BRENNSTOFFZELLE

Brennstoffzelle,

 

Brennstoffelement, elektrische Stromquelle, in der durch elektrochemische Oxidation einer leicht oxidierbaren Substanz (praktische Bedeutung hat bisher nur Wasserstoff erlangt) mit Sauerstoff chemische Energie direkt in elektrische Energie umgewandelt wird.Die Brennstoffzelle besteht grundsätzlich aus zwei katalytisch wirksamen porösen und deshalb für die Reaktionsprodukte durchlässigen Metall- oder metallbeschichteten Kohleelektroden, zwischen denen sich ein Elektrolyt befindet: bei Niedertemperaturbrennstoffzellen und Mitteltemperaturbrennstoffzellen (Arbeitstemperatur zwischen 0 und 150 ºC beziehungsweise 150 und 250 ºC) Phosphor- beziehungsweise Schwefelsäure oder Kalilauge, bei Hochtemperaturbrennstoffzellen (500 bis 1 100 ºC) Salzschmelzen aus Alkalicarbonaten beziehungsweise -chloriden oder Sauerstoffionen leitende keramische Feststoffe (z. B. Zirkoniumoxid). Im Nieder- und Mitteltemperaturbereich unterscheidet man die alkalische Brennstoffzelle (AFC, englisch alkaline fuel cell), die Polymer-Elektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEMFC), die Phosphorsäuere-Brennstoffzelle (PAFC, englisch phosphoric acid fuel cell) und im Hochtemperaturbereich die Schmelzcarbonat-Brennstoffzelle (MCFC, englisch molten carbonate fuel cell) und die Oxidkeramik-Brennstoffzelle (SOFC, englisch solid oxide fuel cell). Von außen wird unter Druck kontinuierlich Wasserstoff (H₂) oder wasserstoffreiches Gas an die Brennstoffelektrode (Zellenanode), Sauerstoff (O₂) beziehungsweise sauerstoffreiche Luft an die Oxidatorelektrode (Zellenkathode) herangeführt. Die Wasserstoffmoleküle werden an der Anode in Wasserstoffionen (Protonen H⁺) und Elektronen (e^-) zerlegt: 2 H₂ → 4 H⁺ + 4 e^-; die Protonen gelangen durch den Elektrolyten zur Kathode, die Elektronen laden die Anode negativ auf. Die Sauerstoffmoleküle werden an der Kathode durch Aufnahme von Elektronen in Sauerstoffionen (O^2-) zerlegt, wobei sich die Kathode positiv auflädt: O₂ + 4 e^- → 2 O^2-. Es entsteht auf diese Weise zwischen den beiden Elektroden eine Spannung von etwa 1 Volt. Verbindet man beide Elektroden über einen äußeren Stromkreis, in dem ein elektrischer Verbraucher (z. B. Glühlampe) liegt, so fließen die Elektronen über diesen von der Anode zur Kathode und leisten dabei elektrische Arbeit. An der Kathode verbinden sich die Wasserstoff- und Sauerstoffionen zu Wasser, das kontinuierlich aus dem Elektrolyten abgetrennt wird (Umkehrreaktion der elektrochemischen Wasserspaltung).

 

Aufgrund der geringen Spannung, die eine einzelne Brennstoffzelle liefert, müssen gewöhnlich viele Brennstoffzellen zu einer Brennstoffzellenbatterie zusammengeschaltet werden. Sie haben ein günstiges Leistungsgewicht und wurden mit Erfolg in der Raumfahrt, in Unterwasserstationen und zur Notstromversorgung eingesetzt. Aus Aggregaten hintereinander geschalteter Brennstoffzellen aufgebaute Stromerzeuger beziehungsweise Kraftwerke (zurzeit sind Pilotanlagen mit elektrischen Leistungen bis 4,5 MW in Betrieb) enthalten neben einem den erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom umwandelnden Stromwandler einen Brennstoffreformer, in dem kohlenwasserstoffhaltige Brennstoffe (z. B. Erdgas, Methanol) bei hohen Temperaturen in wasserstoffreiche Gase überführt werden. - Die Brennstoffzelle wird gegenwärtig wegen des erzielbaren hohen Wirkungsgrades und der schadstoffarmen Technik als besonders zukunftsträchtige Energiequelle eingeschätzt. Der Wirkungsgrad der Stromerzeugung mit Brennstoffzellen (einschließlich der Brennstoffreformierung) liegt heute allerdings erst zwischen etwa 35 bis 60 %. Wird reiner Wasserstoff als Brennstoff verwendet und die Abwärme zur Stromerzeugung genutzt, sind auch Wirkungsgrade bis zu 70 % möglich. Das Besondere an den Brennstoffzellen ist, dass dieser Wirkungsgradbereich bereits bei niedrigen Leistungen erreicht wird. Dadurch können neue Anwendungen erschlossen und Beiträge zum Klimaschutz geleistet werden. Dem Durchbruch zu einer breiteren Anwendung der Brennstoffzellen stehen bisher die hohen Anschaffungskosten und die kurze Lebensdauer entgegen; neuere Entwicklungen im Bereich der Material- und Systemtechnik sollen v. a. die Wirtschaftlichkeit und die Haltbarkeit der Brennstoffzellen erhöhen. Mit der breiten Markteinführung der Brennstoffzellen wird ab 2005 in der stationären Hausenergieversorgung durch kleine Brennstoffzellen-Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen und als Antrieb im Kraftfahrzeugbereich gerechnet. Derzeit laufen erste Feld- und Flottentests.

 

Hier finden Sie in Überblicksartikeln weiterführende Informationen:

 

 

Brennstoffzellenantrieb: Autoantrieb ohne Abgase

 

Brennstoffzelle,

 

eine elektrische Stromquelle, bei der chemische Energie durch »kalte Verbrennung« direkt in elektrische Energie umgewandelt wird.

 

Bei einer normalen Verbrennung verläuft die Oxidation so, dass ein Brennstoff Elektronen an den Sauerstoff abgibt. Die dabei frei werdende chemische Energie wird praktisch vollständig in Wärme überführt. In einer Brennstoffzelle sind die Oxidation des Brennstoffs (also die Abgabe von Elektronen) und die Reduktion des Sauerstoffs (die Aufnahme von Elektronen) räumlich voneinander getrennt. Der Austausch der Elektronen erfolgt über eine externe Stromleitung; der parallel auftretende Ionenaustausch vollzieht sich im Innern der Brennstoffzelle über eine elektrolytische Flüssigkeit.

 

Eine typische Brennstoffzelle besteht im Wesentlichen aus zwei porösen Elektroden, zwischen denen sich ein Elektrolyt befindet. Je nach Arbeitstemperatur unterscheidet man Nieder-, Mittel- und Hochtemperaturbrennstoffzellen (0-150 °C, 150-250 °C, 500-1000 °C), die mit verschiedenen Elektrolyten arbeiten. Als Brennstoff wird meist Wasserstoff bzw. ein wasserstoffreiches Gas wie Methan verwendet.

 

Brennstoffzellen erreichen einen Wirkungsgrad von bis zu 60 %, sie arbeiten geräuschlos und schadstoffarm (als Abgas entsteht nur Wasserdampf). Sie sind leicht und kompakt. Sie werden deshalb in der Raumfahrt und in der U-Boot-Technik eingesetzt, ihre Anwendung in Kraftfahrzeugen wird erprobt. Kleine Brennstoffzellen würden sich aber auch zur Versorgung von tragbaren Computern (z. B. Laptops) oder Mobiltelefonen eignen. Einer weiten Verbreitung steht (noch) der hohe Preis entgegen.