Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen

1 Einleitung: Rettet Wasserstoff das Klima?
Wsserstoffgewinnung 1

Teil 9.3.1 | PEM-Brennstoffzelle

Die Protonen-Austausch-Membran-BZ (PEM-FC = engl. Proton Exchange Membrane Fuel Cell; auch Polymer-Elektrolyt-Membran-BZ genannt), ist bisher die am weitesten verbreitete Brennstoffzelle. Ihr werden die besten Entwicklungsaussichten zugesprochen. Dies gilt speziell für den mobilen Bereich (Kfz-Sektor), wo es insbesondere auf Dynamik und hohe Leistungsdichte ankommt.

Die PEM-Brennstoffzelle ist auf die Zufuhr von Wasserstoff angewiesen. Sollen andere Kraftstoffe genutzt werden, wie etwa Erdgas, Kohlegas, Klärgas, Biogas oder Methanol, müssen ein Reformer und eine Entschwefelung vorgeschaltet werden, was in Bezug auf den Wirkungsgrad wenig attraktiv ist.

Die Niedertemperatur-PEM (NT-PEM) arbeitet bei Temperaturen von 80 bis 100 °C. Diese Temperatur ermöglicht die Auskopplung von Nutzwärme auf niedrigem Niveau, weswegen diese PEM auch für den Einsatz als Blockheizkraftwerk zur dezentralen Energieversorgung im kleinen und mittleren Leistungsbereich durchaus geeignet ist.

Neben der Niedertemperatur-PEM gibt es auch noch die Hochtemperatur-PEM (HT-PEM, bis 160 °C), die aber trotz der höheren Temperatur noch zu den Niedertemperaturbrennstoffzellen zählt. Hochtemperaturbrennstoffzellen arbeiten demgegenüber bei 600 bis 1.000 °C, sind wegen der längeren Vorwärmdauer jedoch nicht ganz so flexibel und können auch nicht so dynamisch betrieben werden.

PEM-Brennstoffzellen erreichen bereits nach kurzer Zeit ihre Betriebstemperatur, da die eigene Abwärme das System rasch aufheizt. Wird mehr oder weniger Strom abverlangt, so folgt die Brennstoffzellenspannung sehr schnell (0,1 Sek.) dieser Laständerung. Aufgrund dieses guten Lastwechselverhaltens und des hohen Wirkungsgrades im Teillastbetrieb sind Niedertemperaturbrennstoffzellensysteme schnell regelbar. Außerdem erreichen sie eine Leistungsdichte bis zu einem Watt pro Quadratzentimeter Membranfläche. Dieser vergleichsweise hohe Wert ermöglicht eine kompakte Bauweise, weswegen sie so interessant sind für die Anwendung in Fahrzeugen.

Abb. 38: Brennstoffzellen-Stack im Gehäuse
Stack.jpg

Der Festelektrolyt aus dünner Polymerfolie bildet das zentrale Element einer PEM-Einzelzelle. Dabei handelt es sich um eine hauchdünne, gerade mal 50 bis 200 Mikrometer dicke Folie. Häufig wird der Spezialkunststoff Nafion eingesetzt. Dieser zeichnet sich durch eine besondere Leitfähigkeit für die positiven Ladungsträger, die Wasserstoffionen, aus. Lange Zeit führten jedoch die aufwendigen Herstellungsverfahren für diesen Polymerkunststoff zu einem relativ hohen Preis, der allerdings mittlerweile aufgrund eines größeren Wettbewerbs gesunken ist.

In diese Membran sind Wassermoleküle fest eingebunden. Steigt die Betriebstemperatur auf über 100 °C, verdampfen diese Moleküle und die Membran trocknet aus. Aber auch bei niedriger Temperatur führt die Zufuhr von Wasserstoff auf der einen und Sauerstoff auf der anderen Seite zu einem schleichenden Verlust der eingelagerten Wassermoleküle, so dass die Membran altert. Um dies zu verhindern, wird erstens der gesamte Stack gekühlt, und zweitens werden die zugeführten Medien (H2 und Luft) mit eigens installierten Komponenten befeuchtet.

Der Wasserstoff auf der Anodenseite und die Luft auf der Kathodenseite werden über Bipolarplatten zugeführt. Zu deren Herstellung sind Materialien notwendig, die eine gute elektrische sowie eine gute thermische Leitfähigkeit besitzen und außerdem eine hohe Haltbarkeit unter den gegebenen Betriebsbedingungen sicherstellen. Mitunter werden die Bipolarplatten aus hochkonzentriertem Graphit hergestellt, das zwar die genannte Voraussetzung der guten elektrischen Leitfähigkeit besitzt, allerdings spröde ist und bei unvorsichtiger Handhabung (ungleichmäßiges Anziehen der Schrauben) leicht zerbricht. Alternativ dazu gibt es auch metallische Bipolarplatten.

Für eine gute Zuverlässigkeit und hohe Leistungsfähigkeit ist das Flow-field der Bipolarplatten von zentraler Bedeutung, weshalb zahlreiche verschiedene Fertigungsverfahren erprobt werden. So kommen Verfahren zum Einsatz, bei denen das Flow-field (die Gänge für Wasserstoff bzw. Sauerstoff) durch Extrusion, Pressen oder Spritzgießen erzeugt wird. Oder aber es werden Platten aus Kohlenstofffasern verwendet, bei denen die Gänge in die einige Millimeter dicke Rohform eingeprägt werden und eine chemische Nachbehandlung für die notwendige Leitfähigkeit sorgt.

In der Anfangszeit der Entwicklung bereitete insbesondere der Betrieb bei niedrigen Temperaturen erhebliche Probleme, weil bei Minustemperaturen das in den Zellen enthaltene Wasser drohte, sie zu beschädigen. So war anfangs ein Betrieb bei -20 °C unmöglich. Hier hat die Forschung jedoch bereits verschiedene Lösungsmöglichkeiten aufgezeigt.

Die Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzellen können bei Temperaturen von 130 bis 160 °C arbeiten. Diese höhere Temperatur hat den Vorteil, dass die Zelle toleranter gegenüber Brennstoffverunreinigungen ist. Möglich macht dies der Kunststoff Polybenzimidazol (PBI), der bereits 1983 für die NASA entwickelt, aber erst Anfang dieses Jahrhunderts für die Brennstoffzellentechnik wiederentdeckt wurde. Das schwarze Material ist bekannt als temperaturstabile Textilfaser für Schutzkleidung und zeigt eine gute Leitfähigkeit für Protonen. Derartige mit Phosphorsäure (H3PO4) getränkte Polymermembranen aus aromatischen Monomereinheiten können drucklos bis 200 °C betrieben werden, weil sie nicht austrocknen. Phosphorsäure verfügt nämlich über einen höheren Siedepunkt als Wasser und kann somit dessen Funktion als Elektrolyt übernehmen. Damit das auf der Kathodenseite entstehende Produktwasser nicht die Phosphorsäure auswäscht, wird die Elektrode einseitig mit einer wasserabweisenden Substanz beschichtet.

Bei PBI-Membranen kann eine aufwendige Nachreinigung der Brenngase entfallen. Außerdem ist kein Wassermanagement notwendig. Sowohl die Wasserkühlung als auch die Befeuchter werden hier nicht mehr benötigt, was zu einer signifikanten Vereinfachung und Verkleinerung des gesamten Systems führt. Dies führt wiederum zu einer Kostenreduktion.

Unabhängig von diesen Weiterentwicklungen müssen jedoch Gewicht, Größe und Kosten der Brennstoffzellensysteme immer noch weiter reduziert werden, damit sie zukünftig mit herkömmlichen Energiewandlern konkurrieren können.

Die in PEM-Brennstoffzellen verwendeten Katalysatoren erfordern eine relativ hohe Brenngasreinheit. Während Hochtemperaturbrennstoffzellen einen gewissen Prozentsatz an Verunreinigungen vertragen können, tolerieren Niedertemperaturbrennstoffzellen Kohlenstoffmonoxid nur in sehr geringen Mengen, da dieses als sogenanntes Katalysatorgift wirkt. Die Toleranzgrenze liegt bei etwa 10 bis 100 ppm (10 bis 100 CO-Teilchen pro eine Million Wasserstoffteilchen). Die Empfindlichkeit von PEM-Modulen gegenüber CO beruht auf der Blockierung der Platinbelegung an der Anode, wodurch die Reaktionsgeschwindigkeit und somit die Zellspannung sinkt. Das hat wiederum zur Folge, dass der elektrische Wirkungsgrad der Brennstoffzelle abnimmt. Dieser Effekt ist vergleichbar mit dem Einatmen von CO beim Menschen: Die CO-Moleküle lagern sich an den Platinmolekülen an und behindern so die Reaktion mit Sauerstoff (Wasserstoff).

Die Platinkatalysatoren früherer PEM-Brennstoffzellen vertrugen lediglich 10 bis 20 ppm CO im Brenngas. Reformierungsprozesse führten jedoch zu einem CO-Gehalt im Brenngas von 0,1 bis 0,2 Prozent, was deutlich zu viel war. Durch einen Rutheniumzusatz zum Katalysatormaterial (40 bis 60 Prozent) konnte der Grenzwert auf bis zu 100 ppm angehoben werden. Weitere Möglichkeiten, die Toleranzgrenze hochzusetzen, sind eine höhere Zellentemperatur und die Zuführung von Sauerstoff.

Auch andere Bestandteile des Brenngases sind in ihrer Menge zu beschränken. Der Methangehalt beispielsweise sollte 100 ppm nicht überschreiten, weil es ansonsten ebenfalls Probleme mit der Membran geben könnte. Diese Einschränkung ist vornehmlich für Biogase wichtig.

preloader