Infoblatt Brennstoffzelle

Funktionsweise, Typen, Vor- und Nachteile, Einsatzbereiche




Der Einsatz des heutigen Industriewasserstoffs ist ausschließlich auf die stoffliche Verwertung in chemischen Produkten beschränkt. Um diesen jedoch auch energetisch nutzen zu können, stellt die Brennstoffzelle eine Schlüsseltechnologie dar. In den meisten Fällen kommt der Wasserstoff hier direkt zum Einsatz, doch finden auch weitere wasserstoffhaltige Brennstoffe (z. B. Erdgas, Methanol) Verwendung, aus denen der Wasserstoff allerdings zuerst reformiert werden muss. Anders verhält sich dies bei Hochtemperatur-Brennstoffzellen, bei denen eine Reformierung innerhalb der Brennstoffzelle und somit ein direkter Einsatz von anderen Brennstoffen möglich ist.


Funktionsweise und Aufbau

Die konventionelle Verstromung von Brennstoff beinhaltet drei Stufen: die chemische Energie des Brennstoffs, durch Verbrennung erzeugte Wärme, mithilfe derer mechanische Energie erzeugt wird, die wiederum durch einen Generator in elektrische Energie umgesetzt wird. In einer Brennstoffzelle hingegen wird aus gasförmigen chemischen Energieträgern chemische Energie direkt in elektrische Energie umgewandelt.
Analog zu einer Batterie sind die wesentlichen Bestandteile einer Brennstoffzelle zwei Elektroden, Anode und Kathode. Beide sind durch einen Elektrolyten voneinander getrennt, der für Gase undurchlässig ist. Verwendet eine Batterie zur Stromproduktion einen eingeschlossenen chemischen Stoff, so werden der Brennstoffzelle dagegen die notwendigen Reaktionsstoffe kontinuierlich zugeführt, an die Anode Wasserstoff (H₂), an die Kathode Sauerstoff (O₂). Die Wasserstoffmoleküle geben an der Anode Elektronen ab. Die so gebildeten Protonen können ungehindert durch den Elektrolyten zur Kathode diffundieren. Die zurückbleibenden Elektronen hingegen erreichen die Kathode über einen externen Stromkreis und verrichten dabei elektrische Arbeit. An der Kathode ergibt sich aus den Protonen und den Elektronen zusammen mit dem zugeführten Sauerstoff als Reaktionsprodukt dann Wasser (H₂O). Daneben erzeugen die chemischen Reaktionen außerdem weitere Energie in Form von Wärme.
Bei dieser Reaktion entstehen also fortlaufend elektrischer Strom, Wärmeenergie und Wasser. Da die entstehende elektrische Spannung jedoch sehr gering ist (etwa 1 V), werden, um diese nutzen zu können, mehrere Brennstoffzellen zu einem Stapel (Stack) hintereinander geschaltet.


Typen von Brennstoffzellen

Nach dem eingesetzten Elektrolyten und der Betriebstemperatur können verschiedene Typen von Brennstoffzellen unterschieden werden:

• alkalische Brennstoffzelle (Alkali Fuel Cell - AFC)
  Elektrolyt Kalilauge; Brennstoff Wasserstoff
  Niedertemperaturbrennstoffzelle, Betriebstemperatur 90 °C, Gesamtwirkungsgrad etwa 70 %
  
• Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle (Polymer Electrolyte Fuel Cell - PEFC)
  Elektrolyt dünne, gasdichte, protonenleitende, feste Polymermembran; Brennstoff Wasserstoff
  Niedertemperaturbrennstoffzelle, Betriebstemperatur 100 °C, Gesamtwirkungsgrad zwischen 50 % (Volllast) und 80 % (niedrige Last)
  
• Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (Direct Methanol Fuel Cell - DMFC)
  Elektrolyt dünne, gasdichte, protonenleitende, feste Polymermembran; Brennstoff flüssiges Methanol/Methanoldampf
  Niedertemperaturbrennstoffzelle, Betriebstemperatur 100 °C, Gesamtwirkungsgrad bis 65 %
  
• Phosphorsaure Brennstoffzelle (Phosphoric Acid Fuel Cell - PAFC)
  Elektrolyt konzentrierte, nahezu wasserfreie Phosphorsäure, Brennstoff Wasserstoff aus reformierten CO₂-haltigen Gasen (z. B. Erdgas)
  Mitteltemperaturbrennstoffzelle, Betriebstemperatur 200 °C, Gesamtwirkungsgrad etwa 55 %
  
• Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (Molten Carbonate Fuel Cell - MCFC)
  Elektrolyt geschmolzene Karbonate (vorwiegend Alkalikarbonate wie Lithium- oder Kaliumkarbonat); Brennstoff CO₂-haltige Gase (z. B. Erd-, Bio-, Kohle- oder Klärgas) (interne Reformierung)
  Hochtemperatur-Brennstoffzelle, Betriebstemperatur 650 °C, Gesamtwirkungsgrad 50 - 80 %
  
• Oxidkeramische Brennstoffzelle (Solid Oxide Fuel Cell - SOFC)
  Elektrolyt yttriumstabilisiertes Zirkonoxid (feste, protonenleitende Keramik); Brennstoff CO₂-haltige Gase (z. B. Erd-, Bio-, Kohle- oder Klärgas) (interne Reformierung)
  Hochtemperatur-Brennstoffzelle, Betriebstemperatur 1.000 °C, Gesamtwirkungsgrad etwa 65 %
  
  
  
  Vor- und Nachteile
  
  Vorteile:
  • Hohe Energiedichte
    
  • Hoher Wirkungsgrad von über 50 % bereits ab kleinsten Leistungen; der Gesamtwirkungsgrad einer Brennstoffzelle liegt nach dem derzeitigen Stand der Technik unter Nutzung der anfallenden Wärmeenergie bei bis zu 80 % und damit weitaus höher als bei herkömmlichen Kraftwärmemaschinen
    
  • Niedrige Betriebstemperaturen; besonders im mobilen Einsatz finden Niedertemperatur-Brennstoffzellen Verwendung, die bei Temperaturen von lediglich 90 - 100 °C arbeiten
    
  • Geräusch- und vibrationsfreier Lauf ergibt einen im Vergleich zum herkömmlichen Verbrennungsmotor äußerst niedrigen Geräuschpegel im Betrieb
    
  • Gleichzeitige Gewinnung von elektrischer Energie und von Wärmeenergie
    
  • Niedrige Schadstoffemissionen, da beim Einsatz von Brennstoffzellen lediglich Wasserdampf produziert wird; durch den Einsatz von Solarwasserstoff ist sogar ein fast schadstoffemissionsfreier Betrieb möglich
    
  • geringer Wartungsaufwand
    
  Nachteile:
  • hohe Investitionskosten insbesondere im Bereich der infrastrukturellen Anlagen zur Wasserstoffversorgung
    
  • (noch) hohes Gewicht und großes Volumen; besonders im mobilen Einsatz problematisch
    
  • Lebensdauer von derzeit 5.000 Stunden im mobilen Einsatz gegenüber 25.000 bis 35.000 Stunden moderner Dieselmotoren, dementsprechend stellen Brennstoffzellen momentan noch keine wirtschaftliche Konkurrenz gegenüber der Dieseltechnologie dar; im stationären Einsatz bis zu 40.000 Betriebsstunden möglich
  
  
  
  Einsatzbereiche
  
  Seit den 1960er Jahren werden Brennstoffzellen in der Raumfahrt eingesetzt, da sie hohe Energie- und Leistungsdichten haben, d. h. bei geringer Masse der Zelle und des Gases eine große Menge elektrischer Energie produzieren.
  Mittlerweile erstreckt sich das Einsatzgebiet aber auf ein sehr viel größeres Spektrum. So kommen z. B. im Kraftfahrzeugverkehr Niedertemperaturbrennstoffzellen zum Einsatz, die bei 80 - 100 °C arbeiten. Die so erzeugte Elektrizität treibt einen Elektromotor im Fahrzeug an.
  Brennstoffzellen finden jedoch nicht nur in Kraftfahrzeugen Verwendung, sondern mittlerweile auch in U-Booten. Die deutsche Marine hat Ende 2005 mit den Booten des Typs 212 A die modernsten nicht-atomaren U-Boote der Welt in Dienst gestellt. Diese verfügen über einen Hybridantrieb, der einerseits aus einem Dieselgenerator (für Manöver unter Höchstgeschwindigkeit), andererseits aus Brennstoffzellen (für den Langzeitbetrieb bei mäßiger Geschwindigkeit) besteht. Hier kommen insbesondere die Geräuscharmut, die niedrige Betriebstemperatur und die im Vergleich zum Dieselgenerator sehr viel längeren Tauchzeiten zur Geltung.
  Ferner sollen bis zum Jahr 2010 in Japan durch Brennstoffzellen angetriebene Züge zum Einsatz kommen. Auch in Kanada wird diese Möglichkeit getestet. Probleme ergeben sich dadurch, dass Lokomotiven hauptsächlich unter Volllast oder im Leerlauf betrieben werden, Brennstoffzellen jedoch gerade bei mittlerer Leistungsabfrage am effizientesten sind.
  Mitte 2009 erweiterte man das Einsatzgebiet von Brennstoffzellen auch auf die Luftfahrt. Mit dem Motorsegler "Antares DLR-H2" hob zum ersten Mal ein startfähiges, durch Brennstoffzellen angetriebenes Flugzeug ab. Bei Verkehrsflugzeugen ist die Brennstoffzelle laut Aussage der beteiligten Forscher des DLR zwar im Antriebsbereich nicht geeignet, aber für die Stromversorgung an Bord eine mögliche Alternative.
  Eine weitere Einsatzmöglichkeit, und nach dem Büro für Technikfolgeabschätzung des Deutschen Bundestages die erste, die sich am Markt durchsetzt, liegt im Batterieersatz, d. h. in der portablen Anwendung. Mittlerweile existieren Brennstoffzellen, die für den Einsatz in Kleinelektrogeräten geeignet sind und eine deutlich höhere Betriebsdauer haben als herkömmliche Batterien. Dieser Vorteil wird gerade deshalb so entscheidend, da die Energiedichte der Batterien nicht mit dem Anstieg des Energieverbrauchs der Geräte Schritt hält.
  Außerdem können Hochtemperatur-Brennstoffzellen in Kombination mit Gas- bzw. Dampfturbinen als Blockheizkraftwerke zur zentralen Stromversorgung eingesetzt werden. Nieder- und Mitteltemperatur-Brennstoffzellen wiederum dienen als stationäre Kleineinheiten für die Strom- und Wärmeversorgung einzelner Häuser.
  
  
  
  

  Quelle: Geographie Infothek
  Autor: Kristian Uhlenbrock
  Verlag: Klett
  Ort: Leipzig
  Quellendatum: 2012
  Seite: www.klett.de
  Bearbeitungsdatum: 14.09.2012