ENERGIE UND BRENNSTOFFZELLE

Es gibt eine Vielzahl von Brennstoffzellentypen, die sich nach dem verwendeten Elektrolyten und der Betriebstemperatur unterscheiden. So kann für jede Anwendung eine passende Zelle gefunden werden. Der in Brennstoffzellen ablaufende elektrochemische Prozess wird von zahlreichen Materialien und Geometrien unterstützt. Eines haben diese gemeinsam: ein leitfähiger Elektrolyt trennt Anode und Kathode voneinander und lässt zwischen diesen nur Ionen als Ladungsträger passieren. Die für die Reaktion noch fehlenden Elektronen müssen den Weg über den äußeren Stromkreis nehmen und sorgen dort für Energie. Die Triebkraft hierfür ist ein starker Unterschied im Sauerstoffpartialdruck zwischen der Luft an der Kathode und dem Brenngas an der Anode. Das beschriebene Prinzip liegt allen bislang bekannten Brennstoffzellentypen zu Grunde. Unterschieden werden Brennstoffzellentypen nach der Art des Elektrolytmaterials. Dieses kann flüssig oder fest sein und aus Laugen, Polymeren, Salzen oder Keramiken bestehen und muss leitfähig für bestimmte Ionen sein - solange eine wesentliche Bedingung erfüllt ist: die richtige Temperatur. Diese variiert je nach Material von Umgebungstemperatur bis zu 1000 °C und entscheidet in der Regel auch schon über typische Anwendungsfelder.

	AFC	PEMFC	DMFC	PAFC	MCFC	SOFC
Elektrolyt	Kalilauge	Protonenleitende Membran	Protonenleitende Membran	Phosphorsäure in Matrix	Karbonatschmelze in Matrix	Keramischer Festkörper
Betriebstemperatur in °C	80…100	60…120	70…100	200	650	700…1000
Reformierung des Brennstoffs	extern	extern	extern	extern	intern	intern
Elektrischer Systemwirkungsgrad	(60…65) %	(35…40) %	(20…30) %	(35…40) %	(45…50) %	(50…55) %
Anwendung	Raumfahrt, Militär	BHKW, Batterieersatz, Kfz	Batterieersatz, Kfz	BHKW	BHKW	BHKW, APU (auxiliary power unit)
Entwicklungsstand	in Nischen kommerziell	Prototyp	Prototyp	Kleinserie	Demonstration	Demonstration

Verfügen Sie über Erdgas oder Flüssiggas? Wollen Sie auf einen volumiösen Reformer verzichten? Dann integrieren Sie die SOFC in Ihr Brennstoffzellenheizgerät. Werden Sie Kraftwerksbetreiber! Brenngasaufbereitung Erdgas und Flüssiggas gelten als saubere Energieträger. Dennoch enthalten sie Substanzen, die für Brennstoffzellen unverträglich sind. Zum Beispiel Schwefelverbindungen, die ein natürlicher Begleiter sind oder als Odorierung dem Erdgas künstlich zugegeben werden. Diese Bestandteile werden im Entschwefler zurückgehalten. Nachgeschaltet ist ein Vorreformer, der die höheren Kohlenwasserstoffe wie zum Beispiel Propan, Butan etc. unter Wasserdampfzusatz zu Methan, Wasserstoff und Kohlenmonoxid umwandelt, die in der Hochtemperatur-Brennstoffzelle dank einer spontan ablaufenden internen Reformierung bei der Zelltemperatur von 700-900°C zu Strom und Wärme weiterverarbeitet werden. Wärmenutzung Ein scheinbarer Nachteil ist, dass nicht das gesamte Brenngas in der Zelle direkt zu Strom und Wärme umgewandelt werden kann. Diese Limitierung ist physikalisch bedingt und daher nicht zu umgehen. In unserem System wird das nicht umgesetzte Brenngas einer speziellen Nachverbrennung zugeführt. Die hierbei anfallende Wärme wird genutzt, um Brenngase intern vorzuwärmen und um Nutzwärme auszukoppeln. Stromerzeugung Die im Stack in Reihe geschalteten Brennstoffzellen erzeugen eine Gleichspannung. Für einen stationären, netzparallelen Betrieb wird ein Wechselrichter zur Rückspeisung in das öffentliche Stromnetz in das System integriert. Für die Stromversorgung an Bord von Großfahrzeugen sind 42 Volt Gleichspannung, gekoppelt mit einer Batterie, meistens ausreichend.

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Anwendungen

Als Brennstoffzellenheizgerät, lautlose Bordstromversorgung oder Stromaggregat - die SOFC besticht überall dort, wo kohlenwasserstoffhaltige Brennstoffe zur Verfügung stehen.

Aussichtsreiche Perspektiven:

Zur Zeit stehen die Zeichen für die Brennstoffzelle so günstig wie noch nie. Durch höhere Mobilität und Flexibilität sowie durch die zunehmend schnellere Ausbeutung bestehender Ressourcen existiert eine enorme Nachfrage an autarken bzw. alternativen Stromversorgungen verschiedenster Größe. Diese reichen vom Einsatz in tragbaren elektronischen Geräten bis hin zum elektrischen Automobilantrieb.

Wer nun wirklich als Erfinder der Brennstoffzelle gelten kann, ist umstritten. Fakt ist: Ein einfacher Versuchsaufbau erzeugte eine elektrische Spannung.

Die Anfänge

Der allen Brennstoffzellen zu Grunde liegende Effekt wurde schon in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts entdeckt. Viele Autoren schreiben die Erfindung der Brennstoffzelle dem englischen Physiker Sir William Robert Grove (1811 bis 1896) zu. Die ersten bekannten Versuche zur Brennstoffzelle wurden jedoch durch Christian Friedrich Schönbein (1799 bis 1868; damals Professor an der Universität Basel) durchgeführt, indem er zwei Platindrähte in einer Elektrolytlösung (wahrscheinlich Schwefelsäure) mit Wasserstoff beziehungsweise Sauerstoff umspülte und zwischen den Drähten eine Spannung feststellte. Dies veröffentlichte er 1839 in einem Artikel der Januar-Ausgabe des »Philosophical Magazine«, der Grove bekannt war. Im Gegensatz zu Schönbein war Grove aber mehr Praktiker. Er entwarf zwischen 1842 und 1845 als erste Brennstoffzelle eine »Gasbatterie«.

Das Vergessen

Gegen Ende des 19. Jahrhunderts entdeckte Werner von Siemens (1816-1892) das elektrodynamische Prinzip zur Stromerzeugung. Durch dieses und die Erfindung von Verbrennungsmotoren zur Jahrhundertwende wurde die Brennstoffzellentechnologie schnell in den Hintergrund gedrängt.

Die Wiederentdeckung

Für die Bereitstellung von Strom in der Raumfahrt sowie für Unterseeboote wurden Brennstoffzellen in der Mitte des 20. Jahrhunderts wiederentdeckt. Bedingt durch sehr hohe Kosten blieb es jedoch in der Praxis bei diesen Nischen-Anwendungen in Form der Alkalischen Brennstoffzelle AFC. Durch ihr überlegenes Prinzip und die sich daran knüpfenden Erwartungen sind Brennstoffzellen seit 20 Jahren im Zeitalter leistungsfähiger analytischer Untersuchungs- und Berechnungsmethoden wieder ein zentrales Forschungsthema geworden.