Kurze Einführung in die derzeit auf dem Markt befindlichen Brennstoffzellentypen

Eine Brennstoffzelle ist ein biologisches und elektrochemisches System, das anhand des verwendeten Elektrolyten und des Herstellungsprozesses klassifiziert wird. Diese Brennstoffzellen erzeugen durch einen elektrochemischen Prozess verschiedene Energieformen oder dienen der Erzeugung von Wärmeenergie oder Strom, ohne dass Prozesse wie Verbrennung oder Vergasung erforderlich sind. Derzeit befinden sich mehrere Brennstoffzellentechnologien in der Prototypenentwicklung oder im Forschungsstadium. Einige der bekanntesten unterscheiden sich in den verwendeten Elektrolyten, den ablaufenden chemischen Reaktionen, den beteiligten Katalysatoren, den Betriebstemperaturen und der Art des als Ausgangsmaterial verwendeten Brennstoffs. Im Folgenden erhalten Sie eine kurze Einführung in die derzeit bekannten Klassifizierungen und Eigenschaften von Brennstoffzellen. Die folgende Abbildung stellt kurz die in verschiedenen Brennstoffzellentypen verwendeten Brennstoffe sowie einfache Strukturerklärungen und Betriebstemperaturen vor; In der folgenden Tabelle sind die Elektrolyte, Betriebstemperaturen, Brennstoffe sowie die für jeden Brennstoffzellentyp erforderlichen Vor- und Nachteile aufgeführt.

I. Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PEMFC – Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen)

       Die hohe Leistungsdichte und das geringe Gewicht von Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PEMFC) machen sie zu einer beliebteren Wahl als andere Arten von Brennstoffzellen. Es ist auch der am weitesten verbreitete und am weitesten verbreitete Technologieweg für kommerzielle Anwendungen. Dieser Name wird synonym mit Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen verwendet und bezieht sich hier auch speziell auf Niedertemperatur-Brennstoffzellen (LT-PEM). Feste Polymerelektrolyte und Kohlenstoffelektroden mit Platin- oder Platinlegierungskatalysatoren ermöglichen, dass diese Brennstoffzellen nur Wasserstoff und Sauerstoff (Luft) verwenden. Typischerweise verwenden PEMFCs reinen Wasserstoff (99,99 %+) aus Speichertanks oder Reformern als Brennstoff. Diese Brennstoffzellen arbeiten bei einer niedrigeren Temperatur, etwa 80 °C (176 °F), was zu schnelleren Startzeiten und weniger Verschleiß an Systemkomponenten führt, was wiederum eine längere Haltbarkeit bedeutet. Allerdings erhöht der Einsatz von Edelmetallkatalysatoren wie Platin die Systemkosten. Während PEMFCs hauptsächlich für Transportzwecke verwendet werden, können sie auch in stationären Kraft-Wärme-Kopplungsanwendungen eingesetzt werden. Sie eignen sich besonders für Fahrzeuganwendungen wie Busse, Pkw und schwere Lkw. Es gibt viele große Player, wie Toyota aus Japan, Hyundai aus Südkorea, Ballard usw., und inländische Unternehmen sind zu zahlreich, um alle aufzuzählen.

II. Direkt-Methanol-Brennstoffzellen (DMFC – Direkt-Methanol-Brennstoffzellen)

Die meisten Brennstoffzellen werden mit Wasserstoff betrieben, der direkt dem System zugeführt oder durch Reformierung wasserstoffreicher Brennstoffe wie Methanol, Ethanol oder Kohlenwasserstoffe hergestellt werden kann. Der DMFC-Betrieb (Direct Methanol Fuel Cell) basiert jedoch vollständig auf 100 % Methanol, das normalerweise mit Wasser gemischt wird, bevor es direkt in die Anode der Brennstoffzelle eingespritzt wird. DMFCs leiden nicht unter den bei anderen Brennstoffzellensystemen üblichen Schwierigkeiten bei der Kraftstoffspeicherung, da Methanol eine höhere Energiedichte als Wasserstoff aufweist (wenn auch niedriger als Benzin- oder Dieselkraftstoffe). Darüber hinaus ist Methanol ähnlich wie Benzin eine Flüssigkeit, was den Transport und die Verteilung über die bestehende Infrastruktur erleichtert. DMFCs werden häufig in tragbaren Brennstoffzellenanwendungen wie Mobiltelefonen und Laptops verwendet. Derzeit betreiben einige Unternehmen kommerzielle Werbung, insbesondere in Szenarien wie der Militärindustrie und Basisstationen. Das Strukturprinzip ist in der Abbildung dargestellt:

III. Alkalische Brennstoffzellen (AFC – Alkalische Brennstoffzellen)

Alkalisches elektrolysiertes Wasser (AEC) ist jedem bekannt, alkalische Brennstoffzellen (AFC) jedoch möglicherweise nicht, obwohl AFC eine der frühesten erfundenen Brennstoffzellentechnologien ist und im US-Raumfahrtprogramm häufig zur Strom- und Wassererzeugung auf Raumfahrzeugen eingesetzt wird. Als Elektrolyt wird eine Lösung aus Kaliumhydroxid und Wasser verwendet, was wiederum die Freiheit bietet, große Mengen an Nichtedelmetallkatalysatoren an Anode und Kathode einzusetzen. Kürzlich sind neue AFCs aufgetaucht, die Polymermembranen als Elektrolyte verwenden. Diese Brennstoffzellen ähneln herkömmlichen PEM-Brennstoffzellen, verwenden jedoch eine alkalische Membran anstelle einer sauren Membran. Eines der größten Hindernisse für alkalische Brennstoffzellen (AFCs) ist ihre Anfälligkeit für eine Kohlendioxidvergiftung (CO2). Selbst Spuren von Kohlendioxid in der Luft können zu Karbonatablagerungen führen, die die Effizienz und Lebensdauer der Batterie erheblich beeinträchtigen können. Während AFCs mit flüssigen Elektrolyten im Rezirkulationsmodus betrieben werden können, um den Elektrolyten zu regenerieren und die Karbonatbildung zu reduzieren, führt dieser Modus zu Nebenstrom und anderen Problemen wie Benetzbarkeit, Korrosion und Handhabung des Differenzdrucks. Alkalische Membranbrennstoffzellen (AMFCs) lösen diese Probleme und sind weniger anfällig für eine Kohlendioxidvergiftung als AFCs, die flüssige Elektrolyte verwenden. Kohlendioxid beeinträchtigt jedoch immer noch ihre Leistung und sie liegen derzeit sowohl in der Leistung als auch in der Haltbarkeit hinter Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs) zurück. AMFCs werden derzeit auf ihren potenziellen Einsatz im Multiwatt- bis Multikilowattbereich untersucht. Bei praktischen Anwendungen müssen jedoch einige Herausforderungen bewältigt werden, beispielsweise die Toleranz gegenüber Kohlendioxid, die Membranleitfähigkeit und die Haltbarkeit. Die kommerzielle Werbung ist schwach und es gibt nur wenige bekannte Unternehmen.

IV. Phosphorsäure-Brennstoffzellen (PAFCs – Phosphorsäure-Brennstoffzellen)

Phosphorsäure-Brennstoffzellen (PAFCs) verwenden flüssige Phosphorsäure als Elektrolyt, die in eine Siliziumkarbidmatrix eingewickelt und mit Polytetrafluorethylen (PTFE) verbunden ist. Die Elektrode besteht aus porösem Kohlenstoff, der einen Platinkatalysator enthält. PAFCs werden oft als moderne Brennstoffzellen der „ersten Generation“ bezeichnet und gelten als einer der ausgereiftesten Brennstoffzellentypen und werden seit einiger Zeit kommerziell genutzt. Sie werden hauptsächlich zur stationären Stromerzeugung eingesetzt, es gibt aber auch Beispiele für PAFCs, die große Fahrzeuge wie Stadtbusse antreiben. Im Vergleich zu Protonenaustauschmembranzellen (PEM) haben PAFCs Vorteile bei der Toleranz gegenüber Verunreinigungen in fossilen Brennstoffen, die in Wasserstoff umgewandelt werden. PEM-Zellen werden leicht durch Kohlenmonoxid „vergiftet“, das sich an den Platinkatalysator in der Anode bindet und so die Effizienz der Brennstoffzelle verringert. Im Gegensatz dazu haben PAFCs eine gewisse Toleranz gegenüber Verunreinigungen und sind in Kombination mit Wärme und Strom zu mehr als 85 % effizient. Allerdings sind sie bei der alleinigen Stromerzeugung weniger effizient, wobei die Wirkungsgrade zwischen 37 % und 42 % liegen. Dieser Wirkungsgrad ist nur geringfügig besser als der von Verbrennungskraftwerken, die typischerweise einen Wirkungsgrad von etwa 33 % haben. Darüber hinaus sind PAFCs weniger leistungsstark und größer als andere Brennstoffzellen mit demselben Gewicht und Volumen, was ihre Herstellung teurer macht. Für die Herstellung dieser Brennstoffzellen sind große Mengen teurer Platinkatalysatoren erforderlich, was zu höheren Kosten führt. Repräsentative Unternehmen wie Doosan (DOOSAN) aus Südkorea . PAFCs werden hauptsächlich zur stationären Stromerzeugung und für Drohnen eingesetzt.

V. ​Brennstoffzellen mit geschmolzenem Karbonat (MCFC-Brennstoffzellen mit geschmolzenem Karbonat)

Derzeit wird an der Entwicklung von Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen (MCFCs) gearbeitet, mit dem Ziel, sie in erdgas- und kohlebasierten Kraftwerken für eine Vielzahl von Anwendungen im Energieversorgungs-, Industrie- und Militärsektor einzusetzen. Diese Brennstoffzellen sind für den Betrieb bei Temperaturen um 650 °C (1200 °F) ausgelegt und gelten als Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Der in MCFC verwendete Elektrolyt ist ein geschmolzenes Carbonatsalz, das in einer porösen inerten keramischen Lithiumaluminiumoxidmatrix suspendiert ist. Ein Vorteil des Betriebs bei hohen Temperaturen besteht darin, dass Nichtedelmetalle als Katalysatoren sowohl für die Anode als auch für die Kathode verwendet werden können, was zur Kostensenkung beiträgt. MCFCs können aufgrund der gesteigerten Effizienz die Kosten erheblich senken. In Kombination mit Turbinen können diese Brennstoffzellen Wirkungsgrade von bis zu 6,5 % erreichen , was weit über dem 37–42 % liegt. Wirkungsgrad von Phosphorsäure-Brennstoffzellen von Wenn außerdem Abwärme erfasst und genutzt wird, kann die Gesamtbrennstoffeffizienz 85 % übersteigen. Im Gegensatz zu Alkali-, Phosphorsäure- und PEM-Brennstoffzellen benötigen MCFCs keinen externen Reformer, um Brennstoffe wie Erdgas und Biogas in Wasserstoff umzuwandeln. Stattdessen wandelt die Brennstoffzelle selbst Methan und andere leichte Kohlenwasserstoffe durch interne Reformierung in Wasserstoff um und senkt so die Kosten. Mit der aktuellen Technologie haben MCFCs einen großen Mangel an Haltbarkeit. Harte Betriebsbedingungen bei hohen Temperaturen und die Verwendung korrosiver Elektrolyte beschleunigen die Korrosion und Zersetzung von Komponenten und verkürzen letztendlich die Lebensdauer . Forscher erforschen aktiv den Einsatz korrosionsbeständiger Materialien und entwickeln Brennstoffzellendesigns, die die derzeitige Lebensdauer von 40.000 Stunden (etwa fünf Jahre) ohne Leistungseinbußen verdoppeln könnten. Repräsentative Unternehmen wie Fuel Cell Energy in den Vereinigten Staaten.

VI : Hochtemperatur-Festoxidbatterien (SOFC-Solid Oxide Fuel Cells)

Festoxid-Brennstoffzellen (SOFCs) nutzen eine harte, nicht poröse Keramikverbindung als Elektrolyt und wandeln Brennstoff mit einem hohen Wirkungsgrad von etwa 60 % in Elektrizität um. Bei Kraft-Wärme-Kopplungsanwendungen kann die Gesamtbrennstoffeffizienz durch die Erfassung und Nutzung der Abwärme des Systems über 84 % liegen. Diese Brennstoffzellen arbeiten bei sehr hohen Temperaturen von bis zu 1830 °F.

Dieser Hochtemperaturbetrieb erfordert keine Edelmetallkatalysatoren, was die Kosten senkt. Darüber hinaus können SOFCs den Kraftstoff intern reformieren, was die Verwendung einer Vielzahl von Kraftstoffen ermöglicht und die Kosten senkt, die mit dem Hinzufügen eines Konverters zum System verbunden sind. Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) haben gegenüber anderen Brennstoffzellentypen deutliche Vorteile. Sie vertragen beispielsweise mehr Schwefel als andere Arten und sind unempfindlich gegenüber einer Kohlenmonoxidvergiftung, sodass sie mit einer Vielzahl von Brennstoffen wie Erdgas, Biogas und Kohlegasen betrieben werden können. Darüber hinaus sind beim Hochtemperaturbetrieb keine Edelmetallkatalysatoren erforderlich, was den Betrieb kostengünstiger macht. Der Betrieb bei hohen Temperaturen bringt jedoch Herausforderungen mit sich, darunter ein langsamer Start und Anforderungen an die Hitzeabschirmung, die sie für den Transport ungeeignet machen. Darüber hinaus ist die Haltbarkeit aufgrund der rauen Bedingungen bei hohen Temperaturen ein entscheidender Faktor. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, kostengünstige Materialien zu entwickeln, die diesen Bedingungen standhalten. Ein vielversprechender Ansatz ist die Entwicklung von SOFCs mit kühlerer Temperatur, die weniger Haltbarkeitsprobleme und geringere Betriebskosten aufweisen. Während diese Niedertemperatur-SOFCs noch nicht die gleiche Leistung wie Hochtemperatursysteme erreichen, entwickeln Wissenschaftler derzeit Materialstapel, die in diesem niedrigeren Temperaturbereich betrieben werden können. Derzeit gibt es viele verbundene Unternehmen im In- und Ausland. Die spezifischen Arbeits- und Strukturprinzipien sind in der Abbildung dargestellt.

VII . Reversible Brennstoffzellen (RFC – Reversible Brennstoffzellen)

Streng genommen beziehen sich reversible Brennstoffzellen nicht auf einen bestimmten technischen Weg. Die derzeit gebräuchlichsten sind alkalisch reversibel, PEM reversibel und SOC reversibel (bezogen auf die reversible Elektrolyse von Wasser und Brennstoffzellen). Ihr Funktionsprinzip ähnelt dem anderer Brennstoffzellen, da sie aus Wasserstoff und Sauerstoff sowie Wasser als Nebenprodukte Strom und Wärme erzeugen. Reversible Brennstoffzellensysteme verfügen jedoch zusätzlich über die Fähigkeit, Elektrolyse durchzuführen und Wasserstoff- und Sauerstoffkraftstoffe mithilfe von Strom aus erneuerbaren Quellen wie Solar- und Windkraft zu erzeugen. Das bedeutet, dass eine reversible Brennstoffzelle nicht nur bei Bedarf Strom liefert, sondern auch überschüssige Energie in Form von Wasserstoff speichern kann, wenn erneuerbare Energietechnologien mehr Energie produzieren, als derzeit benötigt wird. Dieses Energiespeicherpotenzial ist entscheidend, um intermittierende erneuerbare Energie effizienter und zuverlässiger zu machen.