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Die Weltraumzelle und das Multitalent…

Brennstoffzellentypen von AFC bis PEMFC

Alle Brennstoffzellen funktionieren zwar nach dem gleichen Grundprinzip, aber mithilfe welcher Elektroden und Elektrolyte sie dies tun, ist durchaus unterschiedlich, ebenso auch der Temperaturbereich, in dem sie arbeiten. Insgesamt sind zur Zeit sechs Brennstoffzellentypen in der Entwicklung, zwei davon gehören zu den Hochtemperatur-, vier zu den Niedrig- und Mitteltemperaturbrennstoffzellen.

Brennstoffzellen-Taxi © DOE

In den so genannten Niedrig-und Mitteltemperaturzellen läuft die Energieerzeugung schon bei Temperaturen von unter 100°C bis maximal 200°C ab. Wegen der niedrigen Temperaturen ist die Reaktion aber nur effektiv, wenn die Elektroden als Katalysatoren wirken. Gleichzeitig muss das Material dieser Katalysatoren dem oft aggressiven sauren oder alkalischen Milieu der Elektrolyte standhalten können. Meist sind die Elektroden dieser Brennstoffzellen daher mit teuren Edelmetallen oder Edelmetalllegierungen wie Platin, Ruthen oder Gold beschichtet.

Alkalische Brennstoffzelle (Alkaline Fuel Cell – AFC)

Die AFC ist gewissermaßen die Urmutter aller Brennstoffzellen. Sie war – abgesehen von Groves Protoyp – die erste, die tatsächlich eingesetzt wurde: AFCs waren schon Ende der 1960er Jahre auf dem Mond – sie wurden erstmals für das amerikanische Apollo-BrennstoffzellentaxiRaumfahrtprogramm eingesetzt und liefern bis heute Strom für das Spaceshuttle und andere Raumfahrzeuge. Auch U-Boote und – seit neuestem auch einige Londoner Taxis – versorgen alkalische Brennstoffzellen mit Energie.

Funktionsweise

Alkalische Brennstoffzellen nutzen Kalilauge als Elektrolyt. Diese reagiert sehr leicht mit Kohlendioxid zu unlöslichem Karbonat. Alle Brenngase bei diesem Zellentyp müssen daher aufwendig von CO2 gereinigt werden, da schon geringste Verunreinigungen die Zelle zerstören. Die Elektroden der AFC bestehen aus Nickel, Silber oder mit Edelmetallen versetztem Kohlenstoff. Der Wasserstoff wird zunächst an der Anode in Protonen gespalten und gibt Elektronen ab. Diese fließen durch den Stromleiter zur Kathode und reagieren dort mit Sauerstoffionen zu Hydroxidionen (OH-). Diese wandern durch den Elektrolyten zur Anode, um sich dort mit den Protonen zu Wasser zu verbinden.

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Anwendungen

Wegen ihrer extremen Empfindlicheit gegenüber Kohlendioxid konnte die AFC lange Zeit nur unter den CO2-freien Bedingungen des Weltraums effektiv eingesetzt werden. Hier allerdings und auch im Bereich des Militärs wie beispielsweise in U-Booten gilt sie als extrem zuverlässig, langlebig und erreicht einen Wirkungsgrad von rund 70 Prozent.

Inzwischen gibt es weiterentwickelte Modelle, die nicht mehr nur mit hochreinen Brenngasen, sondern mit normalem Wasserstoff und Luft, der zuvor das CO2 entzogen wurde, arbeiten. Dadurch wächst ihr Potenzial auch für zivile Anwendungen, denn im Gegensatz zu anderen Niedrigtemperaturzellen sind die in der AFC eingesetzten Katalysatoren relativ preiswert. Vor allem für so genannte „Nischenfahrzeuge“ wie Taxen oder Kleintransporter, aber auch für Bootsantriebe sind AFCs gut geeignet.

Polymer-Elektrolyt-Membran Brennstoffzelle (PEMFC)

Die Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle ist die flexibelste und unkomplizierteste Brennstoffzelle zur Zeit. Sie gilt als aussichtsreichster Kandidat für eine Massenproduktion. Zwar reagiert sie empfindlich auf Kohlenmonoxid, kann dafür aber mit normalem Luftsauerstoff betrieben werden. Mithilfe eines Reformers kann sie auch Erdgas oder Flüssiggas als Brennstoff nutzen und ihn intern in Wasserstoff umwandeln.

Funktionsweise

PEMFC © DOE

Als Elektrolyt besitzt diese Brennstoffzelle eine dünne, gasdichte aber protonenleitende Kunststoffmembran aus sulfoniertem Polymer. In die dünne Membran sind Säuregruppen eingebunden, die es den an der Anode entstehenden Protonen gestatten, sie zu passieren. Da die Membran nur funktioniert, wenn sie einen bestimmten Mindestwassergehalt aufweist, arbeitet die Zelle nur bei Temperaturen unter 100°C. Bei diesen niedrigen Temperaturen müssen wirksame Katalysatoren dafür sorgen, dass die Reaktion in Gang kommt. Wegen des sehr sauren, ätzenden Milieus in der Zelle können nur Katalysatoren aus Edelmetallen, meist Platin oder Platinlegierungen eingesetzt werden.

Anwendungen

Ob Mobiltelefon, Autoantrieb oder Minikraftwerk – potenzielle Einsatzbereiche für das „Multitalent“ unter den Brennstoffzellen gibt es viele. Ihre Vorteile liegen in einem einfachen Aufbau, einem schnellen Start ohne langes Vorwärmen und flexibler Reaktion auf schwankende Belastungen. Ihr Wirkungsgrad liegt bei 58 Prozent.

Trotz der noch relativ hohen Kosten durch die Edelmetall-Katalysatoren wird der PEMFC ein großes Marktpotenzial prognostiziert. Im mobilen Einsatz in Fahrzeugen, wie PKWs, Bussen, Straßenbahnen oder Regionalzügen ist sie die zur Zeit am häufigsten in Protoypen verwendete Brennstoffzelle. Die ersten in Serie produzierten PKWs werden vermutlich mit PEMFCs betrieben werden.

Ideale Voraussetzungen bietet sie auch für Kraft-Wärme-Kopplung in erdgasbetriebenen Anlagen für größere Gebäude aber auch für Einfamilienhäuser. Hier rechnen Experten mit einer Kommerzialisierung innerhalb der nächsten ein bis zwei Jahre. Selbst für tragbare Anwendungen vom Handy über den Rasenmäher bis zum Akkubohrschrauber sind PEMFCs geeignet. Erste Systeme für Handys und Laptops wurden bereits entwickelt.

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Stand: 27.07.2002

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

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Brennstoffzellentypen von AFC bis PEMFC

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