Brennstoffzelle

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Mit Alkohol betriebene Brennstoffzelle

Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, die die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie umwandelt. Im Sprachgebrauch steht Brennstoffzelle meist für die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle.

Eine Brennstoffzelle ist kein Energiespeicher, sondern nur ein Wandler. Die Energie wird mit den Brennstoffen in einem Tank gespeichert. Zusammen mit einem Brennstoffspeicher kann die Brennstoffzelle einen Akkumulator ersetzen, wodurch ein deutlich niedrigeres und günstigeres Leistungsgewicht erreicht werden kann.

[Bearbeiten] Einordnung

Die Gewinnung von elektrischer Energie aus chemischen Energieträgern erfolgt heute zumeist durch Verbrennung in einer Wärmekraftmaschine in Verbindung mit einem Generator über den Umweg der thermischen und der Bewegungsenergie. Die Brennstoffzelle ist geeignet, die Umformung ohne Umweg zu erreichen und damit potenziell effizienter zu sein. Dabei unterliegt sie nicht den Restriktionen des Carnot-Prozesses. Weiterhin sind Brennstoffzellen im Vergleich zum System "Wärmekraftmaschine - Generator" einfacher aufgebaut und können zuverlässiger und abnutzungsfester als diese sein.

Besonders vielversprechend ist dabei die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle. Wasserstoff ist aber nicht, wie teilweise irreführend dargestellt, eine Energiequelle, sondern – wie Strom – ein sekundärer Energieträger. Der Stoff kommt in der Natur nicht in reiner Form vor, da er (wie bei Methan (CH₄)) schnell Bindungen eingeht.

Brennstoffzellen werden bereits als Energiewandler in der Raumfahrt (Apollo, Space Shuttle) und für U-Boot-Antriebe verwendet. Eine breite gesellschaftliche Akzeptanz dieser Technologie ist gegeben und nach und nach kommen bereits Produkte auf den Markt.

Bei einer Reihe von Problemen für kleinere Antriebe wie beim PKW ist noch nicht abzusehen, wann diese gelöst werden können. Einige Hersteller berichten von Problemen bei der Wasserstoffspeicherung. Die häufig diskutierte Verdrängung des Verbrennungsmotors als Automobilantrieb scheint damit noch ein gutes Stück entfernt - siehe Mobiler Einsatz.

[Bearbeiten] Geschichte

Das Prinzip der Brennstoffzelle wurde schon 1838 von Christian Friedrich Schönbein entdeckt ^[1], indem er zwei Platindrähte in einer Elektrolytlösung (wahrscheinlich Schwefelsäure) mit Wasserstoff beziehungsweise Sauerstoff umspülte und zwischen den Drähten eine Spannung feststellte. 1839 veröffentlichte Schönbein diese Ergebnisse. Im gleichen Jahr schrieb Sir William Grove eine Notiz über das „batterisierte“ Knallgas und wandte diese Erkenntnisse in Zusammenarbeit mit Schönbein in mehreren Versuchen an.

Aufgrund der Erfindung der Dynamomaschine durch Werner von Siemens geriet die von ihm als „Galvanische Gasbatterie“ bezeichnete Erfindung zunächst in Vergessenheit, da die Dynamomaschine in Verbindung mit der Dampfmaschine bezüglich Brennstoff und Materialien relativ einfach und unkompliziert war.

Ihre Renaissance erlebte die Brennstoffzelle ab den 1950er Jahren mit der beginnenden Raumfahrtforschung. Sie gewinnt seitdem kontinuierlich an Bedeutung. Auf Island wird sie im Zuge der eingeführten Wasserstoffwirtschaft bald flächendeckend eingesetzt. Die momentan leistungsfähigste stationäre Brennstoffzelle ist eine Hochtemperatur-Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle und steht im Forschungszentrum Jülich.

[Bearbeiten] Aufbau

Schematische Darstellung des Funktionsprinzips einer Brennstoffzelle

Eine Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden, die durch eine Membran oder Elektrolyt (Ionenleiter) voneinander getrennt sind. Die Anode wird mit dem Brennstoff umspült (also Wasserstoff, Methan, Methanol, Glukoselösung), der dort oxidiert wird. Die Kathode wird mit dem Oxidationsmittel umspült (zum Beispiel Sauerstoff, Wasserstoffperoxid, Kaliumthiocyanat), das dort reduziert wird.

Die verwendeten Materialien sind unterschiedlich. Siehe Brennstoffzellentypen.

Die Elektrodenplatten/Bipolarplatten bestehen meist aus Metall oder Nano-Carbon-Röhrchen. Zur besseren Katalyse sind sie mit einem Katalysator beschichtet, zum Beispiel Platin oder Palladium.

Als Elektrolyten können beispielsweise gelöste Laugen oder Säuren, Alkalicarbonatschmelzen, Keramiken oder Membrane dienen.

Die gelieferte Spannung liegt theoretisch bei 1,23 Volt für die Wasserstoff-Sauerstoff-Zelle bei einer Temperatur von 25 °C. In der Praxis werden jedoch nur Spannungen von 0,5 bis 1V (experimentell auch darüber) erreicht. Die Spannung ist vom Brennstoff, von der Qualität der Zelle und von der Temperatur abhängig. Um eine höhere Spannung zu erhalten, werden mehrere Zellen zu einem Stack in Reihe geschaltet. Unter Last bewirken die chemischen und elektrischen Prozesse ein Absinken der Spannung (nicht bei MCFC).

Bei der Niedertemperatur-Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) ist der Aufbau wie folgt:

Bipolarplatte als Elektrode mit eingefräster Gaskanalstruktur, beispielsweise aus leitfähigen Kunststoffen (durch Zugabe zum Beispiel von Carbon-Nanoröhrchen elektrisch leitend gemacht).
Poröse Carbon-Papiere.
Reaktivschicht, meist auf die Ionomermembran aufgebracht. Hier stehen die vier Phasen Katalysator (Pt), Elektronenleiter (Ruß oder Carbon-Nanomaterialien), Protonenleiter (Ionomer) und Porosität miteinander in Kontakt.
Protonenleitende Ionomermembran: gasdicht und nicht elektronenleitend.

[Bearbeiten] Chemische Reaktion

Der Brennstoff, hier Wasserstoff, wird an der Anode katalytisch oxidiert und dabei unter Abgabe von Elektronen in Protonen umgewandelt. Diese gelangen die durch die Protonen-Austausch-Membran (engl.: Proton-Exchange-Membrane; kurz: PEM) in die Kammer mit dem Oxidationsmittel. Die Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen elektrischen Verbraucher, zum Beispiel eine Glühlampe, zur Kathode. An der Kathode wird das Oxidationsmittel, hier Sauerstoff, durch Aufnahme der Elektronen zu Anionen reduziert und reagiert gleichzeitig mit den durch den Elektrolyt zur Kathode gewanderten Protonen zu Wasser.

Brennstoffzellen mit einem derart beschriebenen Aufbau heißen Polymermembran-Brennstoffzellen, PEMFC (für Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) oder auch PEFC (für Proton Exchange Membrane Fuel Cell).

Reaktionsgleichungen für eine PEMFC:

	Gleichung
Anode	$\mathrm{2\ H_2 + 4\ H_2O \to 4\ H_3O^+ + 4\ e^-}$ Oxidation / Elektronenabgabe
Kathode	$\mathrm{O_2 + 4\ H_3O^+ + 4\ e^- \to 6\ H_2O}$ Reduktion / Elektronenaufnahme
Gesamtreaktion	$\mathrm{2\ H_2 + O_2 \to 2\ H_2O}$ Redoxreaktion / Zellreaktion

[Bearbeiten] Brennstoffzellentypen

Bezeichnung	Elektrolyt	Mobiles Ion	Anodengas	Kathodengas	Leistung	Betriebs- temperatur	elek. Wirkungsgrad	Stand
AFC Alkaline Fuel Cell	Kalilauge	OH^-	Wasserstoff	Sauerstoff	10 – 100 kW	unter 80 °C	Zelle: 60 – 70 % System: 62 %	kommerziell/Entwicklung
PEMFC Proton Exchange Membrane Fuel Cell	Polymer- Membran	H₃O⁺	Wasserstoff	Luftsauerstoff	0,1 – 500 kW	70 – 200 °C,	Zelle: 50 – 70 % System: 30–50 %	kommerziell/Entwicklung
DMFC Direct Methanol Fuel Cell	Polymer- Membran	H⁺	Methanol	Luftsauerstoff	mW bis 100 kw	90 – 120 °C	Zelle: 20 – 30 %	kommerziell/Entwicklung
PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell	Phosphorsäure	H₃O⁺	Wasserstoff	Luftsauerstoff	bis 10 MW	200 °C	Zelle: 55 % System: 40 %	Entwicklung
MCFC Molten Carbonate Fuel Cell	Alkali- Carbonat- Schmelzen	CO₃^2-	Wasserstoff, Methan, Kohlegas	Luftsauerstoff	100 MW	650 °C	Zelle: 55 % System: 47 %	Entwicklung/ Kommerzialisierungsphase
SOFC Solid Oxide Fuel Cell	oxidkeramischer Elektrolyt	O^2-	Wasserstoff, Methan, Kohlegas	Luftsauerstoff	bis 100 MW	800 – 1000 °C	Zelle: 60–65 % System: 55–60 %	Entwicklung

[Bearbeiten] Anwendungen

Die ersten Anwendungen der Brennstoffzellen ergaben sich in Bereichen, in denen die Kosten keine Rolle spielten, dagegen die spezifischen Vorteile gegenüber billigen Dieselgeneratoren überwogen. Brennstoffzellen sind leichter und effizienter als Akkumulatoren und zuverlässiger und leiser als Generatoren. So erklärt sich das frühzeitige Interesse des Militärs und der Raumfahrt an dieser Technologie.

[Bearbeiten] Energiewirtschaft

Die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle erscheint vielen Experten ökologisch besonders interessant: Wasserstoff kann durch Einsatz erneuerbarer Energien gewonnen werden, während der Sauerstoff aus der Erdatmosphäre zugeführt werden kann. So kann zum Beispiel Solartechnik genutzt werden, um den Wasserstoff mittels Elektrolyse aus Wasser zu gewinnen. Kostengünstiger ist allerdings die direkte chemische Umwandlung von Biomasse in Wasserstoff mittels Steam-Reforming, was neue Aussichten für eine nachhaltige Energieerzeugung bietet.

Die Umwandlung von Primärenergie in Wasserstoff ist effizienter als die Umwandlung von Primärenergie zu Strom. Das ist einer der Gründe, weshalb eine solare Wasserstoffwirtschaft der heutigen Energiewirtschaft ökonomisch überlegen wäre. In der Praxis hat etwa die Kette Solarstrom->Wasserstoff->Brennstoffzellen-PKW einen besseren Wirkungsgrad als die Kette Solarstrom->Stromnetz->Batterie->Elektro-PKW. Eine solare Wasserstoffwirtschaft wäre überdies emissionsfrei und klimaneutral.

Voraussetzung wäre allerdings eine Infrastruktur für Lagerung und Transport von Wasserstoff, die u.a. wegen des besonders hohen Diffusionsvermögens eine besondere technische, organisatorische und ökonomische Herausforderung darstellt. Die Forschung über geschlossene, nachhaltige Wirtschaftskreisläufe wird gleichwohl weiterhin mit öffentlichen Geldern unterstützt.

Am 12. Sept. 2005 verabschiedete das Europäische Parlament das "Wasserstoffmanifest", worin eine "grüne" Wasserstoffwirtschaft in kürzestmöglicher Zeit gefordert wird. Europa könne damit die Energiepreise für Strom, Wärme und Verkehr deutlich reduzieren und wäre energieautark, also nicht abhängig von den Lieferanten fossiler Rohstoffe.

[Bearbeiten] Mobiler Einsatz

Methanolbrennstoffzelle im Mercedes Benz Necar 2

Mehrere Automobilfirmen (unter anderem BMW, Volkswagen, Toyota, DaimlerChrysler, Ford, Honda, General Motors/Opel) forschen seit zum Teil 20 Jahren an Automobilen, deren Treibstoff Wasserstoff ist, und die zur Energieumwandlung Brennstoffzellen sowie einen Elektromotor zum Antrieb nutzen. Ein Beispiel sind die Fahrzeuge NECAR 1 bis NECAR 5 sowie Mercedes-Benz F-Cell von DaimlerChrysler. Das schweizerische Hy-Light-Fahrzeug rückte 2004 ins Licht der Öffentlichkeit. Derzeit gehen einige MAN-Brennstoffzellenbusse in Berlin für die BVG in Betrieb ^[2]. Bei BMW ist die Brennstoffzelle nicht originär zur Erzeugung elektrischer Antriebsenergie gedacht. Das Konzept sieht hier vor, im von einem Verbrennungsmotor angetriebenen Wasserstoff-Fahrzeug (z.B. 7er Baureihe, Typ E68) das permanent aus dem Wasserstofftank abdampfende Gas in einer Brennstoffzelle zur Stromversorgung des Fahrzeuges zu nutzen, anstatt den Wasserstoff ins Freie entweichen zu lassen.

Förderlich für die erheblichen Anstrengungen in der Forschung war in den USA insbesondere der Zero emission act bzw. das Zero Emission Vehicle mandate (ZEV), die vorsehen, dass Autos zukünftig abgasfrei fahren sollen. Für das Jahr 2003 war vorgesehen, dass 10% aller neu zugelassenen Fahrzeuge in Kalifornien diesem Gesetz unterliegen sollten. Kurz vorher, nach massivem Druck der amerikanischen Automobilindustrie, wurde das ZEV jedoch gekippt, wenn es auch weiterhin diskutiert wird.

Durch den verstärkten Einsatz von emissionsfreien Fahrzeugen in Ballungszentren und Großstädten wird eine Verbesserung der dortigen Luftqualität erwartet. Ein Nebeneffekt wäre allerdings, dass die Emissionen vom Ort der Fahrzeugnutzung dorthin verlagert werden, wo der Wasserstoff hergestellt wird, soweit dies nicht aufgrund regenerativer Verfahren erfolgt.

Für den breiten Einsatz der mobilen Wasserstoff-Anwendungen ist der gleichzeitige Aufbau von Wasserstofftankstellen erforderlich. Am sinnvollsten geschieht das durch den Umbau der Energiewirtschaft zu einer Wasserstoffwirtschaft. Für die Mitnahme von Wasserstoff in Fahrzeugen kommen neben Druckbehältern auch andere Formen der Wasserstoffspeicherung in Frage, beispielsweise in Metallhydriden oder unter hohem Druck und niedriger Temperatur als flüssiger Wasserstoff.

Trotz des hohen Wirkungsgrads der Brennstoffzelle gestaltet sich die Abfuhr der Abwärme auf dem vergleichsweise niedrigen Temperaturniveau der PEM-Brennstoffzelle von etwa 80°C als problematisch, denn im Gegensatz zum verbrennungsmotorischen Antrieb beinhaltet das relativ kalte Abgas (Wasserdampf) nur eine vergleichsweise geringe Wärmemenge. Demzufolge ist man bestrebt, die Betriebstemperatur der PEM-Brennstoffzelle auf über 100°C anzuheben, um leistungsstärkere Brennstoffzellen-Automobile mit mehr als 100 kW realisieren zu können.

Bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes kann die Startfähigkeit der Brennstoffzelle aufgrund gefrierenden Wassers beeinträchtigt sein. Es muss sichergestellt sein, dass die elektrochemische Reaktion, insbesondere die Diffusion der Brenngase, durch Eisbildung nicht behindert wird. Dies kann beispielsweise durch eine geeignete Elektrodenstruktur erzielt werden. Verschiedene Hersteller haben 2003 und 2004 bereits nachgewiesen, dass der Gefrierstart von PEM-Brennstoffzellen bei Temperaturen von bis zu -20°C möglich ist; die Startzeiten seien mit denen von Verbrennungsmotoren vergleichbar.

Die schon seriennah verfügbaren Prototypen kleinerer Fahrzeuge haben zum Ziel, die Größe, das Gewicht und die Kosten der Brennstoffzelle und eine geeignete Speicherung des Wasserstoffes zu erproben. So hat DaimlerChrysler Fahrzeuge der A-Klasse mit Brennstoffzellen vorgestellt. In Hamburg und Stuttgart werden Busse mit Wasserstoffantrieb im normalen Linienbetrieb getestet.

Bei U-Booten ist Deutschland der einzige Anbieter eines serienmäßig hergestellten Modells mit Brennstoffzellen-Antrieb. Die HDW Kiel in Kooperation mit Nordseewerke Emden liefert seit 2005 die U-Boot-Klasse 212 mit einem solchen Antrieb (AIP: air independent propulsion) aus. Er leistet ca. 300 kW (408 PS).

Mögliche Alternativen zur direkten Wasserstoffspeicherung sind Treibstoffe wie Ethanol, Methanol oder andere Kohlenwasserstoffe, von denen kurz vor Gebrauch der Wasserstoff durch katalytische Verfahren gewonnen wird. Diese Verfahren erzeugen jedoch nennenswerte Mengen an CO₂, was die ansonsten perfekte Umweltverträglichkeit der Brennstoffzelle einschränkt (außer wenn die Treibstoffe aus regenerativ erzeugter Biomasse stammen). Die Wirtschaftlichkeit dieser Verfahren krankt heute zudem am Katalysator, deren beste Varianten das teure Platin enthalten.

Seit Mitte 2005 sind Brennstoffzellen auch in der Luftfahrt anzutreffen. Eine erste Drohne, deren Elektromotoren von einer Brennstoffzelle angetrieben werden, startete in Yuma, Arizona. Das DLR arbeitet zur Zeit an der Integration der Brennstoffzellentechnologie in das unbemannte Forschungsflugzeug Hyfish.

Ende Oktober 2006 erklärt VW den endgültigen Durchbruch in kostengünstigeren, leistungsfähigeren Brennstoffzellen im Hochtemperaturbereich. Probleme werden nicht auf Dauer beim Durchbruch der Brennstoffzelltechnik auf der Fahrzeugseite, sondern in der kostengünstigen, umweltschonenden Herstellung von Wasserstoff gesehen.^[3]

siehe auch Brennstoffzellenfahrzeug

[Bearbeiten] Portabler Einsatz

Geplant ist auch die Anwendung von portablen Brennstoffzellen als Ersatz von Batterien und Akkus in kleineren Geräten wie Laptops. Dies verspricht längere Einsatzzeiten, daneben ist ein Nachfüllen abseits vom Stromnetz durch Methanol möglich. Unter den Anbietern finden sich auch deutsche Unternehmen. Typische Einsatzgebiete sind Observation, Umweltmesstechnik und Telekommunikation, Filmkameras, Notebooks, Reisemobile und Segelboote. Haupthemmnis für eine breite Einführung ist die unbefriedigende Situation bei den Technologien zur Speicherung von Wasserstoff in kleinen Mengen.

Durch den Größenvergleich mit anderen Anwendungen nennt man die portable Technik auch häufig "Miniaturbrennstoffzellen".

[Bearbeiten] Stationärer Einsatz

Weil Wasserstoff in Wasserstoffnetzen noch nicht verfügbar ist, sind derzeit die Erdgas-Brennstoffzellen dabei, die bisherigen Generatoren in der Kraft-Wärme-Kopplung zu verdrängen. Ein solches Blockheizkraftwerk kann für ein größeres Einzugsgebiet oder in kleinerer Ausführung auch zur Versorgung eines Gebäudes dienen.

Ähnlich wie bei Heizkraftwerken mit Gasturbinen wird Erdgas als Energieträger zugeführt, der jedoch nicht direkt verbrannt wird: In einem Reformer wird bei hohen Temperaturen der Wasserstoff von den Kohlenwasserstoffen abgelöst und der Brennstoffzelle zur Energieerzeugung zugeführt. So entsteht zum einen Strom, zum anderen Wärme, die für die Brauch- und Heizwassererwärmung eingesetzt wird. Auf seiten der Stromversorgung liegt der Vorteil der dezentralen Erzeugung in der Vermeidung von Umspann- und Leitungsverlusten im Netz der Energieversorger in Höhe von bis zu 6 Prozent. Auf der Wärmeseite wiederum entfallen die Transportverluste, die selbst bei vollständiger Nutzung der Abwärme eines Elektrizitätswerkes unvermeidlich sind. Allerdings sind mit dieser Anwendungsform gewisse CO₂-Immissionen verbunden, die zwar im Vergleich zu den bisherigen Schadstoffeinträgen geringer sind jedoch den Schadstoff-Eintrag bei reinem Wasserstoff-Betrieb mit Bio-Wasserstoff und bei CO₂-Endlagerung erheblich überschreiten.

Während für privat genutzte Kraftfahrzeuge geringe Standzeiten nur ein kleines Problem darstellen, können sie z. B. bei Blockheizkraftwerken zu einer Verschlechterung der Wirtschaftlichkeit führen.

[Bearbeiten] Mikrobielle Brennstoffzellen

Über eine so genannte mikrobielle Brennstoffzelle (auch Bio-Brennstoffzelle genannt) sollen sich künftige Robotergenerationen selbst mit Treibstoff und Energie versorgen können. Mikroben in dieser Brennstoffzelle setzen die in organischem Material enthaltene Energie in Elektrizität um.

Diese Technik könnte auch für Agrarwirtschaften von Entwicklungsländern vorteilhaft sein, wo mit diesem neuen Ansatz aus Biomasse direkt Strom erzeugt wird. Dies ist jedoch ferne Zukunft, da beim jetzigen Forschungsstand die Effizienz der Umwandlung zu gering ist.

Es ist jedoch geplant, solche Brennstoffzellen in Kläranlagen zur Klärschlammbeseitigung zu benutzen und hierbei noch Energie zu gewinnen.

[Bearbeiten] Siehe auch

[Bearbeiten] Literatur

Peter Kurzweil: Brennstoffzellentechnik. Vieweg, 2003, ISBN 3528039655
Sven Geitmann: Wasserstoff & Brennstoffzellen – Die Technik von morgen. 2. Auflage. Hydrogeit Verlag, Kremmen 2004, ISBN 3937863044
Krewitt, Pehnt, Fischedick, Temming: Brennstoffzellen in der Kraft-Wärme-Kopplung - Ökobilanzen, Szenarien, Marktpotenziale. Erich Schmidt Verlag, Berlin 2004, ISBN 3503078703
Fuel Cell Handbook, Sixth Edition. EG&G Technical Services, Inc., Science Applications International Corp., Under Contract No. DE-AM26-99FT40575, U.S. Dept. of Energy, Office of Fossil Energy, National Energy Technology Laboratory, Morgantown, W. Virginia, November 2002