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Grundlagen zu Brennstoffzellen

Fachbericht | Wörter: 984 | Aufrufe: 9711 | Druckbare Version

Brennstoffzellen
"Haben wir ein galvanisches Element, welches aus Kohle und dem Sauerstoff der Luft unmittelbar elektrische Energie liefert (...), dann stehen wir vor einer technischen Umwälzung, gegen welche die bei der Erfindung der Dampfmaschine verschwinden muss. Denken wir nur, wie (...) sich das Aussehen unserer Industrieorte ändern wird! Kein Rauch, kein Ruß, keine Dampfmaschine, ja kein Feuer mehr..." Derart begeistert äußerte sich bereits im Jahr 1887 der Direktor des ersten Lehrstuhls für physikalische Chemie in Leipzig, Wilhelm Oswald. Erfunden wurde die Brennstoffzelle schon nahezu 50 Jahre früher im Jahr 1839. Zu dieser Zeit experimentierte der englische Physiker Sir William Robert Grove mit der Elektrolyse von Wasser zu Sauerstoff und Wasserstoff. Dabei stellte er fest, da sich dieser Prozess auch umkehren und sich so Strom erzeugen lässt.

Funktionsweise der Brennstoffzelle
Die Brennstoffzelle kehrt den Prozess der aus dem Schulunterricht bekannten Elektrolyse um. Zur Erinnerung: Bei der Elektrolyse wird Wasser mithilfe elektrischer Energie in die gasförmigen Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Die Brennstoffzelle nimmt genau diese beiden Stoffe, Wasserstoffgas und Sauerstoff und wandelt sie wieder in Wasser um. Dabei wird theoretisch die Menge elektrischer Energie wieder abgegeben, die bei der Elektrolyse zur Spaltung notwendig war. In der Praxis führen verschiedene physikalisch-chemische Prozesse und innere elektrische Widerstände zu geringfügigen Verlusten. Man kann also sagen: Mit dem Wasserstoff hat man also ein Gas, in dem wir elektrische Energie speichern können, und mit der Brennstoffzelle lässt sich daraus wieder elektrischen Strom produzieren.

Es gibt eine ganze Reihe verschiedener Typen von Brennstoffzellen, ihre prinzipielle Funktionsweise ist jedoch sehr ähnlich. In einer Brennstoffzelle findet man zwei Elektroden (eine Anode und eine Kathode), die durch einen Elektrolyt voneinander getrennt sind. Befindet sich an der Anode Wasserstoff und an der Kathode Sauerstoff, läuft folgender Vorgang ab: Ein Wasserstoffmolekül wird unter Abgabe von Elektronen in zwei Wasserstoffatome gespalten. Die entstehenden Wasserstoff-Ionen wandern durch den für sie durchlässigen Elektrolyten zur Kathode und oxidieren mit Sauerstoff zu Wasser. Damit Wasser entstehen kann, werden jene Elektronen benötigt, die vorher an der Anode abgegeben wurden. Der Elektrolyt stellt aber einen Isolator dar, durch den sich die Elektronen nicht bewegen können. Verbindet man nun die beiden Elektroden mit einem elektrischen Leiter, so wandern die Elektronen durch diesen von der Anode zur Kathode. Es fließt ein nutzbarer, elektrischer Strom. Dieser Prozess läuft kontinuierlich ab so lange ausreichend Wasserstoff und Sauerstoff an Anode und Kathode zur Verfügung stehen.

Verschiedene Typen - Brennstoffzellen Arten
Die Umsetzung dieser Technologie sieht für die verschiedenen Brennstoffzellentypen recht unterschiedlich aus. In Abhängigkeit von dem verwendeten Elektrolyten werden unterschiedliche Ionen ausgetauscht (Nähers siehe unten). Ein solcher Elektrolyt kann im einfachsten Fall zum Beispiel eine Membran sein, die Wasserstoff und Sauerstoff trennt, Wasserstoffionen jedoch passieren lässt. Man findet aber auch Elektrolyte aus flüssiger Kalilauge, geschmolzenen Salzen oder aus festen Keramikmaterialien. Vom Elektrolyten hängt nicht nur die Art der ausgetauschten Ionen ab, sondern auch die Arbeitstemperatur der Zelle. Sie kann zwischen 70 und 1.000 Grad Celsius liegen. Statt des reinen Sauerstoffs findet häufig einfach nur Luft Anwendung. Neben Wasserstoff können Methanol, Erdgas oder Benzin als Brennstoffe eingesetzt werden. Erdgas oder Benzin müssen dabei jedoch zunächst in einem so genannten Reformer in Wasserstoff und Kohlendioxid umgewandelt werden.

Leistung und Wirkungsgrad von Brennstoffzellen
Eine einzelne Brennstoffzelle liefert allerdings nur wenig elektrische Spannung, sie liegt etwa bei einem Volt. Damit lassen sich die wenigsten Geräte, Autos schon einmal gar nicht betreiben. Um die dafür notwendigen hohen Spannungen zu erreichen, müssen also viele Brennstoffzellen hintereinander geschaltet werden. Eine solche Reihe von Brennstoffzellen nennt man auch Stack. Um ein Auto betreiben zu können, werden hunderte von Brennstoffzellen in mehreren Stacks zusammengeschaltet. Neben ihrer Leistung ist bei den Brennstoffzellen der Wirkungsgrad von besonderem Interesse. Er bezeichnet das Verhältnis zwischen eingesetzter und nutzbarer Energie, dabei meint „elektrischer Wirkungsgrad“ die nutzbare elektrische Energie, „Gesamtwirkungsgrad“ steht für die genutzte Gesamtenergie. Vielen Brennstoffzellen nutzen den Strom und die produzierte Wärme gleichzeitig. Daher kann ihr Gesamtwirkungsgrad bis zu 90 Prozent betragen. Die elektrischen Wirkungsgrade eines Brennstoffzellenstacks bewegen sich je nach Typ zwischen 35 bis 55 Prozent, bisweilen lassen sich aber auch hier fast 70 Prozent erreichen.

Brennstoffzellentypen und ihre Eigenschaften
Alkalische Brennstoffzelle AFC (Alkaline Fuel Cell)
Es werden OH- -Ionen ausgetauscht, als Elektrolyt nutzt man Kalilauge. Diese Reaktion ist gegenüber Kohlendioxid-Verunreinigungen im Wasserstoff und Sauerstoff sehr empfindlich. Die Forschung hat gegenüber dieser Technologie derzeit etwas Abstand gewonnen, Zellen dieser Bauart werden nunmehr nicht mehr weiterentwickelt.

Polymermembran-Brennstoffzelle PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) oder PEFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell)
Hier werden H+-Ionen ausgetauscht. Dies erfordert, dass die Membran stets feucht gehalten wird. Analgen dieses Typs reagieren sehr empfindlich auf Kohlenmonoxid. Daher muss das für den Betrieb nötige Prozessgas vor dem Einsatz gereinigt werden. Die Leistung derartiger Elemente variiert von wenigen Watt bis hin zu 100 kW.

Direktmethanol-Brennstoffzelle DMFC
Auch bei diesem Zelltyp werden H+-Ionen ausgetauscht. Durch die Membran wanderndes Methanol stellt hier ein großes technisches Problem dar. Die Leistung dieser Brennstoffzellen variiert ebenfalls von wenigen Watt bis zu mehreren kW.


Phosphorsaure Brennstoffzelle PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell)
Auch bei Brennstoffzellen dieser Bauart werden H+-Ionen ausgetauscht. Als Elektrolyt dient flüssige Phosphorsäure. Analgen dieses Typs reagieren sehr empfindlich auf Kohlenmonoxid. Daher muss das für den Betrieb nötige Prozessgas vor dem Einsatz gereinigt werden. Die Leistung bewegt sich meist zwischen 50 und 500 kW.

Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell)
Es können nur kohlenstoffhaltige Brenngase eingesetzt werden, da CO32--Ionen als Ladungsträger dienen. Reinen Wasserstoff kann man hier nicht nutzen. Ein Problem ist bei diesen Zellen die langsame Auflösung der Kathoden im Elektrolyten. Daher ist die Forschung bemüht, haltbare Materialien zu entwickeln. Die gängigen Anlagen dieser Bauart bringen eine Leistung von 300 bis 1000 kW.

Oxidkeramische Brennstoffzelle SOFC (Solid Oxide Fuel Cell)
Ausgetauscht werden bei Brennstoffzellen dieser Bauart O2--Ionen in einem Keramikelektrolyt aus dotiertem Zirkondioxid. Ihr Leistungsbereich liegt zwischen einem und 1000 kW.

Einsatzbereiche der Brennstoffzelle
Brennstoffzellen sind sehr vielseitig nutzbar. Im Grunde genommen kann man sie überall dort einsetzen, wo Energie umgesetzt wird. Die Palette reicht dabei von großen Kraftwerken und stationären Heizgeräten für die Hausenergieversorgung über Antriebe für Autos und Schiffe bis hin zur Stromversorgung von Laptops und Camcordern.

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