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Brennstoffzellen-Typen

AFC, PEM, PAFC: Wenn von Brennstoffzellen die Rede ist, stehen meistens kryptische Abkürzungen dabei. Doch so geheimnisvoll, wie sie klingen, sind sie gar nicht. Sie kennzeichnen nämlich die sechs unterschiedlichen Typen von Brennstoffzellen, die es gibt. Die Funktionsweise ist bei allen gleich: Auf der einen Seite strömt Sauerstoff ein, auf der anderen Wasserstoff. Eine Schicht zwischen den Elektroden, der Elektrolyt, wirkt als Sperrschicht. Diese Schicht sorgt dafür, dass die Elektronen nicht einfach mitwandern, sondern ganz ordentlich den Weg über den äußeren Stromkreis nehmen. Und dieser Elektrolyt ist es, durch den sich die verschiedenen Brennstoffzellen-Typen unterscheiden - sie können entweder flüssig, aus Kunststoff oder aus Keramik sein. Davon hängt auch die Temperatur ab, die die Brennstoffzellen bei der Arbeit erreichen.

Alkalische Brennstoffzelle (AFC = Alkaline Fuel Cell)

Bei dem ältesten Modell der Brennstoffzelle befindet sich zwischen den Elektroden Kalilauge (KOH). Für Kalilauge ist nichts gefährlicher als Kohlendioxid, denn damit reagiert sie und ist dann als Elektrolyt nicht mehr brauchbar. Die zugeführten Gase, Wasserstoff und Sauerstoff müssen deshalb hochrein sein. Auch die Umgebungsluft darf nicht in Kontakt mit der Kalilauge kommen, denn auch sie enthält in geringen Mengen Kohlendioxid.

Die AFC-Brennstoffzelle wurde in der Raumfahrt zum Beispiel bei den Apollo-Missionen eingesetzt. Dabei war der hohe Aufwand, der zur Reinigung der Reaktionsgase betrieben werden musste, kein Thema. Für zivile Anwendungen ist sie weniger geeignet. Die meisten Hersteller haben deshalb schon Anfang der 70er Jahre ihre Produktion eingestellt.

Membranbrennstoffzelle (PEM = Proton Exchange Membrane)

Bei der PEM besteht der Elektrolyt aus einer Kunststofffolie, einer Polymermembran, die nur Protonen durchlässt. Wissenschaftler entwickeln immer neue Kunststoffe, die diese Eigenschaft haben. Damit sich an den Elektroden die gewünschten Reaktionen abspielen, muss eine dünne Schicht Platin als Katalysator aufgetragen werden. Weil Platin sehr teuer ist, suchen die Forscher nach Methoden, um mit möglichst wenig Platin auszukommen.

Die PEM-Brennstoffzelle ist in ihrer Handhabung sehr unkompliziert. Da sie mit dem Luftsauerstoff auskommt, sind keine aufwändigen Filter- und Reinigungsprozesse nötig. Sie wird genutzt für Autos, Busse und Transporter, kann aber auch für die Heizung von Wohnungen oder für den Betrieb von Blockheizkraftwerken eingesetzt werden.

Direkt-Methanol Brennstoffzelle (DMFC = Direct Methanol Fuel Cell)

Die DMFC ist eine Weiterentwicklung der PEM. Auch sie arbeitet mit Hilfe einer Kunststoffmembran. Als Brenngas braucht sie allerdings keinen Wasserstoff, sondern sie kann mit Methanol betrieben werden. Dies ist ein Vorteil, den vor allem die Autoindustrie schätzt. Die Versorgung von Autos mit Wasserstoff bereitet nämlich erhebliche Schwierigkeiten: Entweder muss er extrem gekühlt oder unter hohem Druck gespeichert werden. Methanol hingegen lässt sich ähnlich lagern und transportieren wie Benzin, setzt aber das klimaschädliche Kohlendioxid frei. Probleme bereitet es auch dadurch, dass die Elektroden rosten und so den Wirkungsgrad senken.

Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC = Phosphor Acid Fuel Cell)

Die PAFC ist eine für Blockheizkraftwerke und Kleinkraftwerke entwickelte Brennstoffzelle. Als Brenngas dient ein wasserstoffreiches Gas, das man aus Erdgas gewinnt. Der Sauerstoff kommt direkt aus der Luft. Als Elektrolyt dient Phosphorsäure, die in einem Kunststoffvlies gebunden ist. Die Betriebstemperatur beträgt etwa 200 Grad Celsius.

Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC = Molten Carbonate Fuel Cell)

Für den Einsatz in Kraftwerken eignet sich besonders die Karbonat-Brennstoffzelle. Sie erzeugt Temperaturen im Bereich von 650 Grad Celsius und ermöglicht eine optimale Nutzung der Abwärme, das heißt der Wärmeenergie, die im eigentlichen Arbeitsprozess nicht verbraucht wird und so weitergenutzt werden kann. Diese Zelle wird direkt mit Erdgas und Luftsauerstoff betrieben.

Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC = Solid Oxid Fuel Cell)

Die Festoxid-Brennstoffzelle ist vollständig aus Feststoffen aufgebaut, als Elektrolyt wird eine Keramik verwendet. Sie wird mit einer Betriebstemperatur von rund 1000 Grad Celsius betrieben. Teure Katalysatoren wie Platin sind nicht notwendig, denn diese Zelle kann direkt mit Erdgas betrieben werden. Sie eignet sich besonders für Großkraftwerke, die Abwärme kann zur Stromerzeugung in Gasturbinen genutzt werden.