Brennstoffzelle

In einer Brennstoffzelle läuft die Knallgasreaktion kontrolliert ab, es kommt also zu einer stillen Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff, wobei elektrischer Strom entsteht.

Eine PEM- Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden, die durch eine Protonen leitende Membran (Polymer Electrolyte Membran oder Protone Exchange Membran) voneinander getrennt sind. Die Elektroden bestehen aus Kohlenstoffmatten, die mit Platin bedampft und über einen äußeren Stromkreis miteinander verbunden sind. Damit eine Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser erfolgen kann, muss die protonenleitende Membran befeuchtet werden. Der Anode wird kontinuierlich der Brennstoff  Wasserstoff zugeführt. Die Kathode wird ständig mit Sauerstoff versorgt. Die Umsetzung von Sauerstoff und Wasserstoff zu Wasser verläuft in zwei Teilreaktionen.

An der Anode werden die Wasserstoffmoleküle mit Hilfe des Platins, dass als Katalysator dient, in zwei Wasserstoffatome aufgespaltet, welche sofort ihre Elektronen an die Elektrode abgeben. Diese Elektronen werden dann über den äußeren Stromkreis zur Kathode geleitet. Die dabei entstehenden positiv geladene Wasserstoff- Ionen (Protonen) diffundieren durch die Protonen leitende Membran zur Kathode.

 Anode:  H2 ® 2H+ + 2e-

³ Animation: Funktionsweise einer Brennstoffzelle

 An der Kathode nimmt jeweils ein Sauerstoffatom zwei Elektronen auf und reagiert dann mit zwei positiv geladenen Wasserstoff- Ionen (Protonen) zu einem Wassermolekül.

Kathode:  ½O2 + 2e- ® O2- + 2H+ ® H2O

      Gesamtreaktion:  2H2 + O2 ® 2H2O                            ΔH= -241kJ/mol

Die theoretisch mögliche Spannung einer solchen PEM- Brennstoffzelle liegt bei 1,23V. Diese Spannung wird jedoch in der Praxis nicht erreicht, da es beim Betrieb zu Verlusten aufgrund des Widerstandes des elektrischen Leiters, ungenügender Diffusion und der Überspannung durch Reaktionshemmungen kommt. In der Regel wird eine reale Spannung von etwa 0,6V bis 0,9V erreicht. Um technisch nutzbare Spannungen zu erreichen müssen einzelne Brennstoffzellen in Reihe geschaltet werden. Aus Einzelzellen werden Zellstapel die sogenannten Stacks, in denen die Zellen sandwichartig aufeinander liegen. Die Stromstärke ist proportional zur Elektrodenfläche und kann durch Vergrößerung beziehungsweise Verkleinerung der Elektrodenfläche reguliert werden.

Die PEM- Brennstoffzelle wurde in den 60er- Jahren ebenfalls für die Raumfahrt und die Militärtechnik entwickelt. Zum ersten mal wurde eine Brennstoffzelle mit protonenleitender Membran von General Motors im Gemini Raumfahrtprogramm eingesetzt. Damals diente eine sulfonierte Polystrol- Membran als Elektrolyt. Seit 1969 wird die von DuPont entwickelte NafionÒ- Membran in die PEM- Brennstoffzellen eingebaut. Die PEM- Brennstoffzelle eignet sich vor allem für den mobilen Einsatz, sowie für die dezentrale Stromversorgung von Einfamilienhäusern. Derzeit werden weltweit intensive Forschungs- und Entwicklungsarbeiten für einen Einsatz der PEM- Brennstoffzelle im Verkehrsbereich getätigt. Die Autoindustrie setzt große Hoffnung in die Entwicklung der PEM- Brennstoffzelle für den mobilen Einsatz, weltweit laufen eine Vielzahl von Projekten tätiger Unternehmen, wie beispielsweise Mazda, Toyota, Honda, Ford, Mercedes- Benz, BMW, Volkswagen und Siemens. (vgl. VDI Berichte, 1998, S.2ff)

Brennstoffzellentyp

Elektrolyt

Ladungsträger

Betriebstemperatur

 

 

Niedertemperatur-

Brennstoffzelle

 

 

Alkalische- BZ (AFC)

Kalilauge

OH-

<100°C

 

Polymermembran- BZ (PEMFC)

Polymermembran

H+

<100°C

 

Phosphorsaure- BZ

(PAFC)

Phosphorsäure

H+

170- 220°C

 

 

Hochtemperatur-

Brennstoffzelle

 

 

Karbonatschmelzen- BZ (MCFC)

Karbonatschmelze

CO32-

ca. 650°C

 

Oxidkeramische- BZ (SOFC)

Keramische Schichten

O2-

850-100°C

 

(FC: Abkürzung für Fuel Cell = Brennstoffzelle)

Die alkalische Brennstoffzelle (AFC)

Die alkalische Brennstoffzelle wurde in den 60er Jahren für die Raumfahrt entwickelt und besitzt heute einen hohen Entwicklungsstand. In der Fachsprache wird dieser Brennstoffzellentyp als Alkaline Fuel Cell (AFC) bezeichnet. Der Betrieb der Brennstoffzelle ist schon bei geringen Temperaturen möglich und sie besitzt einen hohen elektrischen Wirkungsgrad. Jedoch ist der Anwendungsbereich der alkalischen Brennstoffzelle sehr eingeschränkt, da für den Betrieb reiner Wasserstoff und  Sauerstoff benötigt wird.

Bei  einer alkalischen Brennstoffzelle wird eine mit Wasser verdünnte Kalilauge als Elektrolyt eingesetzt. Die mobilen Ionen in alkalischen Brennstoffzelle sind Hydroxid- Ionen. Die Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser läuft in zwei Teilreaktionen ab.

Der Kathode werden reiner Sauerstoff und Wasserdampf zugeführt. Dort nimmt je ein Sauerstoffatom zwei Elektronen auf und reagiert mit dem Wasserdampf zu zwei Hydroxid- Ionen (1/2 O2 + 2e- +2H2O ® 2OH-). Diese Ionen diffundieren durch die Kalilauge hindurch zur Anode. An der Anode reagieren dann die Hydroxid- Ionen zusammen mit dem Wasserstoff zu Wasser. Dabei wird vom Hydroxid- Ion ein Elektron abgegeben, das dann über den äußeren Stromkreis zur Kathode gelangt.

Dieser Brennstoffzellentyp wird zur Zeit für militärische Zwecke und Spezialanwendungsgebiete weiterentwickelt. (vgl. Ledjeff, 1995, S.30f)

Die phosphorsaure Brennstoffzelle (PAFC)

Die 1842 von Sir William Grove vorgestellte Brennstoffzelle hatte einen sauren Elektrolyt. In der Fachsprache wird sie als Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC)bezeichnet. Als Elektrolyt dient meistens eine mit Wasser verdünnte Phosphorsäure. Als Elektroden werden poröse Graphit- oder Asbestplatten verwendet, die mit einer dünnen Platinschicht bedampft sind. Das Platin dient als Katalysator und soll die Reaktion beschleunigen.

Bei sauren Brennstoffzellen werden positive geladene Wasserstoff- Ionen (Protonen), von der Anode zur Kathode geleitet. An der Anode geben die Wasserstoffatome je ein Elektron ab, das über den äußeren Stromkreis zur Kathode geleitet wird (H2 ® 2H+ + 2e-). Die dabei entstehenden Protonen wandern durch den Elektrolyt zur Kathode. An der Kathode nimmt je ein Sauerstoffatom zwei Elektronen auf. Diese Sauerstoff- Ionen reagieren danach mit den Wasserstoff- Ionen zu Wassermolekülen. Das Reaktionsprodukt wird mit der Abluft abgeführt.

Dieser Brennstoffzellentyp wird zur Zeit vor allem in Japan und in den USA weiterentwickelt. Sie eignet sich für den Einsatz als Blockheizkraftwerke, da sie eine elektrische Leistung von bis zu 11MW. (vgl. Ledjeff, 1995, S.33ff)

Die Schmelzkarbonat- Brennstoffzelle (MCFC)

Charakteristisch für die Schmelzkarbonat- Brennstoffzellen ist, dass der Luftsauerstoff durch doppelt negativ geladene Karbonat- Ionen (CO32-) von der Kathode zur Anode geleitet. Eine solche Brennstoffzelle wird von den Fachleuten Molten Carbonat Fuel Cell (MOFC) genannt. Als Elektrolyt wird eine Schmelze aus Kaliumkarbonat und Lithiumkarbonat verwendet. Dieses Karbonatgemisch schmilzt bei circa 640°C. Im flüssigen Zustand ist die Mischung gut leitend.

Die Karbonat- Ionen (CO32-) werden an der Kathode aus dem künstlich zugeführten Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff aus der Luft sowie vier Elektronen gebildet(O2 + 2CO2 + 4e- ® 2CO32-). Die Karbonat- Ionen diffundieren durch den Elektrolyten hindurch zur Anode. Nachdem das Ion die überflüssigen Elektronen abgegeben hat, zerfällt das Karbonat- Ion wieder in Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff. Das Sauerstoffatom reagiert danach mit Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid. Das dabei entstehende Kohlenstoffdioxid wird vom Wasserdampf getrennt und zur Kathode geleitet (2H2 + 2 CO32- ® 2H2O + 2CO2 + 4e-).

Aufgrund des hohen Wirkungsgrades und der enormen Leistung (bis zu 10MW) eignet sich dieser Brennstoffzellentyp vor allem für den Einsatz als Blockheizkraftwerk.

(vgl. Ledjeff, 1995, S.36f)

 Die oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC)

Eine Brennstoffzelle, bei der eine feste keramische Schicht als Elektrolyt eingesetzt wird, nennt man Solid Oxide Fuel Cell (SOFC). Als Elektrolyt wird eine Zirkonoxid- Schicht eingesetzt, die mit Yttriumoxid dotiert ist. Bei hohen Temperaturen besitzt diese keramische Schicht eine hohe Leitfähigkeit für Sauerstoff- Ionen. Die Kathode besteht aus einem Mischoxid und die Anode aus einer Mischung von Nickel- und Zinkoxid. An der Kathode wird ein Sauerstoffatom zweifach negativ ionisiert (1\2 O2 + 2e- ® O2-). Diese Ionen wandern durch den Elektrolyt zur Anode, wo sie mit Wasserstoff unter Abgabe von Elektronen zu Wasser reagieren (H2 + O2- ® H2O + 2e-). Auch dieser Brennstoffzellentyp eignet sich aufgrund seiner hohen Leistung für den Einsatz als Blockheizkraftwerk. (vgl. Ledjeff, 1995, S.37f)

 

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