Die Brennstoffzellen-Typen

Eine Brennstoffzelle

Brennstoffzelle

Die Brennstoffzellen-Typen

Von Martin Rosenberg und Wiebke Ziegler

Der Elektrolyt ist die Sperrschicht zwischen den Elektroden. Er kann entweder flüssig, aus Kunststoff oder aus Keramik sein. Davon hängt auch die Temperatur ab, die die Brennstoffzellen bei der Arbeit erreichen.

Alkalische Brennstoffzelle

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 (AFC = Alkaline Fuel Cell) wurde in der bemannten Raumfahrt zum Beispiel bei den Apollo-Missionen und in Space-Shuttles eingesetzt. Auch wenn neuere Entwicklungen unempfindlicher gegenüber CO2 sind, ist die Alkalische Brennstoffzelle für zivile Anwendungen weniger geeignet.

Membranbrennstoffzelle

Bei der PEFC (Polymer-Elektrolyt Fuel Cell), auch PEM genannt, besteht der Elektrolyt aus einer Kunststofffolie, einer Polymer-Membran, die nur Protonen durchlässt.

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 auszukommen.

Man unterscheidet zwei Arten von PEM-Brennstoffzellen: die Niedertemperaturzellen und die Hochtemperaturzellen. Der Hauptunterschied liegt in der Betriebstemperatur (90 beziehungsweise 180 Grad Celsius) und der Empfindlichkeit gegenüber Kohlendioxid.

Niedertemperaturzellen reagieren empfindlicher auf das Gas und können bei Kontakt in ihrer Leistungsfähigkeit eingeschränkt werden. Hochtemperaturzellen sind robuster.

Die PEM-Brennstoffzelle ist in ihrer Handhabung 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.

Zwei verschiedene Brennstoffzellen

Brennstoffzellen arbeiten mit verschiedenen Temperaturen

Direkt-Methanol-Brennstoffzelle

Die DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) ist eine Weiterentwicklung der PEM. Auch sie arbeitet mithilfe einer Kunststoffmembran. Als Brenngas braucht sie allerdings keinen Wasserstoff, sondern sie kann mit Methanol betrieben werden.

Einen Vorteil sehen Experten vor allem für kleine tragbare Geräte wie Laptop, Kamera oder Mobiltelefon, aber auch in der Fahrzeugtechnik kann sie eingesetzt werden.

Zudem ist die Speicherung von Methanol wesentlich einfacher als die von Wasserstoff. Dieser muss entweder extrem gekühlt oder unter hohem Druck gespeichert werden. Methanol hingegen lässt sich ähnlich lagern und transportieren wie Benzin.

Phosphorsäure-Brennstoffzelle

Die PAFC (Phosphor Acid Fuel Cell) 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. Aufgrund ihrer guten Eigenschaften ist dieser Brennstoffzellen-Typ besonders gut für den Dauerbetrieb geeignet.

Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle

Für den Einsatz in Kraftwerken eignet sich besonders die Karbonat-Brennstoffzelle (MCFC = Molten Carbonate Fuel Cell).

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

Die Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC = Solid Oxid Fuel Cell) ist vollständig aus Feststoffen aufgebaut, als Elektrolyt wird eine Keramik verwendet. Sie wird mit einer Betriebstemperatur zwischen 500 und 1000 Grad Celsius betrieben.

Teure Katalysatoren wie Platin sind nicht notwendig. Die Zelle kann direkt mit Erdgas, Diesel oder Benzin betrieben werden, aber auch Wasserstoff ist möglich. Sie eignet sich besonders für Großkraftwerke oder zur Stromerzeugung auf Schiffen. In Fahrzeugen könnte sie einmal die Batterie ersetzen.

WDR | Stand: 12.10.2018, 12:00

Darstellung: