Ratgeber
Seit den 1960er Jahren gilt die Brennstoffzelle als zuverlässige Stromquelle für energiekritische Anwendungen. Allgemein bekannt wurde sie vor allem durch die Apollo-Misssionen der NASA und in den letzten Jahren beim Thema erneuerbare Energien. Heute existiert eine Vielzahl von Typen dieses Energiewandlers, in der elektrischen Leistung angepasst an unterschiedlichste Anforderungen.
In unserem Ratgeber stellen wir Ihnen die wichtigsten Bauformen und deren technologische Abwandlungen vor.
Brennstoffzellen erzeugen Strom durch eine elektrochemische Reaktion. Sie unterscheiden sich damit grundsätzlich von anderen Formen der Energieumwandlung, in denen zunächst Wärme erzeugt werden muss, zum Beispiel durch Verbrennung.
Eine Brennstoffzelle verbindet unmittelbar Wasserstoff mit Sauerstoff, dabei entstehen Strom, Wärme und Wasser. Diese Energiewandler werden heute in einer Reihe von Anwendungen eingesetzt, von der Stromversorgung in Haushalten und Unternehmen über die Aufrechterhaltung des Betriebs kritischer Einrichtungen wie Krankenhäuser, Lebensmittelgeschäfte und Rechenzentren bis hin zum Brennstoffzellen-Antrieb einer Vielzahl von Fahrzeugen wie Autos, Lastwagen, Gabelstaplern, Zügen oder öffentlichen Verkehrsmitteln.
Systeme aus Brennstoffzellen gelten heute als saubere, effiziente, zuverlässige und leise Energiequelle mit einem hohen Wirkungsgrad. Größter Vorteil: Im Gegensatz zu Batterien müssen Brennstoffzellen nicht in regelmäßigen Abständen aufgeladen werden, sie produzieren vielmehr so lange Strom, wie Wasserstoff und Sauerstoff vorhanden sind. Hinzu kommt ein äußerst geringer CO2-Ausstoß, viele Bauformen sind sogar CO2-neutral. In einigen Bereichen haben sie selbst Lithium-Ionen-Akkus und Gas-Brennwertkessel verdrängt.
Konstruktionstechnisch besteht eine Brennstoffzelle aus einer Anode, einer Kathode und einer Elektrolytmembran.
Eine klassische Brennstoffzelle funktioniert, indem Wasserstoff durch die Anode und Sauerstoff durch die Kathode geleitet wird. An der Anode spaltet ein Katalysator die Wasserstoffmoleküle in Elektronen und Protonen auf. Die Protonen strömen durch die poröse Elektrolytmembran, während die Elektronen einem Kreislauf folgen, der elektrischen Strom und Wärme erzeugt. Man spricht deshalb auch von einer kalten Verbrennung. An der Kathode verbinden sich die Protonen, Elektronen und der Sauerstoff und bilden Wassermoleküle.
Da es keine beweglichen Teile gibt, arbeiten Brennstoffzellen geräuschlos und mit extrem hoher Zuverlässigkeit.
Alkalische Brennstoffzelle – AFC
AFCs sind vor allem durch ihre Rolle bei den Apollo-Missionen der NASA bekannt. Hier dienten sie zur Versorgung der Astronauten mit Wasser und Strom. Diese Energiewandler verwenden poröse Elektrolyte, die mit einer alkalischen Lösung gesättigt sind. Die AFC zählt zu den effizientesten Arten von Brennstoffzellen mit einem potenziellen elektrischen Wirkungsgrad von 60 bis 90 Prozent. AFCs sind jedoch sehr empfindlich und können versagen, wenn sie Kohlendioxid ausgesetzt werden, weshalb man sie vor allem in der kontrollierten Luft- und Raumfahrt und in Unterwasseranwendungen findet.
Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle – MCFC
MCFCs arbeiten bei hohen Temperaturen von über 1200 Grad Celsius und verwenden ein geschmolzenes Karbonat-Salz-Gemisch, das in einer Keramikmatrix als Elektrolyt suspendiert ist. Diese Hochtemperatur ermöglicht platinfreie Katalysatoren und damit geringere Gesamtsystemkosten. MCFCs können auch Erdgas direkt als Brennstoffquelle nutzen, da die hohen Temperaturen die interne Reformierung des Erdgases zu Wasserstoff im System selbst ermöglicht. MCFCs erreichen Wirkungsgrade von 50 bis 80 Prozent.
Haupteinsatzgebiete sind stationären Anwendungen wie das Bereitstellen von Primär- und Reservestrom für Versorgungsunternehmen und Betriebe.
Festoxid-Brennstoffzelle – SOFC
Auch SOFCs nutzen den Vorteil von Arbeitstemperaturen um die 1800 Grad Celsius. Sie verwenden eine kompakte Schicht aus Keramik als Elektrolyt, die bei hohen Temperaturen die Leitfähigkeit von Sauerstoffionen ermöglicht. Ähnlich wie MCFCs verwenden auch SOFCs einen Nicht-Platin-Katalysator, der die interne Reformierung nutzt. Energieträger ist typischerweise Erdgas, die elektrischen Wirkungsgrade reichen von 50 bis 80 Prozent.
SOFCs werden in einer Reihe von Anwendungen eingesetzt, von kleinen Hilfsstromaggregaten für Privathaushalte bis hin zu großen stationären Stromgeneratoren für größere Gebäude und Unternehmen.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle – PEMFC
PEMFCs verwenden dagegen einen Platin-Katalysator und eine Polymermembran. Was diese Brennstoffzellen von anderen unterscheidet, ist die Fähigkeit, bei kühleren Temperaturen als andere Brennstoffzellentypen zu arbeiten, das heißt zwischen 27 und 94 Grad Celsius. Aufgrund der Verwendung von Edelmetallen und niedrigerer Betriebstemperaturen ist gasförmiger Wasserstoff ihr typischer Brennstoff.
PEMFCs arbeiten mit einem Wirkungsgrad von 40 bis 60 Prozent und sind in der Lage, große und plötzliche Leistungsschwankungen auszugleichen.
PEMFCs sind gut geeignet für Autos und Spezialfahrzeuge wie Gabelstapler, die schnell anfahren oder beschleunigen müssen. Darüber hinaus können PEMFCs in stationären Anwendungen für den Einsatz in der Telekommunikation, in Rechenzentren und in Privathaushalten skaliert werden.
Funktionsschema einer Membran-Brennstoffzelle (PEMFC)
Direkt-Methanol-Brennstoffzelle – DMFC
Ähnlich wie PEMFCs verwenden DMFCs eine Polymermembran als Elektrolyt und in der Regel auch einen Platin-Katalysator. Im Gegensatz zu PEMFCs beziehen DMFCs jedoch Wasserstoff aus flüssigem, mit Wasser gemischtem Methanol, anstatt Wasserstoff unmittelbar als Brennstoff zu verwenden. DMFCs laufen auch bei relativ kühlen Temperaturen, zwischen 125 und 250 Grad Celsius.
Die Anwendungen von DMFCs reichen von kleinen elektronischen Geräten wie Batterieladegeräten und Laptops bis hin zu größeren Anwendungen wie der stationären Stromversorgung für Telekommunikationsanlagen.
Zu empfehlen ist eine DMFC, und zwar aus mehreren Gründen: Zunächst ist die volumetrische Energiedichte von Methanol etwa doppelt so hoch wie die von flüssigem Wasserstoff und fast dreimal höher als die von Lithium-Ionen-Batterien. Außerdem ist Methanol im Fachhandel leicht als tragbare Tankpatrone zu kaufen.
Für die Verwendung als Ladegerät gibt es DMFCs mit einer Leistung zwischen 25 Watt und 5 Kilowatt und einer Betriebsdauer von bis zu 100 Stunden zwischen den Tankvorgängen. Optimal ist eine DFMC für Leistungen bis zu 0,3 kW. Bei einer höheren Leistung weist die indirekte Methanol-Brennstoffzelle zwar einen höheren Wirkungsgrad auf und ist auch kostengünstiger; das Einfrieren des flüssigen Methanol-Wasser-Gemischs bei niedrigen Umgebungstemperaturen kann für die Membran der DMFC aber problematisch sein.