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Brennstoffzellen mit Polymermembranen für mobile Anwendungen


Der konventionelle Verbrennungsmotor mit seinem hohen Entwicklungsstand ist derzeit das kompakteste Antriebssystem für Automobile. Sein innerer Wirkungsgrad liegt immerhin bei 40 Prozent im Bestpunkt. Doch beträgt der mittlere Gesamtwirkungsgrad von der Gewinnung der Primärenergie über die Umwandlung bis zur Übertragung auf das Rad weniger als 20 Prozent.

Elektroantriebe mit geeigneten Batterien als Stromspeicher können zwar auch sehr kompakte Lösungen etwa für Stadtfahrzeuge bieten, größere Reichweiten sind aber bislang wegen des dann hohen Batteriegewichts nicht möglich. Außerdem werden bei so ausgerüsteten Fahrzeugen die Verluste und Emissionen bei der Umwandlung von Primär- in Nutz-energie lediglich von der Straße zum Kraftwerk verlagert.

Die Brennstoffzelle als kleines Bordkraftwerk in Verbindung mit einem Elektroantrieb bildet hingegen ein neues Antriebskonzept mit einigen Vorteilen:

- keine Schadstoff-Emissionen am Fahrzeug,

- minimale Emissionen über die gesamte Energiewandlungskette,

- deutlich höherer Gesamtwirkungsgrad bezogen auf die Primärenergie,

- lange Betriebsdauer,

- volle Kompatibilität mit Energiequellen wie Erdgas und nachwachsende Rohstoffe, die für den Verkehr derzeit erst versuchsweise genutzt werden,

- Reichweiten und Wiederbefüllung vergleichbar den Gegebenheiten heutiger Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor.

Damit ließe sich ein merklicher Beitrag dazu leisten, verkehrsbedingte Schadstoff-Emissionen und den Verbrauch von Energieressourcen zu verringern. Dementsprechend sind Automobilhersteller und eine Vielzahl von Forschungsinstituten weltweit an einschlägigen Entwicklungsprojekten beteiligt.


Polymere als Elektrolyt

Das amerikanische Energieversorgungsunternehmen General Electric hatte 1963 eines der ersten Brennstoffzellen-Systeme entwickelt; mit einer Leistung von einem Kilowatt versorgte es alle Gemini-Raumkapseln. Als Elektrolyt diente eine Membran aus sulfoniertem Polystyrol, das also Sulfonsäure-Gruppen (SO3H) trägt. Die Leistungsdichte dieser Zellen war mit etwa 30 Milliwatt pro Quadratzentimeter fast dreißigfach geringer, als sie mit heute verfügbaren Materialien möglich ist.

Für die nächste Generation dieser PEM-Brennstoffzelle (benannt nach polymer electrolyte membrane) benutzte das Unternehmen bereits einen Prototypen des von dem Kunststoffhersteller Du Pont de Nemours entwickelten Nafions, eines protonenleitenden Membranmaterials auf der Basis eines perfluorierten sulfonierten Polymers (alle Wasserstoffatome sind durch Fluor ersetzt). Damit erreichte man 1969 im Energieversorgungssystem eines Satelliten 350 Watt.

Weil die Betriebsdauer der ersten Produkte auf wenige hundert Stunden beschränkt war und zudem hohe Kosten anfielen, blieb dieser Typ in den folgenden Jahren auf einige Anwendungen in Mi-litär- und Raumfahrtprogrammen beschränkt. Erst die 1988 präsentierte Hochleistungsmembran des US-Konzerns Dow-Chemical erlaubte in Verbindung mit Entwicklungen der kanadischen Firma Ballard Power Systems, eine solche Brennstoffzelle mit Luft und reformierten Kohlenwasserstoffen anstatt mit Sauerstoff und Wasserstoff zu betreiben. Dieser Erfolg motivierte zu weiteren Forschungsaktivitäten.

Die Stärken des PEM-Konzepts im Vergleich zu anderen liegen in der einfach zu handhabenden protonenleitenden Polymerfolie, einer Arbeitstemperatur unter 100 Grad Celsius und sehr hohen Leistungsdichten. Mittlerweile scheint es damit möglich, kompakte, hocheffiziente und kostengünstige Systeme zu realisieren, um beispielsweise Elektrofahrzeuge mit Strom zu versorgen.


Funktionsweise und Aufbau

Eine PEM-Brennstoffzelle besteht aus der Elektrolytmembran, den darauf beidseitig aufgebrachten Katalysatoren und Elektroden sowie den sogenannten Bi-polarplatten, die für die Zuführung der Gase und die Ableitung des erzeugten Stromes erforderlich sind (Bild 1).

Die Membran ist eine nur Zehntelmillimeter dicke Folie aus einem sulfonierten Fluorocopolymer, quasi ein Festelektrolyt, der die Reaktionsgase Sauerstoff und Wasserstoff trennt und nur Protonen (H+) durchläßt. Diese entstehen an der Anode durch Oxidation von Wasserstoff, wobei Elektronen freigesetzt werden. Gleichzeitig findet die Reduktion des Luftsauerstoffs zu Wasser an der Kathode auf der gegenüberliegenden Seite des Elektrolyten statt. Die dabei zwischen den beiden Elektroden erzeugte Potentialdifferenz ist die treibende Kraft der Brennstoffzellen-Reaktion und läßt sich in einem äußeren Stromkreis in elektrische Arbeit umwandeln.

Eine große Anzahl funktioneller Zentren in der Polymerkette sorgt für eine hohe Ionenleitfähigkeit der Membran. Typischerweise werden Werte von 0,1 pro Ohm und Zentimeter bei einer Folienstärke von etwa 0,1 Millimetern erreicht.

Um die Elektrodenreaktionen zu beschleunigen, ist auf beide Seiten der Membran eine feine Schicht eines Edelmetallkatalysators wie Platin aufgebracht, der wiederum mit einer porösen Stützstruktur gekoppelt ist. Dieser Verbund, als Membran-Elektroden-Einheit bezeichnet, bildet das Herzstück der Zelle. Noch vor wenigen Jahren waren 4 Milligramm Katalysatormaterial pro Quadratzentimeter erforderlich; doch genügen nach neueren Forschungen wohl auch um 0,1 Milligramm, ohne daß Leistungseinbußen hinzunehmen wären, was die Kosten drastisch reduzieren und die Wirtschaftlichkeit verbessern würde.

Die Bipolarplatten dienen dazu, die Reaktanden Sauerstoff oder Luft und Wasserstoff gleichmäßig an die Elektroden heranzuführen sowie Strom und erzeugte Wärme abzuleiten. Sie schließen die Membran-Elektroden-Einheit von beiden Seiten ein und bilden mit ihr eine Einzelzelle, die kleinstmögliche Konfiguration einer Brennstoffzelle. Über sie wird auch das Kühlmittel verteilt, um die Betriebstemperatur auf dem gewünschten Niveau zu halten, und das Produktwasser entsorgt; außerdem trennen sie Reaktionsgas- und Kühlkanäle.

Schließlich dienen diese Platten dazu, mehrere Einzelzellen elektrisch zu koppeln. So entsteht ein Stapel oder – im Fachjargon – Stack, der zwischen zwei Endplatten fixiert ist; die Anzahl der Komponenten beziehungsweise die wirksame Elektrodengesamtfläche richtet sich nach den Anforderungen bezüglich Spannung und Strom. Derzeit läßt sich ein Leistungsgewicht bis zu einem Kilowatt pro Kilogramm mit Flächenleistungen von etwa einem Watt pro Quadratzentimeter bei Stromdichten von etwa zwei Ampere pro Quadratzentimeter erreichen. Die Zellenspannungen betragen 0,6 bis 1,0 Volt. Der Wirkungsgrad solcher Aggregate von Zellen, die bei Temperaturen um 90 Grad Celsius und bei Drücken zwischen 2 und 5 bar betrieben werden, liegt zwischen 50 und 80 Prozent.


Peripherie bei Wasserstoff-Versorgung

Komplettiert wird ein Stack mit Komponenten, die unter anderem die Zellen mit den Gasen versorgen und sie kühlen. Die technische Ausführung dieser Peripherie und sämtliche Kenndaten des Gesamtsystems sind stark von der Wahl der Prozeßgase abhängig.

Die einfachste Variante nutzt direkt Wasserstoff und Sauerstoff aus Druckspeichern. Hinzu kommen dann im wesentlichen Druckregelungen und Rezirkulationssysteme für die Prozeßgase, Kondensatoren zur Entsorgung des Produktwassers und ein Kühlkreislauf.

Solche Systeme wurden vor allem für die Gemini- und Apollo-Kapseln sowie für das Space Shuttle gebaut. In der bemannten Raumfahrt sind Wasserstoff und Sauerstoff für Antrieb und Lebenserhaltung freilich ohnehin verfügbar und weder Kosten noch gesamter Primär- energie-Verbrauch von so entscheidender Bedeutung wie auf der Erde. Zudem ermöglichen diese Systeme, sofern keine aufwendige Speicherung vonnöten ist, Leistungsdichten von mehr als einem Kilowatt pro Kilogramm bei Systemwirkungsgraden von mehr als 60 Prozent.

Für den Einsatz im Straßenverkehr stellt sich die Frage, wie Wasserstoff kostengünstig zu erzeugen und im Fahrzeug zu speichern ist. Der geläufigste Prozeß zu seiner Gewinnung ist sicherlich die Elektrolyse. Obwohl moderne Anlagen 80 Prozent des eingesetzten Stroms zur Zersetzung von Wasser nutzen können, liegt der Gesamtwirkungsgrad, bei dem auch der Einsatz von Primärenergie zur Stromerzeugung berücksichtigt wird, hierzulande (entsprechend dem deutschen Energiemix) nur bei etwa 25 Prozent.

Das zur Zeit billigste und deshalb übliche Verfahren erzeugt Wasserstoff aus Erdgas, das im wesentlichen Methan (CH4) enthält. Nach der skizzierten Reformierung wird der Brennstoff noch gereinigt. Der Gesamtwirkungsgrad ist mit etwa 70 Prozent deutlich höher.

Um genügend Wasserstoff im Automobil mitzuführen, eignen sich verschiedene Techniken:

- Die Druckgasspeicherung benötigt ein hohes Speichervolumen von mindestens 50 Liter Tankvolumen pro Kilogramm Wasserstoff bei einem Druck von 220 bar sowie Energie zur Kompression des Gases (die Reichweite eines Mittelklassewagens beträgt etwa 100 Kilometer pro Kilogramm gespeicherten Wasserstoffs).

- Die kryogene Speicherung, also die von flüssigem, stark gekühltem Wasserstoff, ermöglicht zwar hohe Speicherdichten, die Verflüssigung verbraucht aber etwa 30 Prozent des Energieinhalts; zudem verdampfen pro Tag etwa zwei Prozent des Wasserstoffs.

- Die chemische Speicherung in Metallhydriden ermöglicht eine hohe Speicherdichte in bezug auf das Volumen, die in bezug auf das Gewicht ist jedoch eher gering; zudem dauert das Auftanken lang, und die Tanks können nicht beliebig oft be- und entladen werden.

Die erforderlichen schweren und vor allem voluminösen Tanks sowohl für Wasserstoff als auch für Sauerstoff sowie das Fehlen einer Infrastruktur für die Wasserstoff-Versorgung hemmen allerdings eine breite Anwendung in Brennstoffzellen-Fahrzeugen.

Immerhin kann man PEM-Zellen auch mit Luft betreiben und so auf die Erzeugung und Speicherung von Sauerstoff verzichten. Allerdings geht durch dessen niedrigeren atmosphärischen Partialdruck die Leistungsdichte deutlich zurück. Eine ausgleichende Luftverdichtung wiederum verbraucht einen um so höheren Anteil der produzierten elektrischen Energie, je mehr Leistung der Kompressor aufnimmt; deshalb geht man in der Regel Kompromisse mit relativ geringen Drücken ein.

Während sich bei diesem Konzept auf der Wasserstoff-Seite nichts ändert, ebensowenig bei der Kühlung, werden luftseitig anstelle der Druckregelung der Kompressor sowie einige periphere Komponenten wie Luftfilter und Schalldämpfer benötigt (Bild 2). Mit Wasserstoff/Luft-Aggregaten sind gegenwärtig Systemwirkungsgrade von etwa 50 Prozent und Systemleistungsdichten bis etwa 0,3 Kilowatt pro Kilogramm zu erreichen.


Methanol und Erdgas als Alternativen

Will man die Zellen nun auch mit einem leichter verfügbaren und zu speichernden Brennstoff wie Erdgas oder insbesondere Methanol betreiben, muß man den Kohlenwasserstoff zunächst durch Reformierung in ein wasserstoffreiches Gas umwandeln (Bild 3). Dabei werden Brennstoff und Wasser dosiert aus den drucklosen Tanks in einen Verdampfer gefördert. Das überhitzte Dampfgemisch leitet man über einen Katalysator, den sogenannten Reformer, wo es sich bei weiterer Wärmezufuhr im Falle von Methanol hauptsächlich nach der Gleichung , also im wesentlichen zu Wasserstoff und Kohlendioxid zersetzt. Der etwa ein- bis zweiprozentige Anteil von Kohlenmonoxid (CO) muß vor Eintritt in die PEM-Brennstoffzelle entfernt werden, weil der Katalysator dieses Gas nur begrenzt toleriert; dazu bieten sich vor allem Verfahren wie die CO-Methanisierung, die selektive CO-Oxidation sowie Membrantrennverfahren an. Schließlich führt man das Brenngas der Anode zu, wo der Wasserstoff zum größten Teil umgesetzt wird. Das noch wasserstoffhaltige Restgas dient zur Wärmeerzeugung für die Verdampfung und den energieaufwendigen Reformierprozeß. Auch Methanol gewinnt man aus Erdgas oder alternativ aus Kohlegas; der Wirkungsgrad dieses vorgelagerten Schrittes beträgt etwa 70 Prozent bezogen auf den Primärenergie-Einsatz. Langfristig dürfte auch die Methanol- erzeugung aus Biomasse interessant werden, weil sich damit im großen Maßstab eine regenerative Energiequelle erschließen ließe. Der besondere Vorteil des Methanols gegenüber Wasserstoff ist zum einen die hohe Speicherdichte dieses flüssigen Kohlenwasserstoffs und seine einfache Handhabung. Zum anderen ließe sich als Infrastruktur für Transport, Lagerung und Verteilung das vorhandene Tankstellennetz nutzen.

Ausblick auf die Praxis

Noch bedürfen nahezu alle Techniken und Komponenten einiger Entwicklung, um die Einzel- und Gesamtleistung zu steigern, um die Aggregate zu vereinfachen und serientauglich zu machen und um die Kosten zu verringern. Prototypen demonstrieren jedoch schon derzeit die Machbarkeit und die guten Eigenschaften solcher Systeme in Verbindung mit dem Fahrzeug.

Beispiele sind ein Stadtbus der erwähnten Firma Ballard mit rund 100 und der Kleintransporter "Necar" von Daimler-Benz mit etwa 50 Kilowatt elektrischer Leistung, der mit Wasserstoff aus einem Drucktank und normaler Luft betrieben wird. Die Verdichterleistung regelt der Fahrer über eine Steuerungselektronik mittels Gaspedal. Die bei der Kühlung der Brennstoffzellen gewonnene Abwärme läßt sich zur Heizung des Wagens nutzen.

In einer zweiten Generation dieses Transporters soll die Methanol-Reformierung erprobt werden. Zudem wird die Energieversorgung im Motorraum und in der Bodengruppe verschwinden.

Der Einsatz von Brennstoffzellen im Personenwagen stellt sicherlich die höchsten Anforderungen etwa an Kosten, Robustheit und Betriebsverhalten; aber die Versuche zeigen, daß auch an andere Potentiale im Verkehrsbereich zu denken ist – selbst an Bahn- und Schiffsantriebe. Des weiteren eignen sich PEM-Brennstoffzellen als stationäre dezentrale Energieversorgungseinheiten, insbesondere im Leistungsbereich zwischen 10 und 100 Kilowatt elektrischer Leistung bei ungefähr gleicher thermischer Abwärmeleistung, die auf dem für Heizzwecke interessanten Temperaturniveau von 60 bis 80 Grad Celsius liegt.

Die spezifischen Kosten der gegenwärtig gebauten Prototypen liegen bei mehreren tausend Mark pro Kilowatt. Mit Beginn einer breiteren Erprobungsphase noch vor der Jahrhundertwende, so erwarten Forscher von Daimler Benz, dürften sie sich deutlich reduzieren. Mit dem Einzug in die Serienproduktion ist zu erwarten, daß die Kosten auf ein akzeptables Niveau sinken, also etwa in der Größenordnung heutiger Verbrennungsmotoren liegen werden.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 7 / 1995, Seite 97
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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