für Elektronen undurchlässig sein. Die Protonen müssen sie jedoch passieren können. Die Elektroden müssen eine große reaktive Oberfläche aufweisen und sind mit einer katalytisch wirkenden Edelmetallschicht versehen. Die freien Elektronen an der Anode nehmen ihren Weg zur Kathode. An der Kathode reagieren die Elektronen mit den durch die Membran gewanderten Protonen und dem Sauerstoff zu Wasser. Dabei wird neben Gleichstrom auch Wärme produziert.

Funktionsskizze einer Brennstoffzelle

Arten von Brennstoffzellen
Man unterscheidet fünf Haupttypen von Brennstoffzellen. Sie sind unterschiedlich nach Art des verwendeten Elektrolyten. Daraus ergeben sich auch verschiedene Betriebstemperaturen.

Alkalische Brennstoffzelle
(Alkaline Fuel Cell = AFC)
Als Anodengas dient Wasserstoff, als Kathodengas Sauerstoff. Sie leisten bei einer Betriebstemperatur von rund 80 °C zwischen 10 und 100 kW. Der Systemwirkungsgrad liegt bei rund 60 %. Ihr bevorzugtes Einsatzgebiet ist die Luft- und Raumfahrt sowie als Energieversorger in U-Booten.

Polymembran-Brennstoffzelle
(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell oder auch Proton Exchange Membrane Fuel Cell = PEMFC)
Als Anodengas dient Wasserstoff, als Kathodengas Luftsauerstoff. Sie leisten bei einer Betriebstemperatur ab ca. 60 °C zwischen 0,1 und 500 kW. Der Systemwirkungsgrad liegt bei 30 - 50 %. Einsatzgebiet: Mobil und Blockheizkraftwerke.

Phosphorsaure Zelle
(Phosphoric Acid Fuel Cell = PAFC)
Als Anodengas dient Wasserstoff, als Kathodengas Luftsauerstoff. Sie leisten bei einer Betriebstemperatur von rund 200 °C ca. 200 kW. Der Systemwirkungsgrad liegt bei etwa 40 %. Ein Einsatzgebiet ist beispielsweise die Kraft-Wärme-Kopplung.

Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (Molten Carbonate Fuel Cell = MCFC) Als Anodengas dient Wasserstoff, der auch aus Erdgas oder Biogas gewonnen werden kann, als Kathodengas Luftsauerstoff. Sie leisten bei einer Betriebstemperatur von rund 650 °C 250 KW. Der Systemwirkungsgrad liegt bei ca. 47 %. Mögliche Einsatzgebiete sind Kraftwerke und Kraft-Wärme-Kopplung.

Oxidkeramische Brennstoffzelle (Solid Oxide Fuel Cell = SOFC) Als Anodengas dient Wasserstoff, der auch aus Erdgas oder Biogas gewonnen werden kann, als Kathodengas Luftsauerstoff. Sie leisten bei einer Betriebstemperatur zwischen 800 und 1000 °C bis zu 100 MW. Der Systemwirkungsgrad liegt bei ca. 57 %. Mögliche Einsatzgebiete sind Kraftwerke und Kraft-Wärme-Kopplung.

Anwendungen
Bereits heute existieren Anwendungen für den Einsatz von Brennstoffzellen. Einige sind noch im experimentellen Stadium, andere sind schon fast marktreif. In einem sehr fortgeschrittenem Entwicklungsstadium befinden sich stationäre Anlagen, die Wohnhäuser und Gewerbebetriebe mit Heizwärme und elektrischem Strom versehen. Diese stationären Anlagen sind in der Regel an das Erdgasnetz angeschlossen. Dabei wird das Methan des Erdgases zu Wasserstoff reformiert und zur Strom- und Wärmeerzeugung eingesetzt. Eine andere Anwendung ist der Antrieb von Fahrzeugen. Dabei wird der entstehende Strom zum Antrieb von Elektromotoren eingesetzt. An dieser Technik arbeiten viele europäische Automobilhersteller. Diese Art des Antriebes ist nicht nur für Pkws geeignet. Europaweit wird die Brennstoffzellentechnik auch gerade im öffentlichen Personennahverkehr getestet. Ein besonders interessantes Einsatzgebiet findet die Brennstoffzelle in der Stromversorgung von mobilen Endgeräten. So steht die Stromversorgung von Notebooks mittels Brennstoffzellen kurz vor der Serienreife. Dabei dient Methanol als Wasserstoffspender, um eine möglichst hohe und lange Mobilität fern der Steckdose zu erreichen. Noch im Versuchsstadium befindet sich die Brennstoffzelle für Handys und PDAs. Messtechnik, Telemetrie, Wohnmobile und Sportboote bieten weitere Einsatzfelder für die Brennstoffzellentechnik. Sehr frühzeitig fand die Brennstoffzellentechnik Einzug in die Luft- und Raumfahrt. Bereits 1965 wurde die Brennstoffzelle im Gemini-Programm der NASA verwendet. Die Brennstoffzelle leistete rund 1 kW und lieferte als Abfallprodukt höchst erwünschtes Trinkwasser.