Brennstoffzellen kurz vorgestellt

Charakteristika und Einsatzgebiete verschiedener Anlagentypen
21. Mai 2001

Nach unterschiedlichen Prinzipien funktionieren die verschiedenen Brennstoffzellentypen, aber dennoch haben sie etwas gemeinsam: Bei allen läuft letztlich eine kontrollierte Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff ab. Sie erfordert keinen Zündfunken und erzeugt keine Explosionswärme. Ihre Vorteile sind daher geringe Emissionen, die nur von den vorgeschalteten Prozessen herrühren, und ein hoher Grad der Energieausbeute.

Die Energiefreisetzung in der Brennstoffzelle erfolgt durch Zuführen von Wasserstoff an einer Anode und von Sauerstoff an einer Kathode. Das Wasserstoffmolekül dissoziiert an der Anode zu zwei positiv geladenen Wasserstoffionen und zu zwei Elektronen. Die Wasserstoffionen diffundieren durch einen für die Elektronen undurchlässigen Elektrolyten zur Kathode. Verbindet man Anode und Kathode elektrisch, so fließen die Elektronen von der Anode zur Kathode. An der Kathode reagieren die Wasserstoffionen mit Sauerstoff und den über den äußeren elektrischen Leiter zufließenden Elektronen zu Wassermolekülen. Am elektrischen Leiter kann die Leistung entnommen werden.

Der benötigte Wasserstoff wird heute großtechnisch meist aus anderen Primärenergieträgern erzeugt, beispielsweise aus Erdgas. Möglich ist aber auch die Gewinnung von Wasserstoff aus Methanol, das aus anderen Primärenergien hergestellt werden muss, oder auch aus Bio- sowie Klärgas, Kohlegas, Pyrolysegas oder Synthesegas. Langfristig wird angestrebt, Wasserstoff durch Elektrolyse zu gewinnen, wobei regenerative Energien den Strom zur Elektrolyse liefern sollen. Was die Unterschiede der verschiedenen Typen ausmacht, ist in den folgenden Kurzbeiträgen dargestellt.

Hans Friedrich Rosendahl ist zuständig für Unternehmenskommunikation bei der Thyssengas GmbH, Duisburg

Phosphorsäure-Brennstoffzelle

Während die Anwendungen der AFC wegen ihren CO2-Empfindlichkeit auf die Raumfahrt beschränkt blieben, konnte für Anwendungen innerhalb der Atmosphäre auf einen sauren, CO2-unempfindlichen Elektrolyten zurückgegriffen werden. Dieser kommt in der Phosphorsäure-Brennstoffzelle PAFC - Phosphoric Acid Full Cell - zum Einsatz.

Ihre Entwicklung begann Anfang der siebziger Jahre in den USA, Kanada und Japan. Inzwischen bietet das amerikanische Unternehmen ONSI Corporation ihre 200-kW- Brennstoffzelle in der dritten Generation serienreif an. Dieser Typ rechnet sich besonders für den Einsatz als Blockheizkraftwerk zur Energieversorgung von Wohnanlagen, Krankenhäusern, Schwimmbädern, Verwaltungsgebäuden und Gewerbebetrieben. Er kann problemlos mit Erdgas betrieben werden.

Karbonatschmelze-Brennstoffzelle

Die Karbonatschmelze-Brennstoffzelle MCFC - Molten Carbonate Full Cell - arbeitet mit einer hohen Betriebstemperatur von zirka 650 °C. Daraus resultieren verschiedene Vorteile: Wegen der hohen Temperatur muss die Anode nicht mit aufwändigen und teuren Edelmetallkatalysatoren beschichtet werden. Sie ist unempfindlich gegenüber CO2 und - im Gegensatz zur PEM sowie auch zur PAFC - auch gegenüber CO. Dadurch können Erdgas sowie Bio- und Klärgas direkt eingesetzt werden. Die Reformierung des Brenngases erfolgt aufgrund der hohen Betriebstemperatur innerhalb des Zellstapels.

Dieser Brennstoffzellentyp erreicht einen elektrischen Wirkungsgrad von rund 60 %. Die hohe Betriebstemperatur erlaubt zusätzlich die Erzeugung von Prozessdampf und damit den Einsatz auch in der industriellen Kraft-Wärme-Kopplung. Daraus resultiert ein Gesamtwirkungsgrad von mehr als 80 %. Diese Brennstoffzelle benötigt jedoch eine längere Aufheiz- und Abkühlzeit. Sie ist daher hauptsächlich für den Grundlastbetrieb geeignet.

Polymermembran-Brennstoffzelle

Die Polymermembran-Brennstoffzelle PEM-FC - Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell - auch Protonen-Austausch-Brennstoffzelle (Proton Exchange Fuel Cell, PEFC) genannt - wurde in den siebziger Jahren zunächst für Raumfahrt und Militärtechnik entwickelt. Diese Brennstoffzellen sind vergleichsweise einfach und somit kostengünstig aufgebaut. Sie zeichnen sich durch gute Kaltstart- und Lastwechseleigenschaften aus. Als Brenngase können sowohl Wasserstoff als auch Erdgas oder Methanol mit vorgeschalteter Reformierung verwendet werden. Brennstoffzellen dieses Typs können mit Luftsauerstoff betrieben werden.

Der Leistungsbereich ausgeführter Anlagen liegt zwischen wenigen Watt und mehreren hundert Kilowatt und die Arbeitstemperatur bei 60 bis 120 °C. Die Zellen sind daher geeignet zum Einsatz als Blockheizkraftwerk in Wohnhäusern bis hin zu großen Gebäudekomplexen, aber auch zum mobilen Einsatz in Verkehrsmitteln, als Notstromaggregat oder als Batterieersatz in elektronischen Geräten, beispielsweise Notebooks.

Wie bei der Phosphorsäure-Brennstoffzelle ist die Anode, der das Wasserstoffgas zugeführt wird, mit einem Edelmetall-Katalysator beschichtet. Dort spaltet sich das Gas in Wasserstoff-Protonen und Elektronen auf. Als Elektrolyt dient eine dünne, feste Polymermembran, in die Säuregruppen eingebunden sind. Die Protonen wandern wie bei allen sauren Zellen durch den Elektrolyt von der Anode zur Kathode.

Oxidkeramische BrennstoffzelleMit einer Betriebstemperatur von 800 bis 1.000 °C ist die SOFC-Brennstoffzelle Solid Oxide Fuel Cell gut für die Kraft-Wärme-Kopplung geeignet. In Kombination mit einer nachgeschalteten Gasturbine kann ein elektrischer Wirkungsgrad von 60 bis 70 % oder mehr erreicht werden. Das Leistungsspektrum der Oxidkeramischen Brennstoffzellen reicht von ein Kilowatt bis zu - potenziell - mehreren hundert Megawatt elektrischer Leistung. Als Einsatzgebiete kommen daher Einfamilienhäuser ebenso wie Kraftwerke in Betracht.

Wie bei der MCFC wird kein hoher Anspruch an die Reformierung des Brennstoffs gestellt. Als Brenngas können Erdgas, aber auch Klär- und Biogas eingesetzt werden. Wie die PEM-FC hat auch die SOFC einen festen Elektrolyten. Er besteht aus Keramik- Zirkondioxyd.

Die Zelle zeichnet sich durch ein vergleichsweise einfaches System mit hohem Wirkungsgrad und einer hohen zu erwartenden Lebensdauer aus. Die hohe Temperatur stellt allerdings auch hohe Anforderungen an die Materialien.

Alkalische Brennstoffzelle

Die alkalische Brennstoffzelle AFC - Alcaline Fuel Cell - erreicht hohe elektrische Wirkungsgrade von über 70 %. Dabei arbeitet sie zuverlässig mit niedrigen Betriebstemperaturen von weniger als 100 °C. Sie benötigt allerdings reinen Wasserstoff und reinen Sauerstoff und ist empfindlich gegen Kohlendioxid. Auf Grund der hohen Kosten für die Zelle und die Brennstoffaufbereitung hat sie sich seit den sechziger Jahren nur Nischenplätze in Hochpreisanwendungen erobern können. So werden und wurden Brennstoffzellen dieses Typs in der Raumfahrt im Rahmen des Apollo- Programmes sowie im bemannten Space-Shuttle eingesetzt.

Erschienen in Ausgabe: 12/2000