Das
Funktionsprinzip einer
Brennstoffzelle wurde bereits im Jahre
1839 von William Grove entdeckt und in einer "
Wasserstoff-Sauerstoff-Batterie" realisiert. Die Entdeckung des
Dynamoprinzips durch Werner von Siemens im Jahre 1866 verdrängte allerdings die Bedeutung der
Brennstoffzelle für die
Stromerzeugung.
In einer
Brennstoffzelle wird die
Enthalpie* des Brennstoffes direkt in elektrische und
thermische Energie umgewandelt. Damit werden Zwischenschritte bei der
Energiewandlung vermieden und sie unterliegt nicht den Beschränkungen durch den
Carnot-Wirkungsgrad**, was bei konventionellen Systemen der Fall ist.
Die
Arbeitsweise einer
Brennstoffzelle ist mit der Umkehrung der
Elektrolyse des Wassers vergleichbar. Bei der
Elektrolyse wird durch die Zufuhr von elektrischer Energie das
Wassermolekül in
Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten, in einer
Brennstoffzelle reagieren H
2 und O
2 unter Abgabe von elektrischer und thermischer
Energie zu Wasser.
Es gibt mehrere Typen von
Brennstoffzellen. Alle
Brennstoffzellen bestehen aus zwei Elektroden, einer
Anode und einer
Kathode, die durch einen gasundurchlässigen, protonenleitenden Elektrolyten voneinander getrennt sind. Die Elektroden besitzen eine poröse Struktur und sind damit gasdurchlässig.
Brennstoffzellentypen
- PEM-FC > Proton Exchange Membrane Fuel Cell
- SOFC > Solid Oxid Fuel Cell
- AFC > Alkaline Fuel Cell
- MCFC > Molton Carbonat Fuel Cell
- DMFC > Direct Methanol Fuel Cell
- PAFC > Phosphor Acid Fuel Cell
Das Herz einer
PEM-Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden, der
Anode (Pluspol) und der Kathode (Minuspol), die durch eine ionen-durchlässige Polymer-Membran getrennt sind. Dieser Elektrolyt ist ca. 0,1 mm dick und ähnelt einer Folie für Overhead-Projektoren. Diese Membran muss gasdicht sein, damit
Wasserstoff und Sauerstoff nicht direkt miteinander reagieren können. Für Elektronen darf sie auch nicht passierbar sein, sie muss also elektrisch isolierend wirken. Sie muss jedoch protonen-durchlässig sein, das heißt
Wasserstoff-Ionen dürfen passieren. Als Elektrolyt-Material kommen egal für welche
Brennstoffzellen-Art nur wenige Materialien in Frage. Im Niedertemperatur-Bereich gibt es einige wenige Säuren oder Basen, die einsetzbar sind, und im Hochtemperatur-Bereich gibt es Oxid-Keramiken und Karbonate.
Die Elektroden müssen eine hohe Porosität aufweisen, damit eine große Oberfläche für die elektrochemischen Umsetzungen zur Verfügung steht. Sie werden mit einer dünnen, katalytisch wirkenden Edelmetall-Schicht überzogen. Als Katalysatoren-Materialien werden meist Platin oder Platin-Legierungen verwendet, da die Membran stark sauren Charakter aufweist (vergleichbar mit Schwefelsäure) und niederwertige
Metalle angreifen würde. Der Kraftstoff wird durch Graphitplatten (Bipolar-Platten) zugeführt, in die feine Gänge gefräst sind. Durch diese Gänge wird auf der einen Seite
Wasserstoff und auf einer anderen Seite
Luft bzw. Sauerstoff zugeführt (s. Abb. 5). Auf der
Anoden-Seite muss die Membran befeuchtet und auf der Kathoden-Seite muss das Reaktionsprodukt Wasser entfernt werden. Gleichzeitig muss die
Wärme aus dem Stapel abgeführt und soweit möglich nutzbar gemacht werden
.
Der an der
Anode zugeführte
Wasserstoff teilt sich mit Hilfe des Katalysators in Elektronen (negative Ladungsträger) und Protonen (positive
Wasserstoff-Ionen). Die freien Elektronen werden als elektrischer Strom durch die Elektrode in den äußeren Strom-Kreislauf geleitet. Die Protonen diffundieren durch die Elektrolyt-Membran zur Kathode. Obwohl die Protonen größer sind als die Elektronen, gelangen keine Elektronen durch diese Membran. Dies kommt durch den Säuregrad des Elektrolyten. Es hat damit chemische Gründe und ist unabhängig von den Größen-Verhältnissen. Die negativ geladenen Elektrolyt-Ionen leiten das Proton weiter, wobei die Ionen selber ortsfest bleiben. Die negativen Elektronen hingegen werden abgestoßen und müssen den langen Weg außen herum nehmen. Auf der anderen Seite an der Kathode rekombinieren die Sauerstoff-Ionen aus der
Luft, die Elektronen aus dem Strom-Kreislauf sowie die H2-Protonen und erzeugen unter
Wärme-Entwicklung Wasser.
Quelle:
maxgym.musin
* Genauer die freie Enthalpie
** Genauer wird der Zwischenschritt nur für den elektrischen Anteil vermieden. Für diesen gilt die Carnot-Oberschranke nicht. Für den thermischen Anteil gelten weiterhin die Obergrenzen des Carnot-Prozesses. In Summe (elektrisch + thermisch) kann dann ein höherer Wirkungsgrad erreicht als der maximal mögliche eines Carnot-Prozesses mir reiner Verbrennung ohne direkte Umwandlung in elektrische Energie. | PEM-FC | Proton Exchange Membrane Fuel Cell |
| Elektrolyt | Polymermembran | | Wirkungsgrad | 60% (H2)
40% (CH4) |
| Anodengase | Wasserstoff
(Methanol)*
(Methan)* * Wasserstoff wird über Reformierung erzeugt. | Anwendungen | Stromversorgung
Pkw/Bus
Hausversorgung
Blockheiz-kraftwerke |
| Temperatur | 0-80 °C |
| Leistung | bis 250kW | Zusatz | CO-empfindlich |
| SOFC | Solid Oxid Fuel Cell |
| Elektrolyt | Zr(Y)O2 | | Wirkungsgrad | 50-65% |
| Anodengase | Wasserstoff
Methan
Kohlegas | Anwendungen | Hausversorgung
Kleinkraftwerke |
| Temperatur | 800-1000 °C | Zusatz | Keine Reformierung von
Brenngasen erforderlich |
| Leistung | 10-25 kW | | |
| AFC | Alkaline Fuel Cell |
| Elektrolyt | Kalilauge (KOH) | | Wirkungsgrad | 60 % |
| Anodengase | reinster
Wasserstoff | Anwendungen | Raumfahrt
U-Boote |
| Temperatur | 60-90 °C | Zusatz | CO2-empfindlich |
| Leistung | 20 kW | | |
| MCFC | Molton Carbonat Fuel Cell |
| Elektrolyt | Alkalikarbonat-schmelzen | | Wirkungsgrad | 48-60 % |
| Anodengase | Wasserstoff
Methan
Kohlegas | Anwendungen | Blockheiz-kraftwerke
Kleinkraftwerke |
| Temperatur | 650 °C | Zusatz | CO2 muss im Kreislauf der
Zelle geführt werden |
| Leistung | 2,2 MW | | |
| DMFC | Direct Methanol Fuel Cell |
| Elektrolyt | Polymermembran | | Wirkungsgrad | 40% |
| Anodengase | Methanol | Temperatur | 60-130 °C |
| Zusatz | vielversprechend da
H2-Erzeugung entfallen kann | | |
| PAFC | Phosphor Acid Fuel Cell |
| Elektrolyt | konz. H3PO4 | | Wirkungsgrad | 40% |
| Anodengase | Wasserstoff
(Methan)* * Wasserstoff wird über Reformierung erzeugt. | Anwendungen | Blockheizkraftwerke
Kleinkraftwerke |
| Temperatur | 130-220 °C | Leistung | 11 MW |
| Zusatz | schwach
CO-empfindlich | | |
Quelle: Die Brennstoffzelle.de