Wissen / Brennstoffzelle    

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Brennstoffzellen
Wird über Wasserstoff als Kraftstoff für die Zukunft gesprochen, dann ist auch das Thema Brennstoffzelle nicht fern. Die Brennstoffzelle (BSZ) ist sozusagen prädestiniert für die Umwandlung der im Wasserstoff gespeicherten, chemischen Energie. Es eignen sich jedoch auch diverse Kohlenwasserstoff-Verbindungen (Erdgas, Biogas, Propan usw.) für die Nutzung in Brennstoffzellen. Die einzige Voraussetzung ist, dass der Wasserstoff-Anteil dieser Kraftstoffe möglichst hoch ist. Angefangen hat die BSZ-Technik bereits vor über 160 Jahre. Im Jahr 1838 fand der Professor Christian Friedrich Schönbein (1799 bis 1868) von der Universität Basel experimentell heraus, dass Elektrizität freigesetzt werden kann, wenn Wasserstoff mit Sauerstoff (oder Chlor) reagiert. Ein Freund Schönbeins, der walisische Richter Sir William R. Grove (1811 bis 1896) erfuhr von diesem Polarisationseffekt und forschte selbstständig weiter. Grove deutet dieses Phänomen als die Umkehrung der Elektrolyse und erkannte, dass auf diese Weise elektrische Energie erzeugt werden kann. Er schaltete mehrere einzelne Elemente in Reihe und nannte seine Vorrichtung "Gasbatterie" (1839). Damals wurde kaum Notiz von seiner Arbeit genommen, aber jetzt im nachhinein gilt er als der Erfinder der Brennstoffzelle.

Erste, ernstzunehmende Forschungsarbeiten gab es zuerst in den sechziger Jahren im Zuge der Raumfahrt und dann wieder in den achtziger Jahren des zwanzigsten Jahrhunderts. Intensiviert wurden die Entwicklungsarbeiten jedoch erst in den neunziger Jahren. Speziell in den letzten Jahren hat das Interesse am Einsatz der BSZ-Technologie sprunghaft zugenommen. Indikatoren hierfür sind unter anderem eine deutlich zunehmende Anzahl von Firmengründungen, Demonstrationsanlagen, Prototypen, Veröffentlichungen und Vorträgen in diesem Bereich sowie erhöhte Aktivitäten bei der Bildung nationaler bzw. internationaler Wasserstoff-Verbände und Forschungsprojekte.
Ein wesentlicher Punkt, weswegen die Brennstoffzelle teilweise hochgelobt wird, liegt in ihrer Fähigkeit, chemisch gespeicherte Energie direkt in Strom umwandeln zu können. Konventionelle Stromerzeuger benötigen meist einen dreistufigen Umwandlungsprozess. Wird beispielsweise Benzin in einem Verbrennungsmotor eingesetzt, dann wird zuerst die chemisch gespeicherte Energie des Kraftstoffes in der Brennkammer des Hubkolben-Motors freigesetzt. Die dabei abgegebene thermische Energie bewirkt eine Volumenänderung, wodurch Bewegungsenergie erzeugt wird. Diese kinetische Energie kann eine Welle antreiben, so dass mit Hilfe eines Generators elektrische Energie erzeugt werden kann. Während dieser Prozedur treten an mehreren Stellen Verluste auf, und der Gesamt-Wirkungsgrad nimmt mit jeder Umwandlung weiter ab. Eine Brennstoffzelle hingegen kann direkt die im Wasserstoff gespeicherte Energie in Strom umwandeln. Verständlicherweise bedeutet dieser kürzere Weg auch einen höheren Wirkungsgrad. Darüber hinaus besitzt die Brennstoffzelle keinerlei bewegliche Teile, so dass keine Reibungsverluste und damit auch kein Verschleiß und kaum Geräusche auftreten.

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Funktionsweise einer BZ
Wasserstoff (H2) ist von sich aus bestrebt, zusammen mit Sauerstoff (O2) zu Wasser (H2O) zu reagieren. Dazu bedarf es keiner externen Energiezufuhr, statt dessen wird sogar Energie abgegeben (exotherme Reaktion). Vielfach wird bei dieser Reaktion an die Knallgas-Reaktion gedacht, die eventuell im Chemie-Unterricht anhand eines lauten Knalles veranschaulicht wurde und dadurch besonders gut in Erinnerung geblieben ist. Bei einer derartigen Reaktion sind ebenfalls Wasserstoff und Sauerstoff als Ausgangsprodukte beteiligt. Es muss jedoch reiner Sauerstoff vorhanden sein, der unter einem ganz bestimmten Verhältnis (1:2) mit Wasserstoff vermischt und dann gezündet wird. Lediglich unter diesen speziellen Umständen kommt es zu einer derart lauten Reaktion. Es passiert hingegen nichts, wenn zu wenig Sauerstoff vorhanden ist oder das Mischungsverhältnis abweicht oder die Zündquelle fehlt. Demzufolge kann es in einer Brennstoffzelle zu keiner Knallgas-Reaktion kommen. Der Sauerstoff wird meist der Luft entnommen und ist daher mit 79 Vol.-% Stickstoff vermischt. Außerdem befindet sich im Inneren einer Brennstoffzelle keine Zündquelle, und Wasserstoff und Sauerstoff sind voneinander getrennt. Der Kraftstoff soll zwar mit dem Sauerstoff reagieren, aber nicht schlagartig. Deswegen spricht man bei diesem Vorgang auch von der "kalten Verbrennung".

Im Prinzip ist der Vorgang in der Brennstoffzelle nichts anderes als die Umkehrung der Elektrolyse. Wasserstoff ist von sich aus gewillt, zusammen mit Sauerstoff wieder zu Wasser zu reagieren. Dazu bedarf es keiner externer Energiezufuhr, statt dessen wird Energie abgegeben (exotherme Reaktion).
Letzten Endes findet in einer Brennstoffzelle nichts anderes statt als eine Knallgasreaktion, jedoch unter kontrollierbaren Bedingungen. Es soll schließlich nichts explodieren, sondern kontrolliert verbrennen. Deswegen spricht man bei diesem Vorgang auch von der "kalten Verbrennung".

Die genaue Funktionsweise der Brennstoffzelle läßt sich am besten anhand der Abbildung 12 erklären. Bei dem dargestellten Schema handelt es sich um eine SOFC, bei der Sauerstoffionen als Ladungsträger dienen. Ansonsten übernehmen meist Wasserstoffionen diese Funktion. Die folgende Erläuterung bezieht sich auf die Funktionsweise einer "Proton Exchange Membrane-Brennstoffzelle" (PEM).

Das Herz der PEM-Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden, der Anode (Minuspol) und der Kathode (Pluspol), getrennt durch eine feste, ionendurchlässige Polymer-Membran (ca. 0,1 mm dick) als Elektrolyt. Jede der Elektroden ist mit einem dünnen Nickel- oder Platin-Katalysator-Film beschichtet. Wasserstoff wird der Anode zugeführt und teilt sich in Elektronen und Protonen (positive Wasserstoffionen) angesichts des Platin-Katalysators. Die freien Elektronen werden als brauchbarer elektrischer Strom durch den äußeren Kreislauf genutzt. Die Protonen diffundieren durch die Elektrolytmembran zu der Kathode. An der Kathode rekombinieren Sauerstoff aus der Luft, Elektronen aus dem äußeren Kreislauf und Protonen und ergeben Wasser und Wärme.
Zwischen Kathode und Anode kann sich nun eine Spannung aufbauen. Verbindet man beide Elektroden, etwa über einen Elektromotor, miteinander, fließen die Elektronen von der Anode zur Kathode und liefern so beispielsweise die Energie für den Antrieb des Busses. Die Reaktionswärme kann genutzt werden, um damit das Fahrzeug zu heizen. Dieses Beiprodukt ist ein Vorteil gegenüber Elektrofahrzeugen mit Batterie.
Es kann direkt Wasserstoff zugeführt werden oder auch Erdgas oder Methanol mit vorgeschaltetem Reformer. Volumen und Gewicht von Methanol ist in etwa gleich groß wie bei Benzin oder Diesel. Der Kraftstoff wird durch Graphitplatten (Bipolarplatten) geleitet, in die jeweils feine Gänge gefräst sind. Durch diese Gänge wird bei der einen Platte Wasserstoff, bei der anderen Sauerstoff geleitet (s. Abb. 13). Um diese Versorgung über die Querschnittsfläche von 200 oder 400 cm2 einer Zelle gleichmäßig zu gewährleisten, ist ein optimiertes Strömungsfeld notwendig. Ein geeigneter Brennstoffzellenstapel (Stack) arbeitet bei kleinen Brennstoff- und Luftüberschüssen und bei einem Überdruck von nur 0,5 bis 1 bar. Dies ist notwendig, um die Wirkungsgradverluste durch Kompression klein zu halten. Gleichzeitig gilt es, durch Luftkühlung die Verlustwärme aus dem Stapel abzuführen. Selbst bei einem elektrischen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle von 60% sind diese Wärmeverluste noch immens.
Eine zusätzliche Funktion der Bipolarplatte ist der Wasserhaushalt: Auf der Wasserstoffseite muß die Membran befeuchtet, auf der Luftseite muß das Produktwasser entfernt werden.

Jeder Stack enthält etwa 150 dicht aneinanderliegende Brennstoffzellen. Die PEM kann mit einem festen Elektrolyten bei relativ niedrigen Temperaturen (etwa 80 °C) betrieben werden. Als Resultat der elektrochemischen Reaktion erhält man Gleichstrom, der einen Verbraucher speisen kann, und Wasser. Jede einzelne Brennstoffzelle erzeugt ca. 0,6 V (entspricht einer Leistung von ca. 100 W). Erst viele in Reihe geschaltete Zellen, die "Stacks", liefern genügend Energie für den Fahrbetrieb. Mehr Zellen innerhalb der Stapel erhöhen die Spannung - eine größere Oberfläche der Zellen erhöht den Strom.

Die Größe des Tanks bestimmt die Reichweite. Die Größe der Brennstoffzelle dagegen bestimmt die Leistung.

Vorteile der Brennstoffzelle:
1. umweltschonend, keine Schadstoffemissionen
2. vibrationsfrei, keine bewegten Teile
3. leise, nur Gebläse, geräuscharm
4. effizient
5. modularer Aufbau
6. keine Schaltvorgänge
7. gutes Anfahr- und Lastwechselverhalten
8. Die Brennstoffzelle ist eine neuartige Technik, die noch ausbaufähig ist.
9. Die Brennstoffzelle besitzt eine hohe Akzeptanz in der Fachwelt und bei umweltbewußten Bürgern.
10. Aus dem Auspuff (Abluftkanal) kommt nur etwa 55°C warmer Wasserdampf.
11. In Kombination mit einer nachgeschalteten Dampfturbine erreicht eine BSZ einen Wirkungsgrad von 65% - Kohlekraftwerke schaffen 40%.
12. hervorragendes Teillastverhalten: nahezu keine Wirkungsgradeinbußen bei Betrieb zwischen 50% und 100%. Sie arbeitet nur, wenn der Strom tatsächlich benötigt wird.
Wagt man den Vergleich mit anderen Antriebsarten (ausführlicher in Kap. 10), so ergibt sich folgendes Bild (s. Abb. 14).

Bei allen herkömmlichen thermischen Stromerzeugern wird der Brennstoff zwar mit gutem Wirkungsgrad verbrannt, aber die Umsetzung der dabei erzeugten Wärme in hochwertige mechanische Energie ist natürlichen Grenzen unterworfen. Je heißer der Prozeß ist, desto höher liegt der Wirkungsgrad (Carnot´scher Wirkungsgrad).
Aufgrund der physikalischen Grenzen erreichen die mit Brennstoffzellen vergleichbaren kleineren Stromerzeuger nur Wirkungsgrade um 25 - 30%. Kleine Brennstoffzellen besitzen jedoch Wirkungsgrade, die erst für große Kombi-Kraftwerke typisch sind. Für Brennstoffzellen hat das Carnot´sche Gesetz keine Gültigkeit. Sie arbeiten nach dem "Nernst Prinzip" und erlauben wesentlich höhere Wirkungsgrade. Zwar gibt es auch hier Grenzen, diese bieten jedoch einen wesentlich größeren Spielraum für die Optimierung einer Anlage. Bei den heute angebotenen Brennstoffzellen-Anlagen werden die Zellenstapel in der Regel für 50% Wirkungsgrad ausgelegt, was nach Abzug des elektrischen Eigenverbrauchs Gesamtwirkungsgrade von etwa 40% ergibt. Speziell bei Teillast liegt dieser noch erheblich höher.

Verbrennungskraftmaschine:
· Ein Großteil der Energie, die in Verbrennungskraftmaschinen erzeugt wird, geht verloren. Die elektrochemische Reaktion in einer Brennstoffzelle ist dagegen mehr kontrollierbar.
· Brennstoffzellentechnologie unterliegt nicht dem Carnot-Prozeß und kann theoretisch einen 1,5-mal so hohen Wirkungsgrad erreichen wie herkömmliche Verbrennungskraftmotoren.

Elektrofahrzeuge:
· Im Gegensatz zu Batterien, die z.T. über Stunden aufgeladen werden müssen, funktioniert eine Brennstoffzelle so lange, wie Wasserstoff vorhanden ist. Das Wiederbefüllen der Tanks dauert nur einige Minuten (3 min). Zum Teil geschieht dies auch einfach nur durch Auswechslung einer Wasserstoffpatrone.
· Die BSZ weist eine längere Lebensdauer als eine Batterie auf, es tritt praktisch keine Selbstentladung auf, und die Flexibilität bezüglich der Leistung und der Kapazität ist höher.

Über den Erfolg eines Brennstoffzellenfahrzeugs wird nicht "die Brennstoffzelle" - gleichgültig welchen Herstellers - entscheiden, sondern das Zusammenwirken einer großen Zahl von Komponenten. Das Gewicht, das Volumen und die Kosten des Brennstoffzellenstapels sind Schlüsselgrössen für die Wettbewerbsfähigkeit des Gesamtkonzepts.

Mit einem zusätzlichen Elektroantrieb besteht die Möglichkeit, Bremsenergie mit Hilfe von Hochleistungsbatterien oder Superkondensatoren zurückzugewinnen. Damit wäre ein Wirkungsgradgewinn in der Größenordnung von gegen 20% - je nach Fahrzyklus - realisierbar. Es könnte dann die Energie eines Bremsvorganges vollständig aufgenommen und zum Anfahren oder Beschleunigen wieder zur Verfügung gestellt werden.
Um den Superkondensator im Zusammenspiel mit der Brennstoffzelle und dem Elektromotor erfolgreich einzusetzen, ist noch die dementsprechende Leistungselektronik notwendig.
Typische Anforderungen, die an eine Brennstoffzelle gestellt werden, sind für mobile Anwendungen 5000 Gesamtbetriebsstunden und für stationäre, dezentrale Energiesysteme >40.000 Betriebsstunden.

Um die Entwicklung speziell in diesem Bereich zu veranschaulichen, nehme man die Größe bzw. die volumenspezifische Leistungsdichte der unterschiedlichen Generationen von Stacks:

· 1989: Stacks der 1. Generation für Autos erreichten: 0,11 kW/l.
· Die 2. Generation Stacks für Autos erreichten: 0,36 kW/l.
· 1995: Die 3. Generation Stacks für Autos erreichten: 1,1 kW/l.
· 1998: Die 4. Generation Stacks für Autos erreichten: 1,8 kW/l.
· Damit könnte die Brennstoffzelleneinheit für Autos auf die Größe eines großen Koffers gebracht werden.

Eine wiederaufladbare Batterie nimmt die Bremsenergie sowie andere überschüssige Energie auf. Sie dient dem Anlassen und hält Energie für zusätzlichen Bedarf bei starken Beschleunigungen zur Verfügung. Ein elektronisches Steuersystem lenkt die Stromerzeugung und ist unter anderem für die Speicherung der Bremsenergie in den Batterien verantwortlich. Die Elektronik kontrolliert und gewährleistet den reibungslosen Ablauf sowie die Sicherheit des Benutzers. Der Wartungsbedarf bei diesem Fahrzeug ist fast gleich null, da die Anzahl der Teile, die in Bewegung sind, gering ist.

Der Wasserstoff wird in flüssiger Form mitgeführt und erst unterwegs in Gas umgewandelt. Das hat gewisse Vorteile gegenüber der Lagerung des Wasserstoffs in Gasform: Gasförmiger Wasserstoff erfordert einen Druck von 700 bar, brächte daher mehr Gewicht und benötigte mehr Platz. Bei Lagerung von flüssigem Wasserstoff kann daher eine größere "Sprit"-Reserve mitgeführt werden. Gespeichert wird er in einem Tiefsttemperaturtank bei ­253°C, der durch seine Konstruktion den Inhalt vor Temperaturschwankungen schützt. Da Wasserstoff in flüssiger Form nur 70 Gramm pro Liter wiegt, beträgt das Gewicht des Tankinhalts mit seinen 120 Litern acht Kilogramm. Die Reichweite ist vergleichbar mit der von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren. Es gibt mehrere verschiedene Arten von Brennstoffzellen. Einen groben Überblick über die unterschiedlichen BSZ-Typen gibt die folgende Tabelle.

Tab. 2: Vergleich verschiedener BSZ-Arten

	Kraftstoff	Betriebs-Temp.	elektr. Wirkungsgrad	Flächenleistung	Bemerkung
AFC	H2	60 - 80°C	60 %	-	CO2-frei, 2bar
DMFC	CH3OH (Methanol)	80°C	40 - 50 %	-	-
PEMFC	H2	80 - 100°C	40 - 50 %	0,6W/cm2	CO < 20ppm
PAFC	H2	200°C	40 - 45 %	0,2W/cm2	CO < 1 %
MCFC	H2 (CH4, Biogas)	650°C	55 - 60 %	0,1 W/cm2	-
SOFC	H2 (CH4)	800 - 1.000°C	60 %	0,4W/cm2	-

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Brennstoffzellentypen
PAFC
Phosphorsäure-Elektrolyten (PAFC = Phosphoric Acid Fuel Cell)
Sie ist am weitesten für stationäre Anwendungen entwickelt (Kraftwerke, vor allem bei Kraft-Wärme-Kopplung).Der Leistungsbereich liegt bei 0,1-10 MW.
Da diese Zelle sowohl Kohlendioxid als auch bis zu 2% Kohlenmonoxid toleriert, kann sie vorwiegend mit reformiertem Erdgas und Luft betreiben werden, allerdings mit niedrigeren Wirkungsgraden als andere Typen.
Ladungsträger sind wie bei der PEM Protonen H+, der Elektrolyt ist reine Phosphorsäure. Die Arbeitstemperatur liegt bei 200°C. Sie weist einen relativ hohen elektrischen Wirkungsgrad von 40% bei gleichzeitiger Wärmeauskopplung auf.

MCFC
Karbonatschmelze-BSZ (MCFC = Molten Carbonate FC bei 650°C)
Der Betrieb erfolgt mit vorgeschalteter Gasreinigungsanlage bei hohen Temperaturen von rund 650°C. Bei diesen Temperaturen zerbrechen die organischen Kohlenwasserstoffe der Energieträger in der MCFC in Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid. Als Energieträger kann unter diesen Umständen vieles dienen (Erd-, Kohle-, Bio-, Deponiegas). Bei einer Karbonatschmelze-Brennstoffzelle besteht der Elektrolyt in den Zellen aus Kalium- und Lithiumkarbonat, beides sehr preisgünstige Materialien. Das Karbonat muß soweit erhitzt werden das es schmilzt - erst dann sind die Ionen der Karbonatsalze beweglich und können die Elektronen transportieren (Ladungsträger sind CO3-Ionen). Dank Abspeckung der Nebenaggregate und Rohrleitungssysteme ist das "Hot Modul" jetzt klein und kompakt und somit marktfähig. Es kann bis zu 10 MW Leistung erzeugen und erreicht recht gute Wirkungsgrade im stationären Betrieb.
Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen können direkt mit Erdgas oder anderen kohlenwasserstoffhaltigen Brenngasen betrieben werden, da die Reformierung zellintern in der Anodenkammer stattfinden kann. Da der Aufheizvorgang einer MCFC mehrere Stunden in Anspruch nimmt, eignen sich MCFC ausschließlich zum Einsatz im Grundlastbetrieb. [Heuser, 1995]

Sowohl MCFC, als auch SOFC sind unempfindlich gegen Kohlenoxiden. Die Gasreinigung beschränkt sich auf die Entfernung von Schwefel- und Chlorverbindungen

AFC
Alkalische Brennstoffzelle (AFC = Alkaline Fuel Cell)
Sie ist die zuerst entwickelte Brennstoffzelle, die als Niedertemperaturzelle für mobile Anwendungen, Raumfahrtprogramme und Unterwasserfahrzeuge eingesetzt worden ist. Mittlerweile erscheint sie nur noch für den stationären Betrieb geeignet. Obwohl diese Zelle mit höherem Wirkungsgrad im Vergleich zu den anderen Typen arbeiten kann, ist das Interesse an der AFC abgeflacht. Die energieliefernden Reaktionen verlaufen langsamer und dieser Typ kann nur mit reinem Wasserstoff und Sauerstoff arbeiten. Die Ladungsträger im Elektrolyten sind OH--Ionen. Die Arbeitstemperatur liegt bei 60-80°C bei einem Druck von 2 bar.

DMFC
Die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) wandelt Methanol ohne vorherige Reformierung direkt in elektrische Energie. Für eine gute Reaktionskinetik und eine einfache Verfahrenstechnik wäre ein druckloser Betrieb bis 200°C ideal, der neue, wasserfreie Membranen benötigt. Die DMFC weist eine hohe Speicherdichte auf und bietet damit eine große Fahrzeugreichweite. Sie hat nur eine geringe Systemkomplexibilität und bestehende Betankungsverfahren können beibehalten werden.
Für eine möglichst schnelle Kinetik und zur Vermeidung von Katalysatorvergiftungen sind Betriebstemperaturen im Bereich 100-200°C wünschenswert. Als Elektrolyt bisher verwendete wasserhaltige Membranen trocknen bei Temperaturen oberhalb 100°C aus und besitzen keine ausreichende Leitfähigkeit mehr. Nur im aufwendigeren Betrieb unter Druck sind Temperaturen von 130-140°C möglich, dabei ist aber die Materialstabilität der eingesetzten Membranen im Dauerbetrieb kritisch. Deswegen werden nun in einem Verbundprojekt phosphorsäuregedopte, temperaturstabile Membranmaterialien getestet. Basismaterial ist Polybenzimidazol PBI, bekannt als hochtemperaturstabile Textilfaser für Schutzkleidung. Dieses Material zeigt gute Leitfähigkeit für Protonen und trocknet nicht aus. Derartige Membranen können deshalb drucklos bis 200°C betrieben werden.
Methanol wird an der Anode unter Abgabe von Elektronen und Protonen zu Kohlendioxid oxidiert, an der Kathode erfolgt unter Aufnahme der Elektronen und Protonen die Reduktion von Sauerstoff zu Wasser. Als Elektrolyt zum Protonentransport dient eine polymere Ionenaustauschmembran.

SOFC
Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC = Solid Oxide FC)
Der fester Elektrolyt aus Oxidkeramik (Zirkonoxid) wird im Betriebstemperaturbereich von 950 - 1000 °C ionenleitend. Bei niedrigeren Temperaturen reicht die Leitfähigkeit der Ladungsträger (Sauerstoffionen) des Elektrolyten für einen stärkeren Stromfluß in aller Regel noch nicht aus. Elektrolyt in einer SOFC ist üblicherweise eine wenige zehntel Millimeter dicke Schicht aus Yttrium-stabilisiertem Zikoniumdioxid. Die einzelnen Schichtsysteme aus Kathode, Elektrolyt und Anode werden im eingebauten Zustand (in Stacks) jeweils durch bipolare Platten voneinander getrennt.
Brennstoff und Oxidationsmittel könne die gleichen sein wie bei der MCFC, aber der Wirkungsgrad ist noch höher.

Um das SOFC-Konzept rentabler zu machen, müssen weniger teure Spezialmaterialien eingesetzt werden. Dies geht jedoch nur, wenn geringere Temperaturen herrschen. Kernstück der Brennstoffzelle ist der Elektrolyt, dessen Dicke gleich der Diffusionsstrecke der Sauerstoffionen ist. Je länger die Diffusionsstrecke, desto höher muß die Temperatur sein.
Im April 1998 wurde nun die Schichtdicke des Elektrolyten drastisch reduziert auf ein bis zwei Hundertstel Millimeter. Weil damit die Trägerfunktion des Elektrolyten wegfiel, die Brennstoffzelle quasi zu instabil wurde, wurde die Anode als tragendes Element umfunktioniert. "Durch das neue Zellendesign, das sogenannte Substratkonzept, konnten wir die Betriebstemperatur ohne Leistungsverlust um rund 200°C senken. Bei 750°C erreichen wir im Augenblick eine elektrische Leistung bis zu 0,2 Watt pro Quadratzentimeter Zellfläche", erklärt Dr. Vinke vom PSI. Damit sind keine Spezialwerkstoffe mehr notwendig. Z.B. reichen Eisen-Chrom-Metalle völlig aus. Weiterer Vorteil ist, daß mit geringerer Temperatur auch die Alterung langsamer verläuft, sich somit also die Lebensdauer erhöht.
Die Weiterentwicklung der neuen SOFC ist jedoch gefährdet, weil Finanzmittel fehlen. Notwendig wären Prüfstände, die die Lebensdauer testen. Die kosten um die 100.000,- DM und etwa zehn davon werden benötigt. Verglichen aber mit den rund 1,5 Mrd. DM, die die Entwicklung eines neuen Autos mit herkömmlicher Technik kostet, sind dies Peanuts. Das Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie sieht sich jedoch außerstande, weiter zu finanzieren, da diese Forschung nicht innerhalb der nächsten zwei Jahre fertig wird.

PEM
PEMFC = Proton Exchange Membran = Polymer-Elektrolyt-Membran Fuel Cell; arbeitet bei 20-100°C und weniger als 1,5 bar.
Unter den verschiedenen Typen (s. Tab. 2) werden am ehesten der PEM-Niedertemperatur-Brennstoffzelle Aussichten auf den Einsatz in Personenfahrzeugen eingeräumt. Eine dünne Polymerfolie als Festelektrolyt bildet ihr zentrales Element. Dies ist eine hauchdünne, gerade mal 50 bis 200 Mikrometer dicke Folie des Spezialkunststoffs Nafion®. Dieser wiederum zeichnet sich durch eine besondere Leitfähigkeit für die Ladungsträger, die positiv geladenen Kerne des Wasserstoffatoms, aus. Heutige PEM-Brennstoffzellen erreichen eine Leistungsdichte bis zu einem Watt pro Quadratzentimeter Membranfläche.

Keine Brennstoffzelle kann Methanol direkt als Treibstoff nutzen. Alle benötigen molekularen Wasserstoff. H2 muß also entweder mitgeführt werden oder aus Methanol durch einen Reformierungsprozeß hergestellt werden. Dabei entsteht u.a. CO2 und CO (Kohlenmonoxid in einem Anteil von etwa 2%). Weniger als ein Tausendstel dieser Menge ist für den Platinkatalysator der Brennstoffzelle schon ein starkes Gift. Die Toleranzgrenze liegt derzeit bei etwa zehn CO-Teilchen pro einer Million Katalysator-Teilchen. Die Empfindlichkeit von PEM gegen CO beruht auf der Blockierung der Platinbelegung der Anode, wodurch die Umsetzungsgeschwindigkeit des Wasserstoffs und somit die Zellspannung sinkt. Das hat wiederum zur Folge, daß der elektrische Wirkungsgrad der Brennstoffzelle sinkt.
Durch Legieren von Platin (Pt) mit Ruthenium (Ru) kann die CO-Verträglichkeit von PEM-Brennstoffzellen verbessert werden. Durch Ru-Zusatz von 40 - 60% wurden bis heute ca. 100 ppm erreicht. Mit reinem Platin beschichtete Anoden hingegen vertragen nur 10 ppm CO.
[Iwase, 1995]

Das Gewicht, die Größe und die Kosten des Brennstoffzellenaggregates sind zur Leistungsdichte der Membran umgekehrt proportional. In praktisch allen auf dem Markt befindlichen Brennstoffzellen wird diese kommerziell erhältliche Nafion-Membran eingesetzt. Die Herstellung dieses perfluorierten Polymers bedingt seinen relativ hohen Preis.
Bei Siemens sollen Experimente ergeben haben, daß die Belegung der Membran mit dem teuren Platin als Katalysator von derzeit ca. 4 mg/m2 auf unter 0,15 mg/m2 reduziert werden kann, ohne die elektrochemischen Eigenschaften zu verschlechtern.

Bei den PEM-Brennstoffzellenantrieben herrschen prinzipiell zwei Antriebsvarianten vor: einerseits der direkte elektrische Antrieb mittels Inverter auf den elektrischen Antriebsmotor, andererseits der Hybridantrieb mittels Inverter als Grundlastabdeckung direkt auf den elektrischen Antrieb sowie in Schwachlastphase Aufladung eines Energie- oder Leistungsspeichers und dessen parallele Kopplung an den elektrischen Antrieb in Phasen der Spitzenlastabdeckung.
Wie die Prototypen von Daimler-Benz zeigen, sind aus Gründen des dynamischen Betriebsverhaltens Hybridkonzepte nicht erforderlich, möglicherweise aber für eine Übergangszeit aus Kostengründen gegenwärtig eine sinnvolle Arbeitsalternative. Die meisten Hybridkonzepte arbeiten mit Batterien als Energiespeicher.
PEM-Brennstoffzellen können bei Umgebungstemperatur direkt angefahren werden (Kaltstart). Die Nennbetriebstemperatur wird nach kurzer Zeit erreicht, da die Verlustwärme das System in Abhängigkeit von der Belastung aufheizt. Wird der Laststrom geändert, so folgt die Brennstoffzellenspannung sehr rasch (typischerweise 0,1 sec) der Laständerung. Aufgrund dieses Lastwechselverhaltens und der Zunahme des Wirkungsgrades im Teillastbetrieb sind Niedertemperaturbrennstoffzellensysteme in besonderem Maße für intermittierenden Lastbetrieb geeignet.

Vorteile der PEM:
· Die geringe Arbeitstemperatur erlaubt billige Materialien, lange Lebensdauer, geringen Wartungsaufwand und schnellen Kaltstart.
· Abgesehen von der PAFC hat nur die PEM eine genügend hohe Energiedichte für den Einsatz in Pkws (< 2,5 l/kW).
· Aufgrund ihres inneren Aufbaus läßt sich die PEM sehr einfach modular von einigen Watt bis zu mehreren 10 kW aufbauen.

Nachteile:
· Edelmetall, speziell Platin, ist notwendig für den Katalysator und macht die Zelle teuer. Inzwischen konnte der Platinanteil jedoch auf einen Wert weit unter 4,0 mg/cm2 gesenkt werden (< 0,2 mg/cm2). [Carpetis 1997]
· Die Empfindlichkeit gegenüber Kohlenmonoxid macht eine Reinigung des Brennstoffes notwendig.

Reformer
Die Herstellung von Wasserstoff durch Reformierung ist ein Kernthema der Brennstoffzellentechnologie. Allen Reformierungsprozessen ist gemein, daß das resultierende Gas zuviel Kohlenmonoxid enthält, das die Leistung der Brennstoffzelle verringert. Die Platinkatalysatoren heutiger Brennstoffzellen vertragen nur 10-20 ppm CO im Anodenbrenngas. Die verschiedenen Reformierprozesse führen jedoch zu einem CO-Gehalt von 0,1-0,2%. Eine Feinreinigung ist daher unabdingbar.

Funktionsweise:
Die erste Verfahrensstufe, der Reformierreaktor, erzeugt durch Umsetzung von Erdgas und Dampf bei Temperaturen zwischen 700 und 900°C ein wasserstoffreiches Gasgemisch. Dieses Gemisch enthält noch einen hohen Anteil an Kohlenmonoxid, das zusammen mit Wasserdampf in zwei nachgeschalteten katalytischen Konvertern (Shift-Reaktoren) in Kohlendioxid überführt wird. Dabei entsteht weiterer Wasserstoff. Die Gasreinigungsstufe entfernt schließlich das in der Konvertierungseinheit nicht umgesetzte CO - etwa 0,5Vol.% - bis auf einen geringen Rest-anteil von 10 ppm und gewährleistet so die für die Membran-Brennstoffzelle erforderliche Brenngasqualität.

Der Reformierreaktor kann nach zwei Prinzipien arbeiten:
· Als endothermer Dampfreformer, also unter Wärmezufuhr, erzeugt er 5 Nm3/h Wasserstoff bei Atmosphärendruck, kann aber auch unter Drücken bis zu 6 bar arbeiten.
· Als autothermer Reformer, der seine benötigte Wärme selbst erzeugt, allerdings auch Stickoxide erzeugt, da er mit Umgebungsluft arbeitet. Dafür kann er Lastwechseln schneller folgen als der Dampfreformer.
[Schaumberg, 1997]

Kosten
Innerhalb der letzten zehn Jahre wurden die Kosten für Brennstoffzellen um den Faktor zehn reduziert. Aber immer noch ist der Preis zehnmal zu hoch.

Preis allein für die Brennstoffzelle:
· 1990: $5.000/kW
· 1998: $500/kW
· Ziel: $25-$30/kW

Preis für ein Brennstoffzellenauto:
· vor zehn Jahren: $20 Mio.
· Ende 1995 $200.000
· der Preis fällt weiter

Die Firma Magnet Motor produziert Brennstoffzellen für den Pkw-Einsatz (1998):
· Materialpreis weniger als 200,-DM/kW in Serie
· Gewicht 3,5 kg/kW mit Peripherie ohne Außenkühlsystem
· Volumen 3,0 l/kW ohne Luftleitblechsystem für die Kühlung

Nach Angaben von Ballard ergeben stationäre Kraftwerke mit hohem Wirkungsgrad und langer Lebensdauer (mehr als 40.000 Stunden) Kosten von $1000 bis $2000 pro Kilowatt bei Massenanfertigung.
Mobile Brennstoffzellensysteme mit hoher Energiedichte, geringem Volumen, geringem Gewicht bei geringerer Lebensdauer (5.000 bis 20.000 Stunden) ergeben geringere Kosten von $50 bis $200 pro Kilowatt bei Massenanfertigung.
Die kanadische Firma baut einen Prototypen für die Universität Georgetown mit einem "onboard"-Reformer, um Methanol in Wasserstoff zu spalten. Dieser Prototyp soll 1999 fertig sein und in den Jahren 2001-02 auf den Markt kommen. Die Kosten für diesen Typ werden sich voraussichtlich auf ca. $55.000 belaufen, bis zum Jahr 2005 abnehmend auf $12.000; vergleichsweise kostet eine Dieselmaschine $14.000.
Ein Bus (275 HP) für 65-75 Personen mit einer Reichweite von 550 km wird 1999 auf dem Markt erwartet. Die Kosten für den Motor werden sich voraussichtlich auf $240.000 belaufen, günstiger werdend bis zum Jahr 2005 auf $30.000. Der gesamte Fahrzeugpreis wird geschätzt auf $550.000 ($300.000 im Jahr 2005). Zum Vergleich kosten herkömmliche Dieselbusse $225.000, Erdgasbusse $300.000 und Elektrobusse (Oberleiter) alles in allem $600.000.

Bei den Autos liegt der Bedarf insgesamt bei 30 Mio. jährlich. Ballard plant gemeinsam mit Daimler-Benz einen Methanol-Pkw mit 50 kW (70 HP). Der Prototyp könnte 2000 fertig sein. Der Verkauf könnte 2003-2004 beginnen. Der Preis für den Motor beträgt zur Zeit noch $10.625; verbilligt sich bis zum Jahr 2005 auf $3.375.
Zum Vergleich: Ein Verbrennungsmotor kostet $3.000-4.000. [Hoppe, 1997]

Tab. 8: Geschätzte Kostenentwicklung in US-Dollar pro Kilowatt und geschätzte Entwicklung der Gesamtleistung in Megawatt
  1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007
Auto: $/kW           65 45 32 29 26
Bus: $/kW 500 400 200 150 120 100 65 45 40 35
Ges.leist. MW - 1 3 8 36 150 2310 6150 11700 20500
[Hoppe, 1997]
 

Die Stacks tragen 40% der Gesamtkosten für die Brennstoffzelleneinheit. Um z.B. die Kosten für den Platin-Katalyten zu verringern, muß die Platinmenge minimiert werden, die auf den Katalyten aufgebracht werden muß. Bis jetzt wurde diese Zahl bereits um 90% verringert, kann aber noch weiter heruntergeschraubt werden.
Indem andere Herstellungsverfahren für die Platten (bzw. die Kanäle in den Platten) gefunden werden - wie z.B. Pressen unter Wärmezufuhr - könnten diese Kosten um 98% reduziert werden. [Hoppe, 1997]

Tab. 9: Geschätzte Kosten pro Kilowatt der einzelnen Brennstoffzellen-Komponenten in US $ / kW
1999 / 2010
Platin-Katalysator 65 / 6
Polymer-Membran 70 / 10
Platten 80 / 2
Sonstiges 15 / 2
Gesamt 230 / 20
[Hoppe, 1997]

Zur Zeit sind Brennstoffzellen für den Gebrauch in Fahrzeugen noch 10mal oder 15mal zu teuer, um konkurrenzfähig zu sein.

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Vergleich AFC - PEM
Bei Überlegungen hinsichtlich der Weiterentwicklung von Wasserstofftechniken stellt sich die Frage, ob der wasserstoffbetriebene Verbrennungsmotor oder die Brennstoffzelle die beste Lösung für die Probleme darstellt. In Bezug auf die Brennstoffzelle muß jedoch unterschieden werden, welcher Typ am ehesten geeignet ist für die mobile Anwendung. Deswegen soll die nachstehende Gegenüberstellung zwischen der alkalischen Brennstoffzelle und der PEM die jeweiligen Vor- und Nachteile verdeutlichen.
Um den Rahmen nicht zu sprengen wird bei der Diskussion lediglich auf die Punkte eingegangen, die für den mobilen Einsatz relevant sind.
 

Tab. 14: Vergleich AFC und PEM: charakteristische Unterschiede
AFC
+ geringe Überspannung der Sauerstoffreduktion
+ hohe spezifische Leitfähigkeit des Elektrolyten
+ preisgünstige Materialien (Kunststoffe) verwendbar
+ einfache Herstellungstechniken ermöglichen Kostensenkung
+ keine Edelmetalle notwendig
- flüssiger, alkalischer Elektrolyt
- Dichtungstechnik BSZ-Block / Elektrolytkreis aufwendiger
- Separator als Elektrolytmatrix erforderlich
- bei Luftbetrieb CO2-Abreicherung oder Adsorption notwendig

PEM
+ geringe Überspannung der Wasserstoffoxidation an Platin-aktivierten Anoden
+ Dünnschichtstrukturen ermöglichen hohe Leistungsdichten
- Membrankosten sehr hoch
- Edelmetallkatalysatoren nicht zu substituieren, deswegen teuer
- Herstellungstechnik der Elektroden / Membran-Strukturen aufwendig
+ CO2 inerter Elektrolyt
- sorgfältige Kontrolle der Wassergleichgewichte / Gradienten in Membran und Gaskreislauf notwendig
+ Elektrolytmembran gleichzeitig Gas-Separator+ Festelektrolyt; kein Elektrolytkreislauf
- Sauerstoffreduktion und Kathodenpermeabilität begrenzen Kinetik
Quelle: ZSW, DLR, LBST, "Bedeutung, Einsatzbereiche und technisch-ökonomische Entwicklungspotentiale von Wasserstoffnutzungstechniken", Band I: Energetische Nutzungstechniken, März 1992, Stuttgart

Ein großer Vorteil der PEM gegenüber anderen Brennstoffzellen ist die hohe Leistungsdichte, die eine kompakte Bauweise ermöglicht. Die AFC weist zwar eine hohe spezifische Leistungsfähigkeit auf, dies reicht jedoch noch nicht, um klein bauen zu können. Für Busse wird sie jedoch bereits verwendet. Dazu kommt, daß die Elektrolytmembran zwei Funktionen bei der PEM übernimmt: sie ist gleichzeitig der Gasseparator, wobei bei anderen Typen z.B. eine Elektrolytmatrix notwendig ist.
Zudem ist der Elektrolyt ein Festmaterial und bedarf so keines separaten Flüssigkeitskreislaufes.
Demgegenüber stehen hohe Material- und Herstellungskosten, da Edelmetalle benötigt werden und die Technik für den Bau der Elektroden/Membran-Struktur relativ aufwendig ist.

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Diese Informationen stammen aus den Jahren 1998/1999. Aktuellere Daten finden Sie im Buch Wasserstoff und Brennstoffzellen sowie auf der Wasserstoff-CD von Dipl.-Ing. Sven Geitmann.

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