Wie funktioniert eine Brennstoffzelle?

Viele Gegenstände an Bord nutzen wir ganz selbstverständlich, ohne ihre Funktionsweise genau zu hinterfragen. Dabei ist das durchaus faszinierend und hilfreich in der Praxis. Ein Einblick in die Technik der Brennstoffzelle

Bei einer Methanol-Brennstoffzelle erfolgt die Umwandlung des hochreinen Brennstoffes (99,9 Prozent Methanol) in elektrische Energie durch kalte ‚Verbrennung‘ – also ohne eine Flamme. Es wird auf dem direkten Weg chemische in elektrische Energie umgewandelt, das ist so etwas wie die Umkehrung der Elektrolyse. Das Umwandeln chemischer in elektrische Energie geschieht nahezu geräuschlos, nur ein von kleinen Pumpen erzeugtes leises Brummen und das Gluckern von abgeschiedenem Wasser am Abgasrohr ist zu hören. Abgesehen von geringen Mengen CO2, entstehen keine Schadstoffe.

Grafik: Technik einer Brennstoffzelle(Bild: SFC Energy AG)

Methanol (CH3OH) kann aus Erdgas oder Biomasse gewonnen werden. Metha­nol ist hochgiftig – selbst bei Berührung mit der Haut. Die Tankpatronen sind sicherheitsgeprüfte, Luftfracht zertifizierte Behälter, die als fünf oder zehn Liter Kanister erhältlich sind. Der Vorteil des Methanols ist, dass es in einem großen Temperaturbereich (circa -90 bis +65 Grad Celsius) flüssig bleibt. Die Umgebungs-Betriebstemperatur einer Methanol-Brennstoffzelle liegt zwischen -20 bis +40 Grad Celsius.

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Aus zehn Litern Methanol können 760 Amperestunden bei 12-Volt gewonnen werden, das entspricht einem Energie­verbrauch von 0,9 Litern Methanol pro Kilowattstunde bei voller Leistung. Um die notwendige Ladespannung zu erreichen, werden, wie bei einer Batterie, einzelne Gruppen von Anoden und Kathoden in Serie geschaltet. Die Betriebstemperatur der Zelle liegt zwischen 90 und 120 Grad Celsius.


Einbau einer Brennstoffzelle

Die Brennstoffzelle wird auf einer mitgelieferten Bodenplatte montiert, spezielle Gummis, auf denen die Brennstoffzelle steht, verhindern Geräuschübertragung. Beim Einbau muss auf die Führung des Abgasrohres geachtet werden. Konden­sierendes Wasser muss ungehindert abfließen können, damit sich bei Frost im Abgasrohr kein Eispfropfen bilden kann.


Arbeitet die Brennstoffzelle, wird den Anoden Methanol zugeführt, an den Kathoden reagiert der Sauerstoff der Umgebungsluft. An der Anode entstehen aus dem Methanol positiv geladene Ionen (H+). Anode und Kathode sind durch eine Membran elektrisch voneinander getrennt. Sie leitet die Ionen, lässt aber keine Elektronen (e-) durch. So wandern die Ionen durch die Membran an die Kathode. Die negativ geladenen Elektronen wollen ebenfalls an die nun positive Kathode wandern, können die Membran aber nicht durchqueren und müssen einen Umweg nehmen. Durch die Bewegung der Elektronen im Stromkreis baut sich eine Spannung auf.

Weil ein Teil des Methanols, das der Anode zugeführt wird, durch die Membran zur Kathode wandert, beträgt der Wirkungsgrad der Methanol-Brennstoffzelle nur 40 Prozent. Um die Verluste gering zu halten, wird der Anode zusätzlich eine geringe Menge Wasser zugeführt.

Methanol-Brennstoffzellen für den maritimen Einsatz sind in Leistungen bis zu 210 Amperestunden pro Tag erhältlich, das entspricht einer Leistung von 105 Watt. Damit ist auch die Stromversorgung selbst größerer Schiffe mit hohem Energieverbrauch möglich. Das Hochfahren beim Einschalten dauert circa eine Minute, dann steht die volle Leistung zur Verfügung. Marinetaugliche Methanol-Brennstoffzellen sind sehr kompakt, bei einer Leistung von 210 Amperestunden pro Tag beträgt das Gewicht nur 8,5 Kilogramm.

Der Betrieb ist bis zu 35 Grad Neigungswinkel in der Längs- und 20 Grad in der Querachse möglich, damit kann eine Brennstoffzelle auch während des Segelns betrieben werden. Sollte die Krängung einmal größer sein, schaltet die Brennstoffzelle aus Sicherheitsgründen automatisch ab. Im beleuchteten LCD-Display wird dann eine Störung angezeigt, die Brennstoffzelle muss manuell wieder in Betrieb genommen werden.

Ein wartungsfreier Betrieb ist bis zu 6.000 Betriebsstunden möglich, dann nimmt die Leistung langsam ab. Das entspricht einer Nutzungsdauer von etwa zehn Jahren bei 600 Betriebsstunden im Jahr.


Elektrik einer Brennstoffzelle

Der notwendige Laderegler ist eingebaut, der Ladeausgang wird über eine Sicherung direkt mit der zu ladenden Batterie verbunden. Bei der EFOY-Brennstoffzelle kann, um die Tiefentladung der Batterie zu verhindern, über das Setup ein automatischer Ladestart eingestellt werden. Sinkt die Batteriespannung unter 12,5 Volt, startet die Brennstoffzelle automatisch mit dem Laden. Wird die Ladeendspannung erreicht, schaltet die Brennstoffzelle automatisch zurück in den Standby-Modus. Stehen noch andere Ladequellen, wie beispielsweise Solar oder Windgenerator, zur Verfügung, sollte man, um Methanol zu sparen, mit dem Automatikbetrieb vorsichtig sein. Können doch die regenerativen Energiequellen bei zu erwartender Windstärke oder Sonnenschein bei nächster Gelegenheit den gewünschten Ladezustand wieder herbeiführen.

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