Die konventionelle Umwandlung der chemischen Energie eines Brennstoffs in Elektrizität basiert derzeit auf der Anwendung der Wärmekraftmaschinen. Diese Maschinen arbeiten auf dem Prinzip der indirekten Energieumwandlung: es muß zunächst Wärme produziert werden, die dann in mechanische und schließlich in elektrische Energie umgesetzt wird (Bild 1). Dabei wird der theoretische energetische Wirkungsgrad durch einen Gesamtprozeß bestimmt, der durch den Carnot-Faktor gekennzeichnet wird:

Die Eintrittstemperatur T₁ des Arbeitsmediums ist höher als die Austrittstemperatur T₂ , wobei deren Differenz der Abweichung des Wertes von der Maximalgröße 1 (100%) entspricht. Dieser Carnot-Wirkungsgrad ist für alle Energiekonvertoren charakteristisch, die wie Dampfturbine, Verbrennungsmotor, thermoinoischer Konverter usw. zwischen einer Quellen- und einer Senkentemperatur arbeiten. Die Energieausbeute in einem realen System ist immer niedriger als der entsprechende Carnot-Faktor angibt, und liegt in den meisten Fällen zwischen 30 und 40 Prozent, bei den hochentwickelten GuD-Anlagen heutzutage zwischen 55-60%. Diese sind allerdings nur in einem sehr großen Leistungsbereich zugänglich und kommen beispielsweise für kleinere oder mobile (Autos) Anlagen nicht in Frage. Die Ursache für die Herabsetzung des energetischen Wirkungsgrades sind hier die Energieverluste bei den unterschiedlichen Schritten des Konversionsprozesses. In Konkurrenz zu der bisher üblichen thermomechanischen Energiumwandlung steht die Brennstoffzelle.

Die Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung zur direkten Umwandlung der chemischen Energie eines Brennstoffs in Elektrizität (Bild 1). Ähnlich wie Batterien produzieren Brennstoffzellen Gleichstrom von niedriger Spannung. Eine Batterie beziehungsweise ein Akkumulator verbraucht zur Elektrizitätsherstellung eine chemischen Stoff, der in dem Zellenblock selbst enthalten ist. Bei den Brennstoffzellen dagegen werden die Brennstoffe dem Zellenblock kontinuierlich zugeführt, ähnlich wie einem Verbrennungsmotor. Der energetische Umsetzungsgrad in einer Brennstoffzelle (BZ) ist durch die Beziehung

gegeben. Der Wert H stellt die entsprechende Enthalpieänderung der Verbrennungsreaktion dar. Allerdings im Unterschied zur normalen thermischen Verbrennung, bei der die gesamte Reaktionsenthalpie H in Wärme umgesetzt wird, erfolgt in der Brennstoffzelle nur die direkte Umsetzung des energetischen Anteils G (freie Reaktionsenthalpie) in Elektrizität, d.h. der maximale theoretische Wirkungsgrad ist durch die Formel

gegeben, wobei G_T der Wert der freien Reaktionsenthalpie bei der Zellarbeitstemperatur T_Z und H⁰ der Standardwert der Reaktionsenthalpie ist. Zwischen G und H gilt die bekannte Beziehung

G = H - T S

Hieraus ergibt sich der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle als

Der Wirkungsgrad kann je nach Vorzeichen der Reaktionsenthropie S kleiner, gleich groß bzw. sogar größer sein als 100%. Im letzteren Fall wird der Umgebung die Wärme entzogen. Die Brennstoffzelle liefert unmittelbar elektrischen Strom mit der theoretischen Gleichspannung (E_rev)

Die wichtigste Brennstoffzellenreaktion ist die Verbrennungsreaktion des Wasserstoffs Bei einem Druck von 1 bar und einer Temperatur von 25°C beträgt die entsprechende Gleichspannung für diese Reaktion 1,229 Volt. Diese Spannung ist eine Funktion der Temperatur, d.h. dasselbe gilt auch für den Wirkungsgrad. Ein Vergleich der Wirkungsgrade zwischen dem Carnot-Prozeß und dem Brennstoffzellenprozeß wird für die H₂/O₂-Verbrennugsreaktion in Abb. 2 dargestellt.

Bild 2

Eine Brennstoffzelle besteht aus der Brennstoffelektrode (Anode) und der Sauerstoffelektrode (Kathode), die durch einen ionenleitenden Elektrolyten miteinander verbunden sind. Die Elektroden sind außerhalb der Zelle elektrisch durch externe metallische Leitungen an einen Stromverbraucher (beispielsweise Elektromotor) gekoppelt. In diesem teil des Stromkreises wird der elektrische Strom durch die Elektronen übertragen, während im Elektrolyten der Stromübergang mit Hilfe von Ionen erfolgt. Bei niedrigen Temperaturen können dies in sauren Elektrolyten Protonen sein; in alkalischen Elektrolyten sind es vorwiegend die Hydroxilionen. In einem höheren Temperaturbereich bei den sogenannten Hochtemperaturzellen, die zwischen 600°C und 1000°C arbeiten, wird die ionische Leitung entweder durch die Karbonationen CO₃^2- oder die negativ geladenen Oxidionen O^2- vermittelt. Bild 3 zeigt die prinzipielle Darstellung einer Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoffzelle mit saurem Elektrolyten. Der Anode wird als Brenngas Wasserstoff zugeführt, der an der Zwischenpase Elektrode/Elektrolyt elektrochemisch zu Protonen und Elektronen gespalten wird. Die Elektronen, die im äußeren Stromkreis elektrische Arbeit verrichten, werden in die Kathode geleitet, wo sie an der Zwischenphase Elektrode/Elektrolyt den Sauerstoff zu Wasser reduzieren.

Die hierzu erforderlichen Protonen kommen durch den Elektrolyten von der Anode. Wie aus dem Schema zu erkennen ist, müssen die Elektroden auch gasdurchlässig, d.h. porös sein. Eine Brennstofzellenreaktion erfordert im Normalfall, daß alle drei Phasen vorhanden sind- die feste Phase (Elektronenleiter), die flüssige Phase (Ionenleiter) und die Gasphase (Elektrodenporen). Man spricht in diesem Zusammenhang von der Dreiphasen-Grenze. In den Brennstoffzellen mit flüssigem Elektrolyten, die unter dem Wassersiedepunkt arbeiten, soll eine Elektrolytzirkulation mit externer Wasserbeseitigung (z.B. Verdampfung) vorhanden sein. Bei Brennstoffzellen, die mit dem Feststoffelektrolyten arbeiten, wird das gebildete Wasser aus dem Elektrolyten direkt in den kathodischen Gasraum geleitet und dort beseitigt.

Die obigen thermodynamischen Beziehungen geben die maximal mögliche Energie an, die eine Brennstoffzelle liefern kann. Im Betrieb haben die Zellen allerdings energetische Verluste, die unterschiedliche Ursachen haben können. Sie können entweder durch die Kinetik der Elektrodenreaktionen verursacht werden, oder sind sie durch die Struktur der Zelle bzw. durch die Art der Prozeßführung gegeben. Die Brennstoffzellen können im Prinzip alle oxidierbaren Stoffe mit fluidem Charakter verwerten. In der Praxis wird in den heutigen Niedertempareturzellen fast ausschließlich Wasserstoff als Brennstoff verwendet. Der Grund dafür ist die hohe elektrochemische Aktivität des Wasserstoffs im Vergleich zu allen anderen Brennstoffen wie Kohlenwasserstoffe, Alkohole oder Produkte der Kohlevergasung. Sein elektrochemischer Reaktionsmechanismus zeichnet sich durch die Einfachheit der einzelnen Reaktionsschritte aus, bei denen keine hemmenden Nebenprodukte anfallen. In dieser Hinsicht ist der Wasserstoff den kohlenstoffhaltigen Brennstoffen überlegen. Kohlenstoffhaltige Brennstoffe reagieren unterhalb einer Temperatur von etwa 300°C elektrochemisch nicht nur träge, sondern führen meist auch zur Bildung von Nebenprodukten, die an den Elektroden als Katalysatorgifte wirken können. Unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten kommt der Verwendung von Kohlenwasserstoffen als Brennstoff allerdings eine weitaus größere Bedeutung zu. Da die Oxidationsgeschwindigkeiten kohlenstoffhaltiger Brennstoffe erst bei höheren Temperaturen im technisch verwertbarem Sinne befriedigend sind, wird in letzter Zeit intensiv auch an der Entwicklung der Mittel- bzw. Hochtemperatur-Brennstoffzellen gearbeitet. Die einzelnen Brennstoffzellen nach der Betriebstemperatur geordnet werden im Bild 4 dargestellt.

Viele der Betriebsdaten von Brennstoffzellen- Anlagen wurden insbesondere in den USA und Japan ausführlich getestet. Die konventionellen Wärmekraftmaschinen arbeiten effektiver bei Vollast, mit einem stärkeren Leistungsabfall im Teillastbetrieb. Im Gegenteil dazu ist die Zelleffektivität bei unterschiedlichen Belastungen konstanter. Sehr oft reflektiert jedoch die Betriebscharakteristik einer Brennstoffzelle nur einen teil des Gesamtsystems, insbesondere wenn konventionelle Zusatzaggregate angekoppelt sind.

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