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Brennstoffzelle

Brennstoffzellen werden mitunter als Energieerzeuger der Zukunft gehandelt: Klimaneutral Strom erzeugen, heizen und in Fahrzeugen mobil sein soll mit Brennstoffzellen Wirklichkeit werden. Doch wie funktionieren Brennstoffzellen genau, wo können sie zum Einsatz kommen und wie ist der Stand der Technik heute?

Was ist eine Brennstoffzelle?

Bei einer Brennstoffzelle handelt es sich um eine galvanische Zelle, die chemische Energie in elektrische Energie umwandelt. Dazu treffen im Inneren der Zelle ein Brennstoff und ein Oxidationsmittel aufeinander und lösen eine Reaktion aus. Typische Brennstoffe sind zum Beispiel Wasserstoff, Biogas, Methan oder Methanol. Als Oxidationsmittel eignen sich meist Sauerstoff oder Luft. Im Zuge dieser Reaktion entstehen unter anderem Strom und Wärme.

Anders als bei der Verbrennung von Gas oder Benzin in Heizungen oder Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren kommt es in einer Brennstoffzelle nur zu einer chemischen Reaktion. Diese wird daher auch als kalte Verbrennung bezeichnet.

Die Technologie der Brennstoffzellen wird derzeit vielerorts weiter erforscht und erprobt. Brennstoffzellen können beispielsweise Autos betreiben oder als Heizung zum Einsatz kommen. 

Wie funktioniert eine Brennstoffzelle?

Eine Brennstoffzelle ist ähnlich aufgebaut wie eine Batterie: Sie besteht aus zwei Elektroden, einer positiv geladenen Anode und einer negativ geladenen Kathode. Zwischen Anode und Kathode befindet sich ein Elektrolyt, der die beiden voneinander trennt und für den Transport der Ione zuständig ist. 

Eine mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzelle funktioniert zum Beispiel folgendermaßen: Über einen Reformator wird Wasserstoff aus Erdgas, Methan oder Methanol gewonnen und auf der Seite der Anode in die Brennstoffzelle geleitet. Hier oxidiert der Wasserstoff und spaltet sich in Elektronen und Protonen auf. Die Protonen fließen durch den Elektrolyten zur Seite der Kathode. Dort entsteht dadurch ein Mangel an Elektronen. Diese fließen dann über einen äußeren Kreislauf zur Kathode und es fließt Strom. Aufgrund der Zuführung von Sauerstoff entsteht an der Kathode zudem Wasser. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle erzeugt somit Strom, Wasser und Wärmeenergie und operiert vollkommen klimaneutral

Funktion einer Brennstoffzelle © TÜV NORD

Arten von Brennstoffzellen

Unterschiedliche Brennstoffzellen funktionieren vom Prinzip her in gleicher Weise. Sie können sich jedoch im Hinblick auf die Elektrolyt-Membran im Inneren unterscheiden, die Kathode und Anode trennt:

PEMFC-Brennstoffzelle

PEMFC steht für „Proton Exchange Membrane Fuel Cell“ und bedeutet auf Deutsch so viel wie „Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle“. Der Elektrolyt in der Zelle ist eine Polymer-Membran, die einer dünnen Kunststoffhaut entspricht. Diese Art der Brennstoffzelle wird am häufigsten in Fahrzeugen verwendet.

SOFC-Brennstoffzelle

SOFC ist das Akronym für „Solid Oxide Fuel Cell“ und bezeichnet eine Festoxid-Brennstoffzelle. Der Elektrolyt besteht hier aus der Hochleistungskeramik Zirkondioxid. Diese Membran ist besonders widerstandsfähig gegenüber Korrosion und Wärme – SOFC-Brennstoffzellen können bei einer Betriebstemperatur zwischen 500 und 1.000 °C arbeiten. Daher eignen sie sich vor allem in industriellen Zusammenhängen zur Erzeugung von Strom und Wärme, zum Beispiel auf Schiffen, in Unternehmen, größeren Siedlungen oder Industriegebieten.

PAFC-Brennstoffzelle

PAFC bezeichnet eine „Phosphoric Acid Fuel Cell“, sprich eine Phosphorsäurebrennstoffzelle. Das Besondere an dieser Zelle ist daher, dass die Elektrolyt-Membran aus Phosphorsäure besteht. PAFC-Brennstoffzellen operieren bei mittleren Temperaturen zwischen 135 und 200 °C und werden hauptsächlich im Bereich der Kraft-Wärme-Kopplung eingesetzt. 

Vor- und Nachteile von Brennstoffzellen

Einer der größten Vorteile von Brennstoffzellen gegenüber anderen Brennstoffen und Antriebsarten ist ihr hoher Wirkungsgrad. Dieser liegt im Idealfall bei über 60 %. Wird auch das Nebenprodukt Wärme zum Heizen, zur Warmwasserbereitung oder Ähnlichem weiterverwendet, beträgt der Wirkungsgrad sogar bis zu 85 %. Zum Vergleich: Ein Benzinmotor hat einen ungefähren Wirkungsgrad von 20 %, während Kohlekraft bei ca. 40 bis 45 % und eine Windenergieanlage bei rund 50 % liegt. Brennstoffzellen sind daher äußerst effiziente Energieerzeuger.

Autos mit Wasserstoffantrieb bieten im Vergleich zu Verbrennern und mit Strom betriebenen E-Autos einige Vorteile: Sie können innerhalb kürzester Zeit mit Wasserstoff betankt werden und verfügen über eine vergleichsweise hohe Reichweite (im Schnitt bis zu 600 km). Dadurch sind Brennstoffzellen als klimafreundlicher Antrieb vor allem für Lkw und Schiffe interessant, für die ein reiner Elektroantrieb keine ausreichende Reichweite bietet.

Darüber hinaus bestechen Brennstoffzellen mit ihrer Emissionsfreiheit. Beim Betrieb von Wasserstoff-Brennstoffzellen entstehen neben Strom lediglich Wasser und Wärme – klimaschädliche Emissionen treten nicht auf. Hier muss jedoch genauer hingeschaut werden: Je nach Brennstoff – zum Beispiel Wasserstoff, Erdgas, Methan oder Biogas – können bei der Förderung beziehungsweise Gewinnung Emissionen entstehen.

So wird beispielsweise zwischen verschiedenen Farben des Wasserstoffs unterschieden: Nur grüner Wasserstoff wurde vollkommen klimaneutral gewonnen, bei grauem Wasserstoff entstehen im Zuge der Dampfreformierung fossiler Brennstoffe jedoch große Mengen CO2.

Zukunft von Brennstoffzellen

In der Zukunft kann die Brennstoffzelle eine Schlüsselrolle im Bereich Verkehr, Heizen und Stromversorgung einnehmen. Dazu muss die Technologie weiterentwickelt und gefördert werden. Derzeit sind die technischen Anforderungen sehr hoch und die Nutzung von Brennstoffzellen ist mit hohen Kosten verbunden. Zahlreiche Pilotprojekte zeigen bisher jedoch vielversprechende Ergebnisse, die die Brennstoffzelle als klimafreundliche Technologie in den Fokus rücken.

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