Brennstoffzelle

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Mit Alkohol betriebene Brennstoffzelle

Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, die die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Im Sprachgebrauch steht Brennstoffzelle meist für die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle.

Eine Brennstoffzelle ist kein Energiespeicher sondern ein Wandler. Die Energie zur Stromproduktion wird mit den Brennstoffen zugeführt. Zusammen mit einem Brennstoffspeicher kann eine reversible Brennstoffzelle - bei vergleichsweise sehr geringem Wirkungsgrad - einen Akkumulator ersetzen.

[Bearbeiten] Einordnung

Die Gewinnung von elektrischer Energie aus chemischen Energieträgern erfolgt heute zumeist durch Verbrennung und Nutzung der entstehenden heißen Gase in einer Wärmekraftmaschine, welche einen Generator antreibt. Dies geschieht durch die Umwandlung der thermischen Energie in mechanische Arbeit. Die Brennstoffzelle ist geeignet, die Umformung ohne die Umwandlung in Wärme und Kraft zu erreichen und damit potenziell effizienter zu sein. Unter dem Aspekt der Thermodynamik stellt sie somit eine Verbrennungskraftmaschine dar, die chemische Energie in elektrischen Strom umwandelt, wobei dieser genauso wie mechanische Arbeit einen Exergieanteil von 100 % hat. Der Energiewirkungsgrad von Brennstoffzellen ist durch die Enthalpie, sein Exergiewirkungsgrad durch die Freie Enthalpie der chemischen Reaktion bestimmt. Er kann besser werden als der Exergiewirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen, dessen prinzipielle Grenze der Carnot-Wirkungsgrad ist. Letzterer ist temperaturabhängig. In der Praxis sind die bisher von Brennstoffzellen erzielten Wirkungsgrade deutlich höher als die von Otto- oder Dieselmotoren, aber nicht wesentlich besser als die von modernen Gasturbinen, welche mit höheren Temperaturen operieren.

Besonders intensiv erforscht ist die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle. Wasserstoff kommt in der Natur fast nur in gebundener Form vor und muss daher erst erzeugt werden.

Brennstoffzellen werden bereits als Energiewandler in der Raumfahrt (Apollo, Space Shuttle) und für U-Boot-Antriebe verwendet.

Die häufig diskutierte Verdrängung des Verbrennungsmotors als Automobilantrieb ist derzeit nicht erkennbar, zumal Alternativen vorhanden sind (siehe Mobiler Einsatz).

[Bearbeiten] Geschichte

Das Prinzip der Brennstoffzelle wurde schon 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 gleichen 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 als „Galvanische Gasbatterie“ bezeichnete 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. In 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 Forschungszentrum Jülich.

[Bearbeiten] Aufbau

Schematische Darstellung der Funktion einer Brennstoffzelle

Eine Brennstoffzelle besteht aus Elektroden, die durch eine Membran oder Elektrolyt (Ionenleiter) voneinander getrennt sind.

Die Elektrodenplatten/Bipolarplatten bestehen meist aus Metall oder Kohlenstoffnanoröhren. Sie sind mit einem Katalysator beschichtet, zum Beispiel mit Platin oder mit Palladium. Als Elektrolyten können beispielsweise gelöste Laugen oder Säuren, Alkalicarbonatschmelzen, Keramiken oder Membranen dienen.

Die Energie liefert eine Reaktion von Sauerstoff mit dem Brennstoff, der Wasserstoff sein kann, jedoch ebenso aus organischen Verbindungen wie z.B. Methan und Methanol bestehen kann. Beide Reaktanden werden über die Elektroden kontinuierlich zugeführt. Die gelieferte Spannung liegt theoretisch bei 1,23 Volt für die Wasserstoff-Sauerstoff-Zelle bei einer Temperatur von 25 °C. In der Praxis werden jedoch nur Spannungen von 0,5 bis 1 V (experimentell auch darüber) erreicht. Die Spannung ist vom Brennstoff, von der Qualität der Zelle und von der Temperatur abhängig. Um eine höhere Spannung zu erhalten, werden mehrere Zellen zu einem Stack (engl. für 'Stapel') in Reihe geschaltet. Unter Last bewirken die chemischen und elektrischen Prozesse ein Absinken der Spannung (nicht bei der Hochtemperatur-Schmelzkarbonatbrennstoffzelle, MCFC).

Bei der Niedertemperatur-Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC; oder Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC) 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.

[Bearbeiten] Wirkungsgrad, Kosten, Lebensdauer

Am Institut für Energieforschung am Forschungszentrum Jülich^[2] wurden für Brennstoffzellensysteme folgende Messergebnisse erzielt:

Typ	Beschreibung	Leistung	Wirkungsgrad	Stand der Technik	Kosten €/kW $e$
PEFC^[3]	70 °C, fester Elektrolyt	250 kW	35 %	Feldtest	<10.000
PAFC	250 °C	200 kW	38 %	Serie	>5.000
MCFC	650 °C, für stationäre Anwendung	280 kW	48 %	Feldtest	<8.000
SOFC^[4]	900 °C, für stationäre Anwendung	100 kW	47 %	Feldtest	20.000

Zum Vergleich:

Typ	Leistung	Wirkungsgrad	Kosten €/kW
Konventionelle KWK	bis 100 kWe	25 % (el.)	1000
konventionelle KWK	ab 1000 kWe	35 % (el.)	< 500
Stadtbus (Diesel)	300 kW	30 %	< 275
LKW, Reisebus	500 kW	30 %	< 100
Gasturbinen	1 kW - 300 MW	25-46 %^[5]^[6]	?

Die Lebensdauer einer PAFC-Brennstoffzelle liegt zwischen 40000 Betriebsstunden für stationäre und 5000 Betriebsstunden für mobile Systeme^[7]. Die Lebensdauer einer Festoxid-SOFC-Brennstoffzelle ist derzeit noch auf einige Monate beschränkt bei Herstellungskosten in der Grössenordnung von rund 100.000 Franken (Stand: 13. März 2006)^[8]^[9].

[Bearbeiten] Chemische Reaktion

Das Prinzip der Brennstoffzelle wurde 1838 von Christian Friedrich Schönbein anhand der Reaktion

$\mathrm{2\ H_2 + O_2 \to 2\ H_2O}$

entdeckt. Viele Brennstoffzellentypen nutzen heutzutage diese Reaktion als „kalte Verbrennung“ zur Gewinnung elektrischer Energie.

Ein wichtiges Beispiel ist die Protonenaustauschermembran-Brennstoffzelle (PEMFC). Eine solche Brennstoffzelle verwendet in der Regel Wasserstoff als Energieträger und erreicht einen Wirkungsgrad von etwa 60 %. Andere Konstruktionen arbeiten mit Methanol oder Methan und erzeugen daraus den Wasserstoff mittels Reformierung. Das Kernstück der PEMFC ist eine Polymermembran, die für Protonen durchlässig ist (also für H⁺-Ionen), die so genannte proton exchange membrane (PEM). Gleichzeitig stoppt die Membran größere Ionen und wirkt für diese isolierend. Das Oxidationsmittel, für gewöhnlich Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich vom Reduktionsmittel getrennt.

Der Brennstoff, hier Wasserstoff, wird an der Anode katalytisch oxidiert und dabei unter Abgabe von Elektronen in Ionen umgewandelt. Diese gelangen durch die Ionen-Austausch-Membran in die Kammer mit dem Oxidationsmittel. Die Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen elektrischen Verbraucher, zum Beispiel eine Glühlampe, zur Kathode. An der Kathode wird das Oxidationsmittel, hier Sauerstoff, durch Aufnahme der Elektronen zu Anionen reduziert und reagiert gleichzeitig mit den durch den Elektrolyt zur Kathode gewanderten Protonen zu Wasser.

Brennstoffzellen mit einem derart beschriebenen Aufbau heißen Polymermembran-Brennstoffzellen, PEMFC (für Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) oder auch PEFC (für Proton Exchange Membrane Fuel Cell).

Reaktionsgleichungen für eine PEMFC:

Saurer Elektrolyt	Gleichung
Anode	$\mathrm{2\ H_2 + 4\ H_2O \to 4\ H_3O^+ + 4\ e^-}$ Oxidation / Elektronenabgabe
Kathode	$\mathrm{O_2 + 4\ H_3O^+ + 4\ e^- \to 6\ H_2O}$ Reduktion / Elektronenaufnahme
Gesamtreaktion	$\mathrm{2\ H_2 + O_2 \to 2\ H_2O}$ Redoxreaktion / Zellreaktion

Wasserstoff wird an der Anode katalytisch oxidiert und dabei unter Abgabe von Elektronen in Oxonium-Ionen umgewandelt. Diese Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen elektrischen Verbraucher, zum Beispiel eine Glühlampe, zur Kathode. An der Kathode wird das Oxidationsmittel, hier Sauerstoff, durch Aufnahme der Elektronen zu Anionen reduziert. Gleichzeitig bewegen sich die Oxonium-Ionen durch die Protonenaustauschermembran (PEM) zur Kathode und reagieren gleichzeitig mit dem reduzierten Sauerstoff zu Wasser.

Basischer Elektrolyt	Gleichung
Anode	$\mathrm{2\ H_2 + 4\ OH^- \to 4\ H_2O + 4\ e^-}$ Oxidation / Elektronenabgabe
Kathode	$\mathrm{O_2 + 2\ H_2O + 4\ e^- \to 4\ OH^-}$ Reduktion / Elektronenaufnahme
Gesamtreaktion	$\mathrm{2\ H_2 + O_2 \to 2\ H_2O}$ Redoxreaktion / Zellreaktion

[Bearbeiten] Brennstoffzellentypen

Verschiedene Typen der Brennstoffzelle ^[10]
Bezeichnung	Elektrolyt	Mobiles Ion	Gas der Anode	Gas der Kathode	Leistung (kW)	Temperatur (°C)	el. Wirkungs- grad (%)	Stand
Alkalische Brennstoffzelle (AFC)	KOH	OH^-	H₂	O₂	10 – 100	< 80	60-70%	kommerzielle Entwicklung
Polymerelektrolyt- brennstoffzelle (PEMFC)	Polymer- Membran	H⁺	H₂	O₂	0,1 - 500	60 – 80	35 ^[11]	kommerzielle Entwicklung
Direktmethanol- brennstoffzelle (DMFC)	Polymer- Membran	H⁺	CH₃OH	O₂	< 0,001 - 100	90 – 120	40 ^[12]	kommerzielle Entwicklung
Phosphorsäure- brennstoffzelle (PAFC)	H₃PO₄	H₃O⁺	H₂	O₂	< 10.000	200	38 ^[13]	kommerzielle Entwicklung
Schmelzkarbonat- brennstoffzelle (MCFC)	Alkali- Carbonat- Schmelzen	CO₃^2-	H₂, CH₄, Kohlegas	O₂	100.000	650	48 ^[14]	kommerzielle Entwicklung
Festoxid- brennstoffzelle (SOFC)	oxid- keramischer Elektrolyt	O^2-	H₂, CH₄, Kohlegas	O₂ (Luft)	< 100.000	800 – 1000	47 ^[15]	Entwicklung

[Bearbeiten] Energiewirtschaft

Hauptartikel: Wasserstoffwirtschaft sowie Methanolwirtschaft

Die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle ist ökologisch umstritten: Wasserstoff kann zwar durch Einsatz von Elektrizität aus erneuerbaren Energien klimaneutral gewonnen werden, jedoch sind die Verluste bei Herstellung und Transport zu berücksichtigen. So hat etwa die Kette Erdgas → Wasserstoff → Brennstoffzellen-PKW einen Wirkungsgrad von 30 %, die Kette H2 über Elektrolyse aus Windenergie oder aus dem Stromnetz (EU-Mix) → Brennstoffzellen-PKW ca. 29 % bzw. 12 %. Zum Vergleich: Die Kette Erdöl→Benzin→VKM-PKW liegt bei ca. 20 % Wirkungsgrad^[16]. Anders als beim bisherigen Einsatz fossiler Energieträger, bei dem die energetische Effizienz nur geringe ökonomische Bedeutung hatte, wird zudem argumentiert, dass die Energiekosten in Zukunft eine ausschlaggebende Rolle spielen werden, und ein direkter Einsatz von Strom in den meisten Fällen erheblich wirtschaftlicher sei^[17].

Die Infrastruktur für Lagerung und Transport von Wasserstoff stellt eine hohe technische, organisatorische und ökonomische Herausforderung dar. Die Wasserstofftanks haben entweder mehrere hundert bar Druck oder sehr tiefe Temperaturen für den flüssigen Zustand. Das große Gewicht solcher Tanks, bezogen auf die gespeicherte Energiemenge, ist ein wesentliches Hindernis für den Einsatz in Fahrzeugen. Die Forschung über geschlossene, nachhaltige Energiekreisläufe wird mit öffentlichen Geldern unterstützt. Als mögliche Alternative gilt die mögliche Verwendung von elektrisch synthetisiertem Methanol, dessen Eigenschaften sehr ähnlich denen von Benzin oder Ethanol sind, und der problemlos in Tanks gespeichert und transportiert werden kann (Methanolwirtschaft). Die Aufgabe einer effizienten, klimaneutralen Methanolsynthese, welche als Ausgangsprodukt Kohlendioxid benötigt, ist jedoch noch nicht vollständig gelöst.

Am 12. September 2005 verabschiedete das Europäische Parlament das Wasserstoffmanifest, worin eine grüne Wasserstoffwirtschaft in kürzestmöglicher Zeit gefordert wird. Europa könne damit, falls kostengünstige Verfahren entwickelt werden, die Energiepreise für Strom, Wärme und Verkehr deutlich reduzieren und wäre energieautark, also nicht abhängig von den Lieferanten fossiler Rohstoffe.

[Bearbeiten] Anwendungen

Die ersten Anwendungen von Brennstoffzellen ergaben sich in Bereichen wie Militär und Raumfahrt, in denen die Kosten keine Rolle spielten, wobei die spezifischen Vorteile gegenüber billigen Dieselgeneratoren überwogen. Brennstoffzellen sind leichter als Akkumulatoren und zuverlässiger und leiser als Generatoren. Die geringen Geräuschemissionen und die Möglichkeit, Brennstoffzellen nach sehr langer Inaktivität zuverlässig zu betreiben, trugen zu einer anfangs oft militärischen Nutzung sowie einem Einsatz in Notstromversorgungen bei. Zudem arbeiten Brennstoffzellen zusammen mit einem Elektromotor effizienter als Verbrennungsmotoren.

Die besondere Stärke von Brennstoffzellen ist jedoch die hohe Energiedichte, wodurch sich das frühzeitige Interesse des Militärs und der Raumfahrt an dieser Technik erklärt. Der Vorteil der Energiedichte wird jedoch bei Akkumulatoren, bei denen der Elektrolyt aus einem Tank an den Elektroden vorbeigepumpt wird (Redox-Flow-Zellen), großteils ausgeglichen.

[Bearbeiten] Mobiler Einsatz

Hauptartikel: Brennstoffzellenfahrzeug

Methanolbrennstoffzelle im Mercedes Benz Necar 3

Mehrere Automobilfirmen (unter anderem BMW, Volkswagen, Toyota, Daimler, Ford, Honda, General Motors/Opel) forschen seit zum Teil 20 Jahren an Automobilen, deren Treibstoff Wasserstoff ist, und die zur Energieumwandlung Brennstoffzellen sowie einen Elektromotor zum Antrieb nutzen. Ein Beispiel sind die Fahrzeuge NECAR 1 bis NECAR 5 sowie Mercedes-Benz F-Cell von Daimler. Das schweizerische Hy-Light-Fahrzeug rückte 2004 ins Licht der Öffentlichkeit. Derzeit gehen einige MAN-Brennstoffzellenbusse in Berlin für die BVG in Betrieb. ^[18] Bei BMW ist die Brennstoffzelle nicht originär zur Erzeugung elektrischer Antriebsenergie gedacht. Das Konzept sieht hier vor, im von einem Verbrennungsmotor angetriebenen Wasserstoff-Fahrzeug (z. B. 7er Baureihe, Typ E68) das permanent aus dem Wasserstofftank abdampfende Gas in einer Brennstoffzelle zur Stromversorgung des Fahrzeuges zu nutzen, anstatt den Wasserstoff ins Freie entweichen zu lassen.

Förderlich für die erheblichen Anstrengungen in der Forschung war in den USA insbesondere der Zero emission act bzw. das Zero Emission Vehicle mandate (ZEV), die vorsehen, 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 vorher, nach massivem Druck der amerikanischen Automobilindustrie, wurde das ZEV jedoch gekippt, wenn es auch weiterhin diskutiert wird.

Durch den verstärkten Einsatz von emissionsfreien Fahrzeugen in Ballungszentren und Großstädten wird eine Verbesserung der dortigen Luftqualität erwartet. Ein Nebeneffekt wäre allerdings, dass die Emissionen vom Ort der Fahrzeugnutzung dorthin verlagert werden, wo der Wasserstoff hergestellt wird, soweit dies nicht aufgrund regenerativer Verfahren erfolgt. Für die Wasserstoffherstellung gibt es mehrere Möglichkeiten mit unterschiedlicher Effizienz.

Für den breiten Einsatz der mobilen Wasserstoffanwendungen ist der gleichzeitige Aufbau von Wasserstofftankstellen erforderlich. Am sinnvollsten geschieht das durch den Umbau der Energiewirtschaft zu einer Wasserstoffwirtschaft. Für die Mitnahme von Wasserstoff in Fahrzeugen kommen neben Druckbehältern auch andere Formen der Wasserstoffspeicherung in Frage, beispielsweise in Metallhydriden oder unter hohem Druck und niedriger Temperatur als flüssiger Wasserstoff.

Trotz des hohen Wirkungsgrads der Brennstoffzelle gestaltet sich die Abfuhr der Abwärme auf dem vergleichsweise niedrigen Temperaturniveau der PEM-Brennstoffzelle von etwa 80 °C als problematisch, denn im Gegensatz zum Verbrennungsmotor beinhaltet das relativ kalte Abgas (Wasserdampf) nur eine vergleichsweise geringe Wärmemenge. Demzufolge ist man bestrebt, die Betriebstemperatur der PEM-Brennstoffzelle auf über 100 °C anzuheben, um leistungsstärkere Brennstoffzellen-Automobile mit mehr als 100 kW realisieren zu können.

Bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts kann die Startfähigkeit der Brennstoffzelle aufgrund gefrierenden Wassers beeinträchtigt sein. Es muss sichergestellt sein, dass die elektrochemische Reaktion, insbesondere die Diffusion der Brenngase, nicht durch Eisbildung behindert wird. Dies kann beispielsweise durch eine geeignete Elektrodenstruktur erzielt werden. Verschiedene Hersteller haben 2003 und 2004 bereits nachgewiesen, dass der Gefrierstart von PEM-Brennstoffzellen bei Temperaturen von bis zu −20 °C möglich ist; die Startzeiten seien mit denen von Verbrennungsmotoren vergleichbar.

Die schon seriennah verfügbaren Prototypen kleinerer Fahrzeuge haben zum Ziel, die Größe, das Gewicht und die Kosten der Brennstoffzelle und eine geeignete Speicherung des Wasserstoffes zu erproben. So hat Daimler Fahrzeuge der A-Klasse mit Brennstoffzellen vorgestellt. In Hamburg und Stuttgart werden Busse mit Wasserstoffantrieb im normalen Linienbetrieb getestet.

Bei U-Booten ist Deutschland der einzige Anbieter eines serienmäßig hergestellten Modells mit Brennstoffzellen-Zusatzantrieb. Die HDW Kiel in Kooperation mit Siemens und Nordseewerke Emden liefert seit 2005 die U-Boot-Klasse 212 mit einem solchen Antrieb (AIP: air independent propulsion) aus. Er leistet etwa 300 kW (408 PS) und ermöglicht eine Schleichfahrt ohne den 1050-kW-Dieselgenerator.

Seit 2007 fahren im Fuhrpark des Bundesverkehrsministeriums die ersten Autos mit Brennstoffzellen-Antrieb.

Mögliche Alternativen zur direkten Wasserstoffspeicherung sind Treibstoffe wie Ethanol, Methanol oder andere Kohlenwasserstoffe, von denen kurz vor Gebrauch der Wasserstoff durch katalytische Verfahren gewonnen wird. Diese Verfahren tragen jedoch in nicht unerheblichem Maße durch CO₂-Ausstoß zur Umweltbelastung bei, was die ansonsten perfekte Umweltverträglichkeit der Brennstoffzelle einschränkt. Dies ist jedoch dann nicht der Fall, wenn die Treibstoffe aus regenerativ erzeugter Biomasse stammen. Ethanol und Methanol können auch aus Wasser und Kohlendioxid synthetisiert werden, wobei jedoch wiederum die Gewinnung von Kohlendioxid, das in der Luft nur in sehr geringer Konzentration vorkommt, energieaufwendig sein kann. Die Wirtschaftlichkeit dieser Verfahren krankt heute zudem an den Katalysatoren, deren beste Varianten Platin enthalten. Eine breite Verwendung von Platinkatalysatoren würde zudem zu einer Verteuerung des Platins führen, welches ein seltenes und teures Edelmetall ist.

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 Brennstoffzellentechnik in das unbemannte Forschungsflugzeug „HyFish“, welches im März 2007 in der Nähe von Bern erfolgreich seinen Erstflug absolvierte. ^[19] Auch anderer Stelle sind Forschungsaktivitäten in der Luftfahrt im Gange. Zu Beginn des Jahres 2008 wurde in einem Testflug ein umgebauter Airbus A320 mit einer Brennstoffzelle als Backup-System für die Energieversorgung an Bord getestet. Als erfreulicher Nebeneffekt kann das erzeugte Wasser für die Bordversorgung eingesetzt werden, so dass das Abfluggewicht gesenkt werden kann. ^[20]

Ende Oktober 2006 erklärte VW den endgültigen Durchbruch bei der Herstellung von kostengünstigen, leistungsfähigen Brennstoffzellen im Hochtemperaturbereich. Probleme werden weniger beim Durchbruch der Brennstoffzellentechnik auf der Fahrzeugseite, sondern mehr in der kostengünstigen und dabei umweltschonenden Gewinnung von Wasserstoff gesehen. ^[21]

[Bearbeiten] Kraftquelle für einen Flugmotor

Am 3. März 2008 betrieb Boeing zum ersten mal ein kleines Flugzeug, eine Dimona von Diamond Aircraft aus Österreich, mit einem Hybridantrieb: Elektromotor mit Lithium-Ionen-Akkus und Brennstoffzelle. Nach dem Aufstieg mit beiden Energiequellen auf 1000 Meter Höhe wurde die Batterie abgetrennt und der Pilot flog die ersten 20 Minuten der Fluggeschichte mit Brennstoffzelle. Entwickelt wurde der Antrieb von Boeing Research & Technology Europe (BR&TE) in Madrid mit europäischen Industriepartnern.^[22]

[Bearbeiten] Portabler Einsatz

Geplant ist auch die Anwendung von portablen Brennstoffzellen als Ersatz von Batterien und Akkus in kleineren Geräten wie Laptops. Dies verspricht längere Einsatzzeiten, daneben soll ein Nachfüllen abseits vom Stromnetz durch Methanol möglich sein. Mögliche Einsatzgebiete wären Observation, Umweltmesstechnik und Telekommunikation, Filmkameras, Notebooks, Reisemobile und Segelboote. Haupthemmnis für eine breite Einführung ist die fehlende Möglichkeit zur effizienten Speicherung von Wasserstoff in kleinen Mengen.

Durch den Größenvergleich mit anderen Anwendungen nennt man die portable Technik auch „Miniaturbrennstoffzellen“. Mit Hinblick auf die Größe der Bauteile wird aber meist von „Mikrobrennstoffzellen“ gesprochen.

[Bearbeiten] Stationärer Einsatz

In einem Blockheizkraftwerk (BHKW) wird nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) die bei der Erzeugung von elektrischer Energie immer auch gleichzeitig entstehende Wärme mit genutzt. Dieses Vorgehen hat einen prinzipiellen Wirkungsgradvorteil gegenüber der getrennten Umwandlung von Strom und Wärme. Auf Seiten der Stromversorgung liegt der Vorteil der dezentralen Erzeugung in der Vermeidung von Umspann- und Leitungsverlusten im Netz der Energieversorger in Höhe von bis zu sechs Prozent. Auf der Wärmeseite wiederum entfallen die Transportverluste, die selbst bei vollständiger Nutzung der Abwärme eines Elektrizitätswerkes unvermeidlich sind. Dadurch kann ein energetischer und klimaschutzpolitischer Vorteil erreicht werden.

Zum Zweck der Versorgung der Allgemeinheit mit Elektrizität und Gas gibt es das Energiewirtschaftsgesetz von 2005. Im §3 Begriffsbestimmungen steht: „Umweltverträglichkeit bedeutet, dass die Energieversorgung den Erfordernissen eines nachhaltigen, insbesondere rationellen und sparsamen Umgangs mit Energie genügt, eine schonende und dauerhafte Nutzung von Ressourcen gewährleistet ist und die Umwelt möglichst wenig belastet wird, der Nutzung von Kraft-Wärme-Kopplung und erneuerbaren Energien kommt dabei besondere Bedeutung zu.“

Bedingt durch die Kinetik der in der Brennstoffzelle ablaufenden chemischen Reaktion entstehen Strom und Wärme immer zu gleicher Zeit und in einem ganz bestimmten Verhältnis zueinander. Innerhalb physikalischer und technischer Grenzen kann dieses Verhältnis abhängig von Betriebspunkt der Brennstoffzelle frei eingestellt werden. Das genaue Verhältnis von Strom und Wärme wird durch die Thermodynamik der chemischen Reaktion definiert und kann als Funktion der Zellspannung dargestellt werden. Generell gilt: Je niedriger die Zellspannung, desto mehr Wärme im Verhältnis zum erzeugten Strom.

Der stationäre Einsatzbereich eines Brennstoffzellensystems erstreckt sich über einen weiten Leistungsbereich, angefangen bei kleinen Systemen mit einer Leistung von zwei bis fünf Kilowatt elektrischer Leistung bis hin zu Systemen mit mehreren hundert Kilowatt. Kleinere Systeme finden ihre Anwendung in der Energieversorgung von Einfamilienhäusern, größere Systeme werden in Krankenhäusern, Schwimmbädern oder für die Versorgung von kleinen Kommunen eingesetzt.

Ein Brennstoffzellen-BHKW (BZ-BHKW) besteht aus mehreren Komponentenbaugruppen. Die wichtigsten davon sind die Gasaufbereitung oder –bereitstellung, das BZ-System selbst, die elektrische Leistungselektronik und die dazugehörige Regelung der Betriebsführung. Zur Deckung von thermischen Lastspitzen sind meist zusätzlich konventionelle Kessel in einem BZ-BHKW eingebaut.

[Bearbeiten] Reformer

Jedes BZ-System kann direkt mit Wasserstoff als Brenngas betrieben werden. Bedingt durch die bereits verfügbare Infrastruktur werden die BZ-BHKWs jedoch nicht direkt mit Wasserstoff, sondern mit Erdgas (oder Flüssiggas) betrieben. Je nach BZ-Typ (siehe oben) muss das Erdgas vor der Umsetzung in der Brennstoffzelle erst in Wasserstoff (PEMFC) bzw. in ein Wasserstoff/Kohlenmonoxid/Methan Gemisch (SOFC) umgewandelt werden. Dies geschieht in einem sogenannten Reformer. In dem Reformer wird Erdgas (oder allgemein kohlenwasserstoffhaltige Gase oder Flüssigkeiten) über einen Katalysator bei erhöhter Temperatur in ein wasserstoffreiches Gas (Reformat) umgewandelt. Hierbei kommen verschiedene Reformierungsprozesse in Frage (siehe Reformierung).

[Bearbeiten] Stationäre Brennstoffzellensysteme

Für den stationären Anwendungsbereich kommen prinzipiell alle verschiedenen Typen von Brennstoffzellen in Frage. Aktuelle Entwicklungen fokussieren sich aber auf folgende drei Typen SOFC, MCFC und PEMFC. Die SOFC und die MCFC haben den Vorteil, dass bedingt durch die hohen Temperaturen Erdgas direkt als Brenngas eingesetzt werden kann. Der Reformierungsprozess läuft dabei in der Brennstoffzelle intern ab, was einen Reformer weitgehend überflüssig macht. Die Niedertemperatur-PEMFC benötigt dagegen eine Reformereinheit mit einer aufwändigen Gasreinigungsstufe, weil das Reformat weitgehend von CO befreit werden muss. (CO entsteht bei jeder Reformierung von Kohlenwasserstoffen) CO ist bei diesem BZ-Typ ein Katalysatorgift und reduziert sowohl die Leistung als auch die die Lebensdauer der Zelle signifikant.

Die beiden Hochtemperatur-BZ SOFC und MCFC haben im stationären Bereich weitere Vorteile gegenüber der Niedertemperatur-PEMFC. Beispielsweise kann die heiße Abluft zur Sterilisation genutzt werden. Ein Nachteil der hohen Temperatur dagegen ist die lange Anfahr- und Abschaltphase. Ein Niedertemperatur-PEMFC-System kann bei Bedarf relativ schnell komplett aus- und wieder eingeschaltet werden.

[Bearbeiten] Betriebsweise

Bei der stationären BZ-Anwendung steht die Wärmeproduktion gegenüber der Stromproduktion im Vordergrund. Diese Systeme werden deshalb meist wärmebedarfsgeführt betrieben. Das bedeutet, dass die Systemleistung nach der benötigten Wärmemenge geregelt wird, während der produzierte elektrische Strom in das öffentliche Stromnetz eingespeist wird. Stationäre BZ-Systeme werden am besten mit einer geringen Leistungsmodulation betrieben. Idealerweise wird der Wärmegrundlastbedarf komplett über das BZ-BHKW gedeckt. (Wärme-)Lastspitzen werden über konventionelle Heizgeräte abgedeckt. Auf diese Weise arbeitet das stationäre BZ-System bei lediglich einem einzigen konstanten Lastpunkt. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Systems optimal ausgelegt werden. Dies hat jedoch eher negative Auswirkungen auf die Lebensdauer einer Brennstoffzelle. Weiterhin ist die Lebensdauer einer BZ in erster Annäherung durch die Anzahl von möglichen Start/Stopp Zyklen bestimmt, da diese die größte Auswirkung auf die Katalysatoren im Inneren zeigen. Für eine PEM Brennstoffzelle mit geschlossener Kathode gilt, dass sie im ausgeschaltetem Zustand Wasserstoffseitig, als auch Sauerstoffseitig gegenüber der Umwelt abgedichtet werden sollte. Dies vereinfacht einen erneuten Start, da die für den Betrieb notwendige Feuchtigkeit beibehalten wird, und sich keine schädlichen Gase ansammeln können. Sofern die Lagerung bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt erfolgen soll, muss die Brennstoffzelle komplett ausgetrocktnet werden um Schäden durch Eisbildung zu verhindern.

[Bearbeiten] Beispiel: Haus- Energiesystem mit der Brennstoffzelle

Es gibt Pläne, die Brennstoffzelle in Einfamilienhäusern als Energiezentrale einzusetzen. In erster Linie soll der Wärmebedarf gedeckt werden, während der elektrische Strom Nebenprodukt ist.

Die Firma Vaillant gibt folgende Zieldaten an:

Elektrische Leistung: 1 - 4,6 kW netzparallel
Thermische Leistung: 1,5 - 7 kW plus ca. 25-280 kW
Elektrischer Netz-Wirkungsgrad > 30 %
Gesamtwirkungsgrad > 80 %
Brennstoff: Erdgas[8]

[Bearbeiten] Mikrobielle Brennstoffzellen

Über eine sogenannte 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 noch zu gering ist.

Es ist jedoch geplant, solche Brennstoffzellen in Kläranlagen zur Klärschlammbeseitigung zu benutzen und hierbei noch Energie zu gewinnen.

[Bearbeiten] Siehe auch

Tafel-Gleichung
Wasserstoffspeicherung
Wasserstoffherstellung
CaFCP
Direktmethanolbrennstoffzelle
Festoxidbrennstoffzelle
Schmelzkarbonatbrennstoffzelle
Protonen-Austausch-Membran
THDA (Messverfahren zum Erkennen kritischer Betriebszustände)
Redox-Flow-Zelle

[Bearbeiten] Literatur

Peter Kurzweil: Brennstoffzellentechnik. Vieweg, 2003, ISBN 3-528-03965-5.
Sven Geitmann: Wasserstoff & Brennstoffzellen – Die Technik von morgen, 2. Auflage. Hydrogeit Verlag, Kremmen 2004, ISBN 3-937863-04-4.
Krewitt, Pehnt, Fischedick, Temming: Brennstoffzellen in der Kraft-Wärme-Kopplung – Ökobilanzen, Szenarien, Marktpotenziale. Erich Schmidt Verlag, Berlin 2004, ISBN 3-503-07870-3.
U.S. Dept. of Energy, Office of Fossil Energy, National Energy Technology Laboratory: Fuel Cell Handbook, Sixth Edition. EG&G Technical Services Inc., Science Applications International Corp., Under Contract No. DE-AM26-99FT40575, Morgantown, W. Virginia, November 2002.
Peter Gerigk, Detlef Bruhn, Dietmar Danner, Leonhard Endruschat, Jürgen Göbert, Heinrich Gross, Dietrich Kruse, Christian Rasmussen, Rainer Schopf: Kraftfahrzeugstechnik, 5. Auflage. Westermann Verlag, Braunschweig 1997, ISBN 3-14-231800-3.
Wie funktioniert das? – Technik heute. Meyers Lexiconverlag, Mannheim 1998, ISBN 3-411-08854-0.