Die Brennstoffzelle – Funktionsweise & Varianten

Lesedauer ca. 7 Minuten – Dieser erste von zwei Beiträgen über die Brennstoffzelle beschäftigt sich mit der Funktionsweise und den Varianten einer Brennstoffzelle. Sollten Sie Fragen oder Anmerkungen zu diesem Beitrag haben, können Sie sich gerne bei uns persönlich melden.

Die gesellschaftlichen und politischen Entwicklungen der letzten Jahre rücken die Brennstoffzelle, ebenso wie die Batterie, wieder vermehrt in den Fokus der Forschung und der Medien. Sowie das Wissen über die Funktionsweise von Batterien seit geraumer Zeit bekannt ist, blickt auch die Brennstoffzelle auf eine bewegte Geschichte zurück. Schon im Jahr 1838 entdeckte Christian Friedrich Schönbein den Effekt der sogenannten kalten Verbrennung von Knallgas. Doch aufgrund der technisch komplexen Funktionsweise der Brennstoffzelle konnten sich in der Vergangenheit, bis auf wenige Ausnahmen, Erfindungen wie die Dampfmaschine und der Ottomotor durchsetzen. Erst das Bewusstsein über die drohenden Gefahren einer weiteren Klimaerwärmung und die daraus resultierenden Regulierungen des Schadstoffausstoßes könnten der Brennstoffzelle in Zukunft den Durchbruch ermöglichen. Da das Interesse an dieser Technologie zunimmt, beschäftigt sich dieser Beitrag mit der Funktionsweise und den Möglichkeiten dieser Entwicklung.

Die Funktionsweise der Brennstoffzelle

Anders als die Batterie ist die Brennstoffzelle kein Energiespeicher sondern ausschließlich ein Energiewandler. Die Energie muss zum Betrieb stetig in chemisch gebundener Form zugeführt werden. Ähnlich der Batterie besteht der Aufbau aus zwei mit einem Katalysator beschichteten Elektroden, – Anode und der Kathode, – die durch einen Ionenleiter, dem Elektrolyten, getrennt sind. Die Energie liefert eine chemische Reaktion eines Brennstoffes mit einem Oxidationsmittel, welche beide kontinuierlich über die Elektroden eingespeist werden.

Eine der bekanntesten Brennstoffzellen ist die PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell), oft auch nur PEM genannt. In ihr wird molekularer Wasserstoff mit der Summenformel H2 an der Anode mithilfe eines Katalysators unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oder Kationen 2H+ oxidiert. Während die Protonen durch den Elektrolyten dem Oxidationsmittel zugeführt werden, fließen die Elektronen über einen elektrischen Verbraucher außerhalb der Brennstoffzelle zur Kathode. Dort wird das Oxidationsmittel, hier Luftsauerstoff, mit der Aufnahme von Elektronen zu Anionen reduziert, und reagiert mit den Wasserstoff-Ionen zu Wasser.

Unabhängig der einzelnen Reaktionsgleichungen, die vom pH-Wert des Elektrolyten abhängen, ergibt sich somit folgende Reaktionsgleichung:

2H2 + O2 -> 2H2O + elektrische und thermische Energie

Auch wenn sich die beim Betrieb von Brennstoffzellen einstellende elektrische Spannung bei den verschiedenen Varianten unterscheidet, so werden in der Praxis selten Werte über 1 VDC erreicht. Da diese Spannungen aber technisch nicht sinnvoll nutzbar sind, werden analog zur Batterie mehrere Zellen zu einem sogenannten Stack in Reihe verschaltet. Diese Stacks können je nach Anwendung, Spannungen weit über 1000 VDC liefern.

Varianten und Anwendungsbereiche einer Brennstoffzelle

Während der grundsätzliche Aufbau und die Funktionsweise bei allen Brennstoffzellen gleich bleiben, lassen sich durch Variation des Elektrolyten verschiedene Varianten unterscheiden. Typische Elektrolyte bestehen aus Flüssigkeiten, Kunststoffen oder Keramiken. Die daraus resultierenden Betriebsparameter wie verwendbarer Brennstoff, Betriebstemperatur und Wirkungsgrad prädestinieren sie für jeweils bestimmte Anwendungen.

– Alkalische-Brennstoffzelle (AFC)
In der alkalischen Brennstoffzelle, der ältesten Variante, dient Kalilauge als Elektrolyt. Da Kalilauge mit CO2 reagiert, können hier nur hochreine Brennstoffe verwendet werden. Eingesetzt wurden sie bisher in der Regel in der Raumfahrt.

– Membranbrennstoffzelle PEMFC oder PEM
Für den Betrieb der Membranbrennstoffzelle müssen die Elektroden mit einem Katalysator, z.B. Platin beschichtet sein, was sich negativ auf die Herstellungskosten auswirkt. Da sie mit Luftsauerstoff bei ca. 10-100°C betrieben werden kann und ihre Handhabung relativ einfach ist, findet sie häufig Anwendung in mobilen Applikationen.

– Direkt-Methanol-Brennstoffzelle DMFC
Die DMFC ist eine Weiterentwicklung der PEM und arbeitet ebenfalls mit einer Kunststoffmembran als Elektrolyt. Allerdings kann sie mit Methanol anstatt mit Wasserstoff bei 60°-130°C arbeiten, was mehrere Vorteile bei der Speicherung des Brennstoffes bietet. Daher könnte diese Brennstoffzelle zukünftig in tragbaren Elektronikgeräten abergenauso auch in Fahrzeugen zum Einsatz kommen.

– Phosphorsäure-Brennstoffzelle PAFC
Dieser für den Dauereinsatz entwickelte Brennstoffzellentyp wandelt wasserstoffreiches Gas, wie z.B. Erdgas und Luftsauerstoff mit Hilfe eines Elektrolyten aus Phosphorsäure, der in einem Kunststoffvlies gebunden ist. Die bei ca. 200°C entstehende Reaktion eignet sich besonders für Klein- und Blockheizkraftwerke.

– Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle MCFC
Die bei etwa 650°C arbeitende MCFC wandelt Erdgas und Luftsauerstoff in elektrische und thermische Energie. Dies ermöglicht einen effizienten Einsatz in Kraftwerken bei sinnvoller Nutzung der Abwärme.

– Festoxid-Brennstoffzelle SOFC
Diese ausschließlich aus Feststoffen aufgebaute Zelle benötigt eine Temperatur zwischen 500° und 1000°C und kann ohne teure Katalysatoren mit Wasserstoff, Erdgas, Diesel oder Benzin betrieben werden. Eingesetzt wird sie in der Regel in Großkraftwerken.