Bezeichnung	Kurzform	Betriebs- temperatur	Elektrolyt	Brennstoff	Oxidant	Einsatzgebiet
Alkalische BZ	AFC	80 C	Kalilauge	Wasserstoff	Sauerstoff	Raumfahrt
Polymer-Elektrolyt- Membran-BZ	PEMFC	80 C	Festpolymer	Wasserstoff, Methanol	Sauerstoff, Luft	Verkehr, Kleinkraftwerke
Phosphorsauere BZ	PAFC	200 C	Phosphorsäure	Erdgas	Luft	Heizkraftwerke
Schmelzkarbonat-BZ	MCFC	650 C	Lithium- und Kaliumkarbonat	Erdgas, Kohle- und Biogas	Luft	Kraftwerke, Heizkraftwerke
Oxidkeramische BZ	SOFC	1000 C	Zirkonoxid	Erdgas, Kohle- und Biogas	Luft	Kraftwerke, Heizkraftwerke

Fünf verschiedene Typen

Man unterscheidet heute fünf Typen von Brennstoffzellen. Ordnet man sie nach ihrer Betriebstemperatur, ergibt sich die Reihenfolge AFC, PEMFC, PAFC, MCFC und SOFC. Die beiden letzten Buchstaben FC stehen dabei jeweils für Fuel Cell (englisch: Brennstoffzelle). Die vorhergehenden Buchstaben sind Abkürzungen für den jeweils verwendeten Elektrolyten, der zwischen Anode (Wasserstoff) und Kathode (Sauerstoff) die chemische Energieumwandlung zu Strom besorgt. Bei drei der fünf Brennstoffzellen-Typen ist der Elektrolyt ein Sauerstoff-Ionen-Leiter. Die PEMFC und die PAFC sind dagegen Protonen-Leiter, d.h. in der umgekehrten Richtung für Wasserstoff-Ionen durchlässig. Die fünf Typen unterscheiden sich nicht nur hinsichtlich des Elektrolyten und der Betriebstemperatur, sondern auch bezüglich Brennstoffversorgung, Wirkungsgrad, möglichen Einsatzgebieten und Entwicklungsstand.

Mit der AFC flogen die Astronauten zum Mond

Die Alkalische Brennstoffzelle (AFC) wurde schon in den fünfziger und sechziger Jahren für Raumfahrtzwecke entwickelt. Sie ist entsprechend ausgereift, gilt aber für heutige Zwecke kaum mehr als geeignet. Ihr Elektrolyt besteht aus konzentrierter Kalilauge. Bei einer Betriebstemperatur von unter 100°C hat sie mit ca. 60% bis 70% einen sehr hohen elektrischen Wirkungsgrad. Außer Wasserstoff kann sie auch mit Hydrazin als flüssigem Energieträger betrieben werden, der an der Anode problemlos in Wasserstoff und Stickstoff zerfällt. Im übrigen stellt sie aber äußerst hohe Ansprüche an die Reinheit des zugeführten Wasserstoffs und Sauerstoffs. Zum Beispiel beeinträchtigen schon geringe Mengen von Kohlendioxid ihre Leistungsfähigkeit. Ihr Einsatz beschränkt sich deshalb auf ausgesuchte Zwecke, bei denen die Kosten keine große Rolle spielen, wie in der Raumfahrt, beim Antrieb von U-Booten oder anderen militärischen Anwendungen.

In Verbindung mit einem Elektrolyseur läßt sich die AFC zur Rückverstromung von Wasserstoff und Sauerstoff einsetzen. Man hat dieses Verfahren beispielsweise in der Solar-Wasserstoff-Anlage in Neunburg vorm Wald erprobt: Dort wurden mit Strom aus Solarzellen, der ja sehr ungleichmäßig anfällt, per Elektrolyse reiner Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt, in Tanks gespeichert und bei Bedarf über eine AFC wieder verstromt. Ebenso könnten bei Wind oder Wasserkraft Schwankungen der Stromerzeugung ausgeglichen werden.

Allerdings sind die Umwandlungsverluste durch Elektrolyse und Rückverstromung so groß, daß sich nur noch etwa die Hälfte des ursprünglich eingesetzten Stroms nutzen läßt. Auch eignen sich andere Brennstoffzellen-Typen für die Rückverstromung besser als die AFC, da sie keinen besonderen Sauerstoff-Speicher erfordern, sondern mit normaler Umgebungsluft vorlieb nehmen.

Im energieautarken Solarhaus des Fraunhofer-Instituts in Freiburg sollte ebenfalls eine AFC mit einer elektrischen Leistung von 0,5 kW die Rückverstromung von Wasserstoff und Sauerstoff übernehmen, die ein Elektrolyseur mit Strom aus Solarzellen erzeugte. Die Zelle hat jedoch nie richtig funktioniert, weshalb sie durch eine PEMFC ersetzt wurde.

Den Necar 3 versorgt eine PEMFC mit Strom aus Methanol. Die Reichweite mit einer Tankfüllung beträgt 400 km.

Die PEMFC ist der Favorit der Autoindustrie

Die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) enthält anstelle eines flüssigen Elektrolyten eine hauchdünne Kunststoff-Membran, die nur Protonen passieren läßt. Sie wird deshalb auch als Protonenaustausch-Membran-Brennstoffzelle oder als Festpolymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle bezeichnet. Die Membran muß über die zugeführten Betriebsgase ständig befeuchtet werden, damit sie eine hohe ionische Leitfähigkeit hat. Die Leistungsdichte beträgt bis zu einem Watt pro Quadratzentimeter Membranfläche. Beim Betrieb mit reinem Wasserstoff wird ein elektrischer Wirkungsgrad von annähernd 60% erreicht. Bei Betriebstemperaturen von 60°C bis 100°C läßt sich die Abwärme in Niedertemperatursystemen nutzen, so daß man auf eine noch höhere Brennstoffausnutzung kommt.

Der kanadische Hersteller Ballard bietet eine PEMFC im Prototypenstadium als Blockheizkraftwerk an, die sich bei einer Leistung von 250 kWel und 230 kWth mit reformiertem Erdgas und Luft betreiben läßt. Sie wird ab 1999 von mehreren Stromversorgern unter Führung der Berliner Bewag getestet.

Die PEMFC stellt sehr hohe Ansprüche an die Reinheit des reformierten Wasserstoffs. Schon geringe Mengen von Kohlenmonoxid beeinträchtigen ihre Leistungsfähigkeit. Es ist deshalb ein großer technischer Aufwand für die Reformierung des Erdgases erforderlich. Außerdem dauert es durch den Reformer bis zu etwa zwei Stunden, ehe die Anlage betriebsbereit ist. Mit Erdgas betriebene PEMFC eignen sich deshalb in der Praxis nur für stationäre Anlagen und kontinuierlichen Betrieb, wie dies z.B. beim Blockheizkraftwerk der Fall ist. Wenn man aber die PEMFC direkt mit Wasserstoff betreibt, sind sie sekundenschnell betriebsbereit und kommen selbst für kleinste Anwendungen in Betracht. So hat das Freiburger Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme eine flache, streifenförmige PEMFC entwickelt, die z.B. als Stromversorgung für Notebooks dienen kann. Der Wasserstoffvorrat befindet sich in einem kleinen Speicher, der zu Hause mit einem Mini-Elektrolyseur wiederaufgeladen oder wie eine Batterie einfach ausgewechselt wird.

PEMFC zur Stromversorgung eines Notebooks: Die Brennstoffzelle besteht aus fünf Elementen und erbringt eine Leistung von 20 Watt. Rechts der Wasserstoffspeicher.

Vor allem aber gelten die PEMFC als aussichtsreiche Energiequelle für Elektrofahrzeuge und andere mobile Anwendungen. Bei Direktbetrieb mit Wasserstoff lassen sie sich in ein paar Sekunden an- und abfahren. Auch folgen sie mühelos schnellen Lastwechseln und verfügen über eine hohe Leistungsdichte bei geringem Leistungsgewicht. Das macht sie zum Wunschkandidaten führender Automobilhersteller für den elektrischen Antrieb von Fahrzeugen. Beispielsweise hat die Firma Daimler-Benz, die auf diesem Gebiet mit der kanadischen Ballard Power Systems und Ford zusammenarbeitet, im Mai 1998 den Necar 3 (New Electric Car) als Demonstrationsfahrzeug präsentiert. Auch Konzerne wie General Motors und Toyota arbeiten daran, die PEMFC für Antriebszwecke nutzbar zu machen.

Um solche Elektroautos mit Wasserstoff zu versorgen, wären unverhältnismäßig große Speichertanks oder eine aufwendige Verflüssigung des Wasserstoffs erforderlich. Deshalb wird angestrebt, die PEMFC mit Wasserstoff aus Methanol zu versorgen. Und hier gibt es wiederum zwei Entwicklungsrichtungen: Bei der einen wird das Methanol außerhalb der Zelle zu einem wasserstoffreichen Synthesegas reformiert, bei der anderen direkt an der Anode oxydiert (in Wasser und CO2 umgewandelt).

Eine Brennstoffzelle mit indirekter Methanol-Reformierung (IMFC) wurde beispielsweise von Daimler-Benz für den Brennstoffzellen-Pkw Necar 3 verwendet, der mit einer Tankfüllung von 40 Litern Methanol eine Reichweite von 400 km erzielt. Die Anlage zur Reformierung des Methanols befindet sich an Bord des Autos. Im Unterschied zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor ist der Necar 3 fast emissionsfrei und sehr leise.

Vom Prinzip her noch wesentlich eleganter ist die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle, kurz DMFC (Direct methanol fuel cell) genannt, da sie keinen vorgeschalteten Reformer benötigt. Aber leider sind die hier erreichbaren Leistungsdichten noch relativ gering. Die DMFC kommt deshalb vorläufig für solche Anwendungen in Frage, bei denen kontinuierlich eine geringe Leistung benötigt wird. Zum Beispiel könnte sie als Batterie-Ersatz für Handys oder Notebooks dienen - wenn der Strom nachläßt, wird sie einfach durch Nachgießen von Methanol wieder "vollgetankt".

Grundsätzlich eignet sich auch Benzin als Wasserstoff-Lieferant. Eine besondere Methanol-Zapfsäule an den Tankstellen für Brennstoffzellen-Autos würde dadurch überflüssig. Diese Entwicklungsrichtung wird vor allem von amerikanischen Automobilherstellern verfolgt.

PAFC als Heizkraftwerk: Diese Anlage in der Nähe von Tokio hatte eine elektrische Leistung von 11 Megawatt und war bis zu ihrer Stillegung im Jahre 1997 weltweit das größte Kraftwerk auf Brennstoffzellen-Basis.

Nur die PAFC ist bisher kommerziell verfügbar

Die Phosphorsaure Brennstoffzelle (PAFC) ist derzeit die einzige kommerziell verfügbare Brennstoffzelle. Sie wird mit Erdgas und Luft betrieben. Das Erdgas wird durch externe Reformierung zu einem Prozeßgas mit etwa 80 % Wasserstoff aufbereitet, das auch kleinere Mengen an Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Stickstoff enthalten darf, ohne daß dadurch die Brennstoffzelle eine vorzeitige Leistungseinbuße erleidet oder gar "vergiftet" wird. Die Betriebstemperatur liegt bei 160°C bis 220°C. Der elektrische Wirkungsgrad erreicht im Neuzustand bis zu 42 % und ist somit eher bescheiden. Die Gesamtausnutzung des Brennstoffs läßt sich aber auf bis 80% steigern, wenn man die PAFC als Blockheizkraftwerk verwendet, also die anfallende Wärme mitnutzt.

Die amerikanische Firma Onsi bietet PAFC-Blockheizkraftwerke mit einer Leistung von 200 kWel und 220 kWth seit längerem serienmäßig an. In Japan wurde sogar ein PAFC-Blockheizkraftwerk mit einer Leistung von 11 Megawatt errichtet. PAFC dienten auch als Energielieferanten für U-Boote. In erster Linie eignen sie sich aber für stationäre Anlagen, die in Kraft-Wärme-Kopplung Strom erzeugen. Beispielsweise könnten sie zur Strom- und Wärmeversorgung von Hallenbädern, Bürohäusern, Hotels und Fabriken dienen.

Die PAFC von Onsi wurde schon von mehreren deutschen Stromversorgern auf ihre Eignung als Blockheizkraftwerk getestet. Die versprochene Anzahl von 40 000 Betriebsstunden wurde dabei nicht immer erreicht, ist aber realistisch. Die allmählich zunehmende Leistungseinbuße, die z.B. bei 15 000 Betriebsstunden 4 % betrug, hielt sich in passablen Grenzen. Bei neueren Anlagen soll sie nur noch halb so groß sein. Dennoch sind solche PAFC-Blockheizkraftwerke noch zu teuer, um mit konventionellen Kraft-Wärme-Konzepten konkurrieren zu können.

Unter anderem bestätigte sich bei den Tests der Stromversorger das gute Lastwechsel-Verhalten der PAFC: Kleine Lastwechsel bis 25 kW bewältigt sie innerhalb von acht Sekunden, größere von 200 kW innerhalb von 21 Sekunden. Vom Kaltstart bis zur Lieferung ans Netz vergehen allerdings fünf Stunden.

Die PAFC von Onsi wurde schon von mehreren deutschen Stromversorgern getestet.

Die PAFC emittiert in geringem Umfang Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Stickstoffoxide. Im Vergleich mit den Emissionen bei anderen Stromerzeugungstechniken - auch den besonders umweltfreundlichen Gaskraftwerken - sind die Abgase um Größenordnungen geringer und können praktisch vernachlässigt werden. Das Wasser, das bei der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff in der Zelle entsteht, kann wie normales Abwasser über die Kanalisation entsorgt werden. Seine Menge beträgt je nach Leistung und Luftfeuchtigkeit zwischen einigen Litern und 30 Litern am Tag. Auch sonst entstehen beim Betrieb der Zelle keine Stoffe, die als Sondermüll behandelt werden mußten. Die Geräusche, die von der Anlage ausgehen, sind so gering, daß sie selbst in einem reinen Wohngebiet nicht stören.

In Hamburg testen die dortigen Energieversorger neben einer normalen PAFC für Erdgas auch eine modifizierte Anlage, die mit reinem Wasserstoff aus Tankfahrzeugen versorgt wird. Den Hintergrund bildet das europäisch-kanadische Wasserstoffprojekt EQHHPP (Euro-Quebec-Hydro-Hydrogen-Pilot-Projekt). Im Rahmen dieses Projekts wird untersucht, wieweit es sinnvoll ist, elektrolytisch erzeugten Wasserstoff aus kanadischem Wasserkraft-Strom per Schiff nach Europa zu transportieren und hier wieder zu verstromen.

"Hot module" beim Zusammenbau

Die MCFC ermöglicht eine interne Reformierung

Bei der Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) ist die Betriebstemperatur von 650°C hoch genug, um eine zellinterne Reformierung von Erdgas oder anderen Kohlenwasserstoffen zu ermöglichen, so daß ein separater Reformer, wie er bei der PAFC erforderlich ist, entfallen kann. Die hohe Betriebstemperatur stellt allerdings entsprechende Anforderungen an die Materialien. Die flüssige Salzschmelze, die als Elektrolyt dient, wirkt stark korrosiv, und es kommt immer wieder zu Dichtungsproblemen. Wenn man die Abwärme durch eine nachgeschaltete Dampfturbine zur Stromerzeugung nutzt, erhöht sich der elektrische Wirkungsgrad von etwa 50% auf 60%.

In den USA wurden MCFC-Kraftwerke mit einer Leistung von 250 kW bis 1,8 MW getestet. Auch in Japan und in den Niederlanden verfolgte man diese Brennstoffzellen-Technologie. In Deutschland wollte die Friedrichshafener MTU eine MCFC zur kommerziellen Reife führen, die wegen ihres modularen Aufbaues als "hot module" bezeichnet wurde. Ihre Abwärme von rund 400°C ließ sich entweder als Prozeßdampf nutzen oder über eine Dampfturbine zusätzlich in Strom verwandeln. Eine Versuchsanlage mit einer elektrischen Leistung von 280 kW ging 1997 in Betrieb. Von 2003 bis 2006 beteiligte sich auch RWE an der MTU-Tochter CFC Solutions GmbH, die im bayerischen Ottobrunn die "Hot modules" entwickelte. Ab 2007 führte die MTU, die inzwischen von einer "Private Equity"-Gesellschaft gekauft und einer Holding namens Tognum einverleibt worden war, die Entwicklung allein weiter. Insgesamt wurde eine zweistellige Anzahl von Einzelexemplaren hergestellt und verkauft. Bis 2010 sollte mit der Serienfertigung begonnen werden. Dazu kam es aber nicht, weil die Tognum-Spitze Ende 2010 den Rückzug aus diesem Geschäftsbereich beschloß. Ausschlaggebend für diese Entscheidung waren offenbar kurzfristige Profiterwägungen.

Schema eines Kraftwerks mit Hochtemperatur-Brennstoffzellen vom Typ SOFC oder MCFC: Die hohe Betriebstemperatur läßt sich hier zusätzlich zur Stromerzeugung nutzen, indem man die heißen Verbrennungsgase der Zelle zunächst durch eine Gasturbine leitet und mit der dann noch verbleibenden Wärme eine Dampfturbine betreibt. Der Gesamtwirkungsgrad könnte so auf bis zu 70 Prozent gesteigert werden.

Die SOFC eignet sich für kleinere wie für ganz große Leistungen

Die Oxydkeramische Brennstoffzelle (SOFC) hat ihren Namen von dem festen, keramischen Elektrolyten, der nur für Sauerstoffionen durchlässig ist. Sie hat mit 800°C bis 1000°C eine noch höhere Betriebstemperatur als die MCFC. Wie diese kann sie das Erdgas ebenfalls intern zu Wasserstoff reformieren. Wenn man mit der Abwärme ein nachgeschaltetes Gas- und Dampfturbinenkraftwerk betreibt, erhöht sich der elektrische Systemwirkungsgrad von 55% auf bis zu 70%. Die Entwicklung ist aber noch nicht so weit fortgeschritten wie bei den MCFC. Durch die extremen Temperaturen ergeben sich hier noch höhere Anforderungen an die Materialien. Die Entwickler suchen deshalb nach Wegen, die Betriebstemperatur möglichst weit unter tausend Grad Celsius zu senken.

In Deutschland stellte Siemens 1995 einen SOFC-Brennstoffzellenstapel vor, der bei Wasserstoff/Sauerstoff-Betrieb 20 kW abgab. Später sollte ein mit Erdgas und Luft betriebenes Blockheizkraftwerk mit 100 kW folgen. Schon weiter gediehen war aber die SOFC der US-Firma Westinghouse, die anstelle des üblichen "planaren" Zellstapels einen "tubularen" bzw. röhrenförmigen Aufbau aufweist. Anfang 1998 ging eine 100-kW-Anlage dieses Typs bei Arnhem (Holland) in den Testbetrieb. Seitdem Siemens im selben Jahr den Geschäftsbereich fossil befeuerter Kraftwerke von Westinghouse übernommen hat, wird das planare Konzept nicht weiter verfolgt. Stattdessen konzentrieren sich nun die Anstrengungen darauf, die SOFC von Westinghouse, die einen Entwicklungsvorsprung von etwa fünf Jahren hat, möglichst schnell als konkurrenzfähiges Produkt auf den Markt zu bringen.

Die Schweizer Firma Sulzer setzt dagegen auf eine SOFC mit Leistungen von einigen Kilowatt, die z.B. in Haushalten die Grundlast an Wärmebedarf decken und den erzeugten Strom ins Netz einspeisen könnten. Zugleich könnte eine Vielzahl solcher Mini-Blockheizkraftwerke zur Deckung von Stromverbrauchsspitzen herangezogen werden, indem die Stromversorger durch einen Fernsteuerungs-Impuls die Wärmeführung der Anlagen kurzfristig außer Kraft setzen und ihre elektrische Maximalleistung aktivieren.

Im Forschungszentrum Jülich wurde ein neuartiger SOFC-Zellenaufbau entwickelt, bei dem anstelle des Feststoff-Elektrolyten die Anode das tragende Element der Zelle bildet. Dadurch sind sowohl der Feststoff-Elektrolyt (0,02 mm) als auch die gesamte Zelle (5 mm) äußerst dünn. Zugleich verfügt jede Zelle mit den Abmessungen 25 x 25 Zentimeter über eine sechsmal so große aktive Fläche wie bisherige Brennstoffzellen des SOFC-Typs. Sie liefert deshalb auch sechsmal mehr Strom. Zugleich wird die Stromerzeugung wegen der geringeren Herstellungskosten billiger. Der andersgeartete Zellenaufbau ermöglicht eine Absenkung der Betriebstemperatur um 200°C. Dies könnte zusätzlich von Vorteil sein, wenn es um die energetische Nutzung der Abwärme geht, denn Wärmetauscher für 1000°C sind unverhältnismäßig teurer als solche für 800 °C.

Bisher ist keine Brennstoffzelle in Sicht, die sich gleichermaßen für alle Zwecke eignen würde. Die AFC wird wohl weiterhin nur für ausgesuchte Anwendungen in Frage kommen, bei denen Kosten zweitrangig sind. Die PEMFC hat gute Chancen, als Energiequelle für Fahrzeuge zu dienen und damit das Batterie-Problem beim Elektroauto zu lösen. Darüber hinaus eröffnen sich ihr zahlreiche weitere Anwendungen im kleinen und mittleren Leistungsbereich, bis hin zum Blockheizkraftwerk. Die PAFC hat ihre Eignung als Blockheizkraftwerk bereits unter Beweis gestellt, muß aber noch wirtschaftlicher werden. Mit der MCFC und der SOFC, die sich beide noch im Entwicklungsstadium befinden, könnten sogar Großkraftwerke betrieben werden.

Anlagen vom Typ PAFC, SOFC und MCFC sind nur für kontinuierlichen Einsatz geeignet, da es bis zu mehreren Stunden dauert, bis sie ihre Betriebsfähigkeit erreicht haben. Wegen dieses Handikaps eigenen sie sich nicht als Batterie-Ersatz bzw. als Energiespender für Elektroautos. Im Unterschied zur PEMFC hängt somit ihre Zukunft ausschließlich davon ab, wieweit sie sich als stationäre Strom- und Wärmelieferanten einsetzen lassen. Pluspunkte sind sicherlich der hohe elektrische Wirkungsgrad, das gute Teillastverhalten, die geringen Schadstoff-Emissionen und die weitgehende Geräuschlosigkeit. Die Anlagen müssen aber auch wirtschaftlich mit herkömmlichen Kraftwerken konkurrieren können, die Erdgas oder einen anderen Brennstoff in Strom und Wärme umwandeln. Die PAFC, die als weitgehend ausgereift gilt, kann diese Bedingung bisher nicht erfüllen. Größere Chancen, als elektrochemische Energiewandler einen Beitrag zur Stromversorgung leisten zu können, werden den Hochtemperatur-Brennstoffzellen eingeräumt.

Dieser Stapel aus runden SOFC-Zellen ist für ein Mini-Blockheizkraftwerk gedacht, das den häuslichen Grundbedarf an Strom und Wärme decken soll.