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Lexikon der Physik: Brennstoffzelle

Brennstoffzelle, BZ, Brennstoffelement, Knallgaszelle, FC (englisch für fuel cell), ein galvanisches Element, bei dem die Elektrodenmaterialien kontinuierlich zugeführt werden, wohingegen diese bei Primärelementen einmalig verbraucht und bei Sekundärelementen (Akkumulator) durch zeitlich getrennte Ladevorgänge regeneriert werden. Brennstoffzellen werden nach ihrer Betriebstemperatur unterschieden in Niedertemperatur-Aggregate ( 100-200°C), Mitteltemperatur-Aggregate (ca. 100-600°C, z.B. phosphorsaure Brennstoffzellen) und Hochtemperaturtemperatur-Aggregate ( > 500°C, z.B. Oxidkeramik-Brennstoffzellen). Ein Überblick über die wichtigsten Typen von Brennstoffzellen gibt die Tabelle.

Brennstoffzelle: Typen von Brennstoffzellen (BZ).

Name und internationale Abkürzung Betriebstemp.
[°C]
Wirkungsgrad
[%]
Elektrolyt Brennstoff (außer O2) Anwendung
alkalische BZ (alkaline fuel cell, AFC) 80-90 50-65 Kalilauge (KOH) H2 Transport, Raumfahrt, Schiffahrt
Polymer-Elektrolytmembran-BZ (PEMFC) 80-90 50-60 Polymermembran (z.B. Nafion) H2, reformiertes Methan/ Methanol wie AFC, Elektroautos
Phosphorsaure BZ (phosphoric acid fuel cell, PAFC) 200 35-45 Phosphorsäure (H3PO4, über 300°C: HPO3) H2, reformiertes Methan Kraftwerke (1-100MW), Blockheizkraftwerke (50-500kW)
Schmelzkarbonat-BZ (molten carbonate fuel cell, MCFC) 650 45-60 Calciumcarbonat (CaCO3) H2, Methan wie PAFC
Oxidkeramik-/Festkeramik-BZ (solid oxide fuel cell, SOFC) 850-1000 50-60 Zirkonoxid (ZrO2) H2, Methan, Kohlegas wie PAFC

Das Prinzip der Brennstoffzelle beruht darauf, daß bei einer Redoxreaktion (z.B.

I) die Dissoziations- oder Anodenreaktion (

, II) und die Bildungs- oder Kathodenreaktion (

, III) räumlich getrennt ablaufen, wobei der Elektronenaustausch über einen externen Verbraucher geleitet wird. Da der größte Teil der Bildungsenthalpie (Bildungswärme) des H2O als elektrische Energie und nicht als Wärme frei wird, spricht man auch von einer "kalten Verbrennung". Der Aufbau einer Brennstoffzelle (Abb. 1) besteht aus zwei getrennten Brennstoffkammern, die über eine für Ionen permeable Schicht (Ionenleiter) verbunden sind, welche für Elektronen und neutrale Gase idealerweise nichtleitend ist. Die Elektroden stehen in gutem elektrischem Kontakt mit dem Ionenleiter und befinden sich jeweils zwischen den Brennstoffkammern und dem Ionenleiter. Die bei der Anodenreaktion freigesetzten Ionen wandern durch den Ionenleiter und anschließend durch die Kathode in die kathodenseitige Brennkammer. Die Elektronen wandern gleichzeitig im externen Kreis von der Anode zur Kathode, wobei sie Stromarbeit verrichten können.

Bei der Berechnung des Wirkungsgrades einer Brennstoffzelle ist zu berücksichtigen, daß nicht die gesamte Bildungsenthalpie ΔH der Anodenreaktion für die Erzeugung elektrischer Energie zur Verfügung steht, sondern nur die Gibbssche Enthalpie ΔG = ΔHTΔS, da die Entropie S des Produkts der Bildungsreaktion geringer sein kann als die der Reaktanden, in diesem Fall wird die Wärme ΔQ = TΔS frei (T: Reaktionstemperatur). Wirkungsgrad η = ΔGH = 1 – TΔSH.

Bei der Umsetzung von CH4 und O2 zu CO2 und H2O ist ΔS = 0, also η = 1, bei der wichtigen Reaktion von H2 und O2 zu H2O ist dagegen ΔS = 44,4 kJ/(K · kmol). Um im Gesamtsystem ΔS = 0 zu erreichen, muß hier Wärme frei werden, diese Abwärme könnte allenfalls in Blockheizkraftwerken mitgenutzt werden, wodurch wieder η = 1 erreicht werden könnte (s. u.).

Die Zellspannung U0 (Leerlaufspannung) erhält man aus der Forderung, daß die erzeugte elektrische Energie gleich ΔG sein muß, d.h.

(n: Zahl der umgesetzten Mole, NA: Avogadro-Konstante, F: Faraday-Konstante). Bei Stromentnahme ist der "praktische" Wirkungsgrad, das Verhältnis von Klemmenspannung unter Belastung und theoretischer Leerlaufspannung, kleiner als der theoretische und abhängig von der Stromdichte (Abb. 2): Nach einem schnellen Abfall bei kleinen Stromdichten gibt es bei mittleren Stromdichten einen quasilinearen Bereich, in dem der ohmsche Widerstand des Elektrolyten und die begrenzte Reaktionsgeschwindigkeit dominieren. Bei großen Stromdichten ( > 800mA/cm2) fällt die Zellspannung aufgrund der Diffusionshemmung ganz ab: Es können nicht mehr ausreichend Reaktionspartner heran- und Reaktionsprodukte abgeführt werden.

Der auf den Einsatz an Primärenergie bezogene Wirkungsgrad von Brennstoffzellen ist deutlich größer als bei der Stromerzeugung durch Kraft-Wärme-Kopplung in Verbrennungs- oder Kernkraftwerken. Brennstoffzellen können eine wichtige Rolle als Bindeglied zwischen konventionellen und erneuerbaren Formen der Energienutzung spielen. Besonders interessant ist dabei die Erzeugung von molekularem Wasserstoff durch Solarenergie (solare Wasserstoffwirtschaft). Ein großer Nachteil dieses Verfahrens ist jedoch der dann erforderliche weiträumige Transport bzw. die Lagerung von hochexplosivem Wasserstoffgas. Eine andere Möglichkeit besteht darin, Methan oder Methanol unter Ausnutzung der Abwärme von Hochtemperatur-Brennstoffzellen katalytisch in Wasserstoff und CO2 umzuwandeln (Reformierung), bei Methanol z.B. nach der Gleichung CH3OH + H2O⇔3H2 + CO2. Der Nachteil des zusätzlichen Energieaufwands wird dadurch aufgewogen, daß Methanol als Flüssigkeit aufgrund der im Vergleich zu H + -Gas unter Normalbedingungen fast 104-mal größeren Dichte wesentlich leichter und sicherer zu transportieren ist, was vor allem für den Einsatz im Straßenverkehr von Vorteil ist. Außerdem kann Methanol effizient aus Erdgas oder Kohlegas gewonnen werden, in Zukunft wahrscheinlich auch aus Biomasse (regenerative Energien). Außer der Brennstoffversorgung besteht die größte technische Schwierigkeit im Auffinden von Werkstoffen, die beständig gegenüber den z.T. sehr hohen Betriebstemperaturen und der Korrosion durch Sauerstoff, Wasserstoff und Wasserdampf sind.

Das Prinzip der Brennstoffzelle wurde bereits 1839 von dem englischen Physiker W. Grove zusammen mit der thermischen Zersetzung von Wasserdampf entdeckt. Die Entdeckung des elektrodynamischen Prinzips (Erzeugung von elektrischer Energie mit Gleichstromgeneratoren bzw. Wechselstromgeneratoren) durch W. v. Siemens drängte die elektrochemische Energieerzeugung jedoch zunächst in den Hintergrund. In der Folge erlangten nur Batterien und Akkumulatoren technische Bedeutung. Erst für die Bordenergieversorgung in Raumfahrzeugen und U-Booten wurde die Brennstoffzelle in den sechziger Jahren wiederentdeckt: Der erste Einsatz waren 1963 die Gemini-Missionen mit einer Stromversorgung durch Alkali-Brennstoffzellen (AFC), auch das Space Shuttle besitzt solche Zellen (drei unabhängige Brennstoffzellensysteme mit je 92kg bzw. 14kW). Dabei wird das "Abfallprodukt" H2O zur Wasserversorgung der Besatzung (ca. 7Liter/Stunde) verwendet. Der praktische Wirkungsgrad von modernen, in der Raumfahrt eingesetzten Brennstoffzellen konnte auf über 80% gesteigert werden.

Zukünftige Anwendungen der Brennstoffzelle liegen in der nachhaltigen Energieversorgung in der Solar-Wasserstoff-Kreislaufwirtschaft, als netzunabhängige Stromversorgung für Elektroautos und in Groß- und Blockheizkraftwerken, bei denen die Abwärme entweder als Fernwärme oder ebenfalls zur Stromgewinnung genutzt wird. [OP]



Brennstoffzelle 1: Bei der Umsetzung von Sauerstoff und Wasserstoff zu Wasser werden an der Anode Elektronen freigesetzt, die als nutzbarer Strom zur Kathode fließen. Mit dem ionisierten Sauerstoff werden sie wieder zurücktransportiert.



Brennstoffzelle 2: Klemmenspannung in Abhängigkeit von der Stromdichte bei einer leistungsstarken Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit dem typischen schnellen Abfall bei niedrigen Stromdichten und einem fast linearen Verlauf bei höheren.

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Dr. Berndt Koslowski, Ulm [BK] (A) (Essay Ober- und Grenzflächenphysik)
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Dr. Nikolaus Nestle, Leipzig [NN] (A, B) (05, 20; Essays Molekularstrahlepitaxie, Ober- und Grenzflächenphysik und Rastersondenmikroskopie)
Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06)
Dr. Ulrich Parlitz, Göttingen [UP1] (A) (11)
Christof Pflumm, Karlsruhe [CP] (A) (06, 08)
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Michael Schmid, Stuttgart [MS5] (A) (Essay Nanoröhrchen)
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Dr. Annette Vogt, Berlin [AV] (A) (02)
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Dr. Katja Bammel, Cagliari, I [KB2] (A) (13)
Doz. Dr. Hans-Georg Bartel, Berlin [HGB] (A) (02)
Steffen Bauer, Karlsruhe [SB2] (A) (20, 22)
Dr. Günther Beikert, Viernheim [GB1] (A) (04, 10, 25)
Prof. Dr. Hans Berckhemer, Frankfurt [HB1] (A, B) (29; Essay Seismologie)
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Dr. Roger Erb, Kassel [RE1] (A) (33)
Dr. Angelika Fallert-Müller, Groß-Zimmern [AFM] (A) (16, 26)
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Andrea Greiner, Heidelberg [AG1] (A) (06)
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Dr. Hermann Hinsch, Heidelberg [HH2] (A) (22)
Priv.-Doz. Dr. Dieter Hoffmann, Berlin [DH2] (A, B) (02)
Dr. Gert Jacobi, Hamburg [GJ] (B) (09)
Renate Jerecic, Heidelberg [RJ] (A) (28)
Prof. Dr. Josef Kallrath, Ludwigshafen [JK] (A) (04)
Priv.-Doz. Dr. Claus Kiefer, Freiburg [CK] (A) (14, 15)
Richard Kilian, Wiesbaden [RK3] (22)
Dr. Ulrich Kilian, Heidelberg [UK] (A) (19)
Thomas Kluge, Jülich [TK] (A) (20)
Dr. Achim Knoll, Karlsruhe [AK1] (A) (20)
Dr. Alexei Kojevnikov, College Park, USA [AK3] (A) (02)
Dr. Bernd Krause, München [BK1] (A) (19)
Dr. Gero Kube, Mainz [GK] (A) (18)
Ralph Kühnle, Heidelberg [RK1] (A) (05)
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Priv.-Doz. Dr. Axel Lorke, München [AL] (A) (20)
Prof. Dr. Jan Louis, Halle (A) (Essay Stringtheorie)
Dr. Andreas Markwitz, Lower Hutt, NZ [AM1] (A) (21)
Holger Mathiszik, Celle [HM3] (A) (29)
Dr. Dirk Metzger, Mannheim [DM] (A) (07)
Dr. Rudi Michalak, Dresden [RM1] (A) (23; Essay Tieftemperaturphysik)
Günter Milde, Dresden [GM1] (A) (12)
Helmut Milde, Dresden [HM1] (A) (09)
Marita Milde, Dresden [MM2] (A) (12)
Prof. Dr. Andreas Müller, Trier [AM2] (A) (33)
Prof. Dr. Karl Otto Münnich, Heidelberg (A) (Essay Umweltphysik)
Dr. Nikolaus Nestle, Leipzig [NN] (A, B) (05, 20)
Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06)
Priv.-Doz. Dr. Ulrich Parlitz, Göttingen [UP1] (A) (11)
Christof Pflumm, Karlsruhe [CP] (A) (06, 08)
Dr. Oliver Probst, Monterrey, Mexico [OP] (A) (30)
Dr. Roland Andreas Puntigam, München [RAP] (A) (14)
Dr. Gunnar Radons, Mannheim [GR1] (A) (01, 02, 32)
Dr. Max Rauner, Weinheim [MR3] (A) (15)
Robert Raussendorf, München [RR1] (A) (19)
Ingrid Reiser, Manhattan, USA [IR] (A) (16)
Dr. Uwe Renner, Leipzig [UR] (A) (10)
Dr. Ursula Resch-Esser, Berlin [URE] (A) (21)
Dr. Peter Oliver Roll, Ingelheim [OR1] (A, B) (15)
Hans-Jörg Rutsch, Walldorf [HJR] (A) (29)
Rolf Sauermost, Waldkirch [RS1] (A) (02)
Matthias Schemmel, Berlin [MS4] (A) (02)
Prof. Dr. Erhard Scholz, Wuppertal [ES] (A) (02)
Dr. Martin Schön, Konstanz [MS] (A) (14; Essay Spezielle Relativitätstheorie)
Dr. Erwin Schuberth, Garching [ES4] (A) (23)
Jörg Schuler, Taunusstein [JS1] (A) (06, 08)
Dr. Joachim Schüller, Dossenheim [JS2] (A) (10)
Richard Schwalbach, Mainz [RS2] (A) (17)
Prof. Dr. Klaus Stierstadt, München [KS] (B)
Dr. Siegmund Stintzing, München [SS1] (A) (22)
Dr. Berthold Suchan, Gießen [BS] (A) (Essay Wissenschaftsphilosophie)
Cornelius Suchy, Brüssel [CS2] (A) (20)
Dr. Volker Theileis, München [VT] (A) (20)
Prof. Dr. Stefan Theisen, München (A) (Essay Stringtheorie)
Dr. Annette Vogt, Berlin [AV] (A) (02)
Dr. Thomas Volkmann, Köln [TV] (A) (20)
Rolf vom Stein, Köln [RVS] (A) (29)
Dr. Patrick Voss-de Haan, Mainz [PVDH] (A) (17)
Dr. Thomas Wagner, Heidelberg [TW2] (A) (29)
Manfred Weber, Frankfurt [MW1] (A) (28)
Dr. Martin Werner, Hamburg [MW] (A) (29)
Dr. Achim Wixforth, München [AW1] (A) (20)
Dr. Steffen Wolf, Berkeley, USA [SW] (A) (16)
Dr. Stefan L. Wolff, München [SW1] (A) (02)
Priv.-Doz. Dr. Jochen Wosnitza, Karlsruhe [JW] (A) (23)
Dr. Kai Zuber, Dortmund [KZ] (A) (19)
Dr. Werner Zwerger, München [WZ] (A) (20)

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