Brennstoffzelle

Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, die die Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in nutzbare elektrische Energie umwandelt. Im Sprachgebrauch steht Brennstoffzelle meist synonym für die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle, die als Nutzungsmöglichkeit für diesen alternativen Energieträger viel diskutiert wird.

Einordnung

Die Erzeugung von elektrischer Energie aus chemischen Energieträgern erfolgt heute zumeist mit Generatoren über den Umweg der thermischen Energie und der Bewegungsenergie, der sich aus der Verbrennung eines chemischen Stoffes ergibt. Die Brennstoffzelle ist geeignet, die Umformung ohne Umweg zu erreichen, und damit potentiell effizienter zu sein. Außerdem sind Brennstoffzellen im Vergleich mit Generatoren einfacher aufgebaut, und können potentiell zuverlässiger und abnutzungsfester als diese sein. Diese Effekte sind jedoch teilweise noch nicht technisch realisiert.

Ökologisch besonders bedeutsam ist die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle. 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. Damit ist dieser Energiewandler einer der Hoffnungsträger für eine nachhaltige Energieerzeugung.

Die Technik der Brennstoffzellen wird bereits jetzt für die Gewinnung von elektrischer Energie in der Raumfahrt (Apollo, Space Shuttle) und für U-Boot-Antriebe verwendet. Dabei beantwortet der technische Nutzen die Frage der Wirtschaftlichkeit. Eine breite gesellschaftliche Akzeptanz der Technologie ist gegeben, doch wird sie heute noch nicht in Form von marktfähigen Produkten durch die Industrie bereitgestellt. Als Option für die Realisierung geschlossener, nachhaltiger Wirtschaftskreisläufe wird die Forschung auch mit öffentlichen Geldern unterstützt.

Bei einer Reihe von Problemen für kleinere Antriebe ist noch nicht abzusehen, wann diese gelöst werden können. Viele Hersteller behaupten seit langem, dass es Probleme gäbe bei der Wasserstoffspeicherung für die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle. Es gibt aber auch für Pkw bereits eine Reihe von Anwendungen, und mit zunehmendem Forschungserfolg finden sich schrittweise neue Einsatzfelder. Die besonders diskutierte Verdrängung des Verbrennungsmotors in der Automobiltechnik auf breiter Front scheint jedoch noch weit entfernt. Erste Serienproduktionen sind ab 2008 geplant.

Im Jahr 2005 kündigte der Elektronik-Riese Toshiba zwei MP3-Player an, die mit einer winzigen Methanol-Brennstoffzelle angetrieben werden sollen - die Marktreife wird für 2007 erwartet.

Geschichte

Das Prinzip der Brennstoffzelle wurde bereits 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 selben 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 „Galvanische Gasbatterie“ getaufte 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 Kernforschungszentrum Jülich.

Aufbau

Eine Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden, die durch eine Membran oder Elektrolyt (Ionenleiter) voneinander getrennt sind. Die Anode wird mit dem Brennstoff umspült (zum Beispiel 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, Nickel oder Nano-Carbon-Röhrchen. Zur besseren Katalyse sind sie mit einem Katalysator (zum Beispiel Platin oder Palladium) beschichtet, dadurch wird eine höhere Effizienz erreicht.

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

Die gelieferte Spannung liegt theoretisch bei 1,23 Volt. Sie ist vom Brennstoff und Qualität der Zelle abhängig. Um eine höhere Spannung zu erhalten, werden mehrere Zellen zu einem so genannten Stack in Reihe geschaltet.

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;
wie 3);
wie 2);
wie 1)

Funktionsablauf

Der Brennstoff – beispielsweise Wasserstoff – wird an der Anode katalytisch in Kationen umgewandelt. Das sind beim Beispiel Wasserstoff H⁺-Ionen. Dies geschieht unter Abgabe von Elektronen an die Anode. Diese Elektronen fließen über einen elektrischen Verbraucher, zum Beispiel eine Glühlampe, zur Kathode. An der Kathode wird das Oxidationsmittel, in der Regel Sauerstoff, durch Aufnahme der Elektronen zu Anionen. Die negativ geladenen Sauerstoff-Ionen reagieren mit den im Elektrolyt zur Kathode gewanderten H⁺-Ionen zu Wasser.

Reaktionsgleichungen:

Anode:

\mathrm {2\ H_{2}\to 4\ H^{+}+4\ e^{-}}

Oxidation / Elektronenabgabe

Kathode:

\mathrm {O_{2}+4\ e^{-}\to 2\ O^{2-}}

\mathrm {2\ O^{2-}+4\ H^{+}\to 2\ H_{2}O}

Reduktion / Elektronenaufnahme

Gesamtreaktion:

\mathrm {2\ H_{2}+O_{2}\to 2\ H_{2}O}

Redoxreaktion / Zellreaktion

Brennstoffzellentypen

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

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.

Die Motivation für zivile Anwendungen findet sich auch in der Einsicht, dass die Erdölvorkommen der Erde begrenzt sind (Ölkrise) und eine Fortsetzung des lukrativen Autogeschäftes in der "Zeit nach dem Erdöl" wünschenswert ist. Förderlich für die erheblichen Anstrengungen in der Forschung war insbesondere der "Zero emission act" bzw. das Zero Emission Vehicle mandate (ZEV), ein Gesetz in den USA, das vorschreibt, 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 zuvor wurde das ZEV jedoch aufgrund massiven Drucks der amerikanischen Automobilindustrie gekippt, ist jedoch unter dem gegenwärtigen Gouverneur Kaliforniens, Arnold Schwarzenegger, weiterhin in Diskussion.

mobil

Mehrere Automobilfirmen (unter anderem Toyota, DaimlerChrysler, Ford, Honda, General Motors/Opel) forschen seit zum Teil 20 Jahren an Automobilen, deren Treibstoff Wasserstoff ist, und die Brennstoffzellen zur Energieumwandlung sowie einen Elektromotor zum Antrieb nutzen. Ein Beispiel sind die Fahrzeuge NECAR 1 bis NECAR 5 sowie 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].

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

Die Herausforderungen der mobilen Wasserstoff-Brennstoffzellen liegen heute nicht mehr an den Brennstoffzellen und Antrieben, sondern hauptsächlich in der Problematik der Speicherung des hochflüchtigen Wasserstoffs. Drei Alternativen der direkten Wasserstoffspeicherung wurden bisher zur Serienreife entwickelt: Druckflasche, flüssiger Wasserstoff und Metallhydrid.

Die bereits serienreif verfügbaren Lösungen für kleinere Fahrzeuge haben zum Ziel, die Größe und das Gewicht der Brennstoffzelle zu reduzieren und eine geeignete Lagerung des Wasserstoffes zu ermöglichen. DaimlerChrysler hat mit seinen Fahrzeugen der Mercedes-Benz A-Klasse inzwischen eine praxistaugliche Lösung auch für kleine Fahrzeuge entwickelt. Für Busse ist diese Technik bereits so weit entwickelt, dass beispielsweise in Hamburg und Stuttgart Wasserstoffbusse im normalen Linienbetrieb getestet werden. Andere Verkehrsunternehmen zeigen ebenfalls reges Interesse an dieser Technologie.

Bei Großfahrzeugen, insbesondere U-Booten, ist Deutschland inzwischen Weltmarktführer bei der Herstellung von Wasserstoffantrieben. Die HDW Kiel in Kooperation mit Nordseewerke Emden liefert seit 2005 die U-Boot-Klasse 212 und die neuen U-Boote der israelischen Dolphin-Klasse mit einem Brennstoffzellenantrieb (AIP: air independent propulsion) von ca. 300 KW aus.

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

Geplant ist auch die Anwendung von mobilen Brennstoffzellen als Ersatz von Batterien und Akkus in kleineren Geräten wie Laptops. Der Vorteil ist, dass das lästige Aufladen wegfällt und stattdessen nur Methanol nachgefüllt werden muss.

Ein Anbieter der bereits kommerziell Produkte für diese Märkte vertreibt, ist die deutsche Smart Fuel Cell AG in Brunnthal bei München. Energieträger für die Geräte der SFC AG ist flüssiges Methanol in speziellen Tankpatronen. Einsatz finden die als Batterieladegeräte konzipierten Geräte in der Observation, Umweltmesstechnik und Telekommunikation, sowie in Reisemobilen und Segelbooten.

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 Brennstofzellentechnologie in das unbemannte Forschungsflugzeug Hyfish.

stationär

Während die ökologisch als besonders vorteilhaft beurteilten Wasserstoff-Brennstoffzellen noch technische Probleme aufweisen, sind die Erdgas-Brennstoffzellen derzeit dabei, die bisherigen Generatoren in der Kraft-Wärme-Kopplung zu verdrängen. Dabei handelt es sich um stationäre Anwendungen, etwa als Blockheizkraftwerk für ein größeres Einzugsgebiet, oder in kleinerer Ausführung zur örtlichen Versorgung eines Gebäudes.

Ähnlich wie bei Heizkraftwerken mit Gasturbinen wird Erdgas als Energieträger zugeführt, der jedoch nicht direkt verbrannt wird. In einem Reformer wird bei hohen Temperaturen von den Kohlenwasserstoffen der Wasserstoff abgelöst und der Brennstoffzelle zur Energieerzeugung zugeführt. Neben dem entstehenden elektrischen Strom wird die entstehende Abwärme für die Brauch- und Heizwassererwärmung verwendet. Ein allgemeines Ziel der dezentralen Strom- und Wärmeerzeugung ist die Vermeidung der Umspann- und Leitungsverluste von bis zu rund 6 Prozent, die durch die Übertragung der Elektrizität im Hoch-, Mittel- und Niederspannungsnetz der Energieversorger entstehen. Ein Vorteil der dezentralen Energieversorgung mittels Brennstoffzellen liegt dabei in deren vergleichsweise geringen spezifischen Emissionen von Luftschadstoffen und Kohlendioxid.

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.

Siehe auch

Wasserstoffherstellung

Literatur

Peter Kurzweil: Brennstoffzellentechnik. Vieweg, 2003, ISBN 3528039655
Sven Geitmann: Wasserstoff & Brennstoffzellen – Die Technik von morgen. 2. Auflage. Hydrogeit Verlag, Kremmen 2004, ISBN 3937863044
Alf-Sibrand Rühle, Sven Geitmann: Wasserstoff & Wirtschaft – Investiere in eine saubere Zukunft. Hydrogeit Verlag, Kremmen 2005, ISBN 3937863028
Sven Geitmann: Wasserstoff- & Brennstoffzellen-Projekte. Hydrogeit Verlag, Berlin 2002, ISBN 3831132801
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

Weblinks

Zentrum für BrennstoffzellenTechnik gGmbH - Informationen rund um die Brennstoffzellentechnologie
Forschungszentrum Jülich GmbH - Brennstoffzellenseiten

Hydrogeit - Informationen und Bücher über Brennstoffzellen
Basisinformationen mit guten Zeichnungen
Brennstoffzellen und Wasserstoff unter dem Aspekt einer nachhaltigen Energieversorgung
Umweltbilanz bei der Herstellung von PEM-Brennstoffzellen