Brennstoffzellen

Als neue Technologie u. a. für die Nutzung in der Kraft-Wärme-Kopplung wird die Brennstoffzelle angesehen. Über keine Technologie wurde in den letzten Jahren so viel (Gutes) berichtet wie über diese Technologie. Im Vergleich zur herkömmlichen (indirekten) Stromerzeugung mittels Verbrennung fossiler Brennstoffe, Umwandlung der dabei entstehenden thermischen Energie in mechanische Energie und Wandlung dieser mechanischen Energie mittels Generator in elektrische Energie, wird bei der Brennstoffzellen-Technologie der Strom auf direktem Weg (elektro-chemische Umwandlung) erzeugt.

Eine Brennstoffzelle besteht im Wesentlichen aus einer sandwichartig angeordneten Dreierschicht Anode/Elektrolyt/Kathode, welche auf der Anodenseite durch die reduktive Gasatmosphäre (Brennstoff) und auf der Kathodenseite durch die oxidative Atmosphäre (Luftsauerstoff) umspült wird.

 

Der elektro-chemische Prozeß der Brennstoffzelle verläuft prinzipiell wie eine umgekehrte Elektrolyse. Der Brennstoff Wasserstoff wird kontinuierlich der Anode zugeführt. Dort wird er in Anwesenheit eines Katalysators in Elektronen und Ionen aufgespalten, wobei die Ionen durch den Elektrolyten zur Kathode transportiert werden. Bedingt durch die Potentialdifferenz zwischen Brenngas (Anodenseite) und Sauerstoff (Kathodenseite) fließen die Elektronen über einen externen Stromkreis (elektrischer Verbraucher) zur Kathode und verrichten dabei elektrische Arbeit. An der Kathode verbinden sich die Ionen und Elektronen mit dem der Kathode zugeführten Sauerstoff zu Wasser, welches als Wasserdampf abgeführt wird.

Der von der Brennstoffzelle erzeugte Gleichstrom kann in einem Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt werden. Die Potentialdifferenz einer einzelnen Brennstoffzelle ist sehr gering (ca. 0,7 Volt), so daß für eine höhere nutzbare Spannung mehrere Brennstoff(mini)zellen zu einem Stapel (Stack) in Reihe geschalten werden müssen. Die Abwärme der Brennstoffzelle wird über einen Kühlkreislauf ausgekoppelt und kann zu Heizzwecken an einen Verbraucher abgegeben werden.

Das notwendige Brenngas Wasserstoff ist kein Primärenergieträger und muß eigens erzeugt werden. Dies wird durch Abspalten des Wasserstoffes aus wasserstoffhaltigen Brennstoffen wie z. B. Methan und Methanol realisiert. Hierfür wird ein sogenannter Reformer benötigt, welcher der (Niedertemperatur-)Brennstoffzelle vorgeschaltet wird. Der Reformierungsprozeß benötigt rund 20% der eingesetzten Energie. Bei Hochtemperatur-Brennstoffzellen ist – aufgrund der hohen Temperaturen – eine Direktreformierung möglich.

Brennstoffzellen werden in Abhängigkeit ihrer Betriebstemperaturen und des verwendeten Elektrolyten klassifiziert. Grundsätzlich unterscheidet man hinsichtlich der Betriebstemperaturen zwischen Nieder- und Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Zu den für den BHKW-Anwendungsbereich interessanten Niedertemperaturzellen gehören die PEMFC- und die PAFC-Brennstoffzelle. Für BHKW-Anlagen geeignete Hochtemperatur-Brennstoffzellen sind die MCFC- und die SOFC-Zellen.

Typ		Betriebstemperatur	Elektrolyt	Oxidant	elektrischer Wirkungsgrad
PEMFC	Polymer Electrolyte Membrane Fuell Cell	80°C	Festpolymer	O2 / Luft	60 %, bezogen auf Hu (CH4)
PAFC	Phosphoric Acid Fuell Cell	200°C	Phosphorsäure	Luft	36-46 %
MCFC	Molten Carbonate Fuell Cell	650°C	Lithium- und Kaliumkarbonat	Luft	48-56 %
SOFC	Solid Oxid Fuell Cell	1000°C	Zirkonoxid, Yttrium dotiert	Luft	55-65 %

 

 

Die Membranbrennstoffzelle basiert auf einer polymeren Ionenaustauschermembran als Elektrolyt. Der wirtschaftlich interessante Leistungsbereich dieses Brennstoffzellentyps liegt zwischen wenigen Watt und 300 kW. Sieben PEM-Brennstoffzellen werden derzeit in Deutschland als Demonstration- oder Pilotanlagen im Bereich der Hausenergieversorgung betrieben.

 

Im Sinne der Kommerzialisierung ist die Phosphorsaure Brennstoffzelle (PAFC) am weitesten entwickelt. Auf dem Markt angeboten werden Komplettanlagen von 50 kW_el oder 200 kW_el. Derzeit befinden sich in Deutschland elf PAFC-PC25-Containermodule der Firma ONSI im Einsatz, die jeweils eine elektrische Leistung von 200 kW bei gleichzeitiger Nutzung einer Abwärmeleistung von bis zu 220 kW aufweisen. Weltweit existieren rund 150 solcher Anlagen. Besonders interessant ist die Anlage in Köln-Rodenkirchen, in welcher Klärgas als Brennstoff genutzt wird.

Bei der Karbonatschmelz-Brennstoffzelle (MCFC) ist die Arbeitstemperatur so hoch, daß keine teuren Edelmetallkatalysatoren benötigt werden; andererseits niedrig genug, um herkömmliche metallische Werkstoffe verwenden zu können. Eine erste Feldversuchsanlage wurde in Bielefeld errichtet.

Bei der SOFC-Brennstoffzelle werden zwei unterschiedliche Aufbaukonzepte verfolgt. Einerseits können die einzelnen Zellen röhrenförmig ausgeführt sein und dann zu Bündeln miteinander verbunden werden. Andererseits können diese flach ausgebildet sein und zu Stapeln oder Stacks zusammengefügt werden. Die oxidkeramische Brennstoffzelle liegt in ihrem Entwicklungshorizont noch hinter der MCFC-Technik. Probleme bereiten vor allem die hohen Betriebstemperaturen. Zwei kleine Feldversuchsanlagen (Hausenergiezentralen) werden seit 1998 in Deutschland betrieben. Drei größere Demonstrationsprojekte (bis 700 kW_el) sollen bis 2002 errichtet werden.

Eine Liste der derzeit in Betrieb befindlichen Brennstoffzellen-Anlagen in Deutschland erhalten Sie auf der Übersichtsseite „Brennstoffzellen in Deutschland„als pdf-Datei (92 kB) innerhalb des BHKW-Infozentrums.

Die Brennstoffzellen-Technologie weist in einigen Bereichen deutliche Vorteile gegenüber den konventionellen KWK-Technologien auf. So besitzt die Brennstoffzelle vergleichsweise hohe elektrische Wirkungsgrade, welche auch im Teillastbetrieb nahezu konstant bleiben. Die Leistungsanpassung ist aufgrund des modularen Aufbaus (Stacks) hervorragend realisierbar. Grundsätzlich sind Brennstoffzellen sehr gut regelbar, scheinen einen geringen Wartungsaufwand aufzuweisen und zeichnen sich durch geringe Schadstoff- und Lärmemissionen aus.

Problematisch sind einerseits noch die geringen Betriebserfahrungen, der fehlende Nachweis einer hohen Lebensdauer und die hohen spezifischen Investitionsvolumina. Außerdem sind die teilweise euphorischen Markteinführungs-Termine, welche z. B. bereits im Jahre 2001 eine Serienproduktion einiger Brennstoffzellen-Technologien erwarten, aufgrund des noch hohen Entwicklungsbedarfes mit großer Vorsicht zu genießen.

 

Markus Gailfuß, BHKW-Infozentrum Rastatt