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.
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.