Brennstoffzelle

Mit Methanol betriebene Brennstoffzelle

Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, die die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Im Sprachgebrauch steht Brennstoffzelle meist für die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle.

Eine Brennstoffzelle ist kein Energiespeicher oder gar ein Energieerzeuger, sondern ein Wandler. Die Energie zur Stromproduktion wird in chemisch gebundener Form mit den Brennstoffen zugeführt.

Einordnung

Die Gewinnung von elektrischer Energie aus chemischen Energieträgern erfolgt zumeist durch Verbrennung und Nutzung der entstehenden heißen Gase in einer Wärmekraftmaschine mit nachgeschaltetem Generator. So wird thermische Energie in mechanische Arbeit umgewandelt. Eine Brennstoffzelle ist jedoch geeignet, die Umformung ohne die Umwandlung in Wärme und Kraft zu erreichen, und dadurch potenziell effizienter. Unter thermodynamischem Aspekt stellt sie somit eine Verbrennungskraftmaschine (VKM) dar, die chemische Energie in elektrische Energie umwandelt. Die theoretisch erreichbare Nutzarbeit ist allein durch die freie Enthalpie der chemischen Reaktion beschränkt und kann damit höher sein als die einer Wärmekraftmaschine (Carnot-Wirkungsgrad). Praktisch sind die von Brennstoffzellen erzielten Wirkungsgrade höher als die von Otto- oder Dieselmotoren. Gut erforscht ist die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle.

Brennstoffzellen werden seit langem als Energiewandler in der Raumfahrt (Apollo, Space Shuttle) und für U-Boot-Antriebe verwendet.

Geschichte

Eine einfache Brennstoffzelle wurde 1838 von Christian Friedrich Schönbein erstellt, indem er zwei Platindrähte in Salzsäure mit Wasserstoff bzw. Sauerstoff umspülte und zwischen den Drähten eine elektrische Spannung bemerkte. Ein Jahr später veröffentlichte Schönbein diese Ergebnisse. Sir William Grove schrieb noch im selben Jahr eine Notiz über das sogenannte „batterisierte Knallgas“. Zusammen mit Schönbein erkannte er die Umkehrung der Elektrolyse und das Erzeugen von Strom in diesem Phänomen und wandte diese Erkenntnisse in mehreren Versuchen an.

1870 schrieb Jules Verne über die Brennstoffzelle:

„Das Wasser ist die Kohle der Zukunft. Die Energie von morgen ist Wasser, das durch elektrischen Strom zerlegt worden ist. Die so zerlegten Elemente des Wassers, Wasserstoff und Sauerstoff, werden auf unabsehbare Zeit hinaus die Energieversorgung der Erde sichern.“

Wegen der Erfindung des elektrischen Generators, damals Dynamomaschine genannt, durch Werner von Siemens geriet die als „Galvanische Gasbatterie“ bezeichnete Erfindung zunächst in Vergessenheit. Die Dynamomaschine war in Verbindung mit der Dampfmaschine bezüglich Brennstoff und Materialien relativ einfach und unkompliziert und wurde daher zu dieser Zeit der komplexen Brennstoffzelle vorgezogen.

Besondere Ereignisse

Die ersten produktiven Einsätze hatte die Brennstoffzelle in der US-amerikanischen Raumfahrttechnik der 1960er Jahre. In den Apollo-Mondmissionen diente sie als meist zuverlässiger Energielieferant. Als aber am 11. April 1970 die Rakete der Apollo-13-Mission mit drei Mann Besatzung nach problemlosem Start das All erreichte, explodierte einer der beiden Sauerstofftanks im Servicemodul der „Odyssey“, und zwei Brennstoffzellen mussten abgeschaltet werden. Als Folge hatte das Servicemodul der Raumfähre keinen Strom mehr, weswegen die Mannschaft im Mondlandemodul ohne Heizung bei –200 °C Außentemperatur 142 h und 40 min ausharren musste. Das Lebenserhaltungssystem des Mondlandemoduls war ungenügend dafür ausgelegt, drei Personen über einen so langen Zeitraum am Leben zu erhalten. Bei diesem Vorfall wurde der berühmte Satz „Houston, we’ve had a problem here.“ („Houston, wir haben hier ein Problem gehabt“) zur Erde gefunkt.

Aufbau

Schematische Darstellung der Funktion einer PEMFC / DMFC / (PAFC) Brennstoffzelle

Eine Brennstoffzelle besteht aus Elektroden, die durch eine Membran oder ein Elektrolyt (Ionenleiter) voneinander getrennt sind.

Die Elektrodenplatten/Bipolarplatten bestehen meist aus Metall oder Kohlenstoffnanoröhren. Sie sind mit einem Katalysator beschichtet, zum Beispiel mit Platin oder mit Palladium. Als Elektrolyten können beispielsweise gelöste Laugen oder Säuren, Alkalicarbonatschmelzen, Keramiken oder Membranen dienen.

Die Energie liefert eine Reaktion von Sauerstoff mit dem Brennstoff, der Wasserstoff sein kann, jedoch ebenso aus organischen Verbindungen wie z.B. Methan oder Methanol bestehen kann. Beide Reaktionspartner werden über die Elektroden kontinuierlich zugeführt. Die gelieferte Spannung liegt theoretisch bei 1,23 V für die Wasserstoff-Sauerstoff-Zelle bei einer Temperatur von 25 °C. In der Praxis werden jedoch nur Spannungen von 0,5–1 V (experimentell auch darüber) erreicht. Die Spannung ist vom Brennstoff, von der Qualität der Zelle und von der Temperatur abhängig. Um eine höhere Spannung zu erhalten, werden mehrere Zellen zu einem Stack (engl. für 'Stapel') in Reihe geschaltet. Unter Last bewirken die chemischen und elektrischen Prozesse ein Absinken der Spannung (nicht bei der Hochtemperatur-Schmelzkarbonatbrennstoffzelle, MCFC).

Bei der Niedertemperatur-Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC; oder Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC) ist der Aufbau wie folgt:

1. Bipolarplatte als Elektrode mit eingefräster Gaskanalstruktur, beispielsweise aus leitfähigen Kunststoffen (durch Zugabe zum Beispiel von Carbon-Nanoröhrchen elektrisch leitend gemacht);
2. poröse Carbon-Papiere;
3. Reaktivschicht, meist auf die Ionomermembran aufgebracht. Hier stehen die vier Phasen Katalysator (Pt), Elektronenleiter (Ruß oder Carbon-Nanomaterialien), Protonenleiter (Ionomer) und Porosität miteinander in Kontakt;
4. protonenleitende Ionomermembran: gasdicht und nicht elektronenleitend.

Brennstoffzellentypen

Verschiedene Typen der Brennstoffzelle^[1]

Bezeichnung	Elektrolyt	Mobiles Ion	Brennstoff(Anode)	Gas der Kathode	Leistung (kW)	Temperatur (°C)	el. Wirkungs- grad (%)	Stand
Alkalische Brennstoffzelle (AFC)	KOH	OH-	H2	O2	10–100	< 80	45–60	kommerzielle Entwicklung
Polymerelektrolyt- Brennstoffzelle (PEMFC)	Polymer- Membran	H+	H2	O2	0,1–500	10–100	35[2]-60[3]	kommerzielle Entwicklung
Direktmethanol- Brennstoffzelle (DMFC)	Polymer- Membran	H+	CH3OH	O2	< 0,001–100	60–130 [4]	40 [4]	kommerzielle Entwicklung
Ameisensäure- Brennstoffzelle, div. Katalysatoren (Platin, Palladium, Ruthenium)	Polymer- Membran	H+	HCOOH	O2	< 0,001–100	30, 40 (RuCl2(PPh3)2)[5][6]		Forschung und Entwicklung
Phosphorsäure- Brennstoffzelle (PAFC)	H3PO4	H3O+	H2	O2	< 10.000	200	38 [2]	kommerzielle Entwicklung
Schmelzkarbonat- Brennstoffzelle (MCFC)	Alkali- Carbonat- Schmelzen	CO32-	H2, CH4, Kohlegas	O2	100.000	650	48 [2]	kommerzielle Entwicklung
Festoxid- Brennstoffzelle (SOFC)	oxid- keramischer Elektrolyt	O2-	H2, CH4, Kohlegas	O2 (Luft)	< 100.000	800–1000	47 [2]	Entwicklung
Direktkohlenstoffbrennstoffzelle (SOFC, MCFC)		O2-	C	O2 (Luft)		650	< 60 [7]	Entwicklung MTU Friedrichshafen
Magnesium-Luft Brennstoffzelle (MAFC)		O2-	Mg	O2 (Luft)		55	< 90 [8]	Entwicklung MagPower Systems

Reversible Brennstoffzelle

Eine Weiterentwicklung der herkömmlichen Polymerelektrolytbrennstoffzellen auf Wasserstoff-Sauerstoff-Basis ist die Reversible Brennstoffzelle (en. reversible fuel cell, RFC), die ursprünglich aus der Kombination einer Wasserstoff-Brennstoffzelle mit einem Elektrolyseur bestand. Neuere Modelle kombinieren den Verbrennungs- und den Elektrolyse-Prozess, um Gewicht zu sparen und die Komplexität zu vermindern. Damit eignen sich reversible Brennstoffzellen als Energiewandler für Energiespeicher und zum Einsatz etwa in Akkumulator-Systemen.^[9]

Chemische Reaktion

Das Prinzip der Brennstoffzelle wurde 1838 von Christian Friedrich Schönbein anhand der Reaktion

$\mathrm{2\ H_2 + O_2 \to 2\ H_2O}$

erfunden. Viele Brennstoffzellentypen nutzen heutzutage diese Reaktion als „kalte Verbrennung“ zur Gewinnung elektrischer Energie.

Ein wichtiges Beispiel ist die Protonenaustauschermembran-Brennstoffzelle (PEMFC). Eine solche Brennstoffzelle verwendet in der Regel Wasserstoff als Energieträger und erreicht einen Wirkungsgrad von etwa 60 %. Andere Konstruktionen arbeiten mit Methanol oder Methan und erzeugen daraus den Wasserstoff mittels Dampfreformierung. Das Kernstück der PEMFC ist eine Polymermembran, die ausschließlich für Protonen durchlässig ist (also nur für H⁺-Ionen), die so genannte proton exchange membrane (PEM). Das Oxidationsmittel, für gewöhnlich Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich vom Reduktionsmittel getrennt.

Der Brennstoff, hier Wasserstoff, wird an der Anode katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Wasserstoffionen oxidiert. Diese gelangen durch die Ionen-Austausch-Membran in die Kammer mit dem Oxidationsmittel. Die Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen elektrischen Verbraucher, z.B. eine Glühlampe, zur Kathode. An der Kathode wird das Oxidationsmittel, hier Sauerstoff, durch Aufnahme der Elektronen zu Anionen reduziert, die unmittelbar mit den Wasserstoffionen zu Wasser reagieren.

Brennstoffzellen mit einem solchen Aufbau heißen Polymermembran-Brennstoffzellen, PEMFC (für Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) oder auch PEFC (für Proton Exchange Membrane Fuel Cell). Die verwendeten Membranen sind saure Elektrolyten.

Redox-Reaktionsgleichungen für eine PEMFC:

Saurer Elektrolyt	Gleichung
Anode	$\mathrm{2\ H_2 \to 4\ H^+ + 4\ e^-}$ Oxidation / Elektronenabgabe
Kathode	$\mathrm{O_2 + 4\ H^+ + 4\ e^- \to 2\ H_2O}$ Reduktion / Elektronenaufnahme
Gesamtreaktion	$\mathrm{2\ H_2 + O_2 \to 2\ H_2O}$ Redoxreaktion / Zellreaktion

Es gibt auch alkalische Wasserstoff-Brennstoffzellen. Sie arbeiten jedoch nur mit hochreinem Wasserstoff und Sauerstoff. In ihnen werden die Gase durch poröse, katalytisch wirksame Elektroden in eine basische Lösung eingeleitet.

Die dort ablaufenden Redox-Reaktionen lauten:

Basischer Elektrolyt	Gleichung
Anode	$\mathrm{2\ H_2 + 4\ OH^- \to 4\ H_2O + 4\ e^-}$ Oxidation / Elektronenabgabe
Kathode	$\mathrm{O_2 + 2\ H_2O + 4\ e^- \to 4\ OH^-}$ Reduktion / Elektronenaufnahme
Gesamtreaktion	$\mathrm{2\ H_2 + O_2 \to 2\ H_2O}$ Redoxreaktion / Zellreaktion

Elektrischer Wirkungsgrad, Kosten, Lebensdauer

Am Institut für Energieforschung am Forschungszentrum Jülich wurden für Brennstoffzellensysteme folgende Messergebnisse erzielt (Stand 2003):^[2]

Typ	Beschreibung	Leistung	Elektrischer Wirkungsgrad	Stand der Technik	Kosten €/kWe
PEFC[10]	70 °C, fester Elektrolyt	250 kW	35 %	Feldtest	< 10.000
PAFC	250 °C	200 kW	38 %	Serie	> 5.000
MCFC	650 °C, für stationäre Anwendung	280 kW	48 %	Feldtest	< 8.000
SOFC[11]	900 °C, für stationäre Anwendung	100 kW	47 %	Feldtest	20.000

Zum Vergleich:

Typ	Leistung	Wirkungsgrad	Kosten €/kW
konventionelle KWK	bis 100 kWe	25 % (el.)	1000
konventionelle KWK	ab 1000 kWe	35 % (el.)	< 500
Stadtbus (Dieselmotor)	300 kW	30 %	< 275
LKW, Reisebus	500 kW	30 %	< 100
PKW (Ottomotor)	100 kW	15–20 %	50
Gasturbinen	1 kW – 300 MW	25–46 %[12][13]	?

Die Lebensdauer einer PAFC-Brennstoffzelle liegt zwischen 40.000 Betriebsstunden für stationäre und 5.000 Betriebsstunden für mobile Systeme^[14] (40.000 Betriebsstunden entsprechen 1666 Dauerbetriebstagen oder 4,6 Dauerbetriebsjahren). Die Lebensdauer einer Festoxid-SOFC-Brennstoffzelle ist derzeit noch auf einige Monate beschränkt bei Herstellungskosten in der Größenordnung von rund 100.000 Franken (62.000 Euro) (Stand: 13. März 2006)^[15].

Zur Erhöhung des Wirkungsgrades von Hochtemperaturbrennstoffzellen können diese mit einer Mikrogasturbine gekoppelt werden, so dass sie kombiniert Wirkungsgrade von über 60 % erreichen.^[16]

Energiewirtschaft

Hauptartikel: Wasserstoffwirtschaft sowie Methanolwirtschaft

Anwendungen

Die ersten Anwendungen von Brennstoffzellen ergaben sich in Bereichen wie Militär und Raumfahrt, in denen die Kosten eine sehr geringe Rolle spielten und die spezifischen Vorteile die Kosten-Vorteile der Dieselgeneratoren überwogen. Brennstoffzellen sind leichter als Akkumulatoren und zuverlässiger und leiser als Generatoren. Die geringen Geräuschemissionen und die Möglichkeit, Brennstoffzellen nach sehr langer Inaktivität zuverlässig zu betreiben, trugen zu einer anfangs oft militärischen Nutzung sowie einem Einsatz in Notstromversorgungen bei. Zudem vertreten die Hersteller von Brennstoffzellen die Auffassung, dass Brennstoffzellen in Kombination mit einem Elektromotor Bewegungsenergie in verschiedenen Einsatzbereichen effizienter erzeugen können als Verbrennungsmotoren.

Die besondere Stärke von Brennstoffzellen ist jedoch die hohe Energiedichte, wodurch sich das frühzeitige Interesse des Militärs und der Raumfahrt an dieser Technik erklärt.

Stationärer Einsatz

Der stationäre Einsatzbereich eines Brennstoffzellensystems erstreckt sich über einen weiten Leistungsbereich, angefangen bei kleinen Systemen mit einer Leistung von zwei bis fünf Kilowatt elektrischer Leistung – z.B. als Hausenergie-Versorgung – bis hin zu Systemen mit mehreren hundert Kilowatt. Größere Systeme werden in Krankenhäusern, Schwimmbädern oder für die Versorgung von kleinen Kommunen eingesetzt.

Eine stromerzeugende brennstoffzellenbasierte HyO-Heizanlage („Hy“ = Hydrogenium = Wasserstoff und „O“ = Oxygenium = Sauerstoff; Mini-Blockheizkraftwerk = Mini-BHKW) besteht aus mehreren Komponenten. Im Idealfall des Bezugs von – möglichst klimaneutral erzeugtem – Wasserstoff wird eine gering-aufwändig herstellbare PEM-BZ (Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle) eingesetzt. Solange noch kein (Bio-)Wasserstoff als Brennstoff zur Verfügung steht, sondern stattdessen fossiles oder biogenes Methan („Erdgas“ oder gar „BioErdgas“), ist eine teure und aufwändige Reformer-Einheit erforderlich. Diese verwandelt das Methan in Wasserstoff zum direkten Betrieb der brennstoffzellenbasierten HyO-Anlage und in CO₂ als Abgas für den Schornstein. Die zweite Komponente ist die Brennstoffzelle (BZ), die für den chemischen Prozess (Oxydation des zugeführten Wasserstoffs) mit der Folge der Erzeugung von Strom und Wärme Sauerstoff ("O") aus der Umgebungsluft verwendet. Hinzu kommen noch die elektrische Leistungselektronik und die dazugehörige Regelung der Betriebsführung. Zur Deckung von thermischen Lastspitzen sind meist zusätzliche herkömmliche Erdgas-betriebene Wärmeerzeuger installiert.

Für den stationären Anwendungsbereich kommen alle Typen von Brennstoffzellen in Betracht. Aktuelle Entwicklungen beschränken sich auf die SOFC, MCFC und die PEMFC. Die SOFC und die MCFC haben den Vorteil, dass – bedingt durch die hohen Temperaturen – Erdgas direkt als Brenngas eingesetzt werden kann. Die Umwandlung von Methan zu Wasserstoff („Reformierungsprozess“) verläuft dabei innerhalb der Hochtemperatur-Brennstoffzelle (HT-BZ), was beim Einsatz von Methan einen separaten Reformer überflüssig macht. Die im Niedertemperatur-Bereich arbeitende PEM-Brennstoffzelle hingegen benötigt bei Methan-Einsatz für die Umwandlung von Methan in Wasserstoff eine separate Reformer-Einheit mit einer aufwändigen Gasreinigungsstufe, weil das Reformat weitgehend von CO befreit werden muss. CO entsteht nämlich bei jeder Reformierung von Kohlenwasserstoffen. CO ist bei diesem BZ-Typ ein Katalysator-Gift und würde sowohl die Leistung als auch die die Lebensdauer der Brennstoff-Zelle deutlich verringern.

Beim Betrieb der Hochtemperaturzellen SOFC und MCFC kann die heiße Abluft zur Sterilisation von Gegenständen genutzt werden. Als Notstromerzeuger sind sie wegen der längeren Anfahrphase ungeeignet. Ein Niedertemperatur-PEMFC-System hingegen kann sich bei plötzlichem Notstrombedarf sehr zügig in Betrieb setzen.

Betriebsweise

Bei der stationären BZ-Anwendung steht derzeit die Wärmeproduktion gegenüber der Stromproduktion im Vordergrund. Diese Systeme werden deshalb meist wärmebedarfsgeführt betrieben. Das bedeutet, dass die Systemleistung nach der benötigten Wärmemenge geregelt wird, wobei der erzeugte elektrische Strom in das öffentliche Stromnetz eingespeist wird. Stationäre BZ-Systeme werden am besten mit einer geringen Leistungsmodulation betrieben. Idealerweise wird der Wärmegrundlastbedarf komplett über das BZ-BHKW gedeckt. (Wärme-) Lastspitzen werden über konventionelle Heizgeräte abgedeckt. Auf diese Weise arbeitet das stationäre BZ-System bei lediglich einem einzigen konstanten Lastpunkt. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Systems optimal ausgelegt werden. Die Lebensdauer einer BZ ist in erster Annäherung durch die Anzahl der Start-Stopp-Zyklen bestimmt, da diese die ungünstigste Auswirkung auf die Katalysatoren im Inneren zeigen. Für eine PEM-Brennstoffzelle mit geschlossener Kathode gilt, dass sie in ausgeschaltetem Zustand beidseitig – also auch sauerstoffseitig – abgedichtet werden sollte. Das vereinfacht einen erneuten Start, da die für den Betrieb notwendige Feuchtigkeit beibehalten wird, und sich keine schädlichen Gase ansammeln können. Sofern die Lagerung bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt erfolgen soll, muss die Brennstoffzelle komplett ausgetrocknet werden, um Schäden durch Eisbildung zu verhindern.

Mobiler Einsatz

Straßenverkehr

Hauptartikel: Brennstoffzellenfahrzeug

Methanolbrennstoffzelle im Mercedes-Benz NECAR 3

Mehrere Automobilfirmen (u.a. Volkswagen, Toyota, Daimler, Ford, Honda, General Motors/Opel) forschen teilweise bereits seit zwanzig Jahren an Automobilen, deren Treibstoff Wasserstoff ist, und die zur Energieumwandlung Brennstoffzellen sowie einen Elektromotor zum Antrieb nutzen. Ein Beispiel sind die Fahrzeuge NECAR 1 bis NECAR 5 sowie Mercedes-Benz F-Cell von Daimler. Das schweizerische Hy-Light-Fahrzeug rückte 2004 ins Licht der Öffentlichkeit. Derzeit gehen einige MAN-Brennstoffzellen-Stadtbusse in Berlin für die BVG in Betrieb.^[17] Bei BMW ist die Brennstoffzelle nicht originär zur Erzeugung elektrischer Antriebsenergie gedacht. Das Konzept sieht hier vor, weiterhin einen Verbrennungsmotor einzusetzen, dessen Kraftstoff dann allerdings Wasserstoff ist, der flüssig bei sehr tiefen Temperaturen gespeichert ist. Das Konzeptfahrzeug hierfür ist ein Typ E68 (7er Baureihe) mit einem Kryo-Tank für Wasserstoff. Der permanent im Tank verdunstende Wasserstoff wird als Gas in einer Brennstoffzelle genutzt, um die Stromversorgung des Fahrzeuges sicherzustellen. Ansonsten müsste der gasförmige Wasserstoff von Zeit zu Zeit ins Freie abgeblasen werden.

Förderlich für die erheblichen Anstrengungen in der Forschung war in den USA insbesondere der Zero emission act bzw. das Zero Emission Vehicle mandate (ZEV), die vorsehen, dass Autos zukünftig abgasfrei fahren sollen. Für das Jahr 2003 war vorgesehen, dass 10 % aller neu zugelassenen Fahrzeuge in Kalifornien diesem Gesetz unterliegen sollten^[18]. Kurz vorher, nach massivem Druck der amerikanischen Automobilindustrie, wurde das ZEV jedoch gekippt, wenn es auch weiterhin diskutiert wird.

Durch den verstärkten Einsatz von emissionsfreien Fahrzeugen in Ballungszentren und Großstädten wird eine Verbesserung der dortigen Luftqualität erwartet. Ein Nebeneffekt wäre allerdings, dass die Emissionen vom Ort der Fahrzeugnutzung dorthin verlagert werden, wo der Wasserstoff hergestellt wird, soweit das nicht aufgrund klimaneutraler Verfahren erfolgt. Für die Wasserstoffherstellung gibt es mehrere Möglichkeiten mit unterschiedlicher Effizienz.

Für den breiten Einsatz der mobilen Wasserstoffanwendungen ist der gleichzeitige Aufbau von Wasserstofftankstellen erforderlich. Am sinnvollsten geschieht das durch den Umbau der Energiewirtschaft zu einer Wasserstoffwirtschaft. Für die Mitnahme von Wasserstoff in Fahrzeugen kommen neben Druckbehältern auch andere Formen der Wasserstoffspeicherung in Frage, beispielsweise in Metallhydriden oder unter hohem Druck und niedriger Temperatur als flüssiger Wasserstoff.

Trotz des hohen Wirkungsgrads der Brennstoffzelle gestaltet sich die Abfuhr der Abwärme auf dem vergleichsweise niedrigen Temperaturniveau der PEM-Brennstoffzelle von etwa 80 °C als problematisch, denn im Gegensatz zum Verbrennungsmotor beinhaltet das relativ kalte Abgas (Wasserdampf) nur eine vergleichsweise geringe Wärmemenge. Demzufolge ist man bestrebt, die Betriebstemperatur der PEM-Brennstoffzelle auf über 100 °C anzuheben, um leistungsstärkere Brennstoffzellen-Automobile mit mehr als 100 kW realisieren zu können.

Bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts kann die Startfähigkeit der Brennstoffzelle aufgrund gefrierenden Wassers beeinträchtigt sein. Es muss sichergestellt sein, dass die elektrochemische Reaktion, insbesondere die Diffusion der Brenngase, nicht durch Eisbildung behindert wird. Das kann beispielsweise durch eine geeignete Elektrodenstruktur erzielt werden. Verschiedene Hersteller haben 2003 und 2004 bereits nachgewiesen, dass der Gefrierstart von PEM-Brennstoffzellen bei Temperaturen von bis zu –20 °C möglich ist; die Startzeiten seien mit denen von Verbrennungsmotoren vergleichbar.

Die schon seriennah verfügbaren Prototypen kleinerer Fahrzeuge haben zum Ziel, die Größe, das Gewicht und die Kosten der Brennstoffzelle und eine geeignete Speicherung des Wasserstoffes zu erproben. So hat Daimler Fahrzeuge der A-Klasse und der B-Klasse mit Brennstoffzellen vorgestellt. In Hamburg und Stuttgart werden Busse mit Wasserstoffantrieb im normalen Linienbetrieb getestet. Seit dem 16. Juni 2008 liefert Honda in begrenztem Rahmen den PKW FCX Clarity aus, der ausschließlich mit Brennstoffzellentechnik betrieben wird.

Seit 2007 fahren im Fuhrpark des Bundesverkehrsministeriums die ersten Kfz mit Brennstoffzellen-Antrieb.

Ebenfalls etwa seit 2007 gibt es auch Hybrid-Fahrräder^[19] und Motorräder^[20] mit Brennstoffzellenantrieb.

Mögliche Alternativen zur direkten Wasserstoffspeicherung sind Treibstoffe wie Ethanol, Methanol oder andere Kohlenwasserstoffe, von denen kurz vor Gebrauch der Wasserstoff durch katalytische Verfahren gewonnen wird. Diese Verfahren tragen jedoch in nicht unerheblichem Maße durch CO₂-Ausstoß zur Umweltbelastung bei, was die ansonsten perfekte Umweltverträglichkeit der Brennstoffzelle einschränkt. Ethanol und Methanol können auch aus Wasser und Kohlendioxid synthetisiert werden, wobei jedoch wiederum die Gewinnung von Kohlendioxid, das in der Luft nur in sehr geringer Konzentration vorkommt, energieaufwendig sein kann. Die Wirtschaftlichkeit dieser Verfahren krankt heute zudem an den Katalysatoren, deren beste Varianten Platin enthalten. Eine breite Verwendung von Platinkatalysatoren würde zudem zu einer Verteuerung des Platins führen, welches ein seltenes und teures Edelmetall ist.

Ende Oktober 2006 erklärte VW den endgültigen Durchbruch bei der Herstellung von kostengünstigen, leistungsfähigen Brennstoffzellen im Hochtemperaturbereich. Probleme werden weniger beim Durchbruch der Brennstoffzellentechnik auf der Fahrzeugseite, sondern mehr in der kostengünstigen und dabei umweltschonenden Gewinnung von Wasserstoff gesehen.^[21]

Der Autohersteller Ford gab am 24. Juni 2009 bekannt, dass die Arbeit an Brennstoffzellen eingestellt wird. Ford setzt stattdessen lieber auf Batterien und den Elektromotor.^[22] Im Dezember 2010 erklärte Ford allerdings, dass intern weiter an der Brennstoffzelle gearbeitet werde.^[23]

Mit Wasserstoff angetriebene Elektrofahrzeuge besitzen inzwischen Reichweiten von bis zu 800 km.^[24]

Die Fahrzeughersteller Toyota, Nissan, Mercedes-Benz und Honda haben die Produktionskosten für wasserstoffgetriebene Fahrzeuge inzwischen drastisch reduziert. Toyota plant den Einsatz von Großserien in Japan ab 2015 in Verbindung mit zahlreichen Wasserstofftankstellen in den japanischen Metropolregionen.^[25]

Um die Alltagstauglichkeit des Wasserstoffantriebes nachzuweisen, hat Mercedes-Benz eine Weltumrundung mit mehreren Brennstoffzellenfahrzeugen der B-Klasse erfolgreich abgeschlossen. Bereits 200 Serienfahrzeuge dieses Typs sind 2010 an Kunden ausgeliefert worden.^[26]

Opel wird ab 2015 erste Modelle mit Brennstoffzellenantrieb in Serie fertigen und den Aufbau einer flächendeckenden Infrastruktur für Wasserstofftankstellen parallel zur Markteinführung vorantreiben.^[27]

Daimler wird die Serienfertigung von Brennstoffzellenfahrzeugen entgegen der ursprünglichen Planung um ein Jahr auf 2014 vorziehen. Der Preis soll nur etwa 20% über dem eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor liegen.^[28]

Luftfahrt

Hauptartikel: Wasserstoffflugzeug

Seit Mitte 2005 sind Brennstoffzellen auch in der Luftfahrt anzutreffen. Eine erste Drohne, deren Elektromotoren von einer Brennstoffzelle angetrieben werden, startete in Yuma, Arizona. Das DLR arbeitet zur Zeit an der Integration der Brennstoffzellentechnik in das unbemannte Forschungsflugzeug „HyFish“, welches im März 2007 in der Nähe von Bern erfolgreich seinen Erstflug absolvierte.^[29] Auch an anderer Stelle sind Forschungsaktivitäten in der Luftfahrt im Gange. Zu Beginn des Jahres 2008 wurde in einem Testflug ein umgebauter Airbus A320 mit einer Brennstoffzelle als Backup-System für die Energieversorgung an Bord getestet. Als erfreulicher Nebeneffekt kann das erzeugte Wasser für die Bordversorgung eingesetzt werden, so dass das Abfluggewicht gesenkt werden kann.^[30]

Am 3. März 2008 betrieb Boeing zum ersten Mal ein kleines Flugzeug, eine Dimona von Diamond Aircraft, mit einem Hybridantrieb: Elektromotor mit Lithium-Ionen-Akkus und Brennstoffzelle. Nach dem Aufstieg mit beiden Energiequellen auf 1000 Meter Höhe wurde der Akku abgetrennt und der Pilot flog die ersten 20 Minuten der Fluggeschichte mit Brennstoffzelle. Entwickelt wurde der Antrieb von Boeing Research & Technology Europe (BR&TE) in Madrid mit europäischen Industriepartnern.^[31]

Eine Lange Antares 20E des DLR, in der die elektrische Energie mittels Wasserstoff über eine Brennstoffzelle erzeugt wird

Der erste (öffentliche) vollständige Flug (Start – Platzrunde – Landung) eines pilotengesteuerten und ausschließlich mit Brennstoffzellen angetriebenen Flugzeuges fand am 7. Juli 2009 in Hamburg statt. Bei dem Flugzeug handelte es sich um den Motorsegler Antares DLR-H2, mit 20 Metern Spannweite, der vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) sowie den Projektpartnern Lange Aviation, BASF Fuel Cells und Serenergy (Dänemark) sowie in enger Zusammenarbeit mit Airbus in 15 Monaten entwickelt und hergestellt wurde.^[32][33]

Raumfahrt

Die amerikanischen Space Shuttle verwenden Brennstoffzellen mit einer maximalen Dauerleistung von 3 × 7 kW für die Stromversorgung des Orbiters. Das bei den Brennstoffzellen anfallende Wasser kann im Lebenserhaltungssystem verwendet werden.

Schifffahrt

Das weltweit erste Brennstoffzellenboot war die Hydra, die im Jahr 1999 vom Germanischen Lloyd für den öffentlichen Personenverkehr zertifiziert wurde. Dafür wurde eine Alkalische Brennstoffzelle (AFC) ausgewählt, da diese Technologie einfach verfügbar war und für Einsatzfälle auf hoher See mit der salzigen Seeluft besser umgehen kann als die PEM-Brennstoffzellen. Außerdem konnte das Brennstoffzellensystem auch bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt starten, da Kalilauge erst bei ca. –77 °C gefriert und der Wirkungsgrad der AFC-Technologie noch etwa 5 % höher als der der PEM liegt. Die Hydra hat eine Zulassung für zwanzig Passagiere und hat in den Jahren 1999/2000 rund 2.000 Personen befördert. Der Wasserstoff wird im Bug in Metallhydridspeichern bevorratet und reicht für einen 2-Tage-Betrieb bei 8 h Betriebsdauer.

Vorteil der Bevorratung des Wasserstoffs in Metallhydridspeichern ist außerdem die sehr kompakte Lagerung und die Möglichkeit, das Brennstoffzellensystem beim Betanken bereits durch die Abwärme der Metallhydridspeicher vorzuwärmen, um nach dem Tanken mit voller Leistung losfahren zu können.

Das Brennstoffzellensystem basiert auf den Brennstoffzellenstacks und war eine komplette Neuentwicklung mit unter den Stacks liegendem KOH-Vorratsbehälter (drain-system). Die Hydra ist seit 2001 nicht mehr in Betrieb, existiert aber noch im Raum Bonn und hat weltweit erstmalig bewiesen, dass es technologisch möglich ist, mit Brennstoffzellen ein Passagierschiff anzutreiben.

Bei U-Booten ist Deutschland der einzige Anbieter eines serienmäßig hergestellten Modells mit Brennstoffzellen-Zusatzantrieb. Die HDW Kiel in Kooperation mit Siemens und Nordseewerke Emden liefert seit 2005 die U-Boot-Klasse 212 mit einem solchen Antrieb (AIP: air independent propulsion) aus. Er leistet etwa 300 kW (408 PS) und ermöglicht eine Schleichfahrt ohne den 1050-kW-Dieselgenerator. Ebenso hat die U-Boot-Klasse 214 (vom selben Hersteller) Brennstoffzellen an Bord. In Bau befindet sich derzeit die spanische S-80-Klasse, die ebenfalls über einen außenluftunabhängigen Brennstoffzellen-Antrieb verfügt. Die erste Einheit soll laut Planung 2013 in Dienst gestellt werden.

Ende 2009 wurde eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) mit 320 kW zur elektrischen Energieversorgung des Bordnetzes auf dem norwegischen Bohrinselversorger Viking Lady installiert, um Erfahrungen im Schiffsbetrieb zu sammeln.

Siehe auch

• CaFCP California Fuel Cell Partnership
• Tafel-Gleichung

Literatur

• Peter Kurzweil: Brennstoffzellentechnik. Vieweg, 2003, ISBN 3-528-03965-5
• Sven Geitmann: Wasserstoff & Brennstoffzellen – Die Technik von morgen. 2. Auflage. Hydrogeit Verlag, Kremmen 2004, ISBN 3-937863-04-4
• Krewitt, Pehnt, Fischedick, Temming: Brennstoffzellen in der Kraft-Wärme-Kopplung – Ökobilanzen, Szenarien, Marktpotenziale. Erich Schmidt Verlag, Berlin 2004, ISBN 3-503-07870-3
• CMT – Center of Maritime Technologies e.V.: Zukünftige Energieversorgung und Mobilität. In: Schiff & Hafen, Heft 9/2009, S. 72–73, Seehafen-Verlag, Hamburg 2009, ISSN 0938-1643
• U.S. Dept. of Energy, Office of Fossil Energy, National Energy Technology Laboratory: Fuel Cell Handbook, Sixth Edition. EG&G Technical Services Inc., Science Applications International Corp., Under Contract No. DE-AM26-99FT40575, Morgantown, W. Virginia, November 2002
• Peter Gerigk, Detlef Bruhn, Dietmar Danner, Leonhard Endruschat, Jürgen Göbert, Heinrich Gross, Dietrich Kruse, Christian Rasmussen, Rainer Schopf: Kraftfahrzeugstechnik, 5. Auflage. Westermann Verlag, Braunschweig 1997, ISBN 3-14-231800-3
• Wie funktioniert das? – Technik heute. Meyers Lexiconverlag, Mannheim 1998, ISBN 3-411-08854-0

Weblinks

 Commons: Brennstoffzelle – Album mit Bildern und/oder Videos und Audiodateien

• Brennstoffzellen – ihre Funktionsweise sowie verschiedene Typen und Anwendungen; Komplex von Animationen von BIGS
• Brennstoffzellen und Wasserstoff – Hydrogeit
• Brennstoffzellen und Wasserstoff unter dem Aspekt einer nachhaltigen Energieversorgung
• Übersicht über die Aktivitäten des Forschungszentrums Jülich im Bereich Brennstoffzellen – Brennstoffzellenseiten des Forschungszentrums Jülich
• Weiterbildungszentrum Brennstoffzelle Ulm e.V. – Informationen und Praxisanwendungen zur Brennstoffzelle
• Prof. Blumes Bildungsserver für Chemie – Brennstoffzellen
• Brennstoffzellen-Heiztechnik Infoportal zum Thema Brennstoffzellen und erneuerbare Energien
• Die Brennstoffzelle Geschichte und gegenwärtige Entwicklung
• Wasserstoff löst keine Energieprobleme
• heise.de – Kritik an der Effizienz einer Wasserstoffwirtschaft
• Brennstoffzelle ist nicht gleich Brennstoffzelle – Warum man Brennstoffzellen nicht mit der Wasserstoffwirtschaft verwechseln sollte
• Schwerpunkt eines Heftes des Magazins Max-Planck-Forschung zum Thema Brennstoffzellen, PDF, 10 MB
• Hausenergiesysteme mit Brennstoffzelle Projektinfo von BINE Informationsdienst – Energieforschung für die Praxis gefördert vom BMWi

Einzelnachweise

1. ↑ Craig Morris (17. November 2004): Brennstoffzelle ist nicht gleich Brennstoffzelle. Telepolis. Abgerufen am 29. Januar 2011.
2. ↑ ^{a b c d e} Brennstoffzellensysteme in der Entwicklung. Institut für Energie- und Klimaforschung (IEF) am Forschungszentrum Jülich (2003). Abgerufen am 29. Januar 2011.
3. ↑ Probefahrt im Toyota FCHV adv (Quelle: Heise Stand: 29. Juli 2011)
4. ↑ ^{a b} Die Direct-Methanol Brennstoffzelle (DMFC). dieBrennstoffzelle.de. Abgerufen am 29. Januar 2011.
5. ↑ Wasserstoff für Brennstoffzellen aus Ameisensäure
6. ↑ Ameisensäure als Quelle für Wasserstoff
7. ↑ Fuel Cell types. Abgerufen am 7. Februar 2011.
8. ↑ MAFC verses HFC (Hydrogen Fuel Cell). Abgerufen am 7. Februar 2011.
9. ↑ Reversible Brennstoffzellen – Langzeitspeicher für elektrische Energie.. Fraunhofer ISE (16. März 2009). Abgerufen am 29. Januar 2011.
10. ↑ IEF: Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen (PEFC)
11. ↑ IEF: Die Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)
12. ↑ Mit Kraft-Wärme-Kopplung beträgt der Gesamtwirkungsgrad bis zu 90 %. Siehe englischsprachigen Artikel zu Gasturbinen (insbesondere den Abschnitt zu Mikrogasturbinen und Einsatz in Fahrzeugen)
13. ↑ LMS100 von General Electric, Mechanical Engineering "Power & Energy", June 2004 – "A Year of Turbulence", Feature Article
14. ↑ Kenngrößen von Brennstoffzellen
15. ↑ Rémy Nideröst: Internationale Expertinnen und Experten für Brennstoffzellen treffen sich in Dübendorf. In: Informationsdienst Wissenschaft, Empa. Materialforschung und Technologie, 13. März 2006. Abgerufen am 29. Januar 2011. 
16. ↑ iwr.de: DLR entwickelt Brennstoffzelle für dezentrales Hybridkraftwerk
17. ↑ http://www.fuelcellbus.com
18. ↑ http://www.arb.ca.gov/msprog/zevprog/factsheets/2003zevchanges.pdf
19. ↑ http://www.horizonfuelcell.com Horizon fuel cell vehicles
20. ↑ http://de.youtube.com/watch?v=B_Whbb_hlPs Hydrogen Fuel Cell electric bike
21. ↑ http://www.sueddeutsche.de/automobil/artikel/302/90212/.
22. ↑ Autobranche kippt Zukunftstechnologie.
23. ↑ Ford ist wieder im Rennen Stand: 27. Dezember 2010.
24. ↑ Wasserstoff wird kommen (Quelle: Energie und Technik WEKA Fachmedien GmbH Stand: 12. April 2011).
25. ↑ Massenmarkt für Brennstoffzelle startet in Japan 2015 (Quelle: Deutsche Industrie- und Handelskammer in Japan Stand: 14. Januar 2011).
26. ↑ Mercedes B-Klasse F-Cell auf Weltreise (Quelle: Heise Stand: 31. Januar 2011).
27. ↑ Opel setzt auf Elektroantrieb ohne Akku (Stand: 12. April 2011)
28. ↑ Daimler baut ab 2014 Brennstoffzellenautos in Grossserie (Quelle: Heise Stand: 3. Juni 2011).
29. ↑ http://www.dlr.de/desktopdefault.aspx/tabid-13/135_read-8329/
30. ↑ http://www.eads.com/1024/de/pressdb/pressdb/20080219_airbus_emission_free.html
31. ↑ http://www.boeing.com/news/releases/2008/q2/080403a_nr.html
32. ↑ Meilenstein in der Brennstoffzellentechnologie: Erstflug eines Brennstoffzellen-Flugzeugs auf dem Hamburger Flughafen, NonstopNews. 7. Juli 2009. Abgerufen am 29. Januar 2011. 
33. ↑ Brennstoffzellen-Flugzeug über Hamburg – Flüsterleise und sauber dazu, Hamburger Abendblatt. 7. Juli 2009. Abgerufen am 29. Januar 2011. 

Galvanische Zellen

Primärzellen:  Alkali-Mangan-Batterie | Lithiumbatterie | Lithium-Eisensulfid-Batterie | Lithium-Mangandioxid-Batterie | Lithium-Thionylchlorid-Batterie | Lithium-Schwefeldioxid-Batterie | Lithium-Kohlenstoffmonofluorid-Batterie | Nickel-Oxyhydroxid-Batterie | Quecksilberoxid-Zink-Batterie | Silberoxid-Zink-Batterie | Zink-Braunstein-Zelle | Zinkchlorid-Batterie | Zink-Luft-Batterie
Sekundärzellen:  Bleiakkumulator | Natrium-Schwefel-Akkumulator | Nickel-Cadmium-Akkumulator | Nickel-Eisen-Akkumulator | Nickel-Lithium-Akkumulator | Nickel-Metallhydrid-Akkumulator | Nickel-Wasserstoff-Akkumulator | Nickel-Zink-Akkumulator | Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator | Lithium-Ionen-Akkumulator | Lithium-Mangan-Akkumulator | Lithium-Polymer-Akkumulator | Lithium-Schwefel-Akkumulator | Silber-Zink-Akkumulator | STAIR-Zelle | Vanadium-Redox-Akkumulator | Zink-Brom-Akkumulator | Zebra-Batterie | Zellulose-Polypyrrol-Zelle | Zinn-Schwefel-Lithium-Akkumulator
Historische Zellen:  Daniell-Element | Gravity-Daniell-Element | Leclanché-Element | Voltasche Säule | Clark-Normalelement | Weston-Normalelement | Zambonisäule
Ausführungen:  Akkumulator | Batterie | Brennstoffzelle | Knopfzelle | Konzentrationselement | Redox-Flow-Zelle | Thermalbatterie | Bestandteile: Halbzelle (Donator- und Akzeptorhalbzelle)