Alkalische Brennstoffzelle

Schematischer Aufbau einer Alkalischen Brennstoffzelle

Die Alkalische Brennstoffzelle (engl. Alkaline Fuel Cell, AFC) ist eine Niedrigtemperatur-Brennstoffzelle.

Prinzip

In der Regel wird eine wässrige Kaliumhydroxid-Lösung als Elektrolyt verwendet (früher auch andere Stoffe, etwa Hydrazin). Entsprechend dem pH-Wert des Elektrolyten wird die Zelle als alkalische Brennstoffzelle bezeichnet. Als Brenngas dient Wasserstoff, der der Anode zugeführt und dort zu H⁺ oxidiert wird. Zusammen mit OH⁻-Ionen, die an der Kathode durch Reduktion von Sauerstoff gebildet werden, und über den Elektrolyten zur Anode gelangen, bildet sich an der Anode als Reaktionsprodukt Wasser, welches ständig abgeführt werden muss. Die Arbeitstemperatur der Zelle liegt bei 60–120 °C.

Die der Kathode zugeführte Luft muss CO₂-frei sein, da CO₂ nach

$\mathrm {CO_{2}+2\,KOH\rightarrow K_{2}CO_{3}\downarrow +H_{2}O}$

Kaliumcarbonat ausfällen würde. Dieses würde durch Verstopfung der porösen Elektroden zu einem Leistungsabfall der Zelle führen.

Im Vergleich zur PEMFC hat die AFC eine geringere Leistungsdichte, aber aufgrund der höheren Zellenspannung einen etwas besseren Wirkungsgrad. Sie erreicht jedoch zurzeit nicht die hohen Stromdichten einer PEMFC. Der Elektrolyt dient gleichzeitig zur Temperaturregelung des Stacks, womit kein weiterer Kühlkreislauf notwendig ist.

Anwendungsbereiche

Die AFC wird in der bemannten Raumfahrt eingesetzt, zum Beispiel bei den Apollo-Raumschiffen, dem Raumschiff LOK und im Space Shuttle. Siemens installierte AFC in U-Booten, wandte sich dann aber schließlich der PEMFC zu.

Die AFC hat in der Rüstung noch eine Zukunft, da sie den Idealen U-Boot Antrieb darstellt, der außenluftunabhängig und geräuscharm ist, als Abfallprodukt ausschließlich Wasser anfällt und sich die Wärmeentwicklung im Gegensatz zum Atom U-Boot sehr in Grenzen hält. Dadurch wird das U-Boot schwer ortbar.

Für die Raumfahrt spielen AFCs keine so große Rolle, da es im Moment nur Sonderanfertigungen sind, die dementsprechend teuer sind. Die Entwicklung steckt hier insgesamt gesehen noch in den Kinderschuhen. Auch spielt die Wasser- und Energienutzung noch eine untergeordnete Rolle und wird lediglich als Zusatz zu den bestehenden Systemen gesehen.

Reaktionsgleichungen

	Gleichung
Anode	$\mathrm {2\ H_{2}+4\ OH^{-}\to 4\ H_{2}O+4\ e^{-}}$ Oxidation / Elektronenabgabe
Kathode	$\mathrm {O_{2}+2\ H_{2}O+4\ e^{-}\to 4\ OH^{-}}$ Reduktion / Elektronenaufnahme
Gesamtreaktion	$\mathrm {2\ H_{2}+O_{2}\to 2\ H_{2}O}$ Redoxreaktion / Zellreaktion

Der innere Ladungstransport erfolgt mittels Hydroxidionen. Auf der Kathodenseite benötigt die Reaktion nur reinen Sauerstoff und produziert Wasser auf der Anodenseite, auf der nur reiner Wasserstoff benötigt wird.

Vor- und Nachteile gegenüber anderen Brennstoffzellen

Vorteile einer AFC sind:

• robustes System
• gutes dynamisches Verhalten
• preiswerte Katalysatoren (Nickel, Silber)

Nachteile sind:

• sehr empfindlich gegen Verschmutzungen, insbesondere durch CO₂
• niedrige Lebensdauer, bedingt durch den korrosiven Elektrolyten

Ein gutes Potential zur Weiterentwicklung haben alkalische Brennstoffzellen. Forschungen beschäftigen sich insbesondere mit unterschiedlichen Materialien für Membranen und Elektroden. Als besonders wirkungsvoll haben sich hierbei Elektroden aus Gold erwiesen.

Weblinks

• Verständliche interaktive Animation von BIGS zu Aufbau, Typen und Anwendung von Brennstoffzellen