Brennstoffzellen
Wer heute von Brennstoffzellen spricht, meint in der Regel die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle. Als galvanisches Element verbirgt sich jedoch hinter dem Begriff grundsätzlich die Umwandlung chemischer in elektrische Energie durch kontrollierte Oxidation eines Brennstoffs – im obigen Fall der Wasserstoff. In ihrem Aufbau gleichen sich alle Brennstoffzellen, sie bestehen aus zwei Elektroden, die durch einen gasdichten Elektrolyten (ggf. eine poröse Polymermembran) voneinander getrennt sind. An der Anode wird der Brennstoff zugeführt, an der Kathode das Oxidationsmittel.
Je nach verwendetem Elektrolyten und Brennstoff unterscheidet man eine Vielzahl an Brennstoffzellen-Typen. Zu den Flüssigelektrolytbrennstoffzellen zählen die AFC (Alkaline Fuel Cell), bei der Kalilauge Basis des Elektrolyten ist, die PAFC (Phosphor Acid Fuel Cell) mit Phosphorsäure als Elektrolyt oder die MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell), bei der Alkalicarbonatschmelzen als Elektrolyt eingesetzt werden. Als Brennstoff in den zuvor genannten Typen kommt vornehmlich Wasserstoff, zum Teil auch Methan oder Kohlegas zum Einsatz. Zu den Festelektrolytbrennstoffzellen zählt die SOFC (Solid Oxide Fuel Cell), bei der ein bei hohen Temperaturen (700 – 100 °C) sauerstoffionenleitender keramischer Elektrolyt wie dotiertes Zirkonoxid oder Ceroxid eingesetzt wird. Im Gegensatz dazu arbeiten die PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) und die DMFC (Direct Methanol Fuel Cell), die beide eine semipermeable (nur durchlässig für Protonen) Polymermembran als Elektrolyten nutzen, bei deutlich geringeren Temperaturen (60-130 °C). Der grundlegende Unterschied zwischen diesen beiden besteht im Brennstoff, der bei der PEMFC gasförmig ist (Wasserstoff), während bei der DMFC flüssiges Methanol eingesetzt wird, so dass keine Erzeugung von Wasserstoff notwendig ist.
Am weitesten Fortgeschritten in ihrer Entwicklung sind die Polymerelektrolytbrennstoffzellen. Die Polymermembran, die gewöhnlich aus einer Folie mit einer Dicke von 20 bis 150 µm besteht, ist dabei das zentrale Element der Elektroden-Membran-Einheit (MEA). Umschlossen wird die Zelle von Bipolarplatten, die durch eingefräste oder eingeprägte Kanäle die Zuleitung von Brenn- und Oxidationsgas regelt und flächig an die MEA zuführt. Gleichzeitig fungieren die Bipolarplatten zur bipolaren elektrischen Kopplung zweier solcher Brennstoffzellen-Einheiten. Dies ist notwendig, da die durch eine Zelle generierte Spannung nur bei knapp einem Volt liegt. Um höhere Spannungen zu erzielen, werden daher mehrere Einzelzellen zu so genannten Stacks elektrisch in Serie zusammengeschlossen. Dabei führt die Bipolarplatte auf einer Seite Brenngas, auf der anderen das Oxidationsgas für die benachbarte Zelle. Um den elektrischen Kontakt mit möglichst geringen Verlusten zu gewährleisten, müssen für die Bipolarplatten Werkstoffe mit hoher elektrischer Leitfähigkeit eingesetzt werden, die gleichzeitig temperaturstabil sind und beständig gegen die korrosiven Gase. Aus diesem Grunde kommen meist Graphite oder kohlenstoffhaltige Polymere zum Einsatz.
Die Verbreitung dieser mobilen Energiequelle steht heute noch am Anfang, auf Grund der Möglichkeit zur Nutzung regenerativer Energieträger und ihres potentiell sehr hohen Wirkungsgrades wird ihr aber künftig deutlich mehr Bedeutung zugeschrieben. Dies gilt zunächst überall dort, wo eine dezentrale Energieversorgung gefordert ist, wie in Notebooks, Handys oder fern überwachten Messstationen. Auch als Energiequelle zur Bordstromversorgung von Jachten oder Wohnmobilen werden Brennstoffzellen eingesetzt. In der Antriebstechnik kommen sie bereits in U-Booten zum Einsatz. Die Entwicklung im Automobilsektor wird bis zur Serienreife noch einige Jahre dauern. Daneben werden erste Konzepte zur stationären dezentralen Energieversorgung in Gebäuden oder in Blockheizkraftwerken getestet.
Je nach verwendetem Elektrolyten und Brennstoff unterscheidet man eine Vielzahl an Brennstoffzellen-Typen. Zu den Flüssigelektrolytbrennstoffzellen zählen die AFC (Alkaline Fuel Cell), bei der Kalilauge Basis des Elektrolyten ist, die PAFC (Phosphor Acid Fuel Cell) mit Phosphorsäure als Elektrolyt oder die MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell), bei der Alkalicarbonatschmelzen als Elektrolyt eingesetzt werden. Als Brennstoff in den zuvor genannten Typen kommt vornehmlich Wasserstoff, zum Teil auch Methan oder Kohlegas zum Einsatz. Zu den Festelektrolytbrennstoffzellen zählt die SOFC (Solid Oxide Fuel Cell), bei der ein bei hohen Temperaturen (700 – 100 °C) sauerstoffionenleitender keramischer Elektrolyt wie dotiertes Zirkonoxid oder Ceroxid eingesetzt wird. Im Gegensatz dazu arbeiten die PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) und die DMFC (Direct Methanol Fuel Cell), die beide eine semipermeable (nur durchlässig für Protonen) Polymermembran als Elektrolyten nutzen, bei deutlich geringeren Temperaturen (60-130 °C). Der grundlegende Unterschied zwischen diesen beiden besteht im Brennstoff, der bei der PEMFC gasförmig ist (Wasserstoff), während bei der DMFC flüssiges Methanol eingesetzt wird, so dass keine Erzeugung von Wasserstoff notwendig ist.
Am weitesten Fortgeschritten in ihrer Entwicklung sind die Polymerelektrolytbrennstoffzellen. Die Polymermembran, die gewöhnlich aus einer Folie mit einer Dicke von 20 bis 150 µm besteht, ist dabei das zentrale Element der Elektroden-Membran-Einheit (MEA). Umschlossen wird die Zelle von Bipolarplatten, die durch eingefräste oder eingeprägte Kanäle die Zuleitung von Brenn- und Oxidationsgas regelt und flächig an die MEA zuführt. Gleichzeitig fungieren die Bipolarplatten zur bipolaren elektrischen Kopplung zweier solcher Brennstoffzellen-Einheiten. Dies ist notwendig, da die durch eine Zelle generierte Spannung nur bei knapp einem Volt liegt. Um höhere Spannungen zu erzielen, werden daher mehrere Einzelzellen zu so genannten Stacks elektrisch in Serie zusammengeschlossen. Dabei führt die Bipolarplatte auf einer Seite Brenngas, auf der anderen das Oxidationsgas für die benachbarte Zelle. Um den elektrischen Kontakt mit möglichst geringen Verlusten zu gewährleisten, müssen für die Bipolarplatten Werkstoffe mit hoher elektrischer Leitfähigkeit eingesetzt werden, die gleichzeitig temperaturstabil sind und beständig gegen die korrosiven Gase. Aus diesem Grunde kommen meist Graphite oder kohlenstoffhaltige Polymere zum Einsatz.
Die Verbreitung dieser mobilen Energiequelle steht heute noch am Anfang, auf Grund der Möglichkeit zur Nutzung regenerativer Energieträger und ihres potentiell sehr hohen Wirkungsgrades wird ihr aber künftig deutlich mehr Bedeutung zugeschrieben. Dies gilt zunächst überall dort, wo eine dezentrale Energieversorgung gefordert ist, wie in Notebooks, Handys oder fern überwachten Messstationen. Auch als Energiequelle zur Bordstromversorgung von Jachten oder Wohnmobilen werden Brennstoffzellen eingesetzt. In der Antriebstechnik kommen sie bereits in U-Booten zum Einsatz. Die Entwicklung im Automobilsektor wird bis zur Serienreife noch einige Jahre dauern. Daneben werden erste Konzepte zur stationären dezentralen Energieversorgung in Gebäuden oder in Blockheizkraftwerken getestet.
