Was ist eine Brennstoffelle 

Und wie funktioniert sie?

Das Prinzip ist nicht neu. Es wurde bereits vor mehr als 150 Jahren von den beiden Forschern Christian Friedrich Schönbein und Sir William Grove vorgestellt.

Es beruht auf einer einfachen chemischen Reaktion:

Wasserstoff + Sauerstoff → Strom + Wasser + Wärme

2 H2             +            O2            →              2 H2O

In der Brennstoffzelle findet eine Redoxreaktion statt, durch die Strom und Wärme erzeugt werden. Das Wasserstoffmolekül zerfällt an der Anode beim Kontakt mit einem Katalysator und setzt die Elektronen frei, die der Stromerzeugung dienen. Das ist die Oxidation

2 H2  →  4 H+ + 4 e–

An der Kathode wiederum reagiert der Sauerstoff beim Kontakt mit den zuvor freigesetzten Elektronen. Das ist die Reduktion.

O2 + 4 e–  →  2 O-2

Schließlich reagieren die Wasserstoff-Protonen mit den Sauerstoff-Ionen an des Kathode  zu Wasser.

4 H+ + 2 O-2  →  2 H2O

Das Prinzip ist also einfach, die Umsetzung ist hingegen komplexer.

Die Wasserstoff-Brennstoffzelle –oder kurzgesagt: die Brennstoffzelle – wandelt die Energie eines Brennstoffes (Wasserstoff) in Energie um.

Wann die ersten Brennstoffzellen entwickelt?

Die erste Brennstoffzelle wurde Ende des 19. Jahrhunderts gebaut. Sie schaffte eine Leistung von 1,5 kW. In den 30er-Jahren des 20. Jahrhunderts lebte das Interesse an Brennstoffzellen aufgrund der Arbeiten von Francis T. Bacon erneut auf. Bacon benutzte nämlich einen alkalischen Elektrolyten anstelle von Säure.

Die daraus resultierenden Verbesserungen, nämlich ein höherer Wirkungsgrad und eine längere Lebensdauer, machten Brennstoffzellen für die Raumfahrt tauglich. Aber die breite Industrie zeigte sich aufgrund der hohen Kosten unbeeindruckt und die Brennstoffzellen-Technologie blieb auf Nischenmärkte beschränkt.

Die Forschung wurde erst in den 1990er-Jahren wieder aufgenommen, als die Automobilbranche sich angesichts der sich abzeichnenden Umweltfragen für die Technologie begeisterte.

Von da an wurden verschiedene Arten von Elektrolyten getestet und für verschiedene Prototypen eingesetzt. Der Elektrolyt bestimmt die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle und damit die industriellen Einsatzmöglichkeiten und den Wirkungsgrad des Systems.

Welche Arten von Brennstoffzellen gibt es und wo kommen sie zum Einsatz?

Zu den wichtigsten BZ-Typen gehören:

Alkalische Brennstoffzellen

Alkalische Brennstoffzellen kurz AFC (alkaline fuel cells) wurden bei den Apollo-Raumfahrtmissionen eingesetzt. Ihre Betriebstemperatur liegt bei 65–90 °C, kann jedoch mit einem hochkonzentrierten Elektrolyten unter Druck auf 250 °C steigen. Ihr Wirkungsgrad beträgt um die 50 %.

Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen

Membran-Brennstoffzellen kurz PEMFC (proton exchange membrane fuel cel) sind Niedertemperatur-Brennstoffzellen (unter 100 °C) mit einem Wirkungsgrad von etwa 50 %. Sie sind in der Lage, schnell mit voller Leistung zu starten. Sie eignen sich daher für die Versorgung von Fahrzeugen und Anlagen kleiner bis mittlerer Größe.

Ihre Leistungspalette geht von einigen Milliwatt bis zu Hunderten von Kilowatt.

Phosphorsäure-Brennstoffzelle

Phosphorsäure-Brennstoffzellen kurz PAFC (phosphoric acid fuel cell) sind hinsichtlich Entwicklung und Kommerzialisierung besonders weit fortgeschritten. Ihre Betriebstemperatur liegt bei 180 °C bis 210 °C und sie sind in der Lage, stationäre Anlagen mit einer Leistung von mehreren Megawatt zu versorgen. Da die Wärme, die sie abgeben, leicht nutzbar ist, sind sie hervorragend für die Kraft-Wärme-Kopplung geeignet.

Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen

Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen, kurz MCFC (molten carbonate fuel cell), haben eine hohe Betriebstemperatur zwischen 600 °C und 700 °C. Sie werden für große stationäre Energieerzeugungsanlagen von bis zu 100 Megawatt eingesetzt. Ihr Wirkungsgrad ist hoch. Er kann je nach Anlage 60 % bis 80 % betragen.

Oxidkeramische Brennstoffzellen

Oxidkeramische Brennstoffzellen, kurz SOFC (solid oxyde fuel cell), arbeiten mit Temperaturen von 800 °C bis 1000 °C, wodurch die kinetischen Reaktionen beträchtlich verbessert werden können. Katalysatoren, die seltene Erdmetalle enthalten, werden nicht mehr gebraucht. Die Anlaufzeiten sind dagegen lang und die hohen Betriebstemperaturen erfordern eine sehr gute Isolierung und entsprechend hitzeunempfindliche Systemkomponenten. Sie werden in erster Linie für die stationäre Stromerzeugung eingesetzt.