Reversible Brennstoffzelle

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Reversible Brennstoffzellen sind spezielle Brennstoffzellen, deren energieliefernder Arbeitsprozess umkehrbar ist. Sie sind also Wandlereinheiten, die wie gewöhnliche Brennstoffzellen durch die Umsetzung von Brennstoffen elektrische Energie bereitstellen können. Dieselbe Wandlereinheit kann aber auch als Elektrolyseur betrieben werden, so dass elektrische Energie in speicherbare chemische Energie umgesetzt wird. Reversible Brennstoffzellen haben vereinzelte Anwendungen in der Raumfahrt und im Militär gefunden. Kleine reversible Brennstoffzellen sind als Schulungs- und Demonstrationsobjekte kommerziell erhältlich. Ansonsten befinden sie sich aber noch im Forschungs- und Entwicklungsstadium, z. B. im Hinblick auf eine Speicherung für das Stromnetz.

Zum Begriff der reversiblen Brennstoffzelle

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Reversible Brennstoffzellen im engeren Sinne nutzen denselben Elektrodenstapel für den Brennstoffzellenvorgang und für die Elektrolyse. Hier wird der Begriff in diesem engeren Sinne genutzt, in Übereinstimmung mit dem Gebrauch in diesen[1][2][3] Quellen. Im englischen Sprachraum werden die Ausdrücke reversible fuel cell und regenerative fuel cell RFC oft aber in einem weiteren Sinne gebraucht: sie können auch Systeme beschreiben, bei denen mindestens zwei Module, eine Brennstoffzelle und ein separater Elektrolyseur (und oft ein Speicher als weiterer Anlagenbestandteil), zu einem System zusammengefasst sind. Für die Anlagen, bei denen beide Prozesse in einem einzigen Zellstapel ablaufen, wird dann – vor allem bei Zellen mit Polymerelektrolytmembran (PEM) – der Begriff unitized reversible fuel cell URFC benutzt.[4]

Vergleich der direkt reversiblen Zelle mit Zellen mit externer Reaktionsumkehr
reversible Brennstoffzelle rBZ Brennstoffzelle mit externer Reaktionsumkehr
unitized regenerative fuel cells (URFC) discrete regenerative fuel cells (DRFC)
chemische Energie der Brennstoffe
Brennstoffzellenbetrieb („Entladen“) ↓ ↑ Speicherbetrieb („Laden“)
reversible Brennstoffzelle rBZ
Brennstoffzellenbetrieb („Entladen“) ↓ ↑ Speicherbetrieb („Laden“)
elektrische Energie
chemische Energie der Brennstoffe
Brennstoffzellenbetrieb („Entladen“) ↓ ↑ Speicherbetrieb („Laden“)
Brennstoffzelle Elektrolyseur
Brennstoffzellenbetrieb („Entladen“) ↓ ↑ Speicherbetrieb („Laden“)
elektrische Energie

Die meisten bis heute getesteten Systeme mit Reaktionsumkehr hatten keine reversiblen Brennstoffzellen im beschriebenen engeren Sinne, sondern nutzten einen separaten Elektrolyseur, da der Gesamtwirkungsgrad (Hin- und Rückreaktion) bei Verwendung eines Elektrolyseurs höher ist.[5]

Beispiel Wasserstoff-Brennstoffzelle

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Schematischer Aufbau einer PEM-Brennstoffzelle

Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle verbraucht Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) zur Erzeugung von Elektrizität und Wasser (H2O); als reversible Brennstoffzelle muss sie nun per Elektrolyse aus Wasser auch wieder Wasserstoff und Sauerstoff produzieren. Dazu wird die Brennstoffzelle als Elektrolyseur betrieben.[1][2]

Reversibler Prozess in einer Wasserstoff-Brennstoffzelle:

Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser unter Energieabgabe
Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff unter Energiezufuhr

Spannung und Wirkungsgrad

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Für die Reaktion zwischen H2, O2 und H2O liegt die Gleichgewichts- oder Ruhespannung bei 1,23 V. Schon bei kleinen Stromdichten sinkt die Spannung reversibler H2-O2-Brennstoffzellen beim Entladen unter 1 V, während sie beim Laden oberhalb 1,5 V liegt.[6] Bei hohen Stromdichten sinkt sie beim Entladen unter 0,8 V, während sie beim Laden auf über 1,8 V steigt.[6] Aufgrund der erheblichen Spannungsunterschiede (etwa ein Volt) zwischen Laden und Entladen ist der Wirkungsgrad entsprechend klein: Typische Wirkungsgrade von reversiblen PEM-Brennstoffzellen liegen bei 40 bis 50 %.[7]

Typen reversibler Brennstoffzellen

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Ähnlich wie bei den gewöhnlichen Brennstoffzellen hat auch bei den reversiblen Brennstoffzellen Wasserstoff bislang die größte Bedeutung als Brennstoff, in der Regel mit (Luft-)Sauerstoff als Oxidationsmittel. Da reversible Brennstoffzellen als geschlossene Systeme betrieben werden können, werden auch Halogene als Oxidationsmittel untersucht, z. B. bei den Kombinationen Wasserstoff-Brom H2-Br2 oder Wasserstoff-Iod H2-I2[8].

Die meisten bisher gebauten reversiblen Brennstoffzellen sind bisher Polymerelektrolytbrennstoffzellen (PEM).[5] Die Gesamtwirkungsgrade reversibler Brennstoffzellen liegen im Bereich von 30 bis 40 % bei alkalischem Elektrolyten, 40 bis 50 % bei PEM und 60 bis 80 % für Festoxidbrennstoffzellen (SOFC).[7]

Praktische Anwendung

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Für Schulungszwecke sind verschiedene kleine Demonstrationsgeräte von Brennstoffzellen mit Gasspeichern erhältlich, teilweise in Kombination mit Solarmodulen für den Elektrolysebetrieb oder mit einem Modellauto.[9][10][11][12][13]

Eine mögliche Anwendung ist die Energiespeicherung mittels des Power-to-Gas-Prozesses. Reversible Brennstoffzellen sind dabei deutlich kleiner und weniger komplex als die Alternative mit separatem Elektrolyseur. Sowohl Polymerelektrolytbrennstoffzellen[1] (PEM, dann auch unitized regenerative fuel cell, kurz URFC genannt) als auch Festoxidbrennstoffzellen[14] können reversibel betrieben werden. Erste Anlagen wurden 2015 in den Markt eingeführt.[15]

Der Einsatz von reversiblen Brennstoffzellen ermöglicht verglichen mit herkömmlichen Technologien zur Brenngasherstellung mittels Elektrolyse bei gutem Abwärmemanagement deutlich höhere Strom-zu Strom-Wirkungsgrade bis etwa 70 % und niedrigere Kosten.[14]

Daneben kann eine reversible Brennstoffzelle mit einem Brennstoffspeicher oder durch Anschluss an ein Verteilnetz einen Akkumulator ersetzen, wodurch ein deutlich niedrigeres und günstigeres Leistungsgewicht erreicht werden kann. Der Gesamtwirkungsgrad ist mit maximal 80 %[7] jedoch geringer als der konkurrierender Batteriesysteme[16], z. B. Lithium-Ionen-Akkumulatoren.

Historisches

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Überlegungen, den Brennstoff Wasserstoff außerhalb der Brennstoffzelle zurückzugewinnen, z. B. mittels Solarenergie, wurden schon 1962 diskutiert.[17] Eine erste auch getestete reversible Brennstoffzelle wurde 1972–1973 bei General Electric entwickelt, sie sollte zur Versorgung von Satelliten dienen.[5][18] In den 1990er Jahren wurden Forschungsarbeiten zu reversiblen Brennstoffzellen insbesondere am Lawrence Livermore National Laboratory durchgeführt.[19][6] Als mögliche Anwendungsfelder wurden auch Solarflugzeuge und emissionsfreie Fahrzeuge genannt.[6]

Einzelnachweise

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  1. ↑ a b c Angelika Heinzel, Ansgar Rau, Marc Valerius, Ursula Wittstadt: Energiespeicherung mit einem reversiblen Elektrolyse/Brennstoffzellensystem. In: Leistungen und Ergebnisse – Jahresbericht 2001. Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, 2002, abgerufen am 23. April 2019.
  2. ↑ a b Tom Smolinka: Reversible Brennstoffzellensysteme. In: Jahresbericht 2005 – Leistungen und Ergebnisse. Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, 2006, abgerufen am 23. April 2019.
  3. ↑ Angela Schmid: Reversible Brennstoffzellen: Stromspeicher mit Wasserstoff. In: Edison. Handelsblatt GmbH, 8. Januar 2019, abgerufen am 22. April 2019.
  4. ↑ Mohamed Gabbasa, Kamaruzzaman Sopian, Ahmad Fudholi, Nilofar Asim: A review of unitized regenerative fuel cell stack: Material, design and research achievements. In: International Journal of Hydrogen Energy. Band 39, Nr. 31, Oktober 2014, S. 17765–17778, doi:10.1016/j.ijhydene.2014.08.121.
  5. ↑ a b c Biddyut Paul, John Andrews: PEM unitised reversible/regenerative hydrogen fuel cell systems: State of the art and technical challenges. In: Renewable and Sustainable Energy Reviews. Band 79, November 2017, S. 585–599, doi:10.1016/j.rser.2017.05.112.
  6. ↑ a b c d Fred Mitlitsky, Blake Myers, Andrew H. Weisberg: Regenerative Fuel Cell Systems. In: American Chemical Society ACS (Hrsg.): Energy & Fuels. Band 12, Nr. 1, Januar 1998, S. 56–71, doi:10.1021/ef970151w.
  7. ↑ a b c Yifei Wang, Dennis Y.C. Leung, Jin Xuan, Huizhi Wang: A review on unitized regenerative fuel cell technologies, part-A: Unitized regenerative proton exchange membrane fuel cells. In: Renewable and Sustainable Energy Reviews. Band 65, November 2016, S. 961–977, doi:10.1016/j.rser.2016.07.046 (hw.ac.uk [PDF]).
  8. ↑ Regis P. Dowd, Venkata Yarlagadda, Dhrubajit Konwar, Guangyu Lin, Guoming Weng: A Study of Alkaline-Based H2-Br2 and H2-I2 Reversible Fuel Cells. In: Journal of The Electrochemical Society. Band 163, Nr. 14, 2016, S. F1471–F1479, doi:10.1149/2.0011614jes.
  9. ↑ Reversible Fuel Cell With Storage. In: Fuel Cell Store > Education > Demonstration > Dr. FuelCell Model Car Kit - Demo. Fuel Cell Store, abgerufen am 5. Mai 2019 (englisch).
  10. ↑ Fuel Cell 10. In: Fuel Cell Cars. Fuel Cell Store, abgerufen am 5. Mai 2019 (englisch).
  11. ↑ Winlab.de Shop: Modellauto mit reversibler Brennstoffzelle Komplett. In: Schule > Demonstrationsgeräte & Anschauungsmaterialien > Brennstoffzellentechnologie. Windaus-Labortechnik GmbH & Co KG, abgerufen am 5. Mai 2019.
  12. ↑ Sonnen/Wasserstoffenergieerzeugungseinbausatz. In: Datenblätter. Conrad.de, abgerufen am 5. Mai 2019.
  13. ↑ Datenblatt Modellauto mit reversibler Brennstoffzelle. (Memento vom 13. März 2017 im Internet Archive) (PDF; 340 kB)
  14. ↑ a b S. H. Jensen, C. Graves, M. Mogensen, C. Wendel, R. Braun: Large-scale electricity storage utilizing reversible solid oxide cells combined with underground storage of CO2 and CH4. In: Energy & Environmental Science. Band 8, Nr. 8, 2015, S. 2471–2479, doi:10.1039/C5EE01485A.
  15. ↑ Alberto Varone, Michele Ferrari, Power to liquid and power to gas: An option for the German Energiewende. In: Renewable and Sustainable Energy Reviews 45, (2015), S. 207–218, hier S. 209, doi:10.1016/j.rser.2015.01.049.
  16. ↑ D. Noel Buckley, Colm O’Dwyer, Nathan Quill, Robert P. Lynch: Electrochemical Energy Storage. In: Issues in Environmental Science and Technology. Royal Society of Chemistry, Cambridge 2018, ISBN 978-1-78801-399-4, S. 115–149, doi:10.1039/9781788015530-00115.
  17. ↑ John J. Rowlette: Investigation of new solar regenerative fuel cell systems. In: Technical Report, Electro-Optical Systems, Inc., Pasadena, Calif. U.S. Department of Energy, Office of Scientific and Technical Information OSTI, 10. Januar 1962, abgerufen am 2. Mai 2019.
  18. ↑ P. J. Chludzinski, I. F. Danzig, A. P. Fickett, D. W. Craft: Regenerative fuel cell development for satellite secondary power. Final technical report, Apr 1972-Apr 1973. [H/sub 2//O/sub 2/ fuel cells]. Hrsg.: U.S. Department of Energy, Office of Scientific and Technical Information OSTI. AD-762923; AFAPL-TR-73-34. General Electric Co., Lynn, Mass. (USA), 1. Juni 1973 (osti.gov [abgerufen am 5. Mai 2019]).
  19. ↑ Fred Mitlitsky, Blake Myers, Andrew H. Weisberg: Lightweight pressure vessels and unitized regenerative fuel cells. CONF-961107--Absts., 460339, 31. Dezember 1996, doi:10.2172/460339 (osti.gov [abgerufen am 5. Mai 2019]).
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