imported>Hutch: Leerzeichen vor/nach Schrägstrich korrigiert, Kleinkram

2025-08-11T06:57:06Z

Leerzeichen vor/nach Schrägstrich korrigiert, Kleinkram

Neue Seite

'''Reversible Brennstoffzellen''' sind spezielle [[Brennstoffzelle]]n, deren energieliefernder Arbeitsprozess umkehrbar ist. Sie sind also Wandlereinheiten, die wie gewöhnliche Brennstoffzellen durch die Umsetzung von [[Brennstoff]]en [[elektrische Energie]] bereitstellen können. Dieselbe Wandlereinheit kann aber auch als [[Elektrolyseur]] betrieben werden, so dass elektrische Energie in [[Energiespeicher|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 ==
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<ref name="Fraunhofer2001">{{Internetquelle |autor=Angelika Heinzel, Ansgar Rau, Marc Valerius, Ursula Wittstadt |url=https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/documents/infomaterial/jahresberichte/ISE_JB01_d_GESAMT.pdf |titel=Energiespeicherung mit einem reversiblen Elektrolyse/Brennstoffzellensystem |werk=Leistungen und Ergebnisse – Jahresbericht 2001 |hrsg=[[Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme]] ISE |datum=2002 |zugriff=2019-04-23}}</ref><ref name="Fraunhofer2005">{{Internetquelle |autor=Tom Smolinka |url=https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/documents/infomaterial/jahresberichte/ISE_JB05_d_gesamt.pdf |titel=Reversible Brennstoffzellensysteme |werk=Jahresbericht 2005 – Leistungen und Ergebnisse |hrsg=Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE |datum=2006 |zugriff=2019-04-23}}</ref><ref name="Schmid2019">{{Internetquelle |autor=Angela Schmid |url=https://edison.media/erklaeren/reversible-brennstoffzellen-stromspeicher-mit-wasserstoff/23835848.html |titel=Reversible Brennstoffzellen: Stromspeicher mit Wasserstoff |werk=Edison |hrsg=Windyhill Property |kommentar=ursprünglich veröffentlicht unter ''edison.handelsblatt.com'' |datum=2019-01-08 |sprache=de |abruf=2025-03-09}}</ref> 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.<ref name="Gabbasa2014">{{Literatur |Autor=Mohamed Gabbasa, Kamaruzzaman Sopian, Ahmad Fudholi, Nilofar Asim |Titel=A review of unitized regenerative fuel cell stack: Material, design and research achievements |Sammelwerk=International Journal of Hydrogen Energy |Band=39 |Nummer=31 |Datum=2014-10 |DOI=10.1016/j.ijhydene.2014.08.121 |Seiten=17765–17778 }}</ref>

{| class="wikitable center zebra"
|+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)
|-
|
{| class="wikitable center"
| colspan="2" | chemische Energie der Brennstoffe
|-
| Brennstoffzellenbetrieb („Entladen“) ↓
| ↑ Speicherbetrieb („Laden“)
|-
! colspan="2" | reversible Brennstoffzelle rBZ
|-
| Brennstoffzellenbetrieb („Entladen“) ↓
| ↑ Speicherbetrieb („Laden“)
|-
| colspan="2" | elektrische Energie
|}
|
{| class="wikitable center"
| colspan="2" | chemische Energie der Brennstoffe
|-
| Brennstoffzellenbetrieb („Entladen“) ↓
| ↑ Speicherbetrieb („Laden“)
|-
! Brennstoffzelle
! Elektrolyseur
|-
| Brennstoffzellenbetrieb („Entladen“) ↓
| ↑ Speicherbetrieb („Laden“)
|-
| colspan="2" | 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.<ref name="Paul2017">{{Literatur |Autor=Biddyut Paul, John Andrews |Titel=PEM unitised reversible/regenerative hydrogen fuel cell systems: State of the art and technical challenges |Sammelwerk=Renewable and Sustainable Energy Reviews |Band=79 |Datum=2017-11 |DOI=10.1016/j.rser.2017.05.112 |Seiten=585–599 }}</ref>

== Beispiel Wasserstoff-Brennstoffzelle ==
[[Datei:Schema-PEMFC.svg|250px|mini|Schematischer Aufbau einer [[Polymerelektrolytbrennstoffzelle|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.<ref name="Fraunhofer2001" /><ref name="Fraunhofer2005" />

Reversibler Prozess in einer Wasserstoff-Brennstoffzelle:
: <math> \mathrm{ 2 \ H_2 \ + \ O_2 \ \ \longrightarrow \ 2\ H_2O + \ \Delta H }</math>
: Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser unter Energieabgabe
: <math> \mathrm{ 2\ H_2O \ \xrightarrow{Elektrolyse} 2\ H_2 + O_2 }</math>
: Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff unter Energiezufuhr

=== Spannung und Wirkungsgrad ===
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.<ref name="Mitlitsky1998">{{Literatur |Autor=Fred Mitlitsky, Blake Myers, Andrew H. Weisberg |Titel=Regenerative Fuel Cell Systems |Hrsg=American Chemical Society ACS |Sammelwerk=Energy & Fuels |Band=12 |Nummer=1 |Datum=1998-01 |DOI=10.1021/ef970151w |Seiten=56–71 }}</ref> Bei hohen Stromdichten sinkt sie beim Entladen unter 0,8 V, während sie beim Laden auf über 1,8 V steigt.<ref name="Mitlitsky1998" /> 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 %.<ref name="Wang2016">{{Literatur |Autor=Yifei Wang, Dennis Y.C. Leung, Jin Xuan, Huizhi Wang |Titel=A review on unitized regenerative fuel cell technologies, part-A: Unitized regenerative proton exchange membrane fuel cells |Sammelwerk=Renewable and Sustainable Energy Reviews |Band=65 |Datum=2016-11 |DOI=10.1016/j.rser.2016.07.046 |Seiten=961–977 |Online=https://pureapps2.hw.ac.uk/ws/portalfiles/portal/14200706/Manuscript_part_A.pdf}}</ref>

== Typen reversibler Brennstoffzellen ==
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<ref>{{Literatur |Autor=Regis P. Dowd, Venkata Yarlagadda, Dhrubajit Konwar, Guangyu Lin, Guoming Weng |Titel=A Study of Alkaline-Based H2-Br2 and H2-I2 Reversible Fuel Cells |Sammelwerk=Journal of The Electrochemical Society |Band=163 |Nummer=14 |Datum=2016 |DOI=10.1149/2.0011614jes |Seiten=F1471–F1479}}</ref>.

Die meisten bisher gebauten reversiblen Brennstoffzellen sind bisher Polymerelektrolytbrennstoffzellen (PEM).<ref name="Paul2017" /> Die Gesamtwirkungsgrade reversibler Brennstoffzellen liegen im Bereich von 30 bis 40 % bei alkalischem Elektrolyten, 40 bis 50 % bei PEM und 60 bis 80 % für [[Festoxidbrennstoffzelle]]n (SOFC).<ref name="Wang2016" />

== Praktische Anwendung ==
Für Schulungszwecke sind verschiedene kleine Demonstrationsgeräte von Brennstoffzellen mit Gasspeichern erhältlich, teilweise in Kombination mit Solarmodulen für den Elektrolysebetrieb oder mit einem Modellauto.<ref>{{Internetquelle |url=https://fuelcellstore.com/downloads/drfuelcell-reversible-fuelcell-storage.pdf |titel=Reversible Fuel Cell With Storage |werk=Fuel Cell Store > Education > Demonstration > Dr. FuelCell Model Car Kit - Demo |hrsg=Fuel Cell Store |abruf=2019-05-05 |sprache=en}}</ref><ref>{{Internetquelle |url=https://www.fuelcellstore.com/fuel-cell-10 |titel=Fuel Cell 10 |werk=Fuel Cell Cars |hrsg=Fuel Cell Store |abruf=2019-05-05 |sprache=en}}</ref><ref>{{Internetquelle |autor=Winlab.de Shop |url=https://www.winlab.de/schule/demonstrationsgeraete-anschauungsmaterialien/brennstoffzellentechnologie/modellauto-mit-reversibler-brennstoffzelle-komplett |titel=Modellauto mit reversibler Brennstoffzelle Komplett |werk=Schule > Demonstrationsgeräte & Anschauungsmaterialien > Brennstoffzellentechnologie |hrsg=Windaus-Labortechnik GmbH & Co KG |datum= |abruf=2019-05-05 |sprache=de}}</ref><ref>{{Internetquelle |url=https://produktinfo.conrad.com/datenblaetter/175000-199999/198061-an-01-ml-Brennstoffzellen_Set_FCJJ_16_de_en_fr_nl.pdf |titel=Sonnen/Wasserstoffenergieerzeugungseinbausatz |werk=Datenblätter |hrsg=Conrad.de |abruf=2019-05-05}}</ref><ref>{{Webarchiv | url= http://www.heliocentris.com/fileadmin/content/academia/documents/01_Science_Education/Model_Car/Model_Car_DE_1101.pdf | wayback = 20170313184634 | text = Datenblatt Modellauto mit reversibler Brennstoffzelle.}} (PDF; 340 kB)</ref>

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 [[Polymerelektrolytbrennstoffzelle]]n<ref name="Fraunhofer2001" /> (PEM, dann auch ''unitized regenerative fuel cell'', kurz ''URFC'' genannt) als auch [[Festoxidbrennstoffzelle]]n<ref name="Jensen 2015">{{Literatur |Autor=S. H. Jensen, C. Graves, M. Mogensen, C. Wendel, R. Braun |Titel=Large-scale electricity storage utilizing reversible solid oxide cells combined with underground storage of CO2 and CH4 |Sammelwerk=[[Energy & Environmental Science]] |Band=8 |Nummer=8 |Datum=2015 |DOI=10.1039/C5EE01485A |Seiten=2471–2479 }}</ref> können reversibel betrieben werden. Erste Anlagen wurden 2015 in den Markt eingeführt.<ref name="Varone 209">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]].</ref>

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.<ref name="Jensen 2015" />

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 Gesamt[[wirkungsgrad]] ist mit maximal 80 %<ref name="Wang2016" /> jedoch geringer als der konkurrierender Batteriesysteme<ref>{{Literatur |Autor=D. Noel Buckley, Colm O’Dwyer, Nathan Quill, Robert P. Lynch |Titel=Electrochemical Energy Storage |Sammelwerk=Issues in Environmental Science and Technology |Verlag=Royal Society of Chemistry |Ort=Cambridge |Datum=2018 |ISBN=9781788013994 |DOI=10.1039/9781788015530-00115 |Seiten=115–149 }}</ref>, z. B. [[Lithium-Ionen-Akkumulator]]en.

== Historisches ==
Überlegungen, den Brennstoff Wasserstoff außerhalb der Brennstoffzelle zurückzugewinnen, z. B. mittels [[Solarenergie]], wurden schon 1962 diskutiert.<ref>{{Internetquelle |autor=John J. Rowlette |url=https://www.osti.gov/biblio/5083994-investigation-new-solar-regenerative-fuel-cell-systems |titel=Investigation of new solar regenerative fuel cell systems |werk=Technical Report, Electro-Optical Systems, Inc., Pasadena, Calif. |hrsg=U.S. Department of Energy, Office of Scientific and Technical Information OSTI |datum=1962-01-10 |zugriff=2019-05-02}}</ref> Eine erste auch getestete reversible Brennstoffzelle wurde 1972–1973 bei [[General Electric]] entwickelt, sie sollte zur Versorgung von Satelliten dienen.<ref name="Paul2017" /><ref>{{Literatur |Autor=P. J. Chludzinski, I. F. Danzig, A. P. Fickett, D. W. Craft |Titel=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 |Nummer=AD-762923; AFAPL-TR-73-34 |Verlag=General Electric Co., Lynn, Mass. (USA) |Datum=1973-06-01 |Online=https://www.osti.gov/biblio/5188691-regenerative-fuel-cell-development-satellite-secondary-power-final-technical-report-apr-apr-sub-sub-fuel-cells |Abruf=2019-05-05}}</ref> In den 1990er Jahren wurden Forschungsarbeiten zu reversiblen Brennstoffzellen insbesondere am [[Lawrence Livermore National Laboratory]] durchgeführt.<ref>{{Literatur |Autor=Fred Mitlitsky, Blake Myers, Andrew H. Weisberg |Titel=Lightweight pressure vessels and unitized regenerative fuel cells |Nummer=CONF-961107--Absts., 460339 |Datum=1996-12-31 |DOI=10.2172/460339 |Online=https://www.osti.gov/biblio/460339 |Abruf=2019-05-05}}</ref><ref name="Mitlitsky1998" /> Als mögliche Anwendungsfelder wurden auch [[Solarflugzeug]]e und [[Emissionsfreies Fahrzeug|emissionsfreie Fahrzeuge]] genannt.<ref name="Mitlitsky1998" />

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Brennstoffzelle]]
[[Kategorie:Elektrolyse]]

Reversible Brennstoffzelle - Versionsgeschichte

imported>Hutch: Leerzeichen vor/nach Schrägstrich korrigiert, Kleinkram