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Brennstoffzelle

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Definition: ein elektrochemischer Stromerzeuger mit Brennstoffzufuhr von außen

Englisch: fuel cell

Kategorien: elektrische Energie, Kraftmaschinen und Kraftwerke

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 03.10.2010; letzte Änderung: 18.10.2015

Eine Brennstoffzelle (engl. fuel cell) ist ein Gerät, welches ähnlich wie eine (aufladbare oder nicht aufladbare) Batterie als galvanische Zelle elektrische Energie direkt aus chemischer Energie erzeugt. Es ist also kein Umweg über Wärme und mechanische Energie wie in einer Wärmekraftmaschine notwendig. Im Unterschied zu einer Batterie ist der chemische Energieträger (“Brennstoff”) nicht in der Brennstoffzelle eingebaut, sondern wird im Betrieb kontinuierlich von außen zugeführt, und zwar zu einer der beiden Elektroden (der Anode). Gleichzeitig wird ein Oxidationsmittel (z. B. Sauerstoff oder Luft) der anderen Elektrode (der Kathode) zugeführt, und das entstehende Produkt (z. B. Wasser) wird abgeführt.

Die Bezeichnung “Brennstoffzelle” ist übrigens insofern irreführend, dass der “Brennstoff” gar nicht verbrannt, sondern bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen elektrochemisch oxidiert wird (“kalte Verbrennung”). Die Vermeidung einer echten Verbrennung bei hohen Temperaturen hat unter anderem den Vorteil, dass keine Stickoxide oder andere unerwünschte Verbrennungsprodukte erzeugt werden; die Abgasqualität ist also sehr hoch. Anders als bei Wärmekraftmaschinen bedeutet eine niedrige Arbeitstemperatur hier nicht einen niedrigen Wirkungsgrad, da dieser bei der Brennstoffzelle nicht durch den Carnot-Wirkungsgrad begrenzt ist.

Die wesentlichen Vorteile des Konzepts der Brennstoffzelle gegenüber dem der Batterie sind, dass ein kontinuierlicher Betrieb über sehr lange Zeit (ohne zwischenzeitliches elektrisches Aufladen) möglich ist, und dass bei mobilen Geräten (z. B. Elektroautos) große Mengen von Brennstoff mitgeführt werden können, ohne dass das Gewicht der Gesamtanlage sehr hoch wird. Die Gesamt-Energiedichte und Brennstoffzelle und Brennstoffspeicher (Tank) kann nämlich erheblich höher liegen als die von Batterien.

Auch gegenüber Wärmekraftmaschinen ergeben sich wesentliche Vorteile: Der Betrieb ist annähernd lautlos, das Abgas enthält in der Regel keinerlei Schadstoffe (abgesehen von Kohlendioxid beim Betrieb mit kohlenstoffhaltigen Brennstoffen und evtl. ein wenig Kohlenmonoxid aus einem Reformer), der Wirkungsgrad kann auch bei Brennstoffzellen kleiner Leistung und bei Teillast relativ hoch sein, und die Lebensdauer kann zehntausende von Stunden betragen. Zudem fällt bei manchen Brennstoffzellen die Abwärme auf einem hohen Temperaturniveau an, was ihre Nutzungsmöglichkeiten stark erweitert.

Vereinzelt wird an reversiblen Brennstoffzellen gearbeitet, die bei Bedarf wieder Wasserstoff aus elektrischer Energie gewinnen können.

Die von einer Brennstoffzelle abgegebene Leistung kann leider nicht so schnell dem Bedarf angepasst werden wie z. B. bei einer aufladbaren Batterie, wobei es hier große Unterschiede zwischen verschiedenen Typen gibt.

Brennstoffe für Brennstoffzellen

Wasserstoff

Am weitesten entwickelt sind Wasserstoff-Sauerstoff- und Wasserstoff-Luft-Brennstoffzellen für den Betrieb mit Wasserstoff (H2). Der Wasserstoff wird dabei zu Wasser (H2O) oxidiert, welches als Dampf oder in flüssiger Form abgegeben wird; sonst entstehen keine Abgase. Eine solche Brennstoffzelle arbeitet also extrem sauber, außerdem mit einem relativ guten Wirkungsgrad meist im Bereich von 30 bis 60 %. (Rein theoretisch wären weit über 90 % möglich, aber diverse technische Unvollkommenheiten begrenzen die tatsächlich erreichbaren Werte.) Bei manchen Anwendungen, etwa in der bemannten Raumfahrt, kann sogar das entstehende sehr reine Wasser noch sinnvoll genutzt werden.

Diese Vorteile haben zu Überlegungen geführt, dass langfristig eine Wasserstoffwirtschaft einen wesentlichen Teil unserer Energieversorgung übernehmen könnte. Es stellt sich allerdings das Problem, dass Wasserstoff zuerst einmal mit Hilfe von anderen Energieträgern gewonnen und bei mobilen Anwendungen mittransportiert werden muss. Die Herstellung durch Reformierung z. B. von Erdgas ist ein großtechnisch ausgereiftes Verfahren, führt aber zur Abhängigkeit von einem fossilen Energieträger und zu klimaschädlichen Kohlendioxid-Emissionen, soweit das CO2 nicht abgetrennt und unterirdisch langzeitgelagert werden kann. Beim Transport ist Wasserstoff ebenfalls nicht optimal: In Druckflaschen ist die Energiedichte gering (selbst bei sehr hohem Druck), ebenso in Metallhydridspeichern, während der Transport in flüssiger Form (mit hoher Energiedichte) zunächst eine energieaufwendige Verflüssigung erfordert und zusätzlich (v. a. bei längerfristiger Speicherung ohne Entnahme) eine sehr gute Wärmedämmung; die Temperatur muss nämlich auf ca. −253 °C gehalten werden. Lediglich der Transport über Pipelines (wie für Erdgas) zu stationären Anwendungen ist relativ unproblematisch; alternativ kann auch Erdgas transportiert und am Ort des Verbrauchs der Reformierung zugeführt werden.

Im Prinzip könnte Kohle vergast werden, um mit dem Wasserstoff eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle zu betreiben. Dieser Ansatz für neuartige Kohlekraftwerke dürfte jedoch an den Kosten scheitern, auch wenn dadurch die Effizienz solcher Kraftwerke gesteigert und die Abgasproblematik verringert werden könnte.

Methan und andere Kohlenwasserstoffe

Diverse Kohlenwasserstoffe, insbesondere Methan (CH4) aus Erdgas, lassen sich anders als Wasserstoff direkt aus der Natur (etwa Erdgaslagerstätten) gewinnen und ebenfalls leichter als Wasserstoff transportieren. Besonders attraktiv sind in dieser Hinsicht flüssige Energieträger wie z. B. Methanol oder Ethanol, welches z. B. aus Holzabfällen als erneuerbare Energie oder auch aus Erdgas gewonnen werden kann.

Bestimmte Typen von Brennstoffzellen können direkt solche Kohlenwasserstoffe als Brennstoff nutzen. Andere benötigen einen vorgeschalteten Reformer, der mit Hilfe der Kohlenwasserstoffe Wasserstoff erzeugt. (Im letzteren Fall kann je nach Typ der Brennstoffzelle eine gute Reinigung des Wasserstoffs notwendig sein, da insbesondere Platin-Katalysatoren durch Spuren von Kohlenmonoxid “vergiftet” werden.) Allerdings sind die erreichbaren Gesamtwirkungsgrade solcher Anlagen oft deutlich niedriger als für reine Wasserstoff-Brennstoffzellen. Außerdem trägt der Reformer erheblich zu den Systemkosten bei.

Niedertemperatur- und Hochtemperaturbrennstoffzellen

Verschiedene Typen von Brennstoffzellen können nach ihrer Betriebstemperatur unterschieden werden:

Niedertemperaturbrennstoffzellen

Niedertemperaturbrennstoffzellen arbeiten typischerweise bei Temperaturen zwischen 0 °C und 100 °C, also z. B. bei typischen Umgebungstemperaturen. Dies ist insbesondere für den Betrieb in Elektroautos wünschenswert, da direkt gestartet werden kann, ohne erst die Brennstoffzelle aufheizen zu müssen. Jedoch hat dieses Konzept auch erhebliche Nachteile. Es benötigt in der Regel einen Katalysator basierend auf teuren Metallen wie z. B. Platin, was die Herstellungskosten stark erhöht und zusätzlich eine Empfindlichkeit auf Spuren von Kohlenmonoxid in Wasserstoff aus einem Reformer mit sich bringt. Bei stationären Anlagen ist es häufig nachteilhaft, dass die Abwärme auf einem niedrigen Temperaturniveau entsteht, was die Nutzungsmöglichkeiten beschränkt; auch für die Nutzung in einem Fernwärmenetz kann die Temperatur zu niedrig sein. Selbst wenn keine Abwärmenutzung vorgesehen ist, ist die niedrige Arbeitstemperatur oft ungünstig, weil der Aufwand zur Kühlung dadurch höher wird.

Am weitesten entwickelt für den Einsatz in Fahrzeugen ist die Polymer-Elektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEMFC = polymer electrolyte membrane fuel cell). Hier dient ein wasserhaltiges Polymer als Elektrolyt. Die Verwendung von Wasser im Elektrolyten bringt einerseits die Gefahr der Beschädigung durch Einfrieren bei Frosttemperaturen und andererseits die Begrenzung der maximalen Betriebstemperatur auf ca. 100 °C, aber abgesehen von diesen Einschränkungen ist das Konzept gut ausgereift. Ebenfalls gut entwickelt ist die alkalische Brennstoffzelle (AFC).

Deutlich höhere Arbeitstemperaturen von z. B. 200 bis 250 °C sind möglich mit der Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC = phosphoric acid fuel cell). Es handelt sich damit nicht mehr um eine echte Niedertemperaturzelle.

Hochtemperaturbrennstoffzellen

Der Betrieb von Brennstoffzellen bei hohen Temperaturen ermöglicht oft eine besonders hohe Effizienz und erleichtert die Entfernung und Nutzung der Abwärme.

Hochtemperaturbrennstoffzellen arbeiten bei wesentlich höheren Temperaturen von hunderten von Grad Celsius, teils sogar bei rund 1000 °C. Solche Brennstoffzellen haben für stationäre Anwendungen wichtige Vorteile: häufig höhere Wirkungsgrade, ein hohes Temperaturniveau der Abwärme (was bei hohen Leistungen sogar den zusätzlichen Betrieb einer Gas- und Dampfturbine ermöglicht) und die relativ kostengünstige Konstruktion ohne teure Metalle wie Platin. Ebenfalls erleichtert eine hohe Temperatur die direkte Verwendung z. B. von Methan (aus Erdgas) als Brennstoff. Dass solche Brennstoffzellen einige Zeit für einen Kaltstart benötigen, spielt bei stationären Anwendungen häufig keine so große Rolle.

Ein verbreiteter Typ von Hochtemperaturbrennstoffzellen ist der der Schmelzcarbonat-Brennstoffzelle (MCFC = molten carbonate fuel cell) mit einer Betriebstemperatur von ca. 650 °C. Hiermit sind bereits Leistungen oberhalb von 1 MW erzielt worden und Wirkungsgrade bis zu ca. 50 %. Ein anderer Typ ist die oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC = solid oxide fuel cell), die mit einem festen keramischen Elektrolyten bei einer Temperatur von 900 bis 1000 °C arbeitet. Elektrische Leistungen von hunderten von Kilowatt können bei Wirkungsgraden von etwas über 50 % bereitgestellt werden. Der direkte Betrieb mit Methan (also ohne externe Reformierung) ist möglich. Es gibt allerdings noch erhebliche Probleme mit der zu kurzen Lebensdauer.

Anwendungen für Brennstoffzellen

Raumfahrt und U-Boote

Anwendungen in der Raumfahrt und in U-Booten haben gemeinsam, dass ein gewisser Bedarf für elektrische Energie möglichst effizient und unter Umständen auch geräuscharm gedeckt werden soll, während die Kostensensitivität nicht sehr hoch ist. Hier sind verschiedene Typen von Brennstoffzellen längst gut etabliert. Allerdings handelt es sich hier um relativ kleine Stückzahlen.

Straßenfahrzeuge

Die Anwendung von Brennstoffzellen in Kleinfahrzeugen (Autos) und auch in Bussen befindet sich noch in der Entwicklung. Hier kommen fast nur Niedertemperatur-Brennstoffzellen in Frage, und meist wird Wasserstoff als Brennstoff eingesetzt, trotz seiner Nachteile beim Transport. Besondere Vorteile gegenüber Verbrennungsmotoren sind der völlig schadstofffreie Betrieb (“zero emission vehicle”, günstig gerade in Städten) und der hohe Wirkungsgrad selbst im Teillastbetrieb. Jedoch sind vor allem die noch sehr hohen Kosten ein bisher ungelöstes Problem. Hinzu käme die Notwendigkeit, für den breiten Einsatz eine umfangreiche Wasserstoff-Infrastruktur aufzubauen. Bei Verwendung von Alkoholen (z. B. Methanol) wäre die Infrastruktur leichter zu beschaffen und der Transport sehr vereinfacht, dafür ergeben sich höhere Anforderungen an die Brennstoffzellen-Aggregate.

Trotz dieser Probleme ist es immerhin denkbar, dass Brennstoffzellen-Fahrzeuge in Zukunft Elektroautos mit Batterien teilweise ersetzen könnten, insbesondere wo eine hohe Reichweite der Fahrzeuge gefordert wird. Jedoch könnte dies nicht nur an begrenzten Entwicklungsfortschritten der Brennstoffzellen scheitern, sondern auch an konkurrierenden Technologien, etwa an verbesserten Batterien und Verbrennungsmotoren sowie insbesondere von Hybridantrieben.

Der Wirkungsgrad von Batterien kann ohne Weiteres 90 % übersteigen. Eine solche Effizienz dürfte auch langfristig unerreichbar bleiben für Systeme, bei denen zunächst mit Hilfe von Elektrolyse Wasserstoff hergestellt und damit dann in einer Brennstoffzelle elektrische Energie erzeugt wird. Allein schon die Elektrolyse bringt Verluste von meist deutlich über 20 %, und gesamthaft ist ein Wirkungsgrad von mehr als 50 % schon kaum erreichbar. Immerhin wäre der Wirkungsgrad eines solchen Brennstoffzellen-Systems z. B. für Fahrzeugantriebe höher als der eines mit Wasserstoff betriebenen Verbrennungsmotors.

Von diesen Überlegungen unberührt bleibt die Möglichkeit, Bioalkohol (Methanol oder Bioethanol) mit Brennstoffzellen effizienter, leiser und sauberer als mit einem Verbrennungsmotor zu nutzen.

Auch Schiffe und Luftfahrzeuge (Flugzeuge) können im Prinzip mit Brennstoffzellen betrieben werden. Jedoch sind entsprechende Entwicklungen noch nicht sehr weit gediehen.

Dezentrale Kraftwerke mit Kraft-Wärme-Kopplung

Kraftwerke basierend auf Brennstoffzellen im elektrischen Leistungsbereich zwischen wenigen Kilowatt und 100 Megawatt könnten unter Umständen für die Stromerzeugung interessant werden, insbesondere auch weil in dieser Leistungsklasse die Kraft-Wärme-Kopplung leichter als mit Großkraftwerken realisierbar ist. Allerdings sind weitere Fortschritte in der Entwicklung der Brennstoffzellen hierfür Voraussetzung, insbesondere was die Herstellungskosten betrifft und auch die Lebensdauer.

Dezentrale Kleinanlagen mit Erdgas-Niedertemperaturbrennstoffzellen könnten Häuser mit Wärme für Heizung und Warmwasserbereitung bereitstellen und gleichzeitig elektrische Energie für den lokalen Verbrauch erzeugen, wobei Überschüsse in das Stromnetz eingespeist werden können. Selbst für elektrische Leistungen unterhalb von 1 kW können solche Geräte hergestellt werden, während Verbrennungsmotoren hierfür kaum geeignet wären. (Wegen der kleinen Leistungen spricht man hier von Mikro-KWK-Geräten.) Ein zeitweise höherer Wärmebedarf kann ggf. durch einen zusätzlichen Gas-Brennwertkessel gedeckt werden. Zur Zeit (2015) läuft in Deutschland ein umfangreicher Praxistest (Projekt Callux [1]) von Brennstoffzellen-Heizgeräten für kleine Häuser, und für die Zeit danach ist die Markteinführung vorgesehen. Die bislang recht hohen Kosten von Brennstoffzellen, zu denen für den Erdgas-Betrieb noch ein Reformer kommt, stellen hier noch ein Hindernis dar.

Größere Anlagen mit Leistungen im Megawatt-Bereich dürften meist auf Hochtemperaturbrennstoffzellen basieren. Solche lassen sich wesentlich kostengünstiger für hohe Leistungen auslegen und erweitern die Möglichkeiten der Abwärmenutzung.

Mikro-Brennstoffzellen

Brennstoffzellen sehr kleiner Leistung von z. B. nur einigen Watt könnten für die Stromversorgung mobiler Geräte interessant werden, wo lange Betriebsdauern ohne Verwendung schwerer Batteriesysteme verlangt werden. Da hier das Hantieren mit Druckgasflaschen oder Flüssigwasserstoff kaum in Frage kommt, ist ein Betrieb z. B. mit Methanol (d. h. eine Direktmethanol-Brennstoffzelle) sehr wünschenswert. Die Anforderungen an den Wirkungsgrad sind weniger hoch als bei Anwendungen in höheren Leistungsbereichen, während der Kostendruck allerdings noch ein erhebliches Problem ist.

Literatur

[1]Projekt Callux, Praxistext für Brennstoffzellen in kleinen Häusern, http://www.callux.net/

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Batterie, Akkumulator, elektrische Energie, Speicher für elektrische Energie, Energiespeicher, Wasserstoff, Wasserstoffwirtschaft, Elektroauto
sowie andere Artikel in den Kategorien elektrische Energie, Kraftmaschinen und Kraftwerke

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