Brennstoffzellen – ein technologischer Überblick
Kurzflyer "Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle"
Brennstoffzellen wird ein großes Potenzial zur Veränderung bestehender Energieversorgungsstrukturen zugeschrieben. Dank umfangreicher Forschungsprogramme sowohl seitens der öffentlichen Hand als auch verschiedenster Industrieunternehmen ist eine rasante technologische Entwicklung zu beobachten.
Es gibt derzeit fünf verschiedene Brennstoffzellentypen, die sich im verwendeten Elektrolyt und ihren Betriebstemperaturen unterscheiden:
- Alkaline Fuel Cell (AFC)
- Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEM/PEFC)
- Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC)
- Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)
- Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)
Als sechster Typ wird häufig auch die Direktmethanolbrennstoffzelle (DMFC) bezeichnet, die eine Sonderform der PEFC ist. Die Grafik zeigt eine Übersicht der speziellen Eigenschaften der verschiedenen Brennstoffzellentypen wie Arbeitstemperatur, typische Brenngase, Leistungsbereiche und Betriebstemperaturen.
Brennstoffzellen sind elektrochemische Systeme, die chemisch gebundene Energie direkt in Elektrizität umwandeln, indem ein Brennstoff mit Sauerstoff in einer kontrollierten Verbrennung reagiert. Die Gewinnung elektrischer Energie aus einer Brennstoffzelle erfordert keine Umwandlung in thermische Energie. Dadurch unterliegt der Prozess nicht der Beschränkung im Wirkungsgrad durch den Carnot Faktor, wie er für Wärmekraftmaschinen gilt.
In der Grafik ist auch der Aufbau von Brennstoffzellen aus zwei gasdurchlässigen Elektroden und einer die Gase trennenden, ionenleitenden Elektrolytschicht schematisch dargestellt. Die Zuführung der Reaktionsgase ist jeweils in die Elektroden integriert. Auf der Anodenseite wird das Brenngas Wasserstoff katalytisch zu 2H+ ionisiert.
Die dabei entstandenen Elektronen gelangen über den äußeren Verbraucherstromkreis zur Kathode, wo das Oxidationsmittel Sauerstoff zu
katalytisch reduziert wird.
Je nach Elektrolyttyp wandern die Wasserstoff-Protonen von der Anode zur Kathode (PEFC, PAFC) oder die Sauerstoff-Ionen in entgegengesetzter Richtung (AFC, MCFC, SOFC), treffen dort auf den Reaktionspartner und reagieren zu Wasser:
Als Bruttoreaktion ergibt sich dann folgende Gleichung:
Neben der Verwendung von reinem Wasserstoff ist in Hochtemperaturzellen außerdem die energetische Verwertung von Kohlenmonoxid möglich, der analog zur Wasserstoffreaktion zu Kohlendioxid reagiert:
Die beschriebenen Reaktionen führen an einer Zelleinheit aus Anode, Elektrolyt und Kathode zu einer Potenzialdifferenz, die von Belastung, Temperatur, Gasart und Druck abhängig ist. Zur Erlangung hoher Spannungen und Leistungen werden die einzelnen Brennstoffzellen zu Zellstapeln (Stacks) zusammengebaut und elektrisch seriell verschaltet. Der von einem Brennstoffzellenstapel erzeugte Gleichstrom muss, bis auf wenige Spezialanwendungen, in Wechsel- bzw. Drehstrom transformiert werden. Dazu sind Wechselrichter nachzuschalten.
Bei wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellenstacks, wie beispielsweise AFC und PEFC, wird Wasserstoff als Brennstoff benötigt. Dieser kann entweder über Elektrolyse oder in groß-chemischen Prozessen produziert und in einem Gasspeicher bereitgestellt werden; Alternativ kann er im laufenden Betrieb aus einem primären (kohlenstoffhaltigen) Rohstoff (z.B. Erdgas) durch Reformierung gewonnen werden. Auch bei Hochtemperaturzellen ist eine vorgeschaltete Gasaufbereitung zur Reduktion von Schadstoffen, welche die Zelle verunreinigen würden, notwendig.
Ein Brennstoffzellen-Gesamtsystem besteht also aus den drei Komponenten: Gasaufbereitung, Brennstoffzellenstack und Stromaufbereitung. Zusätzlich gehören sowohl ein Gasmanagement, Befeuchtungseinrichtungen und etwaige Zusatzbrenner als auch eine Betriebsführung und Regelung der Komponenten zu einem Brennstoffzellenaggregat.
