Brennstoffzelle als Zukunftstechnologie: Funktionsweise und Anwendungsszenarien

Wenn du dich für nachhaltige Energiequellen interessierst, sind Brennstoffzellen ein Begriff, der dir bestimmt schon begegnet ist. Die Brennstoffzellen-Technologie nimmt eine bedeutende Rolle bei der Erprobung von erneuerbaren Energien und der Entwicklung von CO₂-neutralen Antriebslösungen ein. Du erfährst hier alles zu den Grundlagen der Brennstoffzelle, lernst ihre Funktionsweise kennen und erhältst einen Einblick in die Anwendungsbereiche von Brennstoffzellen.

Was ist eine Brennstoffzelle?

Eine Brennstoffzelle ist ein elektrochemisches Gerät, das chemische Energie in elektrische Energie und Wärme umwandelt. Die Umwandlung erfolgt durch eine chemische Reaktion zwischen einem Brennstoff wie Wasserstoff und einem Oxidationsmittel wie Sauerstoff. Sowohl Wasserstoff als auch Sauerstoff sind die beiden häufigsten Grundstoffe, die für den kontrollierten Prozess der Energieumwandlung verwendet werden. Der englische Begriff für Brennstoffzelle lautet Fuel Cell.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren, die Wärmeenergie in mechanische Energie transformieren, erzeugt eine Brennstoffzelle elektrische Energie durch direkte Umwandung von chemischer Energie. Der Vorteil: Die Brennstoffzelle erreicht einen vergleichsweisen höheren Wirkungsgrad. Die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle ähnelt der einer Batterie. Allerdings speichert die Batterie nur eine begrenzte Menge an chemischer Energie, während Brennstoffzellen kontinuierlich mit Brennstoff versorgt werden.

Entstehung der Brennstoffzellen-Technologie

Die Brennstoffzelle ist kein neues Konzept. Bereits im 19. Jahrhundert wurde die erste Technologie der Brennstoffzellen-Technologie entwickelt. Es dauert jedoch bis zum 20. Jahrhundert, dass die Vorteile der Brennstoffzelle als Technologie für einen Entwicklungsschub sorgten. In den 1960er Jahren nutzte die NASA die Brennstoffzelle auf der Basis von Wasserstoff als zuverlässige Energiequelle für Raumfahrtmissionen. Als Beispiel lässt sich das Apollo-Mondprogramm nennen. Die Nutzung im Rahmen der Raumfahrt-Missionen verhalf der Technologie zu erhöhter Sichtbarkeit und Anerkennung.

Obwohl es vielversprechende Fortschritte gab, blieb die kommerzielle Anwendung der Brennstoffzellen-Technik für viele Jahre begrenzt. Der Grund waren hohe Kosten und technische Herausforderungen.

Das steigende Interesse an erneuerbaren Energien sowie die Entwicklung nachhaltiger Technologien ließ das Interesse an Brennstoffzellen im frühen 21. Jahrhundert wieder steigen. Heute ist die Energiequelle bereits verbreitet im Einsatz und die Forschungsarbeit entwickelt sich stetig weiter.

Energieverbrauch Toyota Mirai, Brennstoffzelle, Elektromotor 134 kW (182 PS), kombiniert: 0,79-0,89 kg/100 km, CO2-Emissionen kombiniert: 0 g/km, CO2-Klasse: A*

Welche Arten von Brennstoffzellen gibt es?

Brennstoffzellen unterscheiden sich in ihrem Aufbau und den Einsatzmöglichkeiten. Die gängigste Variante einer Fuel Cell ist die PEM-Brennstoffzelle. PEM steht für Proton Exchange Membrane Fuel Cell. Sie kommt häufig in Mobilitätsanwendungen zum Einsatz, etwa einem Wasserstoffauto.

Ein anderer Brennstoffzellen-Typ ist die Solid Oxide Fuel Cell (SOFC), auch als Festoxid-Brennstoffzelle bekannt. Diese Art zeichnet sich dadurch aus, dass sie bei hohen Temperaturen verwendet werden kann. Einsatzbereiche sind beispielsweise stationäre Anwendungen wie stromerzeugende Heizungen.

Die alkalische Brennstoffzelle (AFC) und die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) können als weitere Varianten einer Brennstoffzelle aufgezählt werden. Während die alkalische Brennstoffzelle für ihre Anwendung in der Raumfahrt bekannt ist, zeichnet sich die DMFC durch die Nutzung von Methanol als Brennstoff aus. Dadurch erreicht diese Brennstoffzellen-Art eine hohe Energiedichte. Grundlage ist jedoch eine komplexere chemische Reaktion im Vergleich zu einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle.

Funktionsweise und Aufbau von Fuel Cells

Hinter der Funktion einer Brennstoffzelle steht ein komplexer chemischer Prozess. Um aufzuzeigen, wie eine Brennstoffzelle arbeitet, ist zunächst ein Blick auf den Aufbau der Fuel Cell sowie die Prozesse nützlich.

Brennstoffzellen-Aufbau

Brennstoffzellen bestehen aus zwei Elektroden - der Anode und der Kathode. Sie sind durch einen Elektrolyten getrennt. Um die Reaktion an den Elektroden zu beschleunigen, kommt häufig auch ein Katalysator zum Einsatz. Jede Elektrode in der Zelle übernimmt eine konkrete Aufgabe. Die Anode ist verantwortlich für die Oxidation des Brennstoffs. Die Kathode ist hingegen die Stelle, an der die Reduktion des Oxidationsmittels stattfindet.

Brennstoffzellen-Funktionsweise

Wie eine Wasserstoff-Brennstoffzelle funktioniert, lässt sich an einem Beispiel erläutern. Die folgenden Vorgänge beschreiben dabei die häufigste Art der Energieumwandlung in einer Brennstoffzelle.

• Schritt 1: An die Anode wird reiner Wasserstoff geleitet. Dort wird der Wasserstoff durch den Katalysator in einer Oxidationsreaktion in Protonen und Elektronen aufgespalten.
• Schritt 2: Der Elektrolyt spielt eine wichtige Rolle. Er erlaubt lediglich den Durchfluss von Ionen, in diesem Fall sind es Protonen, und verhindert die Weiterleitung von Elektronen. Nur die positiv geladenen Protonen wandern durch den Elektrolyten zur Kathode.
• Schritt 3: An der Kathode wird Sauerstoff (O₂) zugeführt. Außerdem erfolgt eine Reduktionsreaktion. Die Elektronen, die nicht durch den Elektrolyten hindurchfließen konnten, nehmen einen anderen Weg über einen externen Stromkreislauf und landen schließlich auch an der Kathode. Dort reagieren die Elektronen zusammen mit den Protonen und dem Sauerstoff zu Wasser.
• Schritt 4: Im letzten Vorgang erzeugt die Brennstoffzelle den Strom, der deswegen entsteht, weil die Elektronen über einen externen Kreislauf fließen, um zur Kathode zu gelangen. Die dabei entstehende elektrische Energie kann für den Betrieb von elektrischen Geräten genutzt werden.

Bedeutung von Elektrolyten und Katalysator

Der Elektrolyt ist der entscheidende Faktor für die Art der Brennstoffzelle. Beispielsweise verwendet die PEM-Brennstoffzelle (Proton Exchange Membrane) eine Polymermembran als Elektrolyt, während die SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) einen festen Keramikelektrolyten nutzt. Der Katalysator reduziert die Aktivierungsenergie, die für die chemischen Reaktionen an den Elektroden erforderlich ist. In vielen Brennstoffzellen werden Platin oder Platinlegierungen als Katalysatoren verwendet.

Wärme- und Wassererzeugung

Bei der Gewinnung von Energie in einer Brennstoffzelle entsteht neben elektrischer Energie auch Wärme. Im Fall von wasserstoffbasierten Brennstoffzellen bildet sich zusätzlich auch Wasser als Nebenprodukt. Das erweitert das Nutzungsspektrum einer Brennstoffzelle. Wärme lässt sich in Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen einsetzen, während das erzeugte Wasser den Kreislauf innerhalb der Fuel Cell verlassen muss, um anderweitig etwa als Kühlmittel benutzt zu werden.

Brennstoffe als Basis für effizienten Wirkungsgrad

Neben der Vielfalt an Brennstoffzellen-Arten können auch unterschiedliche Brennstoffe eingesetzt werden, um Energie über eine Fuel Cell zu gewinnen. Der am häufigsten verwendete Brennstoff ist Wasserstoff, vorwiegend grüner Wasserstoff aus erneuerbaren Energien. Methanol ergänzt die Brennstoff-Arten und kommt hauptsächlich in DMFC-Brennstoffzellen vor. Andere Typen von Brennstoffzellen setzen auf Erdgas als Brennstoff. Voraussetzung für einen funktionierenden Wirkungsgrad ist allerdings die kompatible Abstimmung des Brennstoffs auf den Elektrolyten. Nur dann ist der effiziente Betrieb einer Brennstoffzelle gewährleistet.

Anwendungsbereiche für Brennstoffzellen-Technologien

Brennstoffzellen sind vielseitige Kraftwerke im Taschenformat, die unsere Welt revolutionieren könnten, indem sie eine saubere und effiziente Energiequelle bieten. In der Mobilitätsbranche treiben solche Zellen bereits eine Reihe von Fahrzeugen an, vom Auto über Schiffe bis zu Zügen. Besonders vorteilhaft erweist sich dabei, dass die Emissionen nur aus Wasserdampf bestehen und das Tanken der Fahrzeuge schnell erfolgt. Außerdem erzielen Fahrzeuge, die durch eine Brennstoffzelle angetrieben werden, bereits hohe Reichweiten und gehören dadurch zu den effizientesten alternativen Antrieben.

Ein weiterer Aspekt zeigt sich bei der Nutzung von Brennstoffzellen-Antrieben in der maritimen Mobilität. Schiffe und U-Boote können sich damit nahezu geräuschlos fortbewegen. Doch auch abseits davon gelten Brennstoffzellen inzwischen als unverzichtbare Grundlage für viele stationären Anwendungen. Bei der Kraft-Wärme-Kopplung entstehen unglaublich effizient sowohl Wärme als auch Strom zur weiteren Nutzung.

Zudem garantieren Brennstoffzellen als Notstromaggregate in kritischen Einrichtungen wie Krankenhäusern eine sichere Stromversorgung. Der kompakte Aufbau ermöglicht es sogar, die kleinen Energiequellen in tragbaren Geräten wie Laptops einzusetzen. Sie weisen dabei im Vergleich zu traditionellen Akkus eine höhere Energiedichte auf.

Schließlich sind Brennstoffzellen ein wertvolles Instrument zum Speichern von erneuerbaren Energien. Überschüssige Energie aus Wind- oder Solaranlagen kann zur Produktion von Wasserstoff genutzt werden, der später in Brennstoffzellen erneut transformiert wird, wenn der Energiebedarf steigt.

Vorteile und Nachteile von Brennstoffzellen

Eine Reihe von Vorteilen machen die Brennstoffzelle zu einer attraktiven Technologie für verschiedene Anwendungen. Fuel Cells besitzen einen hohen Wirkungsgrad bei der Umwandlung von chemischer in elektrische Energie, der den Wirkungsgrad von herkömmlichen Verbrennern weit übersteigt. Brennstoffzellen erzeugen Energie mit geringen oder keinen Schadstoffemissionen. Kommt dabei Wasserstoff als Brennstoff zur Anwendung, entsteht als einziges „Abfallprodukt“ reines Wasser. Darüber hinaus ermöglichen Brennstoffzellen dank ihrer Fähigkeit der kontinuierlichen Energieerzeugung eine zuverlässige und stabile Stromversorgung.

Trotz der genannten Vorteile existieren auch einige Herausforderungen und Nachteile, die mit der Technologie verbunden sind. Die Kosten für eine Brennstoffzelle sind nach wie vor ein bedeutendes Hindernis, vornehmlich aufgrund der Verwendung von teuren Katalysatoren wie Platin. Zudem stellen das Speichern und Verteilen von Wasserstoff, einem häufig verwendeten Brennstoff, eine logistische Herausforderung dar. Schlussendlich ist die Robustheit ein Aspekt, der einer weiteren Optimierung bedarf. Schmutz und Staub sowie starke Vibrationen, wie sie etwa bei Baustellenfahrzeugen auftreten, reduzieren derzeit noch die Lebensdauer von Brennstoffzellen.

Brennstoffzellen für eine emissionsfreie Zukunft?

Brennstoffzellen bieten großes Potenzial für eine CO₂-neutrale Zukunft. Allerdings müssen dafür praktikable Lösungen geschaffen werden. Sofern diese Herausforderungen überwunden werden können, kann die Technologie zur Innovation des Jahrhunderts werden. Aufgrund ihrer hohen Effizienz steht die Brennstoffzellen-Technologie konkurrenzlos an der Spitze der schadstoffarmen Energiegewinnung und ist damit Hoffnungsträger der kommenden Generationen.

* Die Werte für die elektrische Reichweite und den Stromverbrauch Ihres Fahrzeugs können von den gemessenen oder berechneten Werten abweichen, da das Fahrverhalten sowie andere Faktoren (wie Außentemperatur, Einsatz von Komfort-/Nebenverbrauchern, Straßenverhältnisse, Verkehr, Fahrzeugzustand, Reifendruck, Zuladung, Anzahl der Mitfahrer usw.) einen Einfluss auf die elektrische Reichweite und den Stromverbrauch haben.