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Reversible Brennstoffzelle
Reversible Brennstoffzellen sind spezielle Brennstoffzellen, deren energieliefernder Arbeitsprozess umkehrbar ist. Sie sind also Wandlereinheiten, …
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Definition und Grundprinzip
Reversible Brennstoffzellen sind spezielle Brennstoffzellen, deren energieliefernder Arbeitsprozess umkehrbar ist. Sie können daher in zwei Richtungen arbeiten: Im Brennstoffzellenbetrieb setzen sie Brennstoffe mit einem Oxidationsmittel um und stellen elektrische Energie bereit. Im umgekehrten Betrieb wirken sie als Elektrolyseur. Dabei wird elektrische Energie in speicherbare chemische Energie umgewandelt.
Im engeren Sinn nutzt eine reversible Brennstoffzelle (rBZ) für beide Prozesse denselben Elektrodenstapel. Der Begriff wird hier in diesem engeren Sinn verwendet. Im englischen Sprachraum können „reversible fuel cell“ und „regenerative fuel cell“ (RFC) dagegen auch ein System aus mehreren getrennten Modulen bezeichnen: einer Brennstoffzelle, einem separaten Elektrolyseur und häufig zusätzlich einem Speicher. Wenn beide Prozesse in einem einzigen Zellstapel ablaufen, wird besonders bei Polymerelektrolytmembran-Zellen (PEM) die Bezeichnung „unitized reversible fuel cell“ (URFC) verwendet. Systeme mit getrennten Modulen heißen „discrete regenerative fuel cells“ (DRFC).
Die meisten bisher getesteten Systeme mit Reaktionsumkehr waren keine reversiblen Brennstoffzellen im engeren Sinn, sondern verwendeten einen separaten Elektrolyseur. Der Grund ist, dass der Gesamtwirkungsgrad der Hin- und Rückreaktion mit einem getrennten Elektrolyseur höher ist.
Beispiel Wasserstoff und umgekehrter Prozess
Das wichtigste Beispiel ist die reversible Wasserstoff-Brennstoffzelle. Eine gewöhnliche Wasserstoff-Brennstoffzelle verbraucht Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) und erzeugt Elektrizität sowie Wasser (H₂O). Im reversiblen Betrieb wird dieselbe Einheit als Elektrolyseur betrieben: Aus Wasser entstehen wieder Wasserstoff und Sauerstoff.
Der Brennstoffzellenbetrieb lässt sich durch folgende Reaktion darstellen:
2 H₂ + O₂ → 2 H₂O + ΔH
Wasserstoff reagiert mit Sauerstoff zu Wasser; dabei wird Energie abgegeben. Die Umkehrung ist die Elektrolyse:
2 H₂O → 2 H₂ + O₂
Hier wird Wasser unter Zufuhr elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Die chemische Energie der Brennstoffe wird beim Entladen in elektrische Energie umgewandelt; beim Laden wird elektrische Energie wieder als chemische Energie gespeichert.
Spannung, Wirkungsgrad und Zelltypen
Für die Reaktion zwischen H₂, O₂ und H₂O beträgt die Gleichgewichts- oder Ruhespannung 1,23 V. Beim Entladen sinkt die Spannung reversibler H₂-O₂-Brennstoffzellen bereits bei kleinen Stromdichten unter 1 V. Beim Laden liegt sie dann oberhalb von 1,5 V. Bei hohen Stromdichten fällt die Entladespannung unter 0,8 V, während die Ladespannung über 1,8 V steigt.
Der Spannungsunterschied zwischen Laden und Entladen beträgt damit etwa ein Volt. Dadurch ist der Wirkungsgrad vergleichsweise klein. Typische Wirkungsgrade reversibler PEM-Brennstoffzellen liegen bei 40 bis 50 %.
Wie bei gewöhnlichen Brennstoffzellen hat Wasserstoff bisher die größte Bedeutung als Brennstoff, meist zusammen mit Luftsauerstoff als Oxidationsmittel. Weil reversible Brennstoffzellen als geschlossene Systeme betrieben werden können, werden auch Halogene als Oxidationsmittel untersucht, beispielsweise in den Kombinationen Wasserstoff-Brom (H₂-Br₂) und Wasserstoff-Iod (H₂-I₂).
Die meisten bisher gebauten reversiblen Brennstoffzellen waren Polymerelektrolytbrennstoffzellen (PEM). Die angegebenen Gesamtwirkungsgrade unterscheiden sich je nach Elektrolyt beziehungsweise Zelltyp: Bei alkalischem Elektrolyten liegen sie bei 30 bis 40 %, bei PEM bei 40 bis 50 % und bei Festoxidbrennstoffzellen (SOFC) bei 60 bis 80 %.
Anwendungen und Entwicklung
Reversible Brennstoffzellen haben einzelne Anwendungen in der Raumfahrt und im Militär gefunden. Kleine Geräte sind als Schulungs- und Demonstrationsobjekte kommerziell erhältlich. Sie besitzen Gasspeicher und werden teilweise mit Solarmodulen für den Elektrolysebetrieb oder mit einem Modellauto kombiniert.
Eine mögliche größere Anwendung ist die Energiespeicherung im Power-to-Gas-Prozess. Gegenüber einer Anlage mit separatem Elektrolyseur sind reversible Brennstoffzellen deutlich kleiner und weniger komplex. Sowohl Polymerelektrolytbrennstoffzellen (PEM, in diesem Zusammenhang auch URFC genannt) als auch Festoxidbrennstoffzellen können reversibel betrieben werden. Erste Anlagen wurden 2015 in den Markt eingeführt.
Bei gutem Abwärmemanagement können reversible Brennstoffzellen im Vergleich zu herkömmlichen Technologien zur Herstellung von Brenngas durch Elektrolyse deutlich höhere Strom-zu-Strom-Wirkungsgrade bis etwa 70 % und niedrigere Kosten ermöglichen. Mit einem Brennstoffspeicher oder durch Anschluss an ein Verteilnetz können sie außerdem einen Akkumulator ersetzen. Dabei ist ein deutlich niedrigeres und günstigeres Leistungsgewicht möglich. Der Gesamtwirkungsgrad beträgt jedoch höchstens 80 % und ist damit geringer als bei konkurrierenden Batteriesystemen, beispielsweise Lithium-Ionen-Akkumulatoren.
Die Entwicklung begann mit Überlegungen, Wasserstoff außerhalb der Brennstoffzelle, etwa mithilfe von Solarenergie, zurückzugewinnen; solche Überlegungen wurden bereits 1962 diskutiert. Eine erste reversible Brennstoffzelle, die auch getestet wurde, entwickelte General Electric 1972–1973 zur Versorgung von Satelliten. In den 1990er Jahren fanden insbesondere am Lawrence Livermore National Laboratory Forschungsarbeiten statt. Als mögliche Einsatzgebiete wurden außerdem Solarflugzeuge und emissionsfreie Fahrzeuge genannt. Insgesamt befinden sich reversible Brennstoffzellen außerhalb einzelner Anwendungen und Demonstrationsgeräte noch im Forschungs- und Entwicklungsstadium, unter anderem im Hinblick auf die Speicherung für das Stromnetz.
