Die Brennstoffzelle

Das Prinzip

In der Brennstoffzelle brennt nichts, in ihrem Inneren läuft ein elektrochemischer Prozess ab: Wasserstoff und Sauerstoff reagieren durch einen Elektrolyt getrennt miteinander - dabei entsteht Strom, Wärme und Wasserdampf. Es ist die Umkehr der aus dem Physikunterricht bekannten Elektrolyse. Hier wird mit Gleichstrom Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten.

Der gasdichte Elektrolyt trennt die beiden Reaktionsgase voneinander. Wasserstoff oder Sauerstoff können - je nach Elektrolyt - nur als elektrisch geladene Ionen durch die Barriere auf die andere Seite zum Reaktionspartner wandern. Dazu gibt der Wasserstoff an der Anode ein Elektron ab beziehungsweise der Sauerstoff nimmt an der Kathode zwei Elektronen auf.

An der Anode entsteht so ein Elektronenüberschuss, während an der Kathode ein Elektronenmangel herrscht. Werden Anode und Kathode durch Stromverbraucher miteinander verbunden, fließt elektrischer Strom. Die unterschiedlichen Ionen treffen zusammen - als Reaktionsprodukt entsteht Wasserdampf. Die nutzbare Spannung bei dem Prozess beträgt rund 0,7 Volt. Durch Zusammenschalten mehrerer Einzelzellen zu so genannten »Stacks« erzielt man praxisgerechte Spannungen.

Das Prinzip ist lange bekannt: Der deutsche Chemiker Christian Friedrich Schönbein und der englische Jurist William R. Grove sind die Väter der Brennstoffzelle. Schon 1838 erzeugte Schönbein durch elektrochemische Reaktion Elektrizität. Grove experimentierte von 1842 bis 1844 an der »Gasbatterie« - die elektrische Leistung der Systeme war jedoch gering. Als Energiequelle in der Raumfahrt feierte das Prinzip der Brennstoffzelle Mitte des 20. Jahrhunderts erste Erfolge. Doch die Technik war komplex und die Kosten hoch. Erst die intensive Forschung in den vergangenen Jahren bringt den Durchbruch und praxistaugliche Systeme für unterschiedlichste Einsatzzwecke.

Brennstoffzellen Animation

Die PEM*-Brennstoffzelle wandelt Wasserstoff elektrochemisch in Strom und Wärme um.

*PEM = Proton Exchange Membrane (Protonenleitende Membran)

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Einstufige Energieumwandlung

In der Brennstoffzelle wird chemische Energie direkt in elektrische Energie umgewandelt. Verlustreiche Zwischenschritte über Wärme und mechanische Energie entfallen. Hohe Wirkungsgrade sind daher ein Grund, der für die Stromerzeugung mit Brennstoffzellen spricht. Außerdem sind sie leise, da beim inneren Prozess keine beweglichen mechanischen Bauteile benötigt werden. Ein weiterer Vorteil von Brennstoffzellen: Während bei klassischen Blockheizkraftwerken der Wirkungsgrad im Teillastbetrieb sinkt, behalten Brennstoffzellen-Systeme auch hier ihre guten Wirkungsgrade.

Brennstoffzellen-Heizgeräte - wie den H|cell in den Gartenheim-Wohnhäusern - sind außerdem ein Schritt zur dezentralen Stromversorgung. Die Idee dahinter: Strom möglichst dort erzeugen, wo er benötigt wird. Durch eine intelligente Regelung können die vielen kleinen Stromerzeuger vom Energieversorger wie ein großes Kraftwerk eingesetzt werden - das so genannte virtuelle Kraftwerk.

Brennstoffzellentypen

Fünf verschiedene Brennstoffzellentypen stehen heute zur Verfügung. Wesentliches Unterscheidungskriterium ist der eingesetzte Elektrolyt. Die charakteristischen Prozesstemperaturen gliedern die Typen in Niedertemperatur- und Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Jeder Typ hat »sein« Einsatzgebiet: Niedertemperatur-Brennstoffzellen liefern sofort nach dem Start Energie und eignen sich besonders für Kraftfahrzeugantriebe. Hochtemperatur-Brennstoffzellen lassen sich wegen der anfallenden Wärme gut für Nahwärmenetze oder als Prozessenergie-Lieferanten einsetzen.

Typ Arbeits-
temperatur
Brennstoff Einsatzgebiete Entwicklungs-
stand
AFC
Alcaline Fuel Cell
Alkalische Brennstoffzelle 60-80 °C Reinst-
wasserstoff
Raumfahrt, U-Boote kommerziell verfügbar
PEMFC
Proton-Exchange Membrane Fuel Cell
Polymembran-Brennstoffzelle 70-90 °C Wasserstoff, Erdgas, Methanol (mobiler Einsatz) Kfz-Antriebe, Kleinst-
anwendungen, Hausenergie
Labor, Demonstrations-
anlagen
PAFC
Phosphoric Acid Fuel Cell
Phosphorsaure Brennstoffzelle 170-200 °C Wasserstoff, Erdgas BHKW kommerziell verfügbar
MCFC
Molten Carbonate Fuel Cell
Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle 650 °C Wasserstoff, Erdgas, Biogas, Kohle BHKW, Kraftwerke Labor, Demonstrations-
anlagen
SOFC
Solid Oxide Fuel Cell
Oxidkeramische Brennstoffzelle 900-1.000 °C Wasserstoff, Erdgas, Biogas, Kohle Hausenergie, BHKW, Kraftwerke

Labor, Demonstrations-
anlagen



Je nach eingesetztem Brennstoffzellentyp und technischem Aufwand variieren die erzielbaren Wirkungsgrade. Der Wirkungsgrad von Brennstoffzellen-Systemen liegt über dem vergleichbarer herkömmlicher Stromerzeugungsanlagen - allerdings sind noch nicht alle Anwendungsfelder der neuen Technik realisiert.

Proton-Exchange-Membran-Brennstoffzelle

Die Proton-Exchange-Membran-Brennstoffzelle (PEMFC) gehören zu den Niedertemperaturzellen. Ihr Vorteil liegt darin, dass die Zellen zur Inbetriebnahme nicht vorgeheizt werden müssen.

Das Betriebsverhalten ist dynamisch und die thermische Beanspruchung der Werkstoffe sehr gering. Daher bieten sie sich hervorragend für die Anwendung in Mehrfamilienhäusern und kleinen Gewerbebetrieben an. Das nutzbare Wärmeniveau der Niedertemperaturzellen eignet sich besonders für die Raumheizung.

Auch für den Einsatz in Autos und Bussen sind PEMFC wegen der guten Starteigenschaften sinnvoll. Bei PEMFC werden hohe Anforderungen an den Brennstoff und damit an die Brennstoffaufbereitung gestellt.

Die Zukunft

Regenerativ erzeugter Wasserstoff ist die Energie der Zukunft. Er ist das Bindeglied zwischen witterungsabhängigen regenerativen Energiequellen und bedarfsgerechter Energielieferung. Als Speicher- und Transportmedium stellt Wasserstoff die optimale Lösung dar. Schlüsseltechnologie ist die Brennstoffzelle.

Bis regenerativ erzeugter Wasserstoff in ausreichenden Mengen zur Verfügung steht, bietet sich Erdgas als Übergangslösung besonders an. Zwar entsteht beim Einsatz Kohlendioxid (CO2) - die Abgaswerte sind jedoch deutlich besser als bei herkömmlichen Energieerzeugungsanlagen. Verbrennungstypische Schadstoffe wie Schwefeldioxid (SO2), Stickoxide (NOX) oder Kohlenmonoxide (CO) sind praktisch nicht vorhanden.