Titelbild Wasserstoff Brennstoffzellenauto

Elektrischer Antrieb – die Brennstoffzelle

Bei einer Brennstoffzelle handelt es sich um einen Energiewandler. Bei der in einer Brennstoffzelle stattfindenden elektrochemischen Reaktion handelt es sich grundsätzlich um eine umgekehrte Elektrolyse, wobei Wasserstoff und Sauerstoff miteinander reagieren und elektrischer Strom entsteht. Der Wasserstoff, aus dem der elektrische Strom erzeugt wird, kann der Brennstoffzelle entweder in Reinform oder in gasförmiger Verbindung (beispielsweise in Form von Erdgas oder Biogas) bereitgestellt werden.

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Unterschiede zwischen den Brennstoffzellentypen

Es gibt eine Vielzahl an unterschiedlichen Brennstoffzellentypen (siehe folgende Tabelle), die im Prinzip ähnlich aufgebaut sind und damit verfügen alle über, durch einen Elektrolyten getrennte, Anode und Kathode. Der verwendete Elektrolyt entscheidet dabei über den elektrischen Wirkungsgrad, Betriebstemperatur und Produktionskosten.

Brennstoffzelle Elektrolyt Arbeitstemperatur Elektrischer Wirkungsgrad Brenngas (Oxydant)
AFC
(Alkalische Brennstoffzelle)
Kalilauge Raumtemperatur bis 90 °C 60-70 % H2
(O2)
PEMFC
(Membran-Brennstoffzelle)
Protonleitende Membran Raumtemperatur bis 80 °C 50-70 % H2
(O2, Luft)
DMFC
(Direkt-Methanol-Brennstoffzelle)
Protonleitende Membran Raumtemperatur bis 130 °C 20-30 % CH3OH Methanol
(O2, Luft)
PAFC
(Phosphorsäure-Brennstoffzelle)
Phosphorsäure 180-220 °C 55 % Erdgas, Biogas, H2
(O2, Luft)
MCFC
(Karbonatschmelzen-Brennstoffzelle)
Alkalicarbonatschmelzen 620-660 °C 65 % Erdgas, Kohlegas, Biogas, H2
(O2, Luft)
SOFC
(Oxidkeramische Brennstoffzelle)
Yttriumstabilisiertes Zirkonoxid 800-1000 °C 60-65 % Erdgas, Kohlegas, Biogas, H2
(O2, Luft)

Besonderheiten und Anwendungen der verschiedenen Brennstoffzellenarten

Die verschiedenen Brennstoffzellentypen weisen unterschiedliche Besonderheiten und Anwendungsmöglichkeiten auf, die in der Tabelle unterhalb aufgelistet sind. Die AFC benötigt für den Betrieb reinen Wasserstoff und reinen Sauerstoff und ist zudem empfindlich gegenüber der Umgebungsluft. Somit ist nur der Einsatz in abgeschlossenen Systemen möglich. Die MCFC und SOFC arbeiten bei sehr hohen Temperaturen, was die Verwendung in einem Fahrzeug ausschließt. Die PAFC erfüllt durch die als Elektrolyt verwendete Säure die Sicherheitsansprüche nicht. Allein die PEMFC eignet sich durch das flexible Betriebsverhalten, hohen Wirkungsgrad und angemessenen Arbeitstemperaturen für den Einsatz als Elektroenergiewandler in einem Fahrzeug.

Brennstoffzellentyp Besonderheiten Anwendungen
AFC
(Alkaline Fuel Cell)
Hoher Wirkungsgrad, nur geeignet für reinen Sauerstoff und Wasserstoff Raumfahrt, Verteidigungstechnik
PEMFC
(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)
Sehr flexibles Betriebsverhalten, hohe Leistungsdichte Fahrzeuge, dezentrale Stromerzeugung, Blockheizwerke (BHWK, kleinere Anlagen)
PAFC
(Phosphoric Acid Fuel Cell)
Begrenzter Wirkungsgrad, Korrosionsprobleme Dezentrale Stromerzeugung, Strom-Wärme-Kopplung
MCFC
(Molten Carbonate Fuel Cell)
Komplexe Prozessführung, Korrosionsprobleme Zentrale und dezentrale Stromerzeugung, Strom-Wärme-Kopplung
SOFC
(Solid Oxide Fuel Cell)
Elektrische Energie direkt aus Erdgas, Keramiktechnologie Zentrale und dezentrale Stromerzeugung, Strom-Wärme-Kopplung

Brennstoffzelle für Brennstoffzellenautos

Die PEMFC, die sich für die Brennstoffzellenautos eignet, benötigt für den Betrieb reinen Wasserstoff, der im Fahrzeug meist in Drucktanks gasförmig gespeichert wird. Als Sauerstofflieferant dient die Umgebungsluft. Bei der elektrochemischen Reaktion in einer PEMFC entstehen Wasserdampf und Wärme, die Brennstoffzelle ist also frei von lokalen Schadstoffemissionen. Die PEMFC besitzt einen hohen Wirkungsgrad von 50 bis 70 Prozent, zudem sind Leistungen von 150 kW und mehr möglich. Das Leistungsgewicht beträgt etwa 1,3 kW/kg und das Leistungsvolumen 1,7 kW/l (Stand 2003). Wichtige Aspekte bei der Gestaltung von Brennstoffzellensystemen sind die Entsorgung von entstehendem Wasser, die Abführung der Wärme und die Zufuhr von genügend Sauerstoff.

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