Brennstoffzellen können aus einer Flüssigkeit oder Gas direkt einen elektrischen Strom generieren. Obwohl das Prinzip schon lange bekannte ist, und auch viel in die Forschung und Entwicklung investiert wurde, ist noch kein grosser Durchbruch erfolgt.
Ein Haupthindernis zum eher mässigen Wirkungsgrad ist die eher geringe Lebensdauer. So geht man z.B. bei der Direktmethanol-Brennstoffzelle von ca. 3000 Stunden bei Voll-Last aus.
Kommerziell eingesetzt werden Brennstoffzellen vorwiegend als zusätzliche Stromversorgung im Wohnmobilbereich, als Notstromversorgung in Kommunikationsanlagen oder als Kleinststromerzeuger.
Es laufen etliche Versuche mit Brennstoffzellenfahrzeugen, sei es als Bus oder PKW. Eine flächendeckender Erfolg ist nicht zu erwarten. Problematisch ist halt auch der schlechte Wirkungsgrad über die gesamte Kette von der Erzeugung bis zur Anwendung.
Viele Brennstoffzellen sind direkt für das Laden von Batterien (meistens Bleibatterien) vorgesehen und habe bereits die Laderegelung eingebaut. Da eine Brennstoffzelle eine je nach System abhängige Vorlaufzeit braucht, bis sie Strom produzieren kann, benötigt die Zelle eine externe Stromversorgung um anlaufen zu können.
Folgende Brennstoffzellen werden häufiger oder weniger häufig eingesetzt:
Brennstoffzelle mit Wasserstoff H2 (PEM oder auch PEMFC)
Proton Exchange Membrane Fuel Cell
Diese Brennstoffzelle ist wohl am häufigsten anzutreffen. Das Prinzip ist eigentlich die Umkehrung der Elektrolyse, in welcher Wasser mit einem elektrischen Strom in Wasserstoff und Sauerstoff aufgeteilt wird.
Bei der ‚Verbrennung‘ entsteht wieder Wasser, elektrischer Strom und Wärme.
Wasserstoff hat den Nachteil dass er nur sehr aufwändig gelagert werden kann. Auch unter sehr hohem Druck kann er nicht verflüssigt werden und muss deshalb vorwiegend gasförmig aufbewahrt werden.
Als eines der kleinsten Moleküle diffundiert Wasserstoff durch alle Materialien. Man kann also keinen komplett dichten Behälter bauen.
Das Wasserstoff-Sauerstoffgemisch ist hoch explosiv und kann sich leicht selbst entzünden.
Vorteilhaft ist, dass sich Wasserstoff durch Elektrolyse nahezu überall wo Elektrizität zur Verfügung steht erzeugen lässt.
Eine Sinnvolle Anwendung der Wasserstoffbrennstoffzelle ist dort, wo zeitweise viel Elektrizität anfällt (Windturbinen und Fotovoltaik-Anlagen) und zu einer anderen Zeit wieder elektrische Energie und Wärme benötigt wird (z.B. Heizung in Einfamilienhaus)
Bekannte Hersteller sind:
Ballard aus Kanada (www.ballard.com)
Brennstoffzelle direkt mit Methanol (DMFC)
Direct Methanol Fuel Cell
Anzutreffen ist diese Brennstoffzelle zum Beispiel als Back-Up Lösung in Kommunikationsanlagen oder im Wohnmobilbereich.
In den Membranstapel (Stack) wird direkt ein Methanol-Wassergemisch (ca. 5% Methanol im Wasser) gepumpt.
Da Methanol eine sehr hohe Energiedichte hat und auch gut verfügbar ist, sind diese Brennstoffzellen schon recht gebräuchlich.
Im Gerät befindet sich oftmals auch ein Behälter mit Wasser um ein optimales Wasser-Methanol Gemisch zu erstellen. Da selbst das Gemisch bei tiefen Temperaturen einfrieren kann, sind diese Brennstoffzellen im ausgeschalteten Zustand frostgefährdet. Transport und Lagerung sollte nur bei positiven Temperaturen erfolgen. Ein Nichtbeachten kann zur Zerstörung vom Stack und somit zu einer sehr teuren Reparatur führen.
Bekannte Hersteller sind:
SFC aus Deutschland,
Methanol ist leider sehr leicht entzündbar und giftig. Der Transport und die Lagerung sind nicht ganz problemlos.
Weiter muss das Methanol äusserst rein sein, weil es direkt mit den Membranen in Berührung kommt. Vor allem Metall-Ionen können schnell zu einer Leistungsreduktion der Brennstoffzelle führen.
Brennstoffzelle mit Methanol über Reformer (RMFC)
Bei diesem Brennstoffzellentyp wird das Methanol nicht direkt in den Membranstapel gepumpt sondern geht über einen sog. Reformer.
Gegenüber der DMFC kann ein grösserer Wirkungsgrad erzielt werden.
Anzutreffen sind diese Brennstoffzellen in Elektrofahrzeugen wie Elektrostapler oder neu auch als Back-Up Lösung.
Da der Reformer jedoch eine höhere Temperatur benötigt dürfte der Eigenverbrauch im Back-Up Bereich eher zu energieintensiv sein.
Bekannte Hersteller sind:
Serenergy aus Dänemark (www.serenergy.com)
Brennstoffzelle mit Flüssiggas
Als Brennstoff kann bei dieser Zelle Propan oder Butan verwendet werden.
Sie wird im Wohnmobilbereich eingesetzt wo oft schon Flüssiggas vorhanden ist.
Brennstoffzelle mit Natriumborhydrid und Apfelsäure (DBFC)
Diese eher neueren Brennstoffzellentechnologie gilt als zukunftsweisend. Es wird erwartet, dass diese Stromerzeuger in Zukunft kompakter und preiswerter produziert werden können.
Auch wird bei diesen Zellen eine höhere Lebensdauer erwartet als bei den Methanol- oder Flüssiggasbrennstoffzellen. Vom Hersteller wird die Lebensdauer mit 4000 Betriebsstunden unter Voll-Last angegeben, Erfahrungen bestehen noch wenige.
Der ‚Brennstoff‘ wie auch die Apfelsäure werden als Pulver geliefert resp. gelagert und können bei Bedarf mit destilliertem oder demineralisiertem Wasser angerührt werden.
So müssen keine brennbaren Stoffe transportiert oder gelagert werden.
Der ‚Brennstoff‘ Natriumborhydrid kann Haut und Augen reizen. Beim Bereitstellen der Lösung sollte deshalb Vorsicht geübt werden.
Zu finden sind die DBFC-Brennstoffzellen in Wohnmobilen und in Schiffen.
Bekannte Lieferanten sind:
Dynad International BV aus den Niederlanden (www.dynad-hydromax.com) Produziert wird in den USA
Oxydkeramische Brennstoffzellen (SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)
Zentrales Bauteil der oxidkeramischen Brennstoffzelle (SOFC: Solid Oxide Fuel Cell) ist der gasdichte und bei Betriebstemperatur Sauerstoffionen leitende Elektrolyt. An ihn grenzen die beiden porösen Elektroden Anode und Kathode. Die Anode wird von Brenngas durchströmt, die Kathode von Luft. Das entstehende Sauerstoff-Konzentrationsgefälle zwischen den Elektroden treibt die Sauerstoffionen durch den Elektrolyt und erzeugt so eine elektrische Spannung. Wird der Stromkreis nun durch einen externen elektrischen Leiter geschlossen, fliessen die Elektronen und können als elektrische Energie genutzt werden. Das Konzentrationsgefälle wird dabei durch ständige Gaszuführung aufrecht gehalten.
Da diese Brennstoffzellen auch sehr viel Wärme erzeugen, findet man diese auch im Bereich Erdgasheizung mit Stromerzeugung.
Bekannte Hersteller sind:
sunfire GmbH in Dresden (Deutschland) (www.sunfire.de)