Die AFC erlebt eine Renaissance

Das kanadische Unternehmen Astris hat auf der Brennstoffzellenmesse in Toronto einen 2,4-Kilowatt-Brennstoffzellengenerator vorgestellt. Das System arbeitet mit einer Alkalischen Brennstoffzelle (AFC) und ist damit ein Exot auf dem von Polymermembranbrennstoffzellen (PEMFC) dominierten Markt. Anwendungsgebiete der AFC könnten Systeme zur Notstromversorgung, zur portablen Stromversorgung und als Energiequellen für Kleinfahrzeuge wie Golf-Mobile oder Elektrorollstühle sein, so die Entwickler von Astris.

AFCs haben bereits eine lange Entwicklungsgeschichte. Die Systeme flogen schon vor fast vier Jahrzehnten an Bord der Apollo-Raumfähren der Nasa ins All und liefern bis heute die elektrische Energie für die Bordnetze der Space Shuttles. Die Vorteile dieses Brennstoffzellentyps für die Raumfahrt liegen auf der Hand: Wegen der besonders günstigen Reaktionskinetik in der Zelle haben AFCs einen besonders hohen elektrischen Wirkungsgrad. Mit Arbeitstemperaturen von rund 90 Grad Celsius sind sie auch an Bord einer Raumfähre gut zu handhaben.

Der gravierende Nachteil der AFCs ist ihre hohe Empfindlichkeit gegenüber Verunreinigungen mit Kohlendioxid (CO2): Das Gas, das über die Luftversorgung in die Zelle gelangt, reagiert mit der als Elektrolyt verwendeten Kalilauge (KOH) zu Kaliumcarbonat. Dadurch verstopfen unter anderem die Poren und die chemische Reaktion in der Zelle kommt zum Erliegen. Die Zellen an Bord der Raumfähren arbeiten daher nicht mit Luft, sondern mit reinem Sauerstoff, der in einem separaten Drucktank mitgeführt wird. Im Weltraum, wo ohnehin Drucktanks mitgeführt werden müssen, ist dies kein wesentlicher zusätzlicher Aufwand. Am Boden jedoch kann ein solches System nicht mit Brennstoffzellensystemen konkurrieren, die ihren Sauerstoff lediglich aus der Luft beziehen.

Die Entwickler der AFC-Systeme von Astris haben jedoch das CO2-Problem gelöst, indem sie das Gas in einem vorgeschalteten Bauelement mithilfe einer chemischen Reaktion entfernen. So kann das System auch mit gewöhnlicher Luft betrieben werden. Die Leistungsdaten des aus zwei 1,2-Kilowatt-Stacks bestehenden Systems sind tatsächlich besser als die vergleichbarer PEM-Systeme: Während die PEMs auf elektrische Wirkungsgrade von 40 Prozent kommen, sind es bei der AFC etwa 50 Prozent. Doch mit 125 Kilogramm ist das System deutlich schwerer als vergleichbare PEM-Systeme. Die Lebensdauer gibt Astris mit etwa 2000 Stunden an, womit das System in ähnlichen Größenordnungen liegt wie PEM-Systeme.

Gegenüber der PEM-Technologie sieht Astris klare Vorteile in den AFCs: Da auf teure Membranen und Katalysatormaterialien aus Platin verzichtet werden kann, sind die Zellen in der Herstellung deutlich billiger. Anders als PEM-Zellen haben sie keine Membranen, die ständig feucht gehalten werden müssen, um den Protonenfluss aufrecht zu erhalten. Das erleichtert das Wassermanagement in der Zelle und ermöglicht einen einfachen Start des Systems selbst bei Temperaturen bei minus vierzig Grad Celsius.