Brennstoffzelle

Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, die die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Wenn auch mit Brennstoffzelle oft eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle gemeint ist, können je nach Brennstoffzellentyp außer Wasserstoff auch viele andere Brennstoffe genutzt werden, insbesondere Methanol, Butan oder Erdgas.

Brennstoffzellen alleine sind keine Energiespeicher, sondern Energiewandler, denen Energie in chemisch gebundener Form mit den Brennstoffen zugeführt wird. Ein komplettes Brennstoffzellensystem kann aber einen Brennstoffspeicher enthalten.

Die gemessen an der Zahl der installierten Geräte wichtigsten Anwendungen der Brennstoffzelle sind die netzunabhängige Stromversorgung sowie – vor allem in Japan – die Versorgung von Gebäuden mit Wärme und Elektrizität (Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung). Dazu wurden bis zum April 2019 in Japan etwa 305.000 Gebäude mit Brennstoffzellenheizungen ausgestattet und diese staatlich bezuschusst („ENE-FARM“-Programm). In Deutschland wurden bis einschließlich September 2019 über 8.900 Anträge auf KfW-Förderung für Brennstoffzellenheizungen bewilligt.

Die nach der Gerätezahl zweithäufigste Anwendung der Brennstoffzelle ist die Versorgung netzferner Geräte wie Messstationen oder Elektrogeräte beim Camping. Für diesen Zweck verwendet man Direktmethanolbrennstoffzellen, von denen ein Hersteller bis Januar 2020 nach eigenen Angaben über 45.000 Geräte verkaufte.

Drittens werden Fahrzeuge mit Brennstoffzellen betrieben, darunter mehr als 20.000 Gabelstapler, Hubwagen oder ähnliches, viele davon in den USA.Der Bestand an Brennstoffzellenfahrzeugen erhöhte sich 2018 um rund 4000 und lag am Ende bei etwa 11.200 Autos und Kleinlastwagen. Allein vom Toyota Mirai wurden bis September 2019 über 10.000 Fahrzeuge produziert. Außerdem waren bis September 2019 weltweit etwa 200 Brennstoffzellenbusse in Betrieb, etwa 70 in Europa, 40 in China, 18 in Japan und 71 in den USA.

Prinzip

Direktmethanolbrennstoffzelle

Als Brennstoff dient bei der DMFC Methanol (CH3OH, Summenformel: CH4O), das – anders als bei der indirekten Methanolbrennstoffzelle ohne vorherige Reformierung – zusammen mit Wasser der Anode zugeführt und dort oxidiert wird. Bei dieser Reaktion entstehen H+-Ionen, freie Elektronen sowie, als Abgas, CO2. Der Kathode wird das Oxidationsmittel (Luft-)Sauerstoff zugeführt, welcher daraufhin mit H+-Ionen unter Aufnahme von Elektronen zu Wasser reagiert.

Problematisch ist bei der DMFC der Umstand, dass Methanol durch die Membran von der Anode zur Kathode wandert, was „Methanol-Cross-Over“ genannt wird. Einerseits tritt dabei ein Brennstoffverlust auf, andererseits wird durch unerwünschte Methanoloxidation an der Kathode das elektrische Potenzial verringert (Mischpotential) und der Zellwirkungsgrad sinkt. Die Reduzierung dieses technischen Problems ist Gegenstand aktueller Forschungen. Durch eine neu entwickelte Kompositmembran des Fraunhofer-Institutes, unter Verwendung von Ethanol als Brennstoff, lässt sich das Cross-Over um den Faktor Hundert verringern (Stand Mai 2009).

Historisches

Das Prinzip der Direktmethanolzelle (DMFC) wurde erstmals 1951 von Karl Kordesch und A. Marko vorgeschlagen, die damals an der Universität Wien arbeiteten. Dabei verwendeten sie allerdings auch andere Alkohole oder Aldehyde als mögliche Brennstoffe.[4] Sie nutzten bereits Elektroden aus Kohlenstoff mit Platin als Katalysator.[5] Die eigentliche Erforschung und Erprobung der DMFC begann in den 1960er Jahren, insbesondere auch durch die Ölfirmen Esso und Shell. Durch das Apollo-Raumprogramm der Amerikaner wurden Brennstoffzellen einem breiten Publikum bekannt. Diese arbeiteten allerdings direkt mit dem als Raketentreibstoff mitgeführten tiefgekühlten flüssigen Wasserstoff. Intensiver wurde die DMFC-Forschung in den 1980er Jahren, als sie z. B. durch die EU gefördert wurde, aber auch durch Hitachi, die ein Golfplatzfahrzeug mit DMFCs ausstatteten. In den 1990er Jahren wurde die DMFC insbesondere im Los Alamos National Laboratory intensiv erforscht. Dabei wurde zunächst auch im Hinblick auf eine Nutzung der Direktmethanolbrennstoffzellen in Elektroautos gearbeitet; im Vergleich zur indirekten, einen Reformer erfordernden Brennstoffzelle, wie sie 1997 im Mercedes-Benz NECAR 3 verwendet wurde, ergibt sich eine einfachere Konstruktion.

In den Jahren von 2000 bis 2010 wurden viele Prototypen kleiner Direktmethanolbrennstoffzellen für Anwendungen in der Mobilelektronik demonstriert, z. B. zur Stromversorgung von Laptops, MP3-Spielern oder von Handys bzw. Smartphones. Die Erwartungen auf eine breite Markteinführung erreichten in den Jahren 2005 und 2006 ihren Höhepunkt. Zu den Unternehmen, die solche DMFC-Geräte ankündigten, gehörten auch Motorola sowie die japanischen Elektronikkonzerne Sony, Toshiba, NEC und Fujitsu. Kaum eine dieser Entwicklungen wurden dann tatsächlich vermarktet. Manche, wie z. B. das 2009 erhältliche Ladegerät von Toshiba, waren nur kurze Zeit verfügbar. Ein Grund für den mangelnden Erfolg der DMFC für die Mobilelektronik dürfte der sinkende Preis und die zunehmende Leistungsfähigkeit von Lithiumionenbatterien sein, die die Konstruktion besonders kompakter tragbarer Elektronik ermöglicht.

Erfolgreicher als die Versuche, die DMFC für die Elektronik des Heimanwenders zu nutzen,[12] ist die Anwendung der DMFC fern der Stromnetze: Das 2000 gegründete Unternehmen SFC Energy (von 2002 bis 22. Juli 2010 als Smart Fuel Cell GmbH)[15] verkauft DMFC-Stromversorgungen z. B. für den Campingbedarf oder für netzunabhängige Messeinrichtungen. Bis Mai 2017 hat SFC Energy nach eigenen Angaben 36.000 Direktmethanolbrennstoffzellen verkauft. Außer SFC ist nur noch Oorja Protonics, Inc. ein aktiv im DMFC-Markt tätiges Unternehmen.