Alkalische Brennstoffzelle

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

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Prinzip

In der Regel wird eine wässrige Kaliumhydroxid-Lösung als Elektrolyt verwendet, früher beispielsweise Hydrazin. Da die Lösungen alkalisch sind, hat die Zelle danach ihren Namen erhalten. Als Brenngas dient Wasserstoff an der Anode, der durch Oxidation mit reinem Sauerstoff an der Kathode umgesetzt wird. An der Anode entsteht dabei als Reaktionsprodukt Wasser, das ständig abgeführt werden muss. Dieser Zellentyp wird bei 60 – 120 °C betrieben.

Die der Kathode zugeführte Luft muss CO₂-frei sein, da dieses sonst mit der Lauge zu einem Karbonat reagiert. Dieses ist dann ein Feststoff (weißer Niederschlag, nicht mehr gelöst), welcher die porösen Elektroden verstopft und zu einem Leistungsabfall der Zelle führt. Im Vergleich zur PEMFC hat die AFC eine geringere Leistungsdichte bei jedoch leicht besserem Wirkungsgrad aufgrund einer höheren Zellenspannung. Sie erreicht jedoch zur Zeit nicht die hohen Stromdichten wie die PEMFC. Der Elektrolyt dient gleichzeitig zur Temperaturregelung des Stacks, womit kein weiterer Kühlkreislauf notwendig ist.

Anwendungsbereiche

Die AFC wird ausschließlich in der bemannten Raumfahrt eingesetzt, allerdings da auch nur in Space Shuttles o.ä. Selbst die ISS hat keine Brennstoffzellen an Bord, da die benötigte Energie durch Akkumulatoren und Sonnensegel effektiver - und billiger - gewonnen werden kann. Die deutsche Marine hat die AFC in der neuen 212 A U-Boot Baureihe im Einsatz, wo sie ähnlich wie bei einem Hybridmotor über eine Fahrbatterie den Motor antreiben.

Die AFC hat in der Rüstung noch eine Zukunft vor sich, da sie den Idealen U-Boot Antrieb darstellt, der außenluftunabhängig und geräuscharm ist, als Abfallprodukt ausschließlich Wasser anfällt (was in den Meeren natürlich schon ausreichend vorhanden ist) 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. Die Konkurrenz durch Super Caps, RTGs und die herkömmlichen Akkus aus Sonnenenergie fällt dementsprechend hoch aus. Auch spielt die Wasser- und Energienutzung noch eine untergeordnete Rolle und wird lediglich als Zusatz zu den bestehenden Systemen gesehen.

Reaktionsgleichungen

	Gleichung
Anode	Oxidation / Elektronenabgabe
Kathode	Reduktion / Elektronenaufnahme
Gesamtreaktion	Redoxreaktion / Zellreaktion

Der innere Ladungstransport erfolgt mittels Hydroxidionen. Auf der Kathodenseite benötigt die Reaktion Wasser und produziert welches auf der Anodenseite. Um den Wasserbedarf auf der Kathodenseite zu decken, wird die Rückdiffusion durch die Membran verwendet.

Vor- und Nachteile gegenüber anderen Brennstoffzellen

Vorteile einer AFC sind:

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

Nachteile sind:

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

Alkalimetalle