http://www.udomi.de/fuelcell/brennstoffzellenbasics.html

Brennstoffzelle (Fuel Cell)

Wie funktioniert die Brennstoffzelle?

Welche Zellgeometrien gibt es?

Welche Brennstoffzellentypen gibt es?

Energiespeicherung

Energiedichte

Stärken und Schwächen der Brennstoffzelle

Konkurrenztechnologien

Wie funktioniert die Brennstoffzelle (engl. fuel cell)?

Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) reagieren in einer „kalten Verbrennung“ zu Wasser (H₂0) unter Abgabe von elektrischem Strom und Wärme.
Der Gesamtwirkungsgrad liegt bei > 60%, die Reaktionsenergie der Brennstoffzelle wandelt sich sowohl direkt in elektrischen Strom als auch in Wärmeenergie. Zum Vergleich, der Wirkungsgrad eines optimierten Dieselmotors liegt bei ca. 35%.

Funktionsprinzip der PEM Brennstoffzelle (Beispiel PEM Proton Exchange Membrane)

Aufbau und Funktion der PEMFC (Quelle: www.ballard.com)

Das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle (BZ) ist eine Umkehrung der Elektrolysereaktion in der Wasser durch elektrischen Strom in die Bestandteile Wasserstoff H₂ und Sauerstoff O₂ aufgespalten wird. Folgende Reaktionen laufen dabei an Anode und Kathode ab.

Funktionsweise einer Brennstoffzelle (Quelle: www.ecosoul.org)

Anode (Wasserstoffseite)

Der molekulare Wasserstoff H₂ wird durch den Katalysator (z.B. Platin) zunächst unter Abgabe von 2 Elektronen (e^-) in 2 positive geladene  H⁺ Ionen aufgespalten.

Summenformel: 2 H₂ -> 4 H⁺ + 4 e^-

Elektrolyt (Membrane)

Die positiv geladenen H⁺ Ionen wandern durch den Elektrolyten, in unserem Beispiel eine PEM (Proton-Exchange-Membrane) von der Anoden zur Kathodenseite. Der Elektrolyt ist nur protonenleitend und lässt deshalb keine Elektronen passieren.

Kathode (Sauerstoffseite)

Die Reaktion auf der Kathodenseite ist wesentlich komplizierter. Vereinfacht dargestellt reagiert ein Sauerstoffmolekül O₂ mit 2 H⁺ Ionen unter Aufnahme von 2 Elektronen kurzzeitig zu H₂O₂, welches dann unter weiterer Aufnahme von 2 H⁺ und 2 Elektronen e^- zu 2 Molekülen Wasser umgesetzt wird.

Vereinfachte Summenformel: O₂ + 4 H⁺ + 4 e^- -> 2 H₂O

An der Kathode herrscht also Elektronenmangel und an der Anode Elektronenüberschuss. Verbindet man nun die beiden Elektroden elektrisch, dann fliesst ein Elektronenstrom um den Ladungsausgleich herzustellen. Dieser Strom fliesst solange die Reaktionsprodukte Wasserstoff und Sauerstoff an Anode und Kathode zugeführt werden. Schaltet man in diesen Stromkreis einen elektrischen Verbraucher so wird Arbeit verrichtet.

Die Leerlaufspannung einer Brennstoffzelle liegt theoretisch bei 1,229 Volt. In der Praxis können bei Betrieb mit reinem Sauerstoff ca. 1,05V und bei Betrieb mit Luft ca. 0,95V erreicht werden. Um höhere Spannungen zu realisieren baut man sogenannte Brennstoffzellenstacks in denen mehrere Brennstoffzellen in Reihe geschaltet werden.

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Welche Zellgeometrien gibt es?

Bei der Konstruktion von Brennstoffzellen lassen sich unterschiedliche Zellgeometrien unterscheiden.

• Planare Zelle
• Rohrzelle
• Wickelzelle

Planarer Einzeller (Quelle: www.innovation-brennstoffzelle.de)

Die am meisten verwendete Zellgeometrie ist die planare Zelle. Hier sind Anode, Elektrolyt (Membran) und Kathode wie in einem Sandwich übereinander angeordnet.

Planarer Stack (Quelle: www.innovation-brennstoffzelle.de)

In der planaren Bauweise werden häufig sogenannte Brennstoffzellenstacks hergestellt. Dabei schichtet man einfach mehrere Einzelzellen zu einem Stack zusammen. Ein Vorteil der Stackbauweise besteht darin, dass man somit fast jede beliebige Ausgangsspannungen realisieren kann, denn beim Brennstoffzellenstack addieren sich die Spannungen der Einzelzellen (vgl. elektrische Reihenschaltung Spannungsquellen). Ausserdem ergibt sich eine kompakte Bauform, die sich in vielen Anwendungen platzsparend integrieren lässt.

Eine weitere Möglichkeit mehrere Einzelzellen zu kombinieren stellt die Streifenzelle dar. Diese eignet sich dann, wenn flache Bauformen mit grosser Fläche von Vorteil sind.

Die Rohrzelle hat die Form einer Röhre. Anode, Elektrolyt und Kathode sind in einzelnen Schichten übereinander angeordnet.

Mehrere Brennstoffzellen lassen sich hier in einem Modul zusammenfassen. Auch hier kann durch elektrische Reihenschaltung einzelner Röhren die Ausgangsspannung angepasst werden. Röhrenzellen werden heute z.B. bei der SOFC Technik von Siemens Westinghouse eingesetzt.

Rohrzelle (Quelle: www.h2-interpower.de)

Die Wickelzelle stellt eine weitere interessante Möglichkeit dar, Brennstoffzellen zu realisieren. Im Prinzip ist die Wickelzelle eine lange planare Zelle, die dann einfach aufgewickelt wird. Die Idee zur Entwicklung der Wickelzelle entstand bei der Firma h2-interpower und wurde dort auch in einem Entwicklungsprojekt in die Realität umgesetzt. Die Wickelzelle steht, ähnlich wie die Rohrzelle, noch am Anfang ihrer Entwicklung und verspricht neben einer platzsparenden Geometrie auch niedrigere Herstellungskosten als die planare Zelle.

Wickelzelle (Quelle: www.h2-interpower.de)

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Welche Brennstoffzellentypen gibt es?

Es gibt heute verschiedene Typen von Brennstoffzellen, die sich nach dem jeweils verwendeten Elektrolyten unterteilen lassen. Folgende Grafik gibt eine Übersicht der verschiedenen BZ-Typen.

Quelle: www.fuel-cell.de

Aus heutiger Sicht scheint sich die PEM Brennstoffzelle für mobile und portable Anwendungen am besten zu eignen. DaimlerChrysler und Ford setzen auf diese Technologie für Ihre brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeuge. Auch im Bereich der mobilen Anwendungen wie Stromversorgung für Laptops etc. scheint sich diese Technologie zu etablieren. Die PEM BZ benötigt allerdings sehr reinen Wasserstoff zum Betrieb, da CO_x die eingesetzten Katalysatoren „vergiftet“ und damit schnell unbrauchbar macht.

Demgegenüber können die Brennstoffzellentypen, die bei höherer Temperatur arbeiten, auch mit einem sogenannten Synthesegas betrieben werden. Das Synthesegas kann zum Beispiel durch Reformierung von Benzin hergestellt werden und hat neben einem hohen H₂ Anteil auch CO_x und NO_x Bestandteile. Bei höheren Temperaturen können die Edelmetallkatalysatoren z.B. durch Nickel ersetzt werden, und diese Katalysatoren sind unempfindlich gegen die im Synthesegas enthaltenen CO_x und NOx Anteile. Ausserdem wird bei den höheren Temperaturen ein grossteil des problematischeren CO in CO₂ oxidiert. Im Bereich der kleinen stationären Systeme wird neben der PEM auch die SOFC BZ eingesetzt. Bei Grosskraftwerken scheinen sich die SOFC und die MCFC BZ durchzusetzen. In der folgenden Tabelle sind die wichtigsten Hersteller für die verschiedenen BZ-Typen aufgelistet.

Energiespeicherung

Die Energiespeicherung stellt heute das grösste Problem bei Einführung der Brennstoffzellentechnologie dar. Während wir für fossile Brennstoffe wie Benzin, Heizöl oder Diesel eine funktionierende Infrastruktur haben muss diese insbesondere für Wassestoff noch aufgebaut werden. Erschwerend kommt hinzu, dass Wasserstoff ein leicht flüchtiges Gas ist, welches bei bestimmten Gas-Luftgemischen leicht entzündlich ist. Folgende Speichermöglichkeiten für Wasserstoff werden heute verwendet:

• Metallhydridspeicher
• Hochdruckwasserstoff (CGH₂)
• Flüssigwasserstoff (LH₂)

Metallhydrid kann unter bestimmten Bedingungen in den Zwischengitterplätzen des Kristallgefüges Wasserstoffmoleküle binden. Dieser Vorgang ist beliebig oft reversibel und ist mit Aufnahme bzw. Abgabe von Wärme verbunden. Beim Aufladen des Metallhydridspeichers wird er heiss, beim Entladen kühlt er ab. Metallhydridspeicher sind in der Lage das ca. 500-fache ihres Eigenvolumens an Wasserstoff bei nahezu Umgebungsdruck zu speichern.

Die Verwendung von druckbeständigen Stahlflaschen zur Speicherung von Wasserstoff wird schon lange praktiziert. Neueste Entwicklungen nutzen Drücke von bis zu 700bar (70MPa) um den Wasserstoff möglichst platzsparend zu speichern.

Flüssigwasserstoff stellt eine sehr effiziente Möglichkeit dar Wasserstoff zu speichern, so kommt LH₂ am nächsten an die volumenbezogene Energiedichte von Benzin oder Diesel heran (ca. 25% der volumenbezogenen Energiedichte von Benzin). Weiterer Vorteil ist die kurze Tankzeit von LH₂ (ca. 2 Minuten für 100l) gegenüber Druckgasspeichern. Nachteilig wirken sich heute noch der hohe technische und energetische Aufwand zur Verflüssigung von Wasserstoff sowie die technisch aufwendigen Tanks aus.

Verwendet man Methanol als Alternative zu Wasserstoff lassen sich die Speicherprobleme deutlich reduzieren. Die Energiedichte hat für diesen Brennstoff den Wert 5.6kWh/kg oder 4.4kWh/l und liegt damit bei etwa der Hälfte derjenigen des Benzins. Methanol ist bis zu einer Temperatur von 65 $o$ C flüssig, kann also - ähnlich wie Benzin - in einfachen Tanks gelagert werden.

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Energiedichte

Zum besseren Vergleich der Konkurrenztechnologien Brennstoffzelle, Metall-Luft-Zelle, Batterietechnologie und Verbrennungsmotor wird die spezifische Energiedichte herangezogen. Sie gibt an welche Energie bezogen auf Masse oder Volumen ein bestimmer Energieträger besitzt.

Aus diesen Daten lässt sich ablesen, dass der verwendete Energieträger neben dem Wirkungsgrad die wesentliche Grösse ist wenn es um eine möglichst hohe Energiekapazität geht. Als Alternative zu heutigen Batterietechnologien bietet sich neben der Brennstoffzelle mit Wasserstoff oder Methanol auch die Metall-Luft-Zelle an.

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Stärken und Schwächen der Brennstoffzelle

Ökologisch

Pro

• Reaktionsprodukt reines Wasser (H₂O)
• Keine CO_x oder NO_x Belastung (bei Verwendung von reinem Wasserstoff keine Treibhausgase)
• Hohe Effizienz
• Keine bis niedrige Lärmbelastung

Ökonomisch

Pro

• Hoher Gesamtwirkungsgrad >60%
• Sehr guter Teillastwirkungsgrad
• Direkte Erzeugung von elektrischer Energie
• Keine beweglichen Teile, damit verbunden ist eine hohe Lebensdauer
• Mobile, portable und stationäre Anwendungen möglich

Contra

• Zur Zeit noch hoher Preis
• Noch keine Wasserstoffinfrastruktur vorhanden

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Konkurrenztechnologien

Verbrennungsmotor (Leistungsbereich ab ca. 1kW)

Pro

• Ausgereifte Technologie
• Kraftstoffinfrastruktur vorhanden

Contra

• Emission von CO_x und NO_x
• Wirkungsgrad von maximal 35% beim Dieselmotor
• Ölreserven sind endlich

Batterien

Pro

• Kompakte Energiequellen
• Ausgereifte Technologie

Contra

• Geringe Lebensdauer
• Entsorgung problematisch
• Verwendung von Schwermetallen wie Cadmium, Blei etc.
• Limitierte Leistung

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