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Brennstoffzellen Arten

Übersicht von Brennstoffzellentypen

 

Kraftstoff

Betriebs-Temp.

Wirkungsgrade*

Flächen-leistung

Elektrolyt - leitfähig für

Bemerkung

AFC

H2

60 - 80°C

60 - 70%

50 - 55%

0,25W/cm2

Kalilauge

OH--Ionen

CO2 < 100ppm, 2bar

DMFC

CH3OH (Methanol)

80°C

40 - 50%

20 - 30%

 

Polymer

H+-Ionen

-

PEMFC

H2

80 - 100°C

50 - 70%

40 - 50%

0,8W/cm2

Polymer

H+-Ionen

CO < 20ppm

PAFC

H2

200°C

50 - 55%

40 - 45 %

0,2W/cm2

Phosphorsäure

H+-Ionen

CO < 1 %

MCFC

H2 (CH4, Biogas)

650°C

60 - 70%

50 - 60 %

0,1 W/cm2

Karbonschmelze

CO32—Ionen

-

SOFC

H2 (CH4)

800 - 1.000°C

70 - 80%

50 - 60%

0,4W/cm2

Keramik

O2-Ionen

-

*: obere Angabe: Gesamtwirkungsgrad mit Wärme-Auskopplung untere Angabe: elektrischer BSZ-Wirkungsgrad

AFC

Die Alkalische Brennstoffzelle (AFC = engl. Alkaline Fuel Cell) war die erste vollständig entwickelte Brennstoffzelle, die als Niedertemperatur-Zelle für mobile Anwendungen (Raumfahrt und Unterwasser-Fahrzeuge) eingesetzt wurde. Diese Zelle arbeitet mit einem relativ hohen Wirkungsgrad (bis zu 60 %) im Vergleich zu den anderen Typen. Die Zellspannung liegt etwa bei 0,8 V, die Stromdichte bei etwa 300 mA/cm2. Obwohl die gravimetrische Leistungsdichte ähnlich hoch ist wie bei PEM-Brennstoffzellen (0,2 kW/kg) und die Stack-Kosten relativ niedrig liegen (150,- €/kW), ist das Interesse an der AFC nur begrenzt. Mögliche Ursachen dafür sind die zum Teil relativ langsam ablaufenden chemischen Reaktionen, die zur Zeit noch geringe Lebensdauer und die Notwendigkeit von hochreinem Wasserstoff und Sauerstoff (CO2-Unverträglichkeit, < 100 ppm). Nachteilig für die AFC ist die dominante Stellung der PEMFC, weil sich fast alle Unternehmen auf die Polymer Elektrolyt Membran-Brennstoffzelle festgelegt haben. Würde ähnlich viel Forschungsarbeit in die AFC investiert werden, könnte sie durchaus konkurrenzfähig werden.

Als Elektrolyt wird in der AFC Kalilauge verwendet. Die Ladungsträger (OH--Ionen) wandern von der Kathoden- zur Anoden-Seite, so dass sich an der Anode Wasser bildet. Dieser flüssige Elektrolyt mit seinem separaten Flüssigkeits-Kreislauf hat Vor-, aber auch Nachteile. Negativ ist beispielsweise der erhöhte Dichtungsaufwand. Positiv hingegen ist die einfachere Regulierung des Wärmehaushaltes sowie der vereinfachte Wasser-Abtransport. Die Elektroden können aus versilbertem Nickel oder Perowskit (CaTiO3) bestehen. An der Kathode kann niederwertiges Metall eingesetzt werden. Die Arbeitstemperatur liegt relativ niedrig bei 60 bis 80 °C. Der Druck beträgt etwa 2 bar.

Ein wesentlicher Vorteil dieser BSZ-Art ist, dass sie unempfindlich gegenüber veränderten Betriebssituationen ist und einfacher zu regeln ist als beispielsweise eine PEM-BSZ. Außerdem verfügt sie über gute Start-Eigenschaften (ohne Vorwärm-Phase), auch bei Temperaturen unter Null.

DMFC

Die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC = engl. Direct Methanol Fuel Cell) wandelt Methanol (flüssig oder gasförmig) ohne vorherige Reformierung direkt in elektrische Energie um. Der Kraftstoff wird an der Anode unter Abgabe von Elektronen und Protonen zu Kohlenstoff-Dioxid oxidiert. Es handelt sich dementsprechend um eine gasentwickelnde Anode, weil dort CO2 freigesetzt wird, das wiederum durch das 'Flowfield' abgeleitet wird, ohne dass es zu einer starken Blasenbildung kommt. An der Kathode erfolgt unter Aufnahme der Elektronen und Protonen die Reduktion von Sauerstoff zu Wasser. Eine Kathodenbefeuchtung ist nicht extra notwendig. Die Elektroden sind beschichtet, an der Anode mit Platin, an der Kathode mit einer Ruthenium/Platin-Legierung. Da Platin immer seltener wird, steigen zunehmend die Preise. Mittlerweile ist es so, dass für eine Leistung von 75 kW ungefähr 120 g Platin benötigt werden, was allein schon Materialkosten von 1.700 EUR entspricht. Als Elektrolyt zum Protonen-Transport dient eine polymere Ionenaustausch-Membran. Für einen 20zelligen Stack dieser Art sind neben diesen 20 Membranen 22 Bipolarplatten notwendig, 20 Titaniumfilze, 40 Dichtungen und 20 Silizium-Papiere. Für einen optimalen Reaktionsablauf und zur Vermeidung einer Katalysator-Vergiftung sind Betriebstemperaturen im Bereich 100 bis 200 °C notwendig. Werden die bisher als Elektrolyt verwendeten wasserhaltigen Membranen auf über 100 °C erhitzt, dann trocknen sie aus und besitzen keine ausreichende Leitfähigkeit mehr. Nur im aufwendigeren Druck-Betrieb sind Temperaturen von 130 bis 140 °C möglich. Nachteilig ist dann wiederum eine geringere Materialstabilität der eingesetzten Membranen im Dauerbetrieb. Deswegen wird weiterhin an phosphorsäuregedopten, temperaturstabilen Membran-Materialien geforscht (s. auch PEM).

Das Problem von DMFCs ist die Durchlässigkeit der Membran. Sie soll zwar protonen-leitend, aber nicht elektrisch leitend sein. Bisherige Membranen lassen neben den H+-Ionen auch Methanol passieren, wodurch sich die Emissionswerte deutlich verschlechtern. An der Kathode wird in diesem Fall das Methanol oxidiert, CO2 und Wasser entstehen und es wird keine Energie erzeugt. Dieses Crossover kann bis zu 30 % betragen. Andersherum diffundiert jedoch kaum Sauerstoff zur Anode.

Positiv sind der relativ einfache Systemaufbau sowie die gute Dynamik (gutes Kaltstart-Verhalten). Außerdem ist kein separates Kühlmittel notwendig, da der flüssige Kraftstoff zur Kühlung genutzt werden kann.

PEM

Die Proton Exchange Membran BSZ (Protonen Austausch-Membran, auch Polymer Elektrolyt Membran genannt, PEM), ist bisher die am weitesten verbreitete Brennstoffzelle. Ihr werden bisher die besten Aussichten zugesprochen. Dies gilt speziell für den mobilen Bereich (Kfz-Sektor), wo es auf Flexibilität und hohe Leistungsdichte ankommt. Ihren relativ hohen Bekanntheitsgrad verdankt sie u.a. einigen großen Industrie-Konzernen, die sich frühzeitig für diese Technik entschieden und viel Geld investiert haben. Trotz einiger Probleme (z. B. in der Regelung) hat sie damit einen gewissen Vorsprung gegenüber beispielsweise der AFC erlangt.

Die PEM-BSZ zählt mit einer Arbeitstemperatur von 80 bis 100 °C zu den Niedertemperatur-Brennstoffzellen. Diese Temperatur ermöglicht die Auskopplung von Nutzwärme auf niedrigem Niveau, weswegen sie auch für den Einsatz als Blockheiz-Kraftwerk zur dezentralen Energieversorgung im kleinen und mittleren Leistungsbereich gut geeignet ist.
Der Fest-Elektrolyt aus dünner Polymerfolie bildet ihr zentrales Element. Dies ist eine hauchdünne, gerade mal 50 bis 200 Mikrometer dicke Folie des Spezial-Kunststoffs Nafion®. Dieser wiederum zeichnet sich durch eine besondere Leitfähigkeit für die positiven Ladungsträger, die Wasserstoff-Ionen, aus. Aufwendige Herstellungsverfahren dieses Polymer-Kunststoffes bewirken seinen relativ hohen Preis.
Die Bipolar-Platten werden bisher wegen der guten elektrischen Leitfähigkeit aus hochkonzentriertem Graphit hergestellt, die bei unvorsichtiger Handhabung (ungleichmäßiges Anziehen der Schrauben) jedoch leicht zerbrechen. Kohlenstoff galt bisher als zu schlecht leitend und zu teuer. Jetzt werden jedoch Verfahren mit Kohlenstoff-Fasern getestet, bei denen die Gänge in die einige Millimeter dicke Rohform eingeprägt werden und eine chemische Nachbehandlung für die notwendige Leitfähigkeit sorgt. Mit diesem Verfahren sollen die Herstellungskosten auf unter 2,- Euro pro Platte gedrückt werden können. Es wird auch daran gearbeitet, das 'Flowfield' (die Gänge für Wasserstoff bzw. Sauerstoff) durch Extrusion, Pressen oder Spritzgießerei zu erzeugen. Für hohe Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit ist dieses Flowfield der Bipolar-Platten von zentraler Bedeutung.

PEM-Brennstoffzellen erreichen eine Leistungsdichte bis zu einem Watt pro Quadratzentimeter Membranfläche. Dies ermöglicht eine kompakte Bauweise, weswegen sie so interessant ist für die Anwendung in Fahrzeugen. Probleme gibt es jedoch bei niedrigen Temperaturen. Bei -20 °C kann die Startdauer durchaus 30 Sekunden betragen. Bis zur Markt-Einführung von Brennstoffzellen-Fahrzeugen wollen die Automobil-Hersteller diese Zeit auf 10 Sek. bei -40 °C reduzieren. Bei Umgebungstemperaturen sind zur Zeit noch Zeitintervalle von 10 bis 15 Sek. zu überbrücken, bis die Kompressoren leistungsfähig sind.
In punkto Betriebstemperatur hat die Forschung bereits neue Möglichkeiten aufgezeigt. Neuartige Proton Exchange Membran Brennstoffzellen werden in Zukunft eventuell bei Temperaturen um die 160 °C anstelle von 80 °C arbeiten können. Dies könnte durch die Einführung einer 20 Jahre alten Membran möglich werden, die wiederentdeckt worden ist (Polybenzimidazol Polymer-Membran). Eine Erhöhung der Arbeitstemperatur würde die Akzeptanz gegenüber Verunreinigungen (speziell CO) erhöhen (um mehrere Tausend ppm). Sollte die Einführung dieser neuen Membran gelingen, kommt dies speziell dem mobilen Bereich mit den vorgeschalteten Reformern für Methanol oder Benzin zugute, weil die aufwendige Nachreinigung entfallen könnte.
Bisher ist die Betriebstemperatur jedoch noch auf maximal 100 °C beschränkt, weil die Membran lediglich in feuchter Atmosphäre protonenleitend ist, der Wasseranteil aber nicht verdampfen darf.

Trotz dieser Weiterentwicklung müssen Gewicht, Größe und Kosten der Brennstoffzellen-Systeme noch weiter reduziert werden, damit sie zukünftig konkurrenzfähig zu herkömmlichen Energiewandlern angeboten werden können.

PAFC

Die Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC = engl. Phosphoric Acid Fuel Cell) ist vorrangig für stationäre Anwendungen geeignet (Kraftwerke, vor allem bei Kraft-Wärme-Kopplung). Ihr Leistungsbereich liegt dementsprechend bei mehreren hundert kW. Derartige Kraftwerke erfüllen zudem die Voraussetzung langer Betriebszeiten ohne Unterbrechungen. Da diese Zelle sowohl Kohlenstoff-Dioxid als auch bis zu 2 % Kohlenstoff-Monoxid toleriert, kann sie mit reformiertem Erdgas und Luft betrieben werden, allerdings bei einem niedrigeren Wirkungsgrad als andere BSZ-Arten. Der Elektrolyt ist reine, flüssige Phosphorsäure. Die Ladungsträger sind wie bei der PEM Protonen (H+-Ionen), die von der Anode zur Kathode wandern. Die PAFC weist einen elektrischen Wirkungsgrad von ungefähr 45 % auf. Die Arbeitstemperatur liegt bei 170 bis 210 °C.

Ein bereits jetzt relativ weit verbreitetes Modell dieser Art ist die PC25 von ONSI aus den USA (BHKW für dezentrale Energieversorgung mit 200 kWel und 220 kWtherm).

MCFC

Der Betrieb der Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC = engl. Molten Carbonate Fuel Cell) erfolgt bei vergleichsweise hohen Temperaturen von rund 650 °C, weswegen sie zu den Hochtemperatur-Brennstoffzellen gezählt wird. Bei dieser Temperatur zerbrechen (cracken) die langkettigen, organischen Kohlenwasserstoff-Verbindungen der Energieträger und teilen sich in Wasserstoff und Kohlenstoff-Dioxid. Als Energieträger kann unter diesen Umständen vieles dienen (z. B. Erd-, Kohle-, Bio- und Deponie-Gas).
Bei einer MCFC besteht der Elektrolyt aus chemisch aggressivem (korrosivem) Kalium- (K2CO3) und Lithiumkarbonat (Li2CO3), beides sehr preisgünstige Materialien. Das Karbonat wird soweit erhitzt, dass es schmilzt (ca. 480 °C). Erst dann sind die Ionen der Karbonatsalze beweglich. Die Ladungsträger in dieser Schmelze sind CO32--Ionen, die von der Kathode zur Anode wandern. Das auf der Anodenseite entstehende Kohlenstoff-Dioxid wird auf der Kathodenseite wieder zugeführt, wo es mit der zugeführten Luft zu CO32- reagiert. Somit handelt es sich um einen CO2-Kreislauf.
Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen können direkt mit Erdgas oder anderen kohlenwasserstoffhaltigen Brenngasen betrieben werden, da die Reformierung zellintern in der Anodenkammer stattfinden kann. Dadurch ist die MCFC unempfindlich gegen Kohlenstoff-Oxide. Die notwendige Gasreinigung beschränkt sich lediglich auf die Entfernung von Schwefel- und Chlor-Verbindungen.
Der Aufheiz-Vorgang einer MCFC nimmt mehrere Stunden in Anspruch, weswegen sie selten an- und abgeschaltet werden sollte und sich hauptsächlich zum Einsatz im Grundlast-Betrieb eignet.
Die hohe Abwärme-Temperatur (400 °C) ermöglicht die Auskopplung einer großen Wärmemenge. Diese Wärme kann zur Warmwasser-Aufbereitung, für die Heizung und zum Antrieb einer nachgeschalteten Dampfturbine genutzt werden, so dass der Gesamt-Wirkungsgrad heraufgesetzt wird. Der elektrische Wirkungsgrad liegt allein für das Brennstoffzellen-System bei etwa 50 %, durch die Wärme-Auskopplung sind 65 bis 80 % möglich.

Ein Problem der MCFC ist die geringe Lebensdauer. Die aggressive Atmosphäre führt zur Auflösung der Kathode, Deformation der Elektrolytmatrix und Korrosion.

SOFC

Die Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC = engl. Solid Oxide Fuel Cell) zählt ebenso wie die MCFC zu den Hochtemperatur-Brennstoffzellen, weswegen für sie dementsprechend auch die Möglichkeit zur Kraft-Wärme-Kopplung mit einer Dampfturbine besteht. Die Kombination aus SOFC (Wirkungsgrad etwa 42 %) und Gas- bzw. Dampfturbinen ermöglicht einen Wirkungsgrad von etwa 75 %. Als Kraftstoff einer SOFC können wegen der höheren Betriebstemperatur im Vergleich zur PEM neben Wasserstoff auch Kohlenwasserstoff-Verbindungen (CmHn) genutzt werden. Diese Kraftstoffe (z. B. Erdgas, Biogas, Deponiegas) werden intern reformiert, d.h. Wasserstoff wird abgespalten, so dass letztlich reiner Wasserstoff vorliegt, der der Anode zugeführt wird. Dort werden katalytisch die Elektronen vom positiv geladenen Atomkern abgespalten, so dass diese für den Verbraucher zur Verfügung stehen. Auf der Kathodenseite wird Luft zugeführt. Der in der Luft enthaltene Sauerstoff (O2) wird katalytisch gespalten und reduziert, so dass zweifach negativ geladene Sauerstoff-Ionen vorliegen. Der feste Elektrolyt aus Oxidkeramik wird im Betriebstemperatur-Bereich von 900 bis 1.000 °C ionenleitend, so dass die O2--Ionen von der Kathode zur Anode wandern können. Er besteht üblicherweise aus einer Schicht aus Yttrium-stabilisiertem Zirkonium-Dioxid und ist nicht elektronisch leitfähig. Deswegen müssen die Elektronen von der Anodenseite den langen Weg über den Verbraucher (z.B. Elektro-Motor) zur Kathode nehmen. Die Sauerstoff-Ionen verbinden sich auf der Anodenseite mit den Wasserstoff-Protonen.

Als Endprodukte fallen auf der Kathodenseite Stickstoff (N2) und nicht verbrauchter Sauerstoff an und auf der Anodenseite Wasserdampf.
Die Elektrolyt-Dicke entspricht der Diffusionsstrecke der Sauerstoff-Ionen und je länger diese Diffusionsstrecke ist, desto höher muss die Betriebstemperatur sein. Bei niedrigeren Temperaturen reicht die Leitfähigkeit für einen ausreichend großen Stromfluss in aller Regel noch nicht aus.

Bei der SOFC-Technik gibt es einen Unterscheidungspunkt bezüglich des Aufbaus. Die Brennstoffzellen von Siemens-Westinghouse verfügen im Gegensatz zu der herkömmlichen Variante mit ebenen Platten über einseitig geschlossene Hohlröhren. Die keramischen Bauteile, die an Besenstiele erinnern, sind etwa 1,5 Meter lang und 2,2 Zentimeter dick. Sie trennen den jeweiligen Kraftstoff von der Luft und ermöglichen gleichzeitig eine räumliche, thermisch bedingte Ausdehnung. Die Elektrolyt-Schichtdicke ist vergleichsweise gering, dafür sind jedoch teure Spezialmaterialien notwendig. Die Betriebstemperaturen konnte auf 800 °C anstelle von 1.000 °C gesenkt werden. Ihr so genannter tubularer Aufbau ermöglicht eine Leistungsausbeute von 1,6 kW mit 10 Zellen. Trotzdem wird mit diesem Konzept innerhalb des nächsten Jahrzehntes kaum mit einer wirtschaftlichen Produktion zu rechnen sein, weswegen im Hause Siemens Westinghouse zur Zeit an einem neuen Konzept arbeitet. Es wird versucht die Röhren etwas abzuflachen, um mit einem ovalen Röhren-Querschnitt eine höhere Leistungsdichte und einfachere Fertigungsmöglichkeiten erreichen zu können.

Das konventionelle planare Design leistete ursprünglich etwa 1 kW mit 70 Zellen. Im Sommer 2002 konnte jedoch ein neuer Meilenstein erreicht werden, indem ein Stack mit 40 Einzelzellen (20 cm x 20 cm) eine Leistungsausbeute von 5,4 kW erreichte. Dies war das Ergebnis langjähriger Arbeiten am Forschungszentrum Jülich, wo diese SOFC mit Methan bei 800 °C getestet wurde. Bei Tests mit angefeuchtetem Wasserstoff (10 % H20) konnten 9,2 kW erreicht werden.