Brennstoffzellen mit neuer Technik kurz vor dem kommerziellen Einsatz

Eine der wichtigsten Optionen für die Energieversorgung der Zukunft ist die Brennstoffzelle

Sie kehrt den aus dem Schulunterricht bekannten Prozess der Elektrolyse um – erzeugt also über eine elektrochemische Reaktion aus Wasserstoff oder Erdgas – in Gegenwart von Luftsauerstoff – Strom und Wärme.

Das Bestechende an Brennstoffzellen ist nicht nur ihre extrem effiziente und nahezu emissionsfreie Energieumwandlung, sie sind auch vielseitig einsetzbar. So reicht die Palette der Anwendungen von U-Booten, Raumfahrtsonden und Fahrzeugen über kleine und größere Kraftwerke bis hin zur Stromversorgung von Laptops und Mobilfunkgeräten.

Je nach Aufbau und Funktionsweise unterscheidet man sechs verschiedene Brennstoffzell-Typen. Während die Polymerelektrolyt-Membran-(PEM)-Brennstoffzelle erklärter Favorit der Automobilindustrie ist, setzt Siemens als Hersteller ortsgebundener Kraftwerke auf die oxidkeramische (Solid Oxide Fuel Cell) SOFC-Brennstoffzelle. Sie besitzt in Kombination mit der Kraft-Wärme-Kopplung einen sehr hohen Wirkungsgrad, eine große Leistungsdichte und eine flexible Brennstoffverwertung.

SOFC-Brennstoffzellen sind genügsam. Sie können bereits die Rohenergieträger Bio- und Erdgas verwerten, während etwa die PEM-Zellen auf Basis von Wasserstoff oder Methanol operieren. Ein SOFC-Brennstab besteht aus einer röhrenförmigen äußeren (Anode) und einer inneren (Kathode) Elektrode, die eine Yttrium-Zirkonoxid-Membran voneinander trennt. Bei einer Betriebstemperatur von annähernd 1000°C wird ins Zylinderinnere Luftsauerstoff und über die Anoden-Oberfläche Erdgas geleitet. Die Temperatur ist erforderlich, um einerseits Erdgas in Wasserstoff zu reformieren – wobei geringe Mengen Kohlenmonoxid enstehen -, andererseits, um die Keramikmembran nur für Sauerstoffionen (O2-) durchlässig zu machen. Die negativen O2–Ionen wandern durch die Membran zur positiven Anodenseite, wo sie Wasserstoff zu H2O und Kohlenmonoxid zu CO2 oxidieren. Die anodenseitig freigewordenen Elektronen werden als elektrische Energie über leitende Streben abgeführt. Es fließt also ein nutzbarer elektrischer Strom.

Da bei längeren Streben widerstandsbedingt elektrische Verluste auftreten, haben Siemens-Forscher in Erlangen und Pittsburgh, Pennsylvania, USA, nun eine neue Generation von besonders kompakten Brennstoffzellen entwickelt. In dem flachen Röhrenverbund ist der elektrische Widerstand wegen der kürzer gewordenen Wege erheblich kleiner, was die Leistungsdichte bei gleichem Materialverbrauch um das Dreifache erhöht.

Da die Materialkosten einer der preisbestimmenden Faktoren sind, können künftig Brennstoffzellen pro Leistung wesentlich billiger als bisher produziert werden.