Zusammenfassung: Brennstoffzellen

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Brennstoffzellen

von Dipl.-Ing. Sven Geitmann

Wird über Wasserstoff als Kraftstoff für die Zukunft gesprochen, dann ist auch das Thema Brennstoffzelle nicht fern. Die Brennstoffzelle (BSZ) ist sozusagen prädestiniert für die Umwandlung der im Wasserstoff gespeicherten, chemischen Energie. Es eignen sich jedoch auch diverse Kohlenwasserstoff-Verbindungen (Erdgas, Biogas, Propan usw.) für die Nutzung in Brennstoffzellen. Die einzige Voraussetzung ist, dass der Wasserstoff-Anteil dieser Kraftstoffe möglichst hoch ist. Angefangen hat die BSZ-Technik bereits vor über 160 Jahre. Im Jahr 1838 fand der Professor Christian Friedrich Schönbein (1799 bis 1868) von der Universität Basel experimentell heraus, dass Elektrizität freigesetzt werden kann, wenn Wasserstoff mit Sauerstoff (oder Chlor) reagiert. Ein Freund Schönbeins, der walisische Richter Sir William R. Grove (1811 bis 1896) erfuhr von diesem Polarisationseffekt und forschte selbstständig weiter. Grove deutet dieses Phänomen als die Umkehrung der Elektrolyse und erkannte, dass auf diese Weise elektrische Energie erzeugt werden kann. Er schaltete mehrere einzelne Elemente in Reihe und nannte seine Vorrichtung "Gasbatterie" (1839). Damals wurde kaum Notiz von seiner Arbeit genommen, aber jetzt im nachhinein gilt er als der Erfinder der Brennstoffzelle.

Erste, ernstzunehmende Forschungsarbeiten gab es zuerst in den sechziger Jahren im Zuge der Raumfahrt und dann wieder in den achtziger Jahren des zwanzigsten Jahrhunderts. Intensiviert wurden die Entwicklungsarbeiten jedoch erst in den neunziger Jahren. Speziell in den letzten Jahren hat das Interesse am Einsatz der BSZ-Technologie sprunghaft zugenommen. Indikatoren hierfür sind unter anderem eine deutlich zunehmende Anzahl von Firmengründungen, Demonstrationsanlagen, Prototypen, Veröffentlichungen und Vorträgen in diesem Bereich sowie erhöhte Aktivitäten bei der Bildung nationaler bzw. internationaler Wasserstoff-Verbände und Forschungsprojekte.
Ein wesentlicher Punkt, weswegen die Brennstoffzelle teilweise hochgelobt wird, liegt in ihrer Fähigkeit, chemisch gespeicherte Energie direkt in Strom umwandeln zu können. Konventionelle Stromerzeuger benötigen meist einen dreistufigen Umwandlungsprozess. Wird beispielsweise Benzin in einem Verbrennungsmotor eingesetzt, dann wird zuerst die chemisch gespeicherte Energie des Kraftstoffes in der Brennkammer des Hubkolben-Motors freigesetzt. Die dabei abgegebene thermische Energie bewirkt eine Volumenänderung, wodurch Bewegungsenergie erzeugt wird. Diese kinetische Energie kann eine Welle antreiben, so dass mit Hilfe eines Generators elektrische Energie erzeugt werden kann. Während dieser Prozedur treten an mehreren Stellen Verluste auf, und der Gesamt-Wirkungsgrad nimmt mit jeder Umwandlung weiter ab. Eine Brennstoffzelle hingegen kann direkt die im Wasserstoff gespeicherte Energie in Strom umwandeln. Verständlicherweise bedeutet dieser kürzere Weg auch einen höheren Wirkungsgrad. Darüber hinaus besitzt die Brennstoffzelle keinerlei bewegliche Teile, so dass keine Reibungsverluste und damit auch kein Verschleiß und kaum Geräusche auftreten.

Funktionsweise einer BSZ
Wasserstoff (H2) ist von sich aus bestrebt, zusammen mit Sauerstoff (O2) zu Wasser (H2O) zu reagieren. Dazu bedarf es keiner externen Energiezufuhr, statt dessen wird sogar Energie abgegeben (endotherme Reaktion). Vielfach wird bei dieser Reaktion an die Knallgas-Reaktion gedacht, die eventuell im Chemie-Unterricht anhand eines lauten Knalles veranschaulicht wurde und dadurch besonders gut in Erinnerung geblieben ist. Bei einer derartigen Reaktion sind ebenfalls Wasserstoff und Sauerstoff als Ausgangsprodukte beteiligt. Es muss jedoch reiner Sauerstoff vorhanden sein, der unter einem ganz bestimmten Verhältnis (1:2) mit Wasserstoff vermischt und dann gezündet wird. Lediglich unter diesen speziellen Umständen kommt es zu einer derart lauten Reaktion. Es passiert hingegen nichts, wenn zu wenig Sauerstoff vorhanden ist oder das Mischungsverhältnis abweicht oder die Zündquelle fehlt. Demzufolge kann es in einer Brennstoffzelle zu keiner Knallgas-Reaktion kommen. Der Sauerstoff wird meist der Luft entnommen und ist daher mit 79 Vol.-% Stickstoff vermischt. Außerdem befindet sich im Inneren einer Brennstoffzelle keine Zündquelle, und Wasserstoff und Sauerstoff sind voneinander getrennt. Der Kraftstoff soll zwar mit dem Sauerstoff reagieren, aber nicht schlagartig. Deswegen spricht man bei diesem Vorgang auch von der "kalten Verbrennung".

Es gibt mehrere verschiedene Arten von Brennstoffzellen. Einen groben Überblick über die unterschiedlichen BSZ-Typen gibt die folgende Tabelle.

Tab. 1: Vergleich verschiedener BSZ-Arten

	Kraftstoff	Betriebs-Temp.	elektr. Wirkungsgrad	Flächenleistung	Bemerkung
AFC	H2	60 - 80°C	60 %	-	CO2-frei, 2bar
DMFC	CH3OH (Methanol)	80°C	40 - 50 %	-	-
PEMFC	H2	80 - 100°C	40 - 50 %	0,6W/cm2	CO
PAFC	H2	200°C	40 - 45 %	0,2W/cm2	CO
MCFC	H2 (CH4, Biogas)	650°C	55 - 60 %	0,1 W/cm2	-
SOFC	H2 (CH4)	800 - 1.000°C	60 %	0,4W/cm2	-

Anwendungsgebiete
Bei der praktischen Anwendung von Wasserstoff als Kraftstoff muss unterschieden werden zwischen der bisherigen Anwendung als Industriegas und der zukünftigen Anwendung als potentieller Energieträger in einer solaren Wasserstoff-Wirtschaft.

Bisher beschränkte sich die Nutzung von Wasserstoff (meist als Gas) auf industrielle Prozesse in Raffinerien oder bei der Fetthärtung und auf die Herstellung von Düngemitteln (Ammoniak-Synthese), Kunststoffen, Kunstharzen sowie Lösungsmitteln.
Wenn jedoch von der Nutzung der zukünftigen Wasserstoff-Technologie die Rede ist, ist damit die Verbrennung entweder in Hubkolben-Motoren oder in Brennstoffzellen gemeint. Allein die Brennstoffzelle umfasst ein sehr großes Anwendungsgebiet. Neben dem Verbrennungsmotor gibt es ansonsten nur noch die katalytischen Brenner als einsetzbare Energiewandler.

Grundsätzlich ist der Einsatz von Brennstoffzellen bei Klein- und Kleinstverbrauchern ebenso möglich wie bei großen Kraftwerken. Pilotanlagen zur Versorgung gesamter Häuserkomplexe existieren ebenso wie Demonstrationsobjekte für Laptops, Handys, Staubsauger oder Fahrräder.

Der Autor Sven Geitmann hat auch zwei Bücher zu dieser Thematik veröffentlicht:

Wasserstoff & Brennstoffzellen Die Technik von morgen! ISBN 3-8311-3273-9

Wasserstoff- & Brennstoffzellen-Projekte ISBN 3-8311-3280-1

Beide erschienen im Hydrogeit-Verlag, Berlin 2002

Kontakt: http://www.hydrogeit.de, info@hydrogeit.de, Tel/Fax: 033055-21322/20

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