Brennstoffzellen in einer Wasserstoffwelt


	Ein Ausweg aus der Öl-, Klima-, und Kostenfalle

Wasserstoff lässt sich wie jedes andere brennbare Gas nutzen. Man kann es zur Wärmeerzeugung einfach verbrennen oder mittels thermodynamischer Maschinen (Kolbenmotoren, Turbinen) in mechanische Energie umwandeln. Generatoren machen daraus elektrische Energie. Der Königsweg der Energiewandlung ist der Weg über eine Brennstoffzelle . Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler - wie Batterien. Bei der Batterie ist die Energie im Batteriegehäuse gespeichert. Bei der Brennstoffzelle muss die Energie dagegen von außen zugeführt werden (Leitung oder Tank). Eine Brennstoffzelle braucht man also nicht aufzuladen . Sie ist ein Dauerläufer.

Die Brennstoffzelle ist ein außerordentlich sauberer Energiewandler. Er produziert Strom, Wärme, Wasser - und sonst nichts.

Drei Bauteile bestimmen den Aufbau einer Zelle: Anode, Kathode und Elektrolyt. Sie müssen sich diese Bauteile als dünne Folien vorstellen. Die Elektrode kann man sich wie eine Art Löschpapier vorstellen, das direkt auf eine elektrisch leitende (ionenleitende) Folie aufgepresst ist. In der Praxis werden diese Membran-Folien-Einheiten von einschlägigen Firmen als MEA verkauft. Die Folien-Brennstoffzellen bezeichnet man als Membran-Brennstoffzellen. Gebräuchlich ist die englische Abkürzung PEMFC.

Anders als bei der schlichten Verbrennung von Wasserstoff, erfolgt die chemische Umsetzung zu Wasser an zwei getrennten Orten, den Elektroden. Dabei werden die Elektronen des Wasserstoffs vom Kern, dem Proton getrennt. Das Proton wandert als Ion durch die Membran und die Elektronen fließen über einen Draht. Nach getaner Arbeit können sich Proton und Elektron dem süßen Leben (der Vereinigung) hingeben. Im Idealfall kann die gesamte chemische Energie des Wasserstoffs in elektrische Energie umgewandelt werden. Eine Einzelzelle liefert nur eine Spannung von 0,6-0,9 Volt. Das ist für technische Anwendungen zu wenig. Deshalb schaltet man, wie bei Batterien, eine Vielzahl von Zellen hintereinander. Die Spannungen addieren sich dann. Eine solche Anordnung nennt man Modul oder Stack - oder etwas weniger präzise: Brennstoffzelle.


	Bei dieser sogenannten bipolaren Anordnung von Einzelzellen muss zwischen jede Zelle eine sogenannte bipolare Platte eingefügt werden. Diese Platte muss man sich wie eine Platte mit Rillen vorstellen. Durch die Rillen dieser Platte werden die Gase zugeführt.


	Die untere Abbildung zeigt eine Explosionszeichnung diese Anordnung.

Diese Abbildung zeigt die Elemente einer Einzelzelle. Die oberste Lage ist die bipolare Platte mit den Rillen zur Gasverteilung. Die nächste Lage, das einheitliche Grau, ist eine Elektrode. Darunter, mit dem durchscheinenden welligen Rand, ist die Membran zu erkennen. Elektroden und Membran sind zu einer Einheit verpresst (MEA), die nur ca. 0,3 mm dick ist. Dann folgt wieder eine Bipolarplatte. Die Durchbrüche dienen der Gasverteilung über die Endplatten, wie das im nächsten Bild gut zu erkennen ist.


	Die Abbildungen machen deutlich, dass die Brennstoffzelle für eine Massenproduktion wie geschaffen ist.


	Quelle: Fh Ulm

Auf dem obigen Bild kann man den Stack aus Einzelzellen gut erkennen, auch die beiden Klemmen, die den Strom abführen. Wasserstoff und Sauerstoff werden über die Endplatten zugeführt. das untere Bild zeigt eine kommerzielle 80 kW Brennstoffzelle vom Typ Mark 9002 von der Firma Ballard. Dieser Typ lässt sich von 10-300 kW skalieren. Eine Brennstoffzelle ist eine Black-Box mit Gasanschlüssen und Elektrokontakten ohne bewegte Teile.


	Ein 30 cm hohes 85 kW Brennstoffzellensystem von Ballard zum Einbau in einen Pkw (für die A-Klasse von Daimler)

	Voraussichtlich wird die Membran-Brennstoffzelle 70-90% des Marktes abdecken. Sie eignet sich sowohl für Fahrzeugantriebe als auch zur stationären Erzeugung von Strom und Prozesswärme bis 200 °C. Wegen der geringen Kosten wird ein Brennstoffzellen-Stack auch als Ersatz für den Brenner bei Heizkesseln eingesetzt werden. Der Marktführer Ballard hat im Jahre 2000 für die Produktion von 0,3 Millionen Einheiten je 80 kW eine Investitionssumme von 350 Mio. € für diese Fabrik angegeben. Aus diesen und zusätzlichen Angaben lassen sich die Herstellkosten für einen Stack zu 10 €/kW ermitteln.

Kostenart	Kosten [€/kW]	Quelle	Bemerkungen
Fertigungskosten	5	Ballard/Tetzlaff	Invest+Personal
Platinkosten	2	Johnson Mattey	8-10g/Stack*
Kunststoffe	3	Tetzlaff	Membr., Bipol-Pl.
Summe	10		Stack

* inzwischen auf ca. 2g Edelmetalle der Platingruppe reduziert. Das ist nicht mehr als heute in einem Pkw-Auspuff steckt.

Das US Department of Energy (DOE) schätzt die Kosten für ein komplettes Brennstoffzellensystem auf 12 US $/kW. Ein System schießt sämtliche Nebenaggragate, die zum Betrieb einer Brennstoffzelle gehören, ein. Also Kompressoren, Ventile und Steuerung sind in diesen Kosten enthalten. Dabei geht die DOE von 0,5 Mio. Einheiten/a von je 55 kW aus. Dieses Ziel soll zwischen 2009 und 2015 erreicht sein. Bei Ausweitung der Produktion werden die Kosten weiter sinken. Allein die USA hat einen Bedarf von 16 Mio. Pkw-Brennstoffzellen/a. Die Energiedichte beträgt heute 1-2 kW je Liter Stack-Volumen.

In einer Wasserstoffwelt werden auf allen Gebieten der Energiewandlung Brennstoffzellen eingesetzt werden, auch für die Wärmeerzeugung. Das führt zu einem Stromanteil von ca. 50%. Da der Stromanteil heute bei ca. 13% liegt, wird in einer Wasserstoffwelt ein permanenter Stromüberschuss bestehen. Der überschüssige Strom kann aber als eine Art Edelwärme verstanden werden, weil die Umwandlung von Strom zu Wärme nahezu verlustfrei erfolgt, bei jedem Temperaturniveau. Die Ingenieure sprechen in diesem Fall von einer wärmegeführten Energiewirtschaft. In einer Wasserstoffwelt ist die Wärme also genauso kostbar wie Strom. Eine wärmegeführte Energiewirtschaft ist daher prizipiell verlustfrei.

Das primäre Ziel beim Einsatz von Brennstoffzellen ist daher die Produktion von Wärme. Deshalb werden die Einsatzfelder von Brennstoffzellen nach dem erwünschten Temperaturniveau ausgewählt.

Bis 80 °C: Membran- und alkalische Brennstoffzellen

Bis 200 °C: Membranzellen mit neuen Hochtemperatur-Membranen

Bis 600 °C: Karbonatschmelzen-Brennstoffzellen (MCFC)

Bis 1000 °C: Festelektrolyt-Brennstoffzellen (SOFC)

Neben diesen Brennstoffzellenarten gibt es noch andere, die aber wohl nur Nischenmärkte besetzen werden, z. B. Methenol-Brennstoffzellen (DMFC) in portablen Geräten als Batterie-Ersatz.

aktualisiert am 06.04.2009


		Brennstoffzellen sind umweltfreundliche dezentrale Energiewandler.

	Brennstoffzellen können sofort auf jede Leistungsanforderung reagieren. Der Anschluss an ein Stromnetz ist also nicht notwendig.

	Der Aufbau einer Brennstoffzelle ähnelt einer Batterie.

	Brennstoffzellen sind wie geschaffen für eine Massenproduktion.

	Die spezifischen Investitionskosten von Brennstoffzellen sind sehr niedrig. Motoren oder Kraftwerke kosten ca. 100 mal mehr.

Brennstoffzellen sind - entgegen landläufiger Meinung - in erster Linie dazu da, Wärme zu erzeugen. Da in jedem Haus und jeder Fabrik dabei mehr Strom erzeugt wird als genutzt werden kann, muss der größte Teil des Stromes (verlustfrei) in Wärme umgewandelt werden.