Brennstoffzellen: Funktion und Nutzen

Brennstoffzellen ermöglichen die einfache Erzeugung von Strom und Wärme mithilfe diverser Brennstoffe, in der Hauptsache Wasserstoff. Sie werden bevorzugt zur netzunabhängigen Stromversorgung eingesetzt, kommen jedoch auch in der Fahrzeugtechnik und in weiteren Bereichen zum Einsatz. Hier erhalten Sie einen Überblick über den Aufbau, die Funktionsweise, verschiedene Arten sowie Einsatzmöglichkeiten von Brennstoffzellen. 

Was ist eine Brennstoffzelle und wo werden Brennstoffzellen genutzt?

Eine Brennstoffzelle ist eine sogenannte galvanische Zelle. Galvanische Zellen werden genutzt, um chemische in elektrische Energie umzuwandeln. Dieselbe Technologie wird beispielsweise bei der Herstellung von Batterien oder Akkus eingesetzt. Zur Erzeugung von Elektrizität und Wärme mithilfe von Brennstoffzellen macht man sich die „kalte Verbrennung“ zunutze: Ein Brennstoff und ein Oxidationsmittel treffen unter kontrollierten Bedingungen aufeinander, sodass aus der chemischen Reaktion Energie gewonnen werden kann. Die Reaktion lässt sich also als Umkehrung der Elektrolyse betrachten, bei der durch Zufuhr von elektrischer Energie chemische Reaktionen in Gang gesetzt werden (z.B. die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff). 

Da in der Brennstoffzelle hauptsächlich Wasserstoff als Brennstoff zum Einsatz kommt, bietet die Brennstoffzelle das Potenzial, eine Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu ermöglichen. Allerdings wird derzeit der benötigte Wasserstoff zum großen Teil aus Erdgas gewonnen. Bei der Gewinnung des Wasserstoffs – mithilfe eines sogenannten Reformers – entstehen zusätzlich CO2-Emissionen. Nachhaltig sind Brennstoffzellen also nur, wenn der Wasserstoff bzw. ein alternativer Brennstoff aus oder mittels Einsatz von erneuerbaren Energiequellen gewonnen werden kann.

Brennstoffzellen können unabhängig von Stromquellen eingesetzt werden und sind somit nützlich, um beispielsweise stromunabhängige Heizungen (Brennstoffzellenheizungen), aber auch andere Elektrogeräte (etwa beim Camping) oder Fahrzeuge zu betreiben. Sie werden in Transportmitteln wie Autos, Zügen, Flugzeugen oder Schiffen genutzt und kommen sogar in U-Booten und in der Raumfahrt zum Einsatz. 

Wie ist eine Brennstoffzelle aufgebaut?

Eine Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden: einer negativ geladenen Anode und einer positiv geladenen Kathode. Die Elektroden sind Elektronenleiter, die meist aus Metall oder Kohlenstoff (Graphit) bestehen. Die Anode ist außerdem in der Regel mit einem Katalysator beschichtet, häufig mit Platin oder Palladium. 

Zwischen den beiden Elektroden der Brennstoffzelle befindet sich ein Elektrolyt, ein Ionenleiter. Dieser kann flüssig, gasförmig oder fest sein. Sehr häufig kommen Säuren oder Laugen, Salzschmelzen Polymer-Membranen oder keramische Feststoffelektrolyte zum Einsatz. In einigen Fällen wird zusätzlich eine halbdurchlässige Membran verwendet. Sie dient dem Zweck, nur eine Ionensorte, nämlich die Protonen durchzulassen, größere Ionen aber aufzuhalten. 

Für die korrekte Funktion der Brennstoffzelle werden außerdem ein Brennstoff (meist Wasserstoff) und ein Oxidationsmittel (in aller Regel Sauerstoff) benötigt. Anstelle von Wasserstoff sind als alternative Brennstoffe Alkohole gut erforscht, ebenso bestimmte Aldehyde, verschiedene Kohlenwasserstoffe sowie Ameisensäure. Da Sauerstoff praktisch immer verfügbar ist, ist er das bevorzugte Oxidationsmittel für Brennstoffzellen. Für bestimmte Sonderanwendungen, etwa im militärischen Bereich, werden aber auch Wasserstoffperoxide, Salpetersäure oder Halogene eingesetzt, um die erreichbare Spannung zu steigern.

Funktionsweise der Brennstoffzelle

Die Brennstoffzelle ermöglicht es, Wasserstoff und Sauerstoff (oder alternative Stoffe) kontrolliert miteinander reagieren zu lassen. Dazu wird im ersten Schritt Wasserstoff zugeführt, der an der negativ geladenen Anode in Elektronen und Protonen aufgespalten wird. Die Elektronen wandern über einen Leiter durch einen äußeren Kreislauf auf die andere Seite der Brennstoffzelle, zur Kathode. Auf diese Weise entsteht Gleichstrom, der mittels eines Wechselrichters umgewandelt und zum Beispiel als Haushaltsstrom nutzbar gemacht werden kann.

Die verbleibenden Protonen können ungehindert den Elektrolyten bzw. die Membran durchdringen und erreichen so die Kathode der Brennstoffzelle. Dort reagieren die Protonen mit Sauerstoffatomen. In der folgenden chemischen Reaktion, die einer milden Knallgas-Reaktion ähnelt, bildet sich Wasser, und zwar unter Abgabe von Wärme. Diese Wärme kann direkt genutzt oder in einem Wärmespeicher gespeichert werden. So lassen sich die Umgebung oder auch Wasser erhitzen. 

Die Funktion einer typischen Brennstoffzelle ermöglicht eine Spannung von etwa 0,5 bis 1 Volt. Indem mehrere Brennstoffzellen in Reihe geschaltet werden – zu einem sogenannten „Stack“ –, lässt sich diese Spannung erhöhen. Auch andere Oxidationsmittel können zu einer höheren Spannung führen. 

Verschiedene Typen von Brennstoffzellen

Die verschiedene Brennstoffzellen sind in ihrer Funktionsweise und in ihrem Aufbau ähnlich. Sie unterscheiden sich vor allem in dem verwendeten Elektrolyten. Hier ein Überblick über einige häufig verwendeten Typen von Brennstoffzellen:

• Alkalische Brennstoffzelle (AFC – Alkaline Fuel Cell): Diese Brennstoffzelle ist mit einer Kalilauge als Elektrolyt ausgestattet. Sie benötigt für den Betrieb hochreinen Wasserstoff und wird vor allem im Militär und in der Raumfahrt eingesetzt. 
• Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEMFC – Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell): Diese Brennstoffzelle basiert auf einer festen Polymermembran als Elektrolyt und benötigt ebenfalls hochreinen Wasserstoff. Sie wird vor allem für die Energieversorgung und für Fahrzeuge genutzt. 
• Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (HT-PEMFC – High Temperature Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell): Diese Weiterentwicklung der PEMFC-Brennstoffzelle arbeitet unter hohen Temperaturen bis 200 Grad Celsius und kann auch mit weniger reinem Wasserstoff betrieben werden.
• Phosphorsäure-Brennstoffzellen (PAFC – Phosphoric Acid Fuel Cell): Als Elektrolyt dieser Brennstoffzelle wird Phosphorsäure verwendet. Sie kann mit Wasserstoff oder auch Erdgas als Brennstoff betrieben werden und wird in der Energieversorgung eingesetzt. 

Vor- und Nachteile von Brennstoffzellen

Fazit: Brennstoffzellen – und insbesondere die daraus gefertigten Brennstoffzellenheizungen – können nur dann einen Beitrag zur Energiewende leisten, wenn es gelingt, Wasserstoff bzw. andere Brennstoffe ausschließlich mithilfe nachhaltiger Energien zu gewinnen. Das ist derzeit in großem Umfang noch nicht der Fall. Eine Alternative, die jedoch ebenfalls noch nicht in großem Maßstab umgesetzt wird, ist die Verwendung von Biogas anstelle von Erdgas.