Reversible Brennstoffzelle

Reversible Brennstoffzellen (engl. reversible fuel cell, RFC) sind Brennstoffzellen, deren energieliefernder Arbeitsprozess umkehrbar ist.

Beispiel Wasserstoff-Brennstoffzelle

Schematischer Aufbau einer PEM-Brennstoffzelle

Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle verbraucht Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) zur Erzeugung von Elektrizität und Wasser (H₂O); als reversible Brennstoffzelle muss sie nun per Elektrolyse aus Wasser auch wieder Wasserstoff und Sauerstoff produzieren. Dazu wird ein Elektrolyseur mit der Brennstoffzelle kombiniert.^[1]

Reversibler Prozess in einer Wasserstoff-Brennstoffzelle :

$\mathrm{ 2 \ H_2 \ + \ O_2 \ \ \longrightarrow \ 2\ H_2O + \ \Delta H }$

Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser unter Energieabgabe

$\mathrm{ 2\ H_2O \ \xrightarrow{Elektrolyse} 2\ H_2 + O_2 }$

Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff unter Energiezufuhr

Zur Verringerung der Komplexität des Systems und zur Verkleinerung werden auch reversible Brennstoffzellen untersucht, die sowohl als Elektrolyseur als auch als Brennstoffzelle arbeiten können (unitized regenerative fuel cell, kurz URFC). Für diesen Zweck werden derzeit vorwiegend Polymerelektrolytbrennstoffzellen eingesetzt.^[1]

Zusammen mit einem Brennstoffspeicher kann eine reversible Brennstoffzelle einen Akkumulator ersetzen, wodurch ein deutlich niedrigeres und günstigeres Leistungsgewicht erreicht werden kann, jedoch mit geringerem Wirkungsgrad.

Thermodynamische Grundlagen

Da nach dem Energieerhaltungssatz (1. Hauptsatz der Thermodynamik) keine Energie verschwinden kann und bei chemischen Reaktionen auch immer Entropieänderungen auftreten, muss eine reversible Brennstoffzelle diese Entropieänderungen durch einen reversiblen Wärme- oder Energietransport über die Systemgrenzen der Zelle hinweg ausgleichen können.^[2]

Als Grundvoraussetzung muss gefordert werden, dass die Brennstoffzelle ihre maximale, reversible Arbeit bei der Verbrennungsreaktion leistet. Es gilt bei einer bekannten Temperatur der Zelle nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik:

$\Delta^r S \!\,-\frac{q_{BZrev}}{T_{BZ}}=0$, mit $\Delta^r\!\, S$ Entropieänderung der Brennstoffzelle (BZ), $q_{\!\,BZrev}$ Reversible Wärme der BZ und $T_{\!\,BZ}$ Temperatur der BZ

Da nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik für die Reaktionsenthalpie $\Delta\!\,^r H$ gilt:

$q_{BZrev} + w_{tBZrev} = \Delta^r\!\,H$, mit $w_{\!\,tBZrev}$ Reversible Arbeit der BZ,

folgt daraus durch Kombination der beiden obigen Gleichungen für die reversible Arbeit:

$w_{\!\,tBZrev} = \Delta^r\!\,H - T_{BZ} \cdot \Delta^r\!\,S$ ^[2]

Die reversible Arbeit hängt also neben der eigentlichen Reaktionsenthalpie auch direkt von der Temperatur und der Änderung der Reaktionsentropie ab.

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b} Fraunhofer ISE: Reversible Brennstoffzellen - Langzeitspeicher für elektrische Energie.
2. ↑ ^{a b} W. Winkler: Brennstoffzellenanlagen. S. 14–22, Springer, 2002, ISBN 9783540428329

Weblinks

• Datenblatt Modellauto mit reversibler Brennstoffzelle (PDF)