Die Brennstoffzelle

Die Brennstoffzelle

Eine Brennstoffzelle ist ein elektrochemisches Gerät, welches Wasserstoff mit Sauerstoff verbindet, um elektrische Leistung, Wärme und Wasser zu erzeugen. Die Brennstoffzelle gleicht einer elektro-chemischen Batterie. Vielmehr als eine periodische Ladung durchzuführen, wird gleichmässig Wasserstoff und Sauerstoff von aussen zugeführt. Der Sauerstoff wird normalerweise der Luft entnommen, und Wasserstoff wird als Treibstoff in druckfesten Behältern mitgeführt. Als Alternative können Methanol, Propan, Butan, Gas und Diesel verwendet werden.

Alternative Treibstoffe benötigen eine Umwandlung, um den Wasserstoff zu gewinnen. Dies verlangt den Zugriff auf bestehende Verteilersysteme. Die Umwandlung ist jedoch aufwendig, teuer und langsam. Es wird ein wenig an Treibstoffleistung verloren und etwas Verunreinigung erzeugt, aber dies ist noch immer 90% weniger als bei einem normalen Fahrzeug.

Die Brennstoffzelle erzeugt die Energie nicht durch einen Verbrennungsprozess, sondern es handelt sich um einen elektrochemischen Prozess. Die Energieumwandlung ist zweimal effizienter als bei Verbrennung. Es entstehen ein wenig nicht schädliche Ausscheidungen. Das einzige Produkt, das entsteht, ist klares Wasser. Das Wasser ist derart sauber, dass Besucher in Vancouver das Wasser, das aus den Auspuffrohren der Busse, die mit Brennstoffzellen von Ballard betrieben werden, austrat, getrunken haben.

Wasserstoff, das einfachste Element, bestehend aus einem Proton und einem Elektron, ist reichlich vorhanden und ist ein aussergewöhnlich sauberer Treibstoff. Wasserstoff macht 90% des Universums aus und ist das dritthäufigste Element auf der Erdoberfläche. Diese Fülle ergibt eine beinah unbegrenzte Menge an Energie zu verhältnismässig tiefen Treibstoffkosten. Aber für die Umwandlung ist ein Preis zu bezahlen. Der Brennstoffzellenreaktor, welcher Wasserstoff und Sauerstoff in Elektrizität umwandelt, ist aufwendig im Bau und Unterhalt.

Eine Brennstoffzelle ist eine umgekehrte Elektrolyse, die zwei durch Elektrolyt getrennte Elektroden verwendet. Wasserstoff ist auf der negativen Elektrode (Anode) vorhanden und Sauerstoff auf der positiven Elektrode (Kathode). Ein Katalysator auf der Anode trennt den Wasserstoff in positiv geladene Wasserstoffionen und Elektronen. Auf dem Protonen-Austausch-Membranen-System (PEM) wird der Sauerstoff ionisiert und wandert durch den Elektrolyt zur Anode, wo er sich mit dem Wasserstoff verbindet. Eine einzelne Brennstoffzelle produziert 0,6 bis 0,8V unter Belastung. Mehrere Zellen werden in Serie geschaltet, um höhere Spannungen zu erhalten.

Das Konzept der Brennstoffzelle wurde 1839 durch Sir William Grove, ein walisischer Richter und Gentleman-Wissenschaftler entwickelt. Die Erfindung startete nicht durch, teilweise wegen dem Erfolg des Verbrennungsmotors. Die Neubelebung kam mit der ersten Brennstoffzelle, die im Gemini-Programm um 1960 angewendet wurde. Basierend auf einem alkalischen System, erzeugten die Brennstoffzellen Elektrizität und Trinkwasser für die Astronauten. Kommerzielle Anwendungen von dieser Leistungsquelle waren zu jener Zeit unbezahlbar, wegen der hohen Materialkosten. Verbesserungen im Reaktorbau um 1990 konnten die Kosten senken und die Leistungsdichte erhöhen.

Die hohen Kosten konnten Dr. Karl Kordesch nicht davon abhalten, sein Auto um 1970 umzubauen, zur Verwendung von alkalischen Brennstoffzellen. Dr. Kordesch, der Erfinder von wieder verwendbaren Alkaline, fuhr seinen Wagen während vielen Jahren in Ohio, USA. Der Wasserstoffbehälter war auf dem Dach montiert, und die Brennstoffzellen samt Batterie waren im Kofferraum untergebracht. Gemäss Dr. Kordesch war noch immer genügend Platz für 4 Personen und einem Hund vorhanden. Lange Bergauffahrten waren jedoch ein Kampf.

Modelle von Brennstoffzellen

Es entstanden verschiedene Variationen von Brennstoffzellen. Das PME-System ist das am besten entwickelte und wird für Fahrzeuge und tragbare Geräte verwendet. Das alkalische System, welches einen flüssigen Elektrolyt verwendet, ist die bevorzugte Brennstoffzelle für Weltraumanwendungen, der Space Shuttle inbegriffen. Brennstoffzellen aus flüssigem Kohlenstoff, Phosphorsäure und festen Oxyden werden für ortfeste Speisegeräte verwendet. Die festen Oxyde wurden am wenigste weiter entwickelt, aber sie erhielten Aufschwung, begründet durch neue Materialien und Verbesserungen im Bau von Reaktoren. Figur 1 vergleicht die häufigsten Brennstoffzellen-Systeme.

Figur 1: Vor- und Nachteile von verschiedenen Brennstoffzellen-Systemen. Das PEM System ist das heute am weitesten entwickelte.

Das Proton-Exchange-Membrane-System (PEM genannt) gestattet kompakte Formen und ergibt hohe Energie im Verhältnis zum Gewicht. Ein weiterer Vorteil ist der schnelle Startvorgang, wenn Wasserstoff verwendet wird. Der Reaktor arbeitet bei verhältnismässig tiefen Temperaturen von 80°C. Der Wirkungsgrad ist etwa 50% (Im Vergleich dazu, hat der Verbrennungsmotor einen Wirkungsgrad von ca. 15%).

Die Grenzen der PEM-Systeme sind gegeben durch die hohen Herstellungskosten und die Probleme der komplexen Wasserverwaltung. Der Reaktor enthält Wasserstoff, Sauerstoff und Wasser. Wenn er trocken ist, ist die Eingangsimpedanz hoch und es muss Wasser zugefügt werden, dass das System funktioniert. Zu viel Wasser führt zum Überfluten. Gefrieren kann den Reaktor beschädigen. Die Erwärmung ist langsam und die Leistung ist schwach in kühlem Zustand. Die Kühlsysteme sind aufwendig.
Die PEM-Brennstoffzellen benötigen ein aufwendiges Zubehör. Kompressoren, Pumpen und andere Apparate verschlingen 30% der erzeugten Energie. Der PEM-Reaktor hat eine geschätzte Lebenserwartung von 4000 Stunden in einem Fahrzeug. Die verhältnismässig kurze Lebenserwartung ist begründet durch das intermittierende Arbeiten. Die Start- und Stopaktionen führen zum austrocknen und nass werden, was wiederum die Membrane belastet. Bei ununterbrochener Funktion hat ein ortsfester Reaktor eine geschätzte Lebenserwartung von 40'000 Stunden. Das Auswechseln des Reaktors ist der wichtigste Kostenpunkt.

Die PEM-Brennstoffzellen verlangen reinen Wasserstoff. Es gibt eine kleine Toleranz für Verunreinigungen wie Schwefel und Kohlenmonoxyd. Kohlenmonoxyd kann das System vergiften. Eine Zersetzung der Membrane kann eintreten, wenn verschiedene Arten von Treibstoff verwendet werden. Die Komplexität, einen Brennstoffzellenreaktor zu reparieren wird ersichtlich, wenn man berücksichtigt, dass ein typischer Reaktor mit 150V, 50kW etwa 250 Zellen enthält.
Die Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) ist am besten für ortsfeste Anwendungen geeignet. Das System benötigt eine hohe Funktionstemperatur von 1000°c. Neuere Systeme werden entwickelt, die bei ca. 700°C funktionieren sollten.

Ein wesentlicher Vorteil der SOFC ist die Nachsicht gegenüber Treibstoffen. Wegen der hohen Funktionstemperatur, wird Wasserstoff durch einen Katalysatorumwandlungsprozess erzeugt. Dadurch können externe Umwandler zur Erzeugung von Wasserstoff eliminiert werden. Kohlenmonoxyd, Verunreinigungen in einem PEM System, ist ein Treibstoff für die SOFC. Zusätzlich bietet das SOFC-System einen Wirkungsgrad von 60%, einem der höchsten bei den Brennstoffzellen.

Höhere Reaktortemperaturen verlangen nach exotischen Materialien, welche die Herstellungskosten erhöhen. Die Hitze ist auch eine Herausforderung an das System, betreffend der Lebenserwartung und der Zuverlässigkeit, wegen der zunehmenden Oxidation des Materials und dem Stress. Hohe Temperaturen erlauben eine Zusatznutzung durch die Betätigung von Dampfgeneratoren, was die allgemeine Effizienz noch verbessert.
Die alkalische Brennstoffzelle (AFC) hat neues Interesse gewonnen, wegen die tiefen Funktionskosten. Auch wenn sie physisch grösser sind als PEM-Systeme, hat das AFC das Potential für tiefere Herstellungs- und Funktionskosten. Die Wasserverwaltung ist einfacher, ein Kompressor ist nicht nötig und die Geräte sind billiger. Während der Separator in einem PEM-Reaktor zwischen US$ 800-1,100 per Quadratmeter kostet, sind die vergleichbaren Kosten in einem alkalischen System vernachlässigbar. (Der Separator für eine Blei-Säure-Batterie kostet ca. US$ 5 per Quadratmeter). Start und Stop (nässen und trocknen) sind weniger einschneidend als bei anderen Systemen.

Der Nachteil ist, dass AFC-Systeme reinen Sauerstoff und Wasserstoff benötigen, um zu arbeiten. Der Anteil an Kohlendioxid in der Luft kann Gift sein für das System. Es darf vermerkt werden, dass Kohlendioxid einfacher zu entfernen ist, als Kohlenmonoxid, ein Schrecken für PEM-Systeme.
Die Direct Methanol (DMFC) Brennstoffzelle wird für tragbare Anwendungen eingesetzt. Das System besitzt eine verhältnismässig hohe Energiedichte (etwa fünf mal diejenige von Lithium-Ion), verwendet flüssigen Treibstoff als Energiequelle, ist umweltbezogen sauber und funktioniert ununterbrochen, bis zur Auswechslung der Treibstoffpatrone. Miniaturbrennstoffzellen haben einen Wirkungsgrad von ca. 20% und arbeiten ca. 3000 Stunden, bis die Auswechslung des Reaktors nötig wird. Es gibt einige Leistungseinbussen im Lauf der Zeit.

Anwendungen

Die Brennstoffzelle ist vorgesehen, einmal den Verbrennungsmotor von Personenwagen, Lastwagen und Bussen zu ersetzen. Wichtige Fahrzeughersteller unterstützen Forschungszentren für Brennstoffzellen oder führen eigene diesbezügliche Entwicklungen durch. Auf Grund der noch hängigen technischen Probleme bei Brennstoffzellen, und den tiefen Kosten von Verbrennungsmotoren, sagen Experten voraus, dass mit Brennstoffzellen angetriebene Fahrzeuge gegen 2015, vielleicht erst 2020 vorhanden sein werden. Einige Experten gehen so weit, zu sagen, dass die wirtschaftliche Durchführbarkeit von Brennstoffzellen nicht erwiesen sei.

Grosse Brennstoffzellenanlagen von 40,000 kW werden wahrscheinlich die Automobilindustrie ausstechen. Solche Systeme könnten in 10 Jahren Elektrizität zu entfernten Standorten liefern. Viele dieser Regionen besitzen grosse Mengen von fossilen Brennstoffen, welche genutzt werden könnten. Ein Reaktor in solch grossen Anlagen wird länger halten als in mobilen Anwendungen, wegen der gleichmässigen Verwendung, wie auch wegen der Funktionstemperatur und dem Wegfallen von Schlägen und Vibrationen.

Brennstoffzellen werden bald in Konkurrenz sein können, mit Batterien für tragbare Verwendung, wie Laptops. Die Energie wird billiger sein als bei konventionellen Batterien und bald einmal wird das aufladen überflüssig werden. Jedoch sind Abmessungen und Gewicht von tragbaren Brennstoffzellen heute noch nicht so, wie es der Kunde wünscht.

Einschränkungen

Die Effizienz einer neuen Energiequelle wird oft verglichen mit einem Dieselmotor oder einer Nickel-Kadmium-Batterie, die beide gute Leistung erbringen, unter 100% Belastung. Die ist bei Brennstoffzellen nicht der Fall, die bei einer Belastung von 30% am besten arbeiten. Höhere Belastungen verringern die Effizienz beträchtlich. Die Zufuhr von reinem Sauerstoff anstelle von Luft erhöht den Lastfaktor.

Die Brennstoffzelle ist vorgesehen, die chemische Batterie zu ersetzen. Ironischerweise, wird er dadurch die Batterie fördern. Die meisten Applikationen von Brennstoffzellen benötigen Batterien als Speicher für kurzzeitige hohe Stromstösse. Der Treibstoff wird die Batterie geladen halten. In tragbaren Applikationen wird ein Superkondensator die Lastcharakteristik verbessern und hohe Stromimpulse gestatten.

Eine der wesentlichsten Einschränkungen von Brennstoffzellen sind die hohen Energiekosten. Während ein Verbrennungsmotor eine Investition von US$ 30 benötigt, um 1 kW (1 Kilowatt) Leistung zu erzeugen, sind die vergleichbaren Kosten bei einer Brennstoffzelle happige US$ 3,000 (Siehe auch "Kosten von tragbarer Leistung"). Ein Teil dieser Kosten kommt von der experimentalen Herstellung, da die Brennstoffzellen noch nicht in Massenproduktion sind. Das Ziel ist, eine Brennstoffzelle zu entwickeln, die preislich mit einem Dieselmotor vergleichbar ist.

Sobald die laufenden Schwierigkeiten gelöst worden sind, wird die Brennstoffzelle sprunghaft Applikationen finden, die jenseits der Möglichkeiten von Verbrennungsmotoren liegen. Man sagt, die Brennstoffzelle sei so revolutionär wie der Mikroprozessor, aber der Reifeprozess wird länger dauern