Elektroenergie aus der Brennstoffzelle

Funktionsprinzip

In quasi „kalter“ Verbrennung wandelt die BZ die Energie gasförmiger oder vergasbarer Brennstoffe unmittelbar in Gleichstrom um. Ihre Funktionsweise gleicht der Umkehrung der Elektrolyse. Nicht Strom wird dem chemischen Prozess zugeführt, um Wasser in seine gasförmigen Bestandteile Wasserstoff H2 und Sauerstoff O2 zu zerlegen. Genau diese beiden Stoffe verarbeitet die BZ zu Wasser zurück, indem dem Brennstoff (beispielsweise Sauerstoff O2 und Wasserstoff H2) elektrische Energie bei gleichzeitiger Abgabe von Wärme entzogen wird. Dieses exotherme Verfahren entspricht einem Redoxvorgang, Wasserstoff wird zu Wasser oxidiert und eben „kalt“ abgasfrei verbrannt.

2 H2(Gas) + O2(Gas)= 2 H2O(Flüssigkeit/Dampf)

Um die Knallgasreaktion zu verhindern, dürfen Wasserstoff und Sauerstoff nicht direkt aufeinandertreffen. Zu diesem Zweck trennt ein Elektrolyt (Kalium- oder Natrium-Lauge) die gasdurchlässigen Elektroden. An der Kathode (Pluspol) entstehen negative Sauerstoff-Ionen, sie sorgt für die Reduktion des Gases. Wasserstoff oxidiert an der Anode (Minuspol), es bilden sich positive Wasserstoff-Ionen. Unterstützt werden beide Operationen von Katalysatoren (Metalle der Platin-Eisen-Gruppe), mit denen die Elektroden beschichtet sind. Der zwischen ihnen messbare Potenzialunterschied treibt als elektrische Spannung einen Strom durch die angeschlossene Last. Im Leerlauf entstehen Werte bis U0 ≈ 1,2 Volt. Mit wachsender Stromstärke sinkt die Zellspannung (Nebenschlusskennlinie mit optimalem Betriebspunkt bei circa 0,6 bis 0,7 Volt). Um für die praktische Verwendung höhere Spannungen und Leistungen zu erzielen, müssen viele Zellen in Serie und parallel geschaltet werden. Den bei leistungsstarken Brennstoffzellen entstehenden Stapel (stack) von 800 Zellen und mehr nimmt ein Reaktionsbehälter auf.

Die BZ gibt in etwa die elektrische Energie wieder ab, die bei der Elektrolyse zum Spalten des Wassers aufgebracht und im Wasserstoff gespeichert wurde. Damit existiert ein Energiespeicher. Sauerstoff dagegen bedarf keines Puffers, da solche Generatoren meist mit Luft arbeiten. Im Gegensatz zur klassischen Stromerzeugung entfällt beim Kleinstkraftwerk BZ die verlustbehaftete, mehrfache Energieumwandlung. Aus der chemischen Energie des Brennstoffes entsteht direkt elektrischer Strom. Deshalb lassen sich leistungsunabhängig, selbst bei Teillast und wechselnder Belastung, Wirkungsgrade von mehr als 65 Prozent erreichen. Der Nutzungsgrad der Primärenergie steigt sogar auf etwa 90 Prozent, sofern bei dezentralem Einsatz ihre Abwärme über Kraft-Wärme-Kopplung verwertet wird.

Brennstoffzellentypen

Die Betriebstemperatur bestimmt die notwendige Reinheit des Brennstoffes, der natürlich immer Wasser- und Sauerstoff zu seinen Bestandteilen zählt. Viele Brennstoffzellentypen stellen in dieser Hinsicht keine hohen Ansprüche. Grundsätzlich erwarten Hochtemperatur-Anlagen (MCFC, SOFC) nicht so saubere Brennmaterialien wie Niedertemperatur-BZ (AFC, PEMFC). Die Mitteltemperaturzelle PAFC akzeptiert CO2-haltige Gase, Kohlenwasserstoffe also. Höchste Wirkungsgrade lassen die Energieträger Wasserstoff und Sauerstoff in ihrer Reinstform zu. Bei Erdgas (Hauptbestandteil Methan), bei Bio- und Kohlegas oder Methanol beziehungsweise Äthanol (Alkohol) ist der chemisch gebundene Wasserstoff BZ-intern oder in einer vorgeschalteten „Reformierung“ aufzubereiten.

Anwendungen

Die Umweltfreundlichkeit der BZ gründet gleichfalls darauf, dass der Wasserstoff nicht nur aus endlich verfügbarer Primärenergie (Erdgas, Kohle, Rohöl), sondern ressourcenschonend aus regenerativen Quellen (Biogas; elektrolytischer Wasserstoff mittels Strom aus Wind, Sonne, Wasser; Alkohol aus nachwachsenden Rohstoffen) gewonnen werden kann.

Wegen ihres inzwischen so ausgereiften Entwicklungsstandes bedient die BZ-Technologie erfolgreich den Markt aller interessanten Anwendungs- und Leistungsbereiche der stationären Energieversorgung, bei mobilen Anwendungen und tragbaren Applikationen mit Kleinserien und Prototypen. Dazu zählen: Blockheizkraftwerke (größer gleich 250 Kilowatt), industrielle und öffentliche Energieversorgung (20 bis 200 Megawatt), netzunabhängiger Ersatz von Akkus für Laptops, Handheld-Computer, Kameras, Elektrowerkzeuge, Verkehrstechnik (Baustellenbeleuchtung, Sensoren, Stromversorgung in Reisemobilen), Kfz-Technik, Bahn-Technik (Hybridantrieb mit BZ und Lithium-Ionen-Akku für Triebfahrzeuge), Flurförderzeuge, Messtechnik (Wetterstationen mit extremen Temperaturschwankungen), Militärtechnik, Freizeit.
Das Marktpotenzial ergibt sich bevorzugt aus dem ständig wachsenden Bedarf an Kleingeräten. Preislich orientiert sich eine solche Mini-Zelle am Lithium-Ionen-Akku. Zur ungefährlichen Speicherung des Brennstoffs Wasserstoff wird das Gas an oder in Feststoffen gebunden (Metallpulver oder Carbon-Fasern). Seine Bereitstellung übernimmt ein Distributionsnetz oder ein Mini-Elektrolyseur (vergleichbar einem Ladegerät). Die Abfuhr des Endproduktes der Verbrennung ist weitgehend gelöst.

Gegenüber dem Akku - er zeichnet sich inzwischen durch deutlich verbesserte Kapazität und Entladezyklusfestigkeit wegen des minimierten Memory-Effekts aus - kommen folgende Vorzüge zum Tragen: drei- bis fünfmal längere Laufzeiten, 50 Prozent geringere Masse bei gleichem Volumen, extrem schnelles Nachtanken durch einfaches Wechseln einer Patrone sowie eine exakte Füllstandsanzeige. Joachim Krause