Einführung in 5 Arten von Brennstoffzellen

Eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle verwendet eine Protonenaustauschmembran als Elektrolyt. Bei diesem Brennstoffzellentyp wird Wasserstoffgas durch die Anode geleitet, während Sauerstoffgas der Kathode zugeführt wird, wobei die Protonenaustauschmembran dazwischen als Elektrolyt fungiert. Bei der elektrochemischen Reaktion wird Wasserstoffgas an der Anode in Protonen und Elektronen gespalten. Während Protonen die Protonenaustauschmembran passieren, fließen Elektronen durch einen externen Stromkreis und erzeugen so elektrische Energie. An der Kathode verbindet sich Sauerstoff mit Protonen und Elektronen und erzeugt als Nebenprodukt Wasserdampf. PEMFCs bieten Vorteile wie hohe Leistungsdichte, schnelle Startzeit und hocheffiziente Umwandlung, wodurch sie häufig in Transportfahrzeugen wie Pkw und leichten Lkw eingesetzt werden.

Eine alkalische Brennstoffzelle verwendet eine Kaliumhydroxidlösung als Elektrolyt. In AFCs wird Wasserstoffgas an der Anode in Wasserstoffionen und Elektronen zerlegt. Wasserstoffionen durchqueren die Kaliumhydroxidlösung, während Elektronen durch einen externen Stromkreis fließen und so elektrischen Strom erzeugen. An der Kathode verbindet sich Sauerstoff mit Wasserstoffionen und Elektronen, wodurch als Nebenprodukt Wasser entsteht. AFCs weisen eine hohe Umwandlungseffizienz und Haltbarkeit auf, finden aber aufgrund der Korrosivität der Kaliumhydroxidlösung weit verbreitete Anwendung in bestimmten Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt und der Verteidigung.

Eine Phosphorsäure-Brennstoffzelle verwendet Phosphorsäure als Elektrolyt. In PAFCs wird Wasserstoffgas an der Anode in Protonen und Elektronen gespalten. Protonen wandern durch den Phosphorsäureelektrolyten, während Elektronen durch einen externen Stromkreis fließen und so elektrischen Strom erzeugen. An der Kathode verbindet sich Sauerstoff mit Protonen und Elektronen, wobei als Nebenprodukt Wasser entsteht. PAFCs bieten eine hocheffiziente Umwandlung und Stabilität und werden häufig in Generatorsätzen und Kraft-Wärme-Kopplungssystemen eingesetzt.

Eine Festoxid-Brennstoffzelle verwendet ein Festoxidmaterial als Elektrolyt. In einer SOFC wird Wasserstoffgas an der Anode in Protonen und Elektronen zerlegt. Protonen wandern durch den Festoxidelektrolyten, während Elektronen durch einen externen Stromkreis fließen und so elektrischen Strom erzeugen. An der Kathode wird Sauerstoff oxidiert, indem er sich mit Protonen und Elektronen verbindet und Sauerstoffionen erzeugt. Diese Sauerstoffionen gelangen durch den Festoxidelektrolyten zurück zur Anode, wo sie mit Wasserstoffgas reagieren und als Nebenprodukt Wasserdampf erzeugen. SOFCs bieten Vorteile wie hocheffiziente Umwandlung, Brennstoffflexibilität und lange Lebensdauer, weshalb sie häufig in Generatorsätzen und Kraft-Wärme-Kopplungssystemen eingesetzt werden.

Eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) ist ebenfalls eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle, die geschmolzenes Karbonat als Elektrolyt verwendet. In einer MCFC besteht das Brenngas typischerweise aus einer Mischung aus Wasserstoff und Kohlendioxid. Diese Gase werden in der Anodenreaktionszone in Carbonationen und Elektronen zerlegt. Carbonationen können bei hohen Temperaturen durch den geschmolzenen Carbonatelektrolyten wandern und sich in der Kathodenreaktionszone mit Sauerstoff verbinden, um Wasser, Kohlendioxid und Elektronen zu erzeugen. Die Elektronen fließen durch einen externen Stromkreis und erzeugen dabei elektrische Energie. Die Betriebstemperatur von MCFCs liegt im Allgemeinen zwischen 600 und 700 Grad Celsius.