Brennstoffzellen

Geschichte der Brennstoffzelle

Bereits im Jahre 1839 wurde der Grundstein für die heutige Brennstoffzellentechnik gelegt.

Der wallisische Jurist und Physiker Sir William Robert Grove (1811-1896) war es, der den ersten funktionsfähigen Prototypen konstruierte. Dieser bestand aus zwei Platin-Elektroden, die jeweils von einem Glaszylinder umschlossen waren. In dem einen Glaszylinder befand sich Wasserstoff, in dem anderen Sauerstoff. Beide Elektroden tauchten in verdünnte Schwefelsäure ein, die als Elektrolyt diente und die elektrische Verbindung schuf. An den Elektroden konnte eine Spannung abgegriffen werden. Da diese sehr gering war, schaltete Grove mehrere dieser Brennstoffzellen zusammen, um eine höhere Spannung zu erhalten.

Groves Zeitgenossen verkannten seine Entdeckung, und das Thema "Brennstoffzelle" geriet in Vergessenheit. Erst in den 1950er Jahren, im Zeichen des kalten Krieges, ist seine Idee wieder aufgegriffen worden. In der Raumfahrt und in der Militärtechnik wurden kompakte und leistungsfähige Energiequellen benötigt.
In Raumfahrzeugen und U-Booten gibt es Bedarf an elektrischer Energie, ohne dass Verbrennungsmotoren eingesetzt werden können. Da Batterien für Raumfahrzeuge zu schwer sind, entschied sich die NASA (z.B. im Apollo Programm) für die direkte chemische Energieerzeugung durch Brennstoffzellen.

Die zivile Nutzung der Brennstoffzelle wurde erst in den letzten 10 Jahren interessant.
Wissenschaftler und Ingenieure entwickelten zu Beginn der 90er Jahre verschiedene neue Konzepte und Technologien, mit denen es gelang, die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle kontinuierlich zu steigern und gleichzeitig die Kosten zu senken. Inzwischen reichen die Einsatzmöglichkeiten von Fahrzeugantrieben, Hausheizungen und Blockheizkraftwerken bis in den Bereich der Kleinstanwendungen wie Mobiltelefone oder mobile Computer hinein.

Die Brennstoffzelle könnte die Welt der Energietechnik revolutionieren!

Aufbau einer Brennstoffzelle

Brennstoffzellen sind sehr einfach aufgebaut. Die eigentliche Zelle besteht aus drei übereinander liegenden Schichten: Zwei gasführenden Platten und einem dazwischen liegenden Elektrolyten.

Die gasführende erste Schicht ist die Anode, die zweite ein Elektrolyt und die dritte Schicht bildet die Kathode. Anode und Kathode dienen als Katalysator. Die mittlere Schicht besteht aus einer Trägerstruktur, die den Elektrolyten in sich aufnimmt. Als Elektrolyten dienen in den verschiedenen Brennstoffzellentypen jeweils unterschiedliche Stoffe. Manche Elektrolyten sind flüssig, andere sind fest und haben eine Membran-Struktur.

Da eine einzelne Zelle nur eine kleine Spannung erzeugt, werden je nach benötigter Spannung einzelne Zellen in Reihe geschaltet, d.h. aufeinander gestapelt. Solch ein Stapel nennt sich "Stack". Die Spannungen der einzelnen Zellen addieren sich zu einer Gesamtspannung die an einem solchen Stack anliegt.

Das Grundprinzip der Brennstoffzelle

Die Brennstoffzelle kehrt den Prozess der aus dem Schulunterricht bekannten Elektrolyse um. Erinnern wir uns: bei der Elektrolyse wird Wasser mit Hilfe elektrischer Energie in die gasförmigen Bestandteile "Wasserstoff" und "Sauerstoff" zerlegt. Beide Gase können getrennt voneinander aufgefangen werden.

Die Brennstoffzelle nimmt genau diese beiden Stoffe "Wasserstoffgas" und "Sauerstoff" und wandelt sie wieder in Wasser. Dabei wird theoretisch die Menge elektrischer Energie wieder abgegeben, die bei der Elektrolyse zur Spaltung notwendig war. In der Praxis führen verschiedene physikalisch-chemische Prozesse und innere elektrische Widerstände zu geringfügigen Verlusten. Außerdem ist es einfacher, statt Sauerstoff einfach Luft zu verwenden. Der in der Luft enthaltene Sauerstoff reagiert dann mit dem Wasserstoff zu Wasser. Man kann also sagen, "wenn bei der Elektrolyse der Wasserstoff aufgefangen wird", wird elektrische Energie in Form von Wasserstoff gespeichert. Mit "Wasserstoff" haben wir also ein Gas, in dem wir Energie speichern können. Geben wir den Wasserstoff in eine  Brennstoffzelle, so können wir damit die im Wasserstoff gespeicherte Energie in Form von elektrischem Strom zurück gewinnen. Und zwar genau zu dem Zeitpunkt, wenn wir den Strom benötigen.

Es gibt verschiedene Arten von Brennstoffzellen die sich in Aufbau und Funktionsweise unterscheiden. Exemplarisch soll anhand einer PEM-Brennstoffzelle (siehe auch PEM-Brennstoffzelle) das grundlegende Arbeitsprinzip der Brennstoffzelle beschrieben werden.

Befindet sich an der mit einem Katalysator belegten Anode Wasserstoff und an der Kathode Sauerstoff (Luft), läuft folgender Vorgang ab: Ein Wasserstoffmolekül (H2) wird unter Abgabe von zwei Elektronen in zwei Wasserstoffatome gespalten. Die entstandenen Wasserstoff-Ionen (H+, auch Protonen genannt) wandern durch den für sie durchlässigen Elektrolyten zur Kathode und oxidieren mit dem Sauerstoff zu Wasser. Damit Wasser entstehen kann, werden jene Elektronen benötigt, die vorher an der Anode abgegeben wurden. Der Elektrolyt stellt aber einen Isolator dar, durch den sich die Elektronen nicht bewegen können. Verbindet man nun die beiden Elektroden mit einem elektrischen Leiter, so wandern die Elektronen durch diesen von der Anode zur Kathode: es fließt ein nutzbarer, elektrischer Strom.

Dieser Prozess läuft kontinuierlich ab, solange ausreichend Wasserstoff und Sauerstoff an Anode und Kathode zur Verfügung stehen.

Die alkalische Brennstoffzelle - AFC

Die Alkalische Brennstoffzelle - AFC - ist, abgesehen von Groves Prototypen, der älteste Brennstoffzellentyp.

Sie fand, und findet auch heute noch in der Raumfahrt und bei U-Boot-Antrieben Verwendung.

Die AFC ist die einzige Zellenart, die reinen Sauerstoff und Wasserstoff zur Energieumwandlung benötigt. Als Elektrolyt dient Kalilauge. Für den universellen Einsatz ist sie nur bedingt geeignet, da die hohen Anforderungen an die Gasreinheit das System stark verteuern. Es gibt zwar Systeme mit Luftbetrieb allerdings ist der notwendige Filteraufwand sehr pflege- und kostenintensiv.

Funktion der alkalischen Brennstoffzelle AFC

• Schritt 1
  Die in zwei Kreisläufen getrennten Gase Sauerstoff und Wasserstoff wandern vom Gasraum in den Katalysator.
• Schritt 2
  Die Wasserstoffmoleküle (H2) werden durch den Katalysator in zwei H+ Atome (Protonen) gespalten. Dabei gibt jedes Wasserstoffatom sein Elektron ab.
• Schritt 3
  Die Elektronen fließen von der Anode zur Kathode und bewirken einen elektrischen Stromfluss. Der Verbraucher wird mit elektrischer Energie versorgt.
• Schritt 4
  Jeweils vier Elektronen an der Kathode rekombinieren mit einem Sauerstoffmolekül.
• Schritt 5
  Die nun entstandenen Sauerstoff-Ionen reagieren mit Wasser zu OH-Ionen.
• Schritt 6
  Die Hydroxid-Ionen wandern durch den Elektrolyten (Kalilauge) zur Anode.
• Schritt 7
  Die Hydroxidionen reagieren an der Anode mit den Protonen zu Wasser.
  Ein Teil des entstandenen Wassers wird wieder an die Kathode transportiert, wo es für eine weitere Reaktion zur Verfügung steht.

Anwendungen der Alkalischen-Brennstoffzelle

Alkalische Brennstoffzellen wurden in der bemannten Raumfahrt eingesetzt, die ohne die Brennstoffzellen nicht möglich gewesen wäre. Sowohl im Apollo und im Apollo/Soyuz Programm als auch im Skylab und in den Space-Shuttles fand bzw. findet man alkalische Brennstoffzellen.

AFCs wurden auch für den Einsatz als Fahrzeugantrieb erprobt. Allerdings besteht hier der Nachteil, dass die AFC nicht mit Luft (nur mit reinem Sauerstoff) direkt betrieben werden kann.

Dies ist ein genereller Nachteil der AFC. Das in der Luft enthaltene Kohlendioxid ist vorher zu entfernen, um eine "Vergiftung" des Elektrolyten zu vermeiden. Dies erfordert einen zusätzlichen technischen Aufwand.

Mit reinem Sauerstoff betrieben, verfügt die AFC allerdings über eine sehr gute Zuverlässigkeit und Haltbarkeit, was sie insbesondere für Nischenanwendungen qualifiziert.

PEM-Brennstoffzelle

PEM steht für "Protonen-Austausch-Membran" (Proton Exchange Membrane) oder auch "Polymerelektrolyt-Membran" (Polymer Electrolyte Membrane). Wie der Name schon sagt, ist die Membran das wichtigste Kennzeichen dieses Brennstoffzellentyps. Die Membran - die ähnlich aufgebaut ist wie ein atmungsaktiver Textilstoff - trennt die Elektroden (Anode/Kathode) elektrisch voneinander und ist gleichzeitig auch gasdicht, so dass der Wasserstoff nicht auf die Sauerstoffseite diffundieren kann. Allerdings ist die Membran protonenleitend, lässt also die H+ Wasserstoff-Ionen passieren. Beide Elektroden sind mit einem Katalysator belegt, der jeweils für die Aufspaltung der Gasmoleküle (H2/O2) sorgt. Dies geschieht unter Abgabe bzw. Aufnahme von Elektronen. Der Elektronenüberschuss an der Anode bzw. der Elektronenmangel an der Kathode sorgt für eine Potenzialdifferenz zwischen den Elektroden und somit für eine elektrische Spannung.

Die PEM-Brennstoffzelle kann mit Luft betrieben werden und hat gewichts- und volumenbezogen eine sehr hohe Leistungsdichte.

Zwei Arten vom PEM-Brennstoffzellen sind in der Entwicklung: Niedertemperaturzellen (bis etwa 90°C) und Hochtemperaturzellen (bis etwa 180°C). Niedertemperaturzellen reagieren empfindlich auf Kohlenmonoxid (CO). Dieses Gas kann den Anoden-katalysator blockieren, was zu einem Leistungsabfall führt. Hochtemperaturzellen reagieren gegenüber CO und anderen Verunreinigungen unempfindlich, ihr Elektrolyt besteht aus PBI (Polybenzimidazole), einem Material das auch für Feuerfeste Kleidung verwendet wird. Brennstoffzellen mit diesem Elektrolyten sind aufgrund der einfacheren Wärmeabfuhr kompakter im System, einfacher und damit auch billiger zu produzieren. Die Leistungsabgabe von PEM-Brennstoffzellen lässt sich mit sehr großer Dynamik regeln. Daher eignen sie sich insbesondere hervorragend für den mobilen Einsatz.

Derzeit steht die PEMFC im Vordergrund der gesamten Brennstoffzellenentwicklung. Ein Grund hierfür ist das große Potential für die Massenfertigung dieses Zelltyps.

Ziel ist es die Kosten eines Brennstoffzellen-Antriebssystems für Fahrzeuge in den Bereich der Kosten für einen verbrennungs-motorischen Antrieb zu senken. Dies wären etwa 50 Euro pro kW.

Funktion der PEM-Brennstoffzelle

 
• Schritt 1
  Die in zwei Kreisläufen getrennten Gase Sauerstoff und Wasserstoff wandern vom Gasraum in den Katalysator.
 
• Schritt 2
  Die Wasserstoffmoleküle (H2) werden durch den Katalysator in zwei H+ Atome (Protonen) gespalten. Dabei gibt jedes Wasserstoffatom sein Elektron ab.
 
• Schritt 3 Die Protonen wandern durch den Elektrolyten (Membran) zur Kathodenseite.
 
• Schritt 4
  Die Elektronen treten in die Anode ein und bewirken so einen elektrischen Stromfluß, der einen Verbraucher mit elektrischer Energie versorgt.
 
• Schritt 5
  Jeweils vier Elektronen an der Kathode rekombinieren mit einem Sauerstoffmolekül.
 
• Schritt 6
  Die nun entstandenen Sauerstoff-Ionen sind negativ geladen und wandern zu den positiv geladenen Protonen.
 
• Schritt 7
  Die Sauerstoff-Ionen geben ihre beiden negativen Ladungen an zwei Protonen ab und oxidieren mit diesen zu Wasser.

Anwendungen der PEM-Brennstoffzelle

Die PEM-Brennstoffzelle ist sehr flexibel in der Anwendung, vom Mobiltelefon über Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen bis zu Fahrzeugantrieben. PEM-Brennstoffzellen werden inzwischen in zahlreichen Prototypfahrzeugen demonstriert. Personenwagen, Lieferwagen und Stadtbusse aber auch Fahrräder und Roller werden mit PEM-Brennstoffzellenantrieben ausgerüstet. 

Auch für Schienenfahrzeuge, z.B. für Straßenbahnen oder Regionalzüge, eignen sich PEM-Brennstoffzellen. Dadurch kann auf die Oberleitung verzichtet werden.

PEM-Brennstoffzellen eignen sich ebenfalls gut zur Kraft-Wärme-Kopplung für kleine dezentrale Energieversorgungssysteme. Etwa als Hausheizung mit kombinierter Stromerzeugung. Weltweit sind bereits einige tausend dieser Systeme installiert, vor allem in Japan. Mit einer Kommerzialisierung daher innerhalb der nächsten Jahre zu rechnen. Diese Systeme erzeugen den Wasserstoff in Reformern aus Erdgas oder Flüssiggas.

Kleine mobile Geräte wie Laptops und Mobiltelefone sind ebenfalls denkbar. Derzeit wird dieser Markt allerdings eher von Direkt-Methanol-Brennstoffzellen (DMFC) bedient, da flüssiges Methanol in kleinen Kartuschen eine hohe Energiedichte hat. Für etwas größere Anwendungen, etwa Roller, Rollstühle, Lastenfahrräder oder Kleinstlieferfahrzeuge gibt es ein 70 MPa (700 bar) Kartuschen-System für Wasserstoff, so dass hierfür wieder eher die PEM-Brennstoffzelle eingesetzt wird.

Die phosphorsaure Brennstoffzelle - PAFC

Die phosphorsaure Brennstoffzelle (PAFC), ist eine der am weitesten entwickelten Brennstoffzellentypen und hat eine hohe technologische Reife erlangt. Mehrere hundert Systeme im Leistungsbereich von 100-200 kW wurden bisher installiert.

Die PAFC arbeitet in einem Temperaturbereich zwischen 160°C und 200°C und wird mit Wasserstoff und Luft betrieben. Als Elektrolyt dient konzentrierte Phosphorsäure. Gegenüber der PEM-Brennstoffzelle besteht eine geringere Empfindlichkeit bezüglich Kohlendioxid und Kohlenmonoxyd. Allerdings haben moderne PEM-Brennstoffzellen eine ganz ähnliche Betriebstemperatur und damit besteht dieser Vorteil nicht mehr.

Phosphorsaure Brennstoffzellen haben im Dauerbetrieb eine sehr hohe Standfestigkeit und Zuverlässigkeit bewiesen. Sie reagieren allerdings sehr träge Leistungsschwankungen und sind daher vor allem für einen kontinuierlichen Dauerbetrieb sehr gut geeignet. Die Temperatur im inneren der Zelle darf nie unter 42°C sinken, da der Elektrolyt sonst irreversibel auskristallisiert.

Aufgrund der hohen Fertigungskosten und des auch in der Massenfertigung geringen Kostenreduktionspotenzials wird kaum noch über eine breite Markteinführung von PAFC gerechnet. Verschiedene Hersteller behalten diese jedoch im Lieferprogramm, da in Nischenmärkten Kosten oft eine Nebenrolle spielen. Ansonsten gehen die Entwicklungen eher in die Richtung einer Hochtemperatur (< 200°C) PEM-Brennstoffzelle, da hier ein größeres Kostenreduktionspotenzial gesehen wird und die PEM-Brennstoffzelle wesentlich dynamischer betrieben werden kann.

Funktion der PAFC-Brennstoffzelle

 
• Schritt 1
  Die in zwei Kreisläufen getrennten Gase Sauerstoff und Wasserstoff wandern vom Gasraum in den Katalysator.
 
• Schritt 2
  Die Wasserstoffmoleküle (H2) werden durch den Katalysator in zwei H+ Atome (Protonen) gespalten. Dabei gibt jedes Wasserstoffatom sein Elektron ab.
 
• Schritt 3
  Die Protonen wandern durch den Elektrolyten (hoch-konzentrierte Phosphorsäure) zur Kathodenseite.
 
• Schritt 4
  Die Elektronen wandern von der Anode zur Kathode und bewirken einen elektrischen Stromfluß, der einen Verbraucher mit elektrischer Energie versorgt.
 
• Schritt 5
  Jeweils vier Elektronen an der Kathode rekombinieren mit einem Sauerstoffmolekül.
 
• Schritt 6
  Die nun entstandenen Sauerstoff-Ionen sind negativ geladen und wandern zu den positiv geladenen Protonen.
 
• Schritt 7
  Die Sauerstoff-Ionen geben ihre beiden negativen Ladungen an zwei Protonen ab und oxidieren mit diesen zu Wasser.

Anwendungen der PAFC-Brennstoffzelle

Die PAFC wird ausschließlich für die Kraft-Wärme-Kopplung eingesetzt.

Die PAFC war die erste kommerziell verfügbare Brennstoffzelle. In Einheiten mit einer elektrischen Leistung von 200 kW und einer thermischen Leistung von 220 kW wurde sie von der amerikanischen Firma ONSI angeboten (später UTC Fuel Cells und Toshiba). Bisher wurden weltweit rund 200 PAFC-Anlagen installiert.

Die Oxidkeramische-Brennstoffzelle - SOFC

Die Oxidkeramische-Brennstoffzelle (Solid Oxide Fuel Cell - SOFC) ist eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit Betriebstemperaturen zwischen 500°C und bis zu  1000°C. Damit eignet sie sich für die direkte Verwendung von Kohlenwasserstoffen wie z.B. Diesel, Benzin oder Erdgas. Allerdings lässt sie sich auch mit Wasserstoff betreiben. Je höher die Betriebstemperatur - typisch sind 800-900°C - desto langkettiger können die Kohlenwasserstoffe sein. Schweröle z.B. erfordern sehr hohe Temperaturen. Je höher das Temperaturniveau, desto höher werden die Anforderungen an die verwendeten Werkstoffe. Diese sind daher wesentlicher Schwerpunkt aller weltweit laufenden Entwicklungsvorhaben. Als Elektrolyt dient in der SOFC das Schwermetall Zirconium. Dessen Salz, Zirconiumdioxid, ist ein hochgradig temperaturstabiler Werkstoff, der mit Yttrium dotiert wird, um eine gewisse Leitfähigkeit zu erreichen.

Es gibt bei der SOFC nicht nur planare Konzepte sondern auch so tubulare Designs. Kathode, Elektrolyt und Anode bilden konzentrisch ein Rohr, durch das Luft geleitet wird, an der Außenseite streicht das Brenngas vorbei. Die Rohre werden dann zu Stacks gestapelt und elektrisch miteinander verbunden. Andere Konzepte arbeiten auch mit abgeflachten Rohren.

Die Funktion der SOFC-Brennstoffzelle

 
• Schritt 1
  Die in zwei Kreisläufen getrennten Gase Sauerstoff und Wasserstoff wandern vom Gasraum in den Katalysator./li>  
• Schritt 2
  Die Wasserstoffmoleküle (H2) werden durch den Katalysator in zwei H+ Atome (Protonen) gespalten. Dabei gibt jedes Wasserstoffatom sein Elektron ab.
 
• Schritt 3
  Die Elektronen fließen von der Anode zu Kathode und bewirken einen elektrischen Stromfluß, der einen Verbraucher mit elektrischer Energie versorgt.
 
• Schritt 4
  Jeweils vier Elektronen an der Kathode rekombinieren mit einem Sauerstoffmolekül.
 
• Schritt 5
  Die nun entstandenen Sauerstoff-Ionen wandern durch den Elektrolyten (Yttriumdotiertes Zirkondioxid)) zur Anodenseite.
 
• Schritt 6
  Die Sauerstoff-Ionen geben ihre beiden negativen Ladungen an zwei Protonen ab und oxidieren mit diesen zu Wasser.

Anwendungen der Oxidkeramischen-Brennstoffzelle

Aufgrund der hohen Betriebstemperatur und der damit verbundenen hohen Brennstoffflexibilität eignet sich die SOFC für eine ganze Reihe von Anwendungen. Die hohe Temperatur lässt sich auskoppeln und in industriellen Prozessen verwenden. Systeme im Bereich einiger 100 kW machen daher im industriellen Kontext sinn. Aber auch Haussysteme in der Leistungsklasse 1-5 kW (elektrisch) wurden erprobt. Im Vergleich zu PEM-Brennstoffzellen hat die SOFC keine Probleme mit Erdgas als Brenngas und somit keinen Systemaufwand für einen Reformer. Andererseits ist die hohe Temperatur eher geeignet für kleinere Nahwärmenetze bzw. Gebäude mit hohem Wärmebedarf.

Im mobilen Bereich soll die SOFC zukünftig vor allem zur Bordstromerzeugung eingesetzt werden, etwa im LKW. Da sie mit Diesel betrieben werden kann, muss kein zusätzlicher Kraftstoff mitgeführt werden und der LKW kann auch ohne laufenden Motor Strom erzeugen.

Ein ähnliches Einsatzgebiet ist die Energieversorgung auf großen Schiffen. Diese können aufgrund der hohen Schadstoffbelastung in Häfen immer seltener konventionelle Dieselaggregate einsetzen. Die SOFC wäre eine sehr effiziente Lösung dieses Problems. Zudem erzeugt sie die Energie praktisch geräuschlos und ohne Vibrationen.

In den USA, in Japan und auch in Europa wird derzeit sehr intensiv an der SOFC Technologie gearbeitet.

Die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle - DMFC

Die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (Direct Methanol Fuel Cell - DMFC) verwendet  Methanol (ein Methanol-Wasser-Gemisch) direkt als Brennstoff. Als Elektrolyt dient ähnlich wie bei der PEM-Brennstoffzelle eine protonenleitende Membran. Es gibt allerdings auch Ansätze eine alkalische Membran zu verwenden. An der Anode wird das mit Wasser verdünnte Methanol zunächst in Wasserstoff und Kohlendioxid gespalten. Das Kohlendioxid wird mit dem mit dem flüssigen Methanol-Wasser-Gemisch von der Anode abgeführt. Die Anode wird mittels einer Pumpe immer vom Methanol-Wasser-Gemisch umspült. An der Kathode entsteht Wasser.

Flüssiges Methanol hat gegenüber gasförmigen Brenngasen einen Vorteil in der Speicherung. Insbesondere die hohe Energiedichte eines flüssigen Treibstoffs wirkt sich positiv aus. Allerdings ist Methanol sehr giftig, was absolut sichere und dichte Speicherbehälter erfordert. Die Arbeitstemperaturen von bis zu 120°C erfordern ein gewisses Augenmerk auf die Kühlung, insbesondere bei portablen Anwendungen.

Die Funktion der DMFC-Brennstoffzelle

 
• Schritt 1
  Die in zwei Kreisläufen getrennten Gase Sauerstoff an der Kathode und Methanol und Wasser an der Anode, wandern vom Gasraum in den Katalysator.
 
• Schritt 2
  Das Methanol (CH3OH) reagiert mit dem Wasser zu Kohlendioxid und Wasserstoff. Der Wasserstoff wird durch den Katalysator in zwei H+ Atome (Protonen) gespalten. Dabei gibt jedes Wasserstoffatom sein Elektron ab.
 
• Schritt 3
  Die Protonen wandern durch den Elektrolyten (Protonenleitende Polymer-Elektrolyt-Membran) zur Kathode.
 
• Schritt 4
  Die Elektronen fließen von der Anode zur Kathode und bewirken einen elektrischen Stromfluß, der einen Verbraucher mit elektrischer Energie versorgt.
 
• Schritt 5
  Jeweils vier Elektronen an der Kathode rekombinieren mit einem Sauerstoffmolekül. Anmerkung: In dieser Animation ist aus chemischen Gesichtspunkten ein Sauerstoffatom 'zu viel' an der Kathode dargestellt. In der Realität wird natürlich auch dieses zwei Elektronen aufnehmen und an der Reaktion teilnehmen.
 
• Schritt 6
  Die nun entstandenen Sauerstoff-Ionen sind negativ geladen und reagieren mit den Protonen zu Wasser.

Anwendungen der Direkt-Methanol Brennstoffzelle

Ihr bevorzugtes Einsatzgebiet sind derzeit kleine tragbare Systeme bei denen es auf geringes Gewicht und hohe elektrische Leistung ankommt. Die Firma Smart Fuel Cell in Ottobrunn bei München, hat erste kommerzielle Produkte für die DMFC auf den Markt gebracht: Etwa eine Energieversorgung für professionelle Videokameras. Selbst die besten Lithium-Akkus sind für diese Anwendung schnell überfordert. Die DMFC kann kontinuierlich so lange elektrische Energie liefern solange Methanol zugeführt wird. Ein Tankwechsel erfolgt in wenigen Sekunden. Ein ähnliches System wird auch für Wohnmobile angeboten.

Weitere Einsatzgebiete werden Notebook Computer und Mobiltelefone sein. Da derzeit weltweit intensiv an der DMFC entwickelt wird, ist in den nächsten Jahren mit einer breiteren Markteinführung zu rechnen. Insbesondere japanische Hersteller wollen in den nächsten Jahren mit sehr kompakten Systemen auf dem Markt sein. Für den direkten Einsatz etwa im Mobiltelefon sind noch weitere Schritte in der Miniaturisierung notwendig. Bis dieser erfolgt ist, gibt es zumindest so genannte Power-Packs, mit denen lassen sich Akkus unterwegs per Brennstoffzelle nachladen.

Die Schmelzcarbonat-Brennstoffzelle - MCFC

Die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (Molten Carbonate Fuel Cell - MCFC) gehört wie die SOFC zu den Hochtemperaturbrennstoffzellen. Ihre Arbeitstemperatur liegt typischerweise zwischen 600°C und 700°C und damit etwas niedriger als bei der SOFC. Als Brenngas wird vor allem Erdgas (oder Biogas/Synthesegas) verwendet. Ein Teil der Wärme wird in einem Vorreformer genutzt um das Brenngas in Kohlendioxid und Wasserstoff zu trennen. Der Wasserstoff wird der Anode zugeführt, das Kohlendioxid der Kathode.

Als Elektrolyt dient eine Salzschmelze aus Alkalikarbonaten (Li2CO3 / K2CO3).

Die Funktion der MCFC-Brennstoffzelle

 
• Schritt 1
  Die in zwei Kreisläufen getrennten Gase - Sauerstoff und Kohlendioxid an der Kathode und Wasserstoff an der Anode - wandern vom Gasraum in den Katalysator.
 
• Schritt 2
  Die Wasserstoffmoleküle (H2) werden durch den Katalysator in zwei H+ Atome (Protonen) gespalten. Dabei gibt jedes Wasserstoffatom sein Elektron ab.
 
• Schritt 3
  Die Elektronen treten fließen von der Anode zu Kathode und bewirken einen elektrischen Stromfluß, der einen Verbraucher mit elektrischer Energie versorgt.
 
• Schritt 4
  Jeweils vier Elektronen an der Kathode rekombinieren mit einem Sauerstoffmolekül.
 
• Schritt 5
  Die nun entstandenen Sauerstoff-Ionen sind negativ geladen und reagieren mit Kohlendioxid zu Karbonat-Ionen.
 
• Schritt 6
  Die negativ geladenen Karbonat-Ionen wandern durch den Elektrolyten (Salzschmelze) zu den positiv geladenen Protonen an der Anode.
 
• Schritt 7
  Die Karbonat-Ionen geben ihre beiden negativen Ladungen an zwei Protonen ab und oxidieren mit diesen zu Wasser. Durch die Abspaltung der Sauerstoff-Ionen vom Karbonat entsteht wieder Kohlendioxid.

Anwendungen der Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle

Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen werden für den stationären Einsatz entwickelt. Sie eignen sich besonders für die Kraft-Wärme-Kopplung in industriellen und gewerblichen Anwendungen, wo hohe Temperaturen benötigt werden (Prozesswärme).

Es werden Anlagen im Leistungsbereich von 300 kW entwickelt, aber auch größere Leistungen von mehreren Megawatt sind in der Entwicklung. Es gibt auch Überlegungen MCFC’s für große Schiffsantriebe zu nutzen.