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Brennstoffzelle

COPYRIGHT TEXT & BILDER: Michael Bockhorst

Eine Apparatur zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie, analog zur Batterie. Im Unterschied zu Batterien liegen hier die chemischen Energieträger, in der klassischen Brennstoffzelle sind dies Wasserstoff und Sauerstoff, in gasförmiger Form vor. In dieser klassischen Brennstoffzelle wird Wasserstoff mit Sauerstoff oxidiert, wobei elektrischer Strom freigesetzt wird und Wasser entsteht.

Brennstoffzellen führen damit die Umkehrreaktion zur Elektrolyse durch. In einer solaren Wasserstoffwirtschaft würde Wasserstoff durch Elektrolyse oder solar-katalytische Spaltung aus Wasserstoff hergestellt und dann in Brennstoffzellen, Gasturbinen und anderen Systemen zu End- und Nutzenergie umgewandelt.

Funktionsprinzip von Brennstoffzellen -- Beispiel der klassischen Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle

Damit können Brennstoffzellen kontinuierlich chemische Energie in elektrischen Strom umwandeln, ganz im Gegensatz zu Batterien. Die folgende Abbildung zeigt das Schema einer solchen Brennstoffzelle und der darin ablaufenden chemischen Reaktionen:

einfo_bz_klassisch.gif

Der Wirkungsgrad heutiger bester Brennstoffzellen liegt maximal bei etwa 70-85%, also weitaus höher als der Wirkungsgrad üblicher Kraftwärmemaschinen wie beispielsweise Dampfturbinen.

Einsatzbereich von Brennstoffzellen

Eingesetzt werden Brennstoffzellen seit den 60er Jahren in der bemannten Raumfahrt, weil sie hohe Energie- und Leistungsdichten insbesondere der Wandler erlauben, also mit geringer Masse der Brennstoffzelle und der benötigten Gase große Mengen elektrischer Energie erzeugen können. Das Wasser ist zudem ein willkommenes ,,Abfallprodukt`` für die Astronauten.

Verfügbare Brennstoffzellen-Arten

Moderne Brennstoffzellentypen sind die beiden folgenden ([KABS1995]):

  • Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)
    Diese Brennstoffzelle ist eine Hochtemperaturbrennstoffzelle, die bei Temperaturen von etwa 1000oC arbeitet. Bei diesen Temperaturen ist der Feststoffelektrolyt (,,Solid Oxide``)- Zirkoniumdioxid (ZrO2) mit Zusatzstoffen - in der Lage, Sauerstoffionen zu transportieren. Diese Brennstoffzellen können nicht nur mit reinem Wasserstoff als Brennstoff betrieben werden, sondern auch mit Erdgas, wobei das Erdgas in der Zelle zu molekularem Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO) reformiert wird.


    Der Einsatzbereich solcher Brennstoffzellen wird die Stromerzeugung in Kraftwerken sein.

  • Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEM-FC)
    Mit 80-100oC typischer Betriebstemperatur, einschließlich der Möglichkeit diese Zelle bei Raumtemperatur zu betreiben, muß dieser Typ den Niedertemperaturbrennstoffzellen zugeordnet werden. Aufgrund der vergleichsweise niedrigen Betriebstemperatur eignet sich dieser Brennstoffzellentyp für mobile Anwendungen, also für Kraftfahrzeuge. Als primärer Brennstoff wird Methanol in Betracht gezogen, welches sich sehr einfach speichern läßt, dieses muß allerdings erst in Wasserstoff umgewandelt werden, was in einem Reformer geschieht. Dieser Reformer setzt Methanol mit Wasser
    zu 2/3 in Wasserstoff,
    zu etwa 20% in Kohlendioxid,
    zu 10% in Wasser,
    zu 1% in Nebenprodukte (einschließlich Resten von Methanol) und
    zu 2% in Kohlenmonoxid um.

    Danach muß der Wasserstoff in einer Einheit zur Gasreinigung insbesondere von Kohlenmonoxid befreit werden, welches bisherige PEM-Brennstoffzellen schädigt. Der Aufwand und das Gewicht für die Gasreinigungsanlage steigt mit den Anforderungen an die Gasreinheit. Es gibt Bestrebungen, die PEM-Brennstoffzelle so zu modifizieren, das Kohlenmonoxid das Zellenmaterial nicht beeinträchtigt, um den Aufwand und das Gewicht der Gasreinigungsanlage möglichst gering zu halten.

Direkt-Methanol-Brennstoffzellen (DMFC)

Die aktuelle Entwicklung von Brennstoffzellen hat vor allem zum Ziel, verfügbare und leichter handhabbare Brennstoffe wie Methan oder auch Methanol direkt nutzbar zu machen. Solche Brennstoffzellen werden auch Direktmethanol-Brennstoffzelle (für Methanol) genannt und mit der Abkürzung DMFC (,,direct methanol fuel cell``) bezeichnet. Das unter normalen Bedingungen flüssige Methanol ist besonders gut geeignet, weil es sich in einfachen Tanks lagern lässt. Dabei liegt die Energiedichte bei immerhin ca. 4,4 Kilowattstunden pro Liter. Im Vergleich zu Benzin mit seinen ca. 10 kWh/l ist die Energiedichte geringer, jedoch kompensiert der deutlich höhere Wirkungsgrad des Antriebs über Methanol → Brennstoffzelle → Elektromotor diesen Unterschied praktisch vollständig. Ein solarenergie-basiertes Herstellungsverfahren für Methanol könnte im Rahmen einer Methanolwirtschaft den Endenergieträger für eine vollkommen regnerativ geleistete Energieversorgung bereitstellen.

Siehe auch → Direktmethanolbrennstoffzelle (DMFC).

Aktuelle Entwicklungen bei Brennstoffzellen

  • Mixed Flow-Brennstoffzellen: Hier werden Wasserstoff und Sauerstoff durch hochspezifische Andock-Punkte auf selektiven Katalysatoren zu Wasser umgesetzt, wobei sie Strom liefern.
    Vorteil: einfachere Brennstoffzellen-Geometrie
    Nachteil: explosives Knallgas in der Zelle
    Problem: Auffinden hochselektiver Katalysatoren
  • Kohlenstoff-Brennstoffzellen: In diesen BZ soll bei hohen Temperaturen Kohlenstoffstaub -- zum Beispiel aus Kohle -- mit Sauerstoff bei hohem Wirkungsgrad (ca. 60-80 Prozent) in elektrischen Strom umgesetzt werden. Damit würden die spezifischen Kohlendioxidemissionen im Vergleich zu konventionellen Kohle-Dampfkraftwerken halbiert.

HISTORY:
2010-03-07: Ergänzung DMFC, Vorteil von Methanol
2008-04-06: Ergänzung weiterer Brennstoffzellen/Typen
1999-06-12: INIT


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