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Funktionsweise von Brennstoffzellen
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 BZ-Stapel
(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 Zellen. 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, so ergibt sich folgendes
Bild:
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 Exemplare 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 BZ-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.
· BZ-Technologie
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
BZ-Fahrzeugs wird nicht "die Brennstoffzelle" - gleichgültig
welchen Herstellers - entscheiden, sondern das Zusammenwirken einer grossen
Zahl von Komponenten. Das Gewicht, das Volumen und die Kosten des BZ-Stapels
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 BZ-Einheit 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.
Diese Informationen stammen aus den Jahren 1998/1999. Aktuellere Daten finden Sie in Büchern, die im Hydrogeit-Shop angeboten werden.
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