Bei einer Brennstoffzelle handelt es sich um einen Energiewandler. Bei der in einer Brennstoffzelle stattfindenden elektrochemischen Reaktion handelt es sich grundsätzlich um eine umgekehrte Elektrolyse, wobei Wasserstoff und Sauerstoff miteinander reagieren und elektrischer Strom entsteht. Der Wasserstoff, aus dem der elektrische Strom erzeugt wird, kann der Brennstoffzelle entweder in Reinform oder in gasförmiger Verbindung (beispielsweise in Form von Erdgas oder Biogas) bereitgestellt werden.
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Unterschiede zwischen den Brennstoffzellentypen
Es gibt eine Vielzahl an unterschiedlichen Brennstoffzellentypen (siehe folgende Tabelle), die im Prinzip ähnlich aufgebaut sind und damit verfügen alle über, durch einen Elektrolyten getrennte, Anode und Kathode. Der verwendete Elektrolyt entscheidet dabei über den elektrischen Wirkungsgrad, Betriebstemperatur und Produktionskosten.
| Brennstoffzelle | Elektrolyt | Arbeitstemperatur | Elektrischer Wirkungsgrad | Brenngas (Oxydant) |
| AFC (Alkalische Brennstoffzelle) |
Kalilauge | Raumtemperatur bis 90 °C | 60-70 % | H2 (O2) |
| PEMFC (Membran-Brennstoffzelle) |
Protonleitende Membran | Raumtemperatur bis 80 °C | 50-70 % | H2 (O2, Luft) |
| DMFC (Direkt-Methanol-Brennstoffzelle) |
Protonleitende Membran | Raumtemperatur bis 130 °C | 20-30 % | CH3OH Methanol (O2, Luft) |
| PAFC (Phosphorsäure-Brennstoffzelle) |
Phosphorsäure | 180-220 °C | 55 % | Erdgas, Biogas, H2 (O2, Luft) |
| MCFC (Karbonatschmelzen-Brennstoffzelle) |
Alkalicarbonatschmelzen | 620-660 °C | 65 % | Erdgas, Kohlegas, Biogas, H2 (O2, Luft) |
| SOFC (Oxidkeramische Brennstoffzelle) |
Yttriumstabilisiertes Zirkonoxid | 800-1000 °C | 60-65 % | Erdgas, Kohlegas, Biogas, H2 (O2, Luft) |
Besonderheiten und Anwendungen der verschiedenen Brennstoffzellenarten
Die verschiedenen Brennstoffzellentypen weisen unterschiedliche Besonderheiten und Anwendungsmöglichkeiten auf, die in der Tabelle unterhalb aufgelistet sind. Die AFC benötigt für den Betrieb reinen Wasserstoff und reinen Sauerstoff und ist zudem empfindlich gegenüber der Umgebungsluft. Somit ist nur der Einsatz in abgeschlossenen Systemen möglich. Die MCFC und SOFC arbeiten bei sehr hohen Temperaturen, was die Verwendung in einem Fahrzeug ausschließt. Die PAFC erfüllt durch die als Elektrolyt verwendete Säure die Sicherheitsansprüche nicht. Allein die PEMFC eignet sich durch das flexible Betriebsverhalten, hohen Wirkungsgrad und angemessenen Arbeitstemperaturen für den Einsatz als Elektroenergiewandler in einem Fahrzeug.
| Brennstoffzellentyp | Besonderheiten | Anwendungen |
| AFC (Alkaline Fuel Cell) |
Hoher Wirkungsgrad, nur geeignet für reinen Sauerstoff und Wasserstoff | Raumfahrt, Verteidigungstechnik |
| PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) |
Sehr flexibles Betriebsverhalten, hohe Leistungsdichte | Fahrzeuge, dezentrale Stromerzeugung, Blockheizwerke (BHWK, kleinere Anlagen) |
| PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) |
Begrenzter Wirkungsgrad, Korrosionsprobleme | Dezentrale Stromerzeugung, Strom-Wärme-Kopplung |
| MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) |
Komplexe Prozessführung, Korrosionsprobleme | Zentrale und dezentrale Stromerzeugung, Strom-Wärme-Kopplung |
| SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) |
Elektrische Energie direkt aus Erdgas, Keramiktechnologie | Zentrale und dezentrale Stromerzeugung, Strom-Wärme-Kopplung |
Brennstoffzelle für Brennstoffzellenautos
Die PEMFC, die sich für die Brennstoffzellenautos eignet, benötigt für den Betrieb reinen Wasserstoff, der im Fahrzeug meist in Drucktanks gasförmig gespeichert wird. Als Sauerstofflieferant dient die Umgebungsluft. Bei der elektrochemischen Reaktion in einer PEMFC entstehen Wasserdampf und Wärme, die Brennstoffzelle ist also frei von lokalen Schadstoffemissionen. Die PEMFC besitzt einen hohen Wirkungsgrad von 50 bis 70 Prozent, zudem sind Leistungen von 150 kW und mehr möglich. Das Leistungsgewicht beträgt etwa 1,3 kW/kg und das Leistungsvolumen 1,7 kW/l (Stand 2003). Wichtige Aspekte bei der Gestaltung von Brennstoffzellensystemen sind die Entsorgung von entstehendem Wasser, die Abführung der Wärme und die Zufuhr von genügend Sauerstoff.
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