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Alkalische Brennstoffzelle (AFC)

Die Alkalische Brennstoffzelle ("Alkaline Fuel Cell" - AFC) ist eine Niedertemperaturbrennstoffzelle. Sie arbeitet bei Betriebstemperaturen bis 90 °C.

Aufbau

Alkalische Brennstoffzellen sind mit wässriger Kalilauge als Elektrolyt (30-45 Gew.-% KOH) ausgestattet, die durch die Zelle gepumpt wird. Ein entscheidender Nachteil dieses Elektrolyten ist seine Unverträglichkeit gegenüber Kohlendioxid (CO2), welches bei Kalilauge zur Zersetzung (durch Reaktion zu unlöslichem Karbonat) führt, so dass CO2 aus den zugeführten Gasen entfernt werden muss.

Als Elektrodenmaterialien werden Raney-Nickel für die Oxidation des Wasserstoffs bzw. Raney-Silber für die Reduktion des Sauerstoffs oder auch mit Edelmetallen aktivierter Kohlenstoff eingesetzt. Für die Stromableitung wird reines Nickel verwendet, während die Zellenrahmen aus Kunststoff bestehen. Ein Vorteil der AFC ist die Verwendung von eher preiswerten Katalysatoren. Die Katalysatoren wiederum sind notwendig, um bei den niedrigen Temperaturen eine ausreichend hohe Geschwindigkeit der elektrochemischen Reaktion zu erzielen.

Aufgrund der niedrigen Betriebstemperaturen und der vergleichsweise geringen Korrosivität der Kalilauge bestehen keine signifikanten Materialprobleme.

Die erreichten Zellwirkungsgrade liegen bei etwa 70 %.

Einsatzbereiche

Die AFC stellt aufgrund der beschriebenen Reaktionen der Kalilauge hohe Anforderungen an die Reinheit der Reaktionsgase. Konnte früher nur hochreiner Wasserstoff verwendet werden, reicht modernen AFC allerdings bereits Wasserstoff in Industriequalität. Kathodenseitig durfte bislang nur reiner Sauerstoff eingesetzt werden. Bei neueren Entwicklungen ist auch Luft möglich, aus der allerdings das Kohlendioxid z.B. durch Adsorptionsmittel entfernt werden muss. Aus diesem Grunde erscheint auch ein Betrieb mit Kohlenwasserstoffen, aus denen man durch Reformierung ein wasserstoffhaltiges Gas mit nicht unerheblichem Kohlendioxidanteil gewinnt, nicht sinnvoll, da der Aufwand für die Gasreinigung sehr aufwändig wäre.

Wegen der extrem hohen Anforderungen an die Reinheit des Brennstoffs und der geringen Lebensdauer hatte sich in der Vergangenheit ihr Einsatzbereich kaum über Anwendungen in der Raumfahrt und in der Militärtechnik hinaus entwickelt. In diesem Bereichen spielt sie aber nicht zuletzt wegen ihrer hohen Zuverlässigkeit weiterhin eine wichtige Rolle. Realisierte Leistungen für AFC liegen im kW-Bereich
(1-120 kWe). 

Quelle: Astris Corp.

Durch technische Weiterentwicklungen bei der AFC (z.B. höhere Toleranz gegenüber Rest-CO2) haben Anwendungen im zivilen Bereich zugenommen. Die Fa. Astris aus den USA stellt z.B. tragbare Stromversorgungen her (siehe Foto). Auch für Bootsantriebe findet die AFC Verwendung. Ein weitere Anwendung findet sie in unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV).