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Brennstoffzelle

Die Stromerzeugung aus Wasserstoff ist seit mehr als 150 Jahren bekannt. Nutzbar wurde die Brennstoffzelle jedoch erst nach intensiven Forschungen in den letzten Jahren. Eine Brennstoffzelle ist kein Energiespeicher, sondern ein Wandler. Die Energie zur Stromproduktion wird in chemisch gebundener Form mit den Brennstoffen zugeführt.

Hände halten neon-grünes Element

Wärme und Strom aus Wasserstoff erzeugen

Brennstoffzellen überzeugen nicht nur durch ihren hohen elektrischen Wirkungsgrad von 60 bis 80 Prozent, sondern auch in Sachen Umweltschutz: Sie liefern beim Verbrennen von Wasserstoff und Sauerstoff aus der Luft Energie ganz ohne Schadstoffausstoß. Nichts als Wasser ist das Endprodukt. Da sie Strom ohne mechanische Prozesse erzeugen, arbeiten Brennstoffzellen zudem ohne Verschleißteile oder Lärm.

Unsere Animation zeigt, wie eine Brennstoffzelle funktioniert.

Brennstoffzellen werden oftmals in Krankenhäusern und Schwimmbädern oder aber für die Hausenergieversorgung eingesetzt. In der Automobilbranche dient die Brennstoffzelle als Fahrzeugantrieb. Durch ihre hohe Energiedichte und die Möglichkeit des schnellen Brennstoffnachfüllens ist sie essenziell für die Mobilität der Zukunft. Autohersteller forschen daher verstärkt an Brennstoffzellenantrieben für Fahrzeuge. Einige Hersteller, vor allem asiatische, liefern bereits Modelle aus. Die Autos haben Reichweiten von mehr als 500 Kilometern. Aber auch deutsche Hersteller werden konkret. So will BMW Ende 2022 auf Basis des X5 Wasserstoff-Brennstoffzellenautos produzieren.

Welche Rolle die Energiegewinnung aus Wasserstoff in Zukunft spielt, wurde vom Bund im Juni 2020 in der Nationalen Wasserstoffstrategie festgehalten. Diese ist Grundlagen für die deutschlandweite Erzeugung, Transport, Verteilung und Nutzung von Wasserstoff.

Elektrochemische Energie-Gewinnung

gelbes Schild Wasserstoff

Es gibt unterschiedliche Brennstoffzellentypen, die vom Wirkprinzip allerdings ähnlich sind. Bei der überwiegenden Zahl wird Wasserstoff als Brennstoff eingesetzt. Wasserstoff ist ein relativ teures Gas, da es erst aus anderen Substanzen gewonnen werden muss. Brennstoffzellen stellen je nach Typ sehr unterschiedliche Anforderungen an die Reinheit der zugeführten Gase. Vor allem Niedertemperatur-Brennstoffzellen können durch bestimmte Verunreinigungen nachhaltig beeinträchtigt werden.

Woher kommt der Wasserstoff?

Meist wird Wasserstoff aus Erdgas oder Biogas gewonnen, die so genannte Reformierung. Diese setzt Kohlendioxid und ebenso Schadstoffe frei, die den genannten Vorteil von Brennstoffzellen relativieren.

Wasserstoff kann aber auch völlig ohne Schadstoffproduktion aus der elektrischen Zerlegung von Wasser (Elektrolyse) gewonnen werden. Elektrische Überschussenergie wird in Form von Wasserstoff gespeichert, um durch die Brennstoffzellen zum gewünschten Zeitpunkt wieder in elektrische Energie gewandelt zu werden. 

Power-Pakete für die Energiegewinnung

Will man technisch nutzbare Energie gewinnen, müssen Einzelzellen in Serien zusammen geschaltet werden. So entstehen sandwichartige Zellenstapel, die auch Stacks genannt werden. Solche Stacks erreichen je nach Zellentyp Spannungen von bis zu 200 Volt.
Die einzelnen Zellen eines Stacks werden von Bipolarplatten getrennt, welche zur elektrischen Kontaktierung der Elektroden dienen und den elektrischen Strom zur benachbarten Zelle leiten. Darüber hinaus helfen sie, Brennstoffe und gegebenenfalls Kühlwasser zuzuführen sowie Wärme und Reaktionsprodukte abzuführen.

Brennstoffzellen zeichnen sich dadurch aus, dass sie schwankende Belastungen gut verkraften. Ihr maximaler Wirkungsgrad ist bereits bei halber Volllast erreicht. Sie können sich so wesentlich besser den Schwankungen des Strombedarfs anpassen als beispielsweise Wärmekraftmaschinen, die erst bei Volllast ihre ganze Effizienz entfalten.

Klassifizierung nach Elektrolytentyp

Brennstoffzellen werden grundsätzlich nach Art der Elektrolyten unterschieden, wodurch sich Unterschiede in der Arbeitstemperatur und den verwendeten Materialien bei den Elektroden ergeben.

Niedertemperatur-Brennstoffzellen

Niedertemperatur-Brennstoffzellen werden ausschließlich mit Wasserstoff als Brennstoff betrieben. Dazu zählen:

  • Alkalische Brennstoffzelle (AFC)
  • Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC), wird auch Polymer-Elektrolyt-Brennstoff-Zelle genannt und aufgrund ihrer universellen Einsetzbarkeit und der einfachen Technik derzeit favorisiert
  • Phosphorsäure Brennstoffzelle (PAFC)

Hochtemperatur-Brennstoffzellen

Hochtemperatur-Brennstoffzellen sind auch für den direkten Einsatz von Erdgas oder Kohlegas geeignet, weil diese durch die hohe Betriebstemperatur das Brenngas selbst aufspalten:

  • Karbonatschmelze-Brennstoffzelle (MCFC)
  • Oxidkeramik-Brennstoffzelle (SOFC)

Direkt-Methanol-Brennstoffzellen

Eine Sonderrolle nehmen die Direkt-Methanol-Brennstoffzellen (DMFC) ein, die bei Zimmertemperatur nicht Wasserstoff, sondern Methanol als Brennstoff nutzen. Diese Zellen sind insbesondere als Alternative zum Betrieb von mobilen elektronischen Geräten geeignet.