Angelika Heinzel und Peter Beckhaus

Die Brennstoffzelle ist ein Energiewandler, der einen Brennstoff - bevorzugt Wasserstoff - sehr effizient über einen elektrochemischen Prozess verstromen kann. Die Brennstoffzellentechnologie wird daher in zukünftigen Energiesystemen breite Anwendung finden. Im stationären Bereich wird es die Kraft/Wärme-Kopplung in der Hausenergie oder auch in größeren Anwendungen sein, im mobilen Bereich als Antrieb oder Bordstromversorgung. Außerdem werden "frühe Märkte" diskutiert, um die Brennstoffzellentechnik in den Markt zu bringen und mit kleineren Serien die Fertigungstechnologie zu entwickeln. Hierzu zählen spezielle Fahrzeuge, wie z.B. Gabelstapler oder militärische Anwendungen, aber auch portable Brennstoffzellen-systeme.

Portable Anwendungen haben einen Leistungsbedarf von mW bis einigen 100 W -elektronische Geräte, Notstromaggregate, Werkzeuge ("power tools") sind die häufigsten Anwendungen - und sie haben völlig unterschiedliche Anforderungen an die Versorgung mit elektrischer Energie. Manches Gerät braucht kleine Leistungen über lange Zeiträume (Ortungs- und Überwachungssysteme u.a.m.), andere hingegen hohe Leistungen in kurzen Intervallen. Unterschiedlichste Systeme zur Energieversorgung sind hierfür denkbar.

Als Brennstoffzelle für den kleinen Leistungsbereich wird in der Regel die Membranbrennstoffzelle verwendet, da ein Systemstart bei Raumtemperatur möglich ist. Wasserstoff oder auch Methanol sind die einsetzbaren Energieträger, die ohne Reformierung verstromt werden können. Das Funktionsprinzip ist in Abbildung 1 schematisch aufgezeigt, Photos der wichtigsten Komponenten sind in Abbildung 2 zusammengestellt.

Abbildung 1: Aufbau einer Membranbrennstoffzelle und die räumlich getrennt ablaufenden Reaktionen an Anode und Kathode für Wasserstoff und Methanol als Brennstoff

Abbildung 2: Photos der Komponenten einer Membranbrennstoffzelle, links die mit Katalysator beschichtete Elektrolytmembran, der Katalysator in einer TEM-Aufnahme (überlassen vom Max-Planck-Institut Mühlheim), das Kohlefaservlies, das die Gasverteilung und elektrische Kontaktierung der Katalysatorschicht übernimmt, sowie rechts der Zellrahmen mit den Gaskanälen, die im Zellstapel als Bipolarplatten ausgelegt sind

In Kombination mit einem Speicher für diese Energieträger sind kleine Brennstoffzellen eine Konkurrenz für Batterien oder auch für Notstromaggregate. Während Batterien - insbesondere die Lithium-Batterie aber richtige "Kraftpakete" sind, sind Brennstoffzellensysteme eher "Energiepakete". Da der Speicher je nach Anforderungen ausgelegt werden kann, ist die gespeicherte Energiemenge variabel, ebenso wie die Leistung, die durch die Baugröße der Brennstoffzelle bestimmt wird. Die Systemarchitektur ist schematisch in Abbildung 3 wieder gegeben.

Abbildung 3: Portable Brennstoffzellensysteme, schematisch

Ein Vergleich der beiden Möglichkeiten Wasserstoff und Methanol zeigt schnell die Vor- und Nachteile: Methanol ist flüssig, kann leicht in einfachen Kunststoffbehältern transportiert werden, ist daher leicht handhabbar und hat außerdem eine relativ hohe Energiedichte mit 4,3 kWh/l. Die Direktmethanolbrennstoffzelle allerdings ist deutlich weniger leistungsfähig als die mit Wasserstoff betriebene und hat einen niedrigeren Wirkungsgrad. Die Wasserstoffspeicherung allerdings ist schwierig, als Gas kann man es komprimieren, verflüssigen oder gebunden in einem Hydridmaterial verwenden. Kleine Druckspeicher sind wegen der Wandstärken des Behälters je nach gewähltem Druckniveau ungünstig und flüssiger Wasserstoff verdampft bereits bei -253 °C und braucht einen Tank mit Superisolation. Diese beiden Möglichkeiten werden erst für größere Speicher sinnvoll. Also werden bislang Hydride verwendet. Am gebräuchlichsten sind die Metallhydride [1], die mit Wasserstoff eine schwache Bindung eingehen. Das ist eine wichtige Voraussetzung, um bei Raumtemperatur den Speicher entladen zu können. Die Speicherkapazität dieser Materialien erreicht ca. 2 Gew.-%. Damit kann das Hydridmaterial ca. 1000 Wh /l oder 67 Wh/g (bezogen auf den unteren Heizwert des Wasserstoffs) speichern, aber auch hier kommt noch ein druckfester Behälter hinzu, da das Befüllen mit neuem Wasserstoff unter erhöhtem Druck (ca. 10 bar) deutlich schneller geht. Außerdem steigt der Druck im Behälter, wenn er höheren Temperaturen ausgesetzt wird, so dass ein druckfester Behälter auch eine Sicherheitsanforderung ist.

Abbildung 4: Hydridspeicher - einige Ausführungsbeispiele und die Adsorptionsisotherme von Wasserstoff an einem Hydridmaterial

In Tabelle 1 sind einige Richtwerte [2] zusammengestellt, der untere Wert für Strom- und Leistungsdichte versteht sich für den Luft atmenden Betrieb unter Umgebungsbedingungen, die höheren Werte verlangen höhere Betriebstemperaturen und eine aktive Luftzufuhr. Der Betrieb der Methanolbrennstoffzelle nicht mit reinem Methanol sondern nur mit einer Methanol/Wasser-Mischung (theoretisch 1:1, siehe Kathodenreaktion in Abbildung 1) möglich, wenn nicht das entstehende Wasser, das teils als Wasserdampf in der Abluft auftritt, wieder zurück gewonnen wird.

Da eine Wiederholeinheit einer Zelle in einem Brennstoffzellenstapel ca. 1 - 3 mm dick ist und die Endplatten zum Zusammenpressen des Stapels wesentlich zu Gewicht und Volumen beitragen, hängt die schließlich erzielbare Leistungsdichte von der zu realisierenden Leistung ab. Damit lassen sich portable Brennstoffzellensysteme nicht allgemein beschreiben, sondern müssen für jede Kombination von Leistung und Energie und auch in Abhängigkeit von der Elektrodenfläche und der Zellenzahl berechnet werden.

Beispiele für realisierte, portable Brennstoffzellen sind in der Literatur und im Internet verfügbar [3].