Brennstoffzellentechnik

Brennstoffzellen ”verbrennen“ einen Brennstoff nicht mit einer Feuererscheinung unter Freisetzung von Wärme. Anders als ihr Name vermuten lässt, wird üblicherweise Wasserstoff wie in einer Batterie durch elektrochemische Vorgänge verstromt statt verbrannt. Brennstoffzellen wandeln die im Brennstoff gespeicherte chemische Energie direkt in Elektrizität — ohne Umweg über Wärme!

Leistungsdaten und Betriebsverhalten einer Brennstoffzelle werden von der Thermodynamik und Kinetik der Elektrodenvorgänge bestimmt. Die numerische Berechnung des Zellgeschehens gelingt nur näherungsweise; die Praxis stützt sich auf empirische Messungen.

Mit der APOLLO-Mission in den Weltraum fand die Brennstoffzellentechnik in Form der alkalischen Brennstoffzelle ihre erste spezifische Anwendung. Herkömmliche Batterien und Akkumulatoren wären zu schwer gewesen; auf Kosten und Lebensdauer kam es nicht an. In den frühen BACON-Zellen arbeiteten Nickelelektroden in 30%iger Kalilauge bei 200 °C und bis zu 50 bar Druck. Nach den Apollo-Flügen wurden keine Hochdruckzellen mehr gebaut. Gasdiffusionselektroden mit aktivem Platin auf poröser Kohle ermöglichten ab Mitte der 1960er Jahre die Niederdruck-AFC bei 50–80 °C. Mit reinem Sauerstoff liefert die AFC die höchsten Spannungen unter den Brennstoffzellentypen. Spezifische Leistung (kW/kg), Energiedichte (kJ/m³) und 15000 Stunden Lebensdauer übertreffen alle bekannten Batteriesysteme. AFC sind einfach aufgebaut, moderat im Preis und eignen sich für wechselnde Stromlasten.

Die aktuelle Entwicklung bevorzugt das PEM-System mit seinem eleganten Zelldesign und der hohen Leistungsdichte bis 0,7 W/cm² (Ziel:> 1W/cm²). Null-Emissions-Fahrzeuge ohne NO_x und Treibhausgase versprechen eine nachhaltige Umweltentlastung, wenn Wasserstoff aus nichtfossilen Energieträgern stammt. Die Energiebereitstellungskette vom Bohrloch zum Tank (Well-to-Tank) ist bei Batteriefahrzeugen und Brennstoffzellen günstiger als bei Verbrennungsmotoren. Der Fahrzeugwirkungsgrad (Well-to-Wheel), ohne Wartung und Unterhalt, zeichnet mit Strommix betriebene Elektroautos durch 20% geringere Emissionen aus als Verbrennungsmotoren. Die PEM-Technologie verursacht keinen Lärm, keine Gewässererwärmung durch Kühlkreisläufe, keine Abfälle (Deponien, Altlasten, Abwasser, Abluft), keinen Landverbrauch und keine Windschneisen; sie eignet sich für die regenerative Nutzung von Solarwasserstoff und die Konversion von Biomasse. Die gleichzeitige Erzeugung von Elektrizität, Warmwasser und Niedertemperaturdampf (Cogeneration) ist möglich. Die PEM-Brennstoffzelle ist einfach zu regeln, kurzschlussfest und reagiert schnell auf wechselnde Lasten. Der Elektrolyt ist nicht korrosiv und die Zellen sind relativ einfach herstellbar.

Seit den 1950er Jahren verfolgen Brennstoffzellenforscher die elektrochemische Direktverstromung von Methanol und anderen Alkoholen — eine faszinierende Idee!

Fruchtlose Versuche, Benzin in einer schwefelsauren Brennstoffzelle zu verstromen, führten zur PAFC.

Schwefelsäure reagiert bei 80–100 °C mit Kohlenwasserstoffen, während Phosphorsäure bis 200 °C einsetzbar ist. Schwefelsäure hat den geringeren Elektrolytwiderstand; doch Phosphorsäure erleichtert bei höheren Betriebstemperaturen die Abfuhr des Reaktionswassers auf der Sauerstoffseite.

Die MCFC nutzt schmelzflüssige Alkalicarbonate als Elektrolyt. Der Direktbrennstoffzellenblock besteht aus porösen Nickelelektroden, die eine mit Carbonat gefüllte Trägerfolie (Matrix) umschließen. Bei 650 °C entsteht anodisch Kohlendioxid und Wasser aus Wasserstoff und Carbonat, das aus dem Elektrolyten nachgeliefert wird. Kathodisch wird Sauerstoff in Kohlendioxid zu Carbonat reduziert. Den Ladungstransport im Elektrolyt übernehmen Carbonationen. Entscheidend für dem Elektrolythaushalt ist die CO₂- Rückführung: das kathodisch verzehrte CO₂ muss von der Anodenseite stetig ausgeglichen werden. Das Anodenabgas CO₂ wird vom Wasserdampf befreit und mit einem Luftüberschuss der Kathode zugeführt. Wellblechartig geformte Stromsammler gewährleisten die Gasversorgung. Bipolarplatten trennen die elektrisch in Reihe geschalteten Einzelzellen.

E. BAUR erkannte in den späten 1930er Jahren die SOFC als Stromquelle ”ohne Polarisation“. Leitfähigkeit und Beständigkeit des Ionenleiters und der Elektroden waren damals noch schlecht.

Die Primärenergie aus organischen Brennstoffen (Erdgas, petrochemische Produkte, Methanol) muss im Brenngaserzeuger (fuel processor) innerhalb oder außerhalb der Brennstoffzelle in den Sekundärbrennstoff Wasserstoff gewandelt werden. Der erzeugte Gleichstrom wird anschießend durch einen Umrichter (power conditioner) in Wechselstrom transformiert, möglichst unabhängig von Spannungsschwankungen der Brennstoffzelle.