Die Brennstoffzelle

 
Brennstoffzellen wandeln wasserstoffhaltige Energieträger auf elektrochemischem Wege direkt in elektrische Energie um. Dabei fällt Wärme als Nebenprodukt an. Damit sind stationäre Brennstoffzellensysteme für die Kraft-Wärme-Kopplung und mobile Systeme für den Antrieb von Elektrofahrzeugen geeignet.

Brennstoffzellen kommen ohne Turbine und Generator aus. Eine Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden und dem Elektrolyten. Die Elektroden sind über einen äußeren Stromkreis elektrisch leitend miteinander verbunden. Die Anode wird mit dem Brennstoff, z. B. Wasserstoff, und die Kathode mit dem Oxidationsmittel Sauerstoff versorgt. Zwischen Anode und Kathode befindet sich der Elektrolyt, ohne den sich beide Gase sonst vermischen würden: Es käme dann allenfalls zu einer normalen Verbrennung bzw. einer Knallgasreaktion.

Der Elektrolyt bewirkt jedoch statt der normalen Verbrennung eine elektrochemische Reaktion: An der Anode wird der Brennstoff oxidiert. Es werden Elektronen in den äußeren Stromkreis abgegeben, wodurch an der Anode positiv geladene Wasserstoffionen entstehen. Diese Wasserstoffionen wandern durch den Elektrolyten zur Kathode.

An der Kathode reagieren die Wasserstoffionen mit dem Sauerstoff und den aus dem elektrischen Leiter stammenden Elektronen zu Wasser.

Es bewegen sich bei geschlossenem äußeren Stromkreis und konstanter Brennstoffzufuhr also ständig Elektronen von der Anode zur Kathode, d. h., es fließt ein elektrischer Strom. Die Anode ist demnach der Minuspol, die Kathode der Pluspol der Brennstoffzelle, zwischen denen wie bei einer herkömmlichen Batterie eine elektrische Spannung besteht.

Wie bei einer Batterie wird auch bei der Brennstoffzelle eine Gleichspannung erzeugt. Sie beträgt bei einer einzelnen Zelle theoretisch ca. 1,2 Volt. Beim Betrieb der Zelle kommt es bei Stromfluss wie in jedem Stromkreis zu Verlusten. Dies führt in der Praxis zu niedrigeren Zellspannungen. Sie betragen etwa 0,6 bis 0,9 Volt.

Will man technisch nutzbare Spannungen erzielen, schaltet man zahlreiche Einzelzellen in Serie. Aus Einzelzellen werden Zellenstapel, so genannte Stacks, sandwichartig aufgebaut. Technisch erreichen solche Stacks Spannungen bis etwa 200 Volt. Die Stromstärke ist proportional zur Fläche der Elektroden und erreicht je nach Zellentyp und Betriebsbedingungen etwa 0,1 bis 1 A/cm2.

Ein großer Vorteil der Brennstoffzelle ist ihr hoher Wirkungsgrad. Als elektrochemischer Energiewandler unterliegt die Brennstoffzelle nicht dem Gesetz von Carnot, das den Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen aus physikalischen Gründen grundsätzlich beschränkt. Je nach Typ und Brennstoff kann eine Zelle Wirkungsgrade von 70 bis annähernd 100 % erreichen. In der Praxis beträgt der Wirkungsgrad der einzelnen Zelle 40 bis 70 % und der des gesamten Systems 35 bis 60 %.

Ein weiterer Vorteil der Brennstoffzelle ist, dass sie in einem weiten Bereich schwankende Belastungen verkraftet, ohne wesentlich an Effizienz zu verlieren. Ihr Wirkungsgrad erreicht bereits bei halber Volllast sein Maximum, um dann mit wachsender Stromentnahme in einer flachen Kurve abzufallen. Sie kann sich damit den Schwankungen des Strombedarfs besser anpassen als Wärmekraftmaschinen, die erst bei Volllast ihre volle Effizienz entfalten.

Brennstoffzellen erzeugen den Strom sehr umweltfreundlich. Im Idealfall, beim Betrieb mit reinem Sauerstoff und reinem Wasserstoff, entsteht als Abfallprodukt nichts weiter als Wasser.

Wasserstoff und Sauerstoff sind jedoch relativ teuere Gase und müssen erst aus anderen Substanzen gewonnen werden. Unter diesen Umständen könnte die Stromerzeugung mit Brennstoffzellen mittelfristig nicht wirtschaftlich werden. Zum Glück stellen aber die meisten Brennstoffzellen an die Reinheit der zugeführten Gase nicht so hohe Ansprüche.

Anstelle von reinem Wasserstoff nehmen sie auch mit Wasserstoff aus Erdgas und anstelle von reinem Sauerstoff auch mit dem Sauerstoff aus der Luft vorlieb. Allerdings muss man den Brennstoff - der neben Erdgas auch Biogas oder Methanol sein kann - erst zu einem wasserstoffhaltigen Gemisch aufbereiten und von Stoffen befreien, die die Brennstoffzelle schädigen könnten.

Die Klassifizierung der Brennstoffzellen erfolgt nach der Art des Elektrolyten. Dadurch ergeben sich Unterschiede in der Arbeitstemperatur und in den Elektrodenmaterialien.

Zu den Niedertemperatur-Brennstoffzellen gehören

die alkalische Brennstoffzelle (AFC),
die Membran-Brennstoffzelle (PEMFC)
und die phosphorsaure Brennstoffzelle (PAFC).
Sie werden ausschließlich mit Wasserstoff als Brennstoff betrieben.

Die Karbonatschmelze-Brennstoffzelle (MCFC)
und die Oxidkeramik-Brennstoffzelle (SOFC)
sind Hochtemperatur-Brennstoffzellen, die auch für den direkten Einsatz von Kohlegas geeignet sind.

Die Entwicklung der Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle (PEMFC) wird zurzeit am stärksten vorangetrieben. Dies liegt an ihrer universellen Einsetzbarkeit und an der einfachen Systemtechnik.