Was ist eine Brennstoffzelle?

Die konventionelle Umwandlung der chemischen Energie eines Brennstoffs in Elektrizität basiert derzeit auf der Anwendung der Wärmekraftmaschinen. Diese Maschinen arbeiten auf dem Prinzip der indirekten Energieumwandlung: es muss zunächst Wärme produziert werden (Dampferzeugung), die dann in mechanische (Turbine) und schließlich in elektrische Energie (Generator) umgesetzt wird.

In Konkurrenz zu der bisher üblichen thermomechanischen Energieumwandlung steht die Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle ist ein elektrochemischer Apparat zur direkten Umwandlung der chemischen Energie eines Brennstoffs in Elektrizität.

Ähnlich wie Batterien produzieren Brennstoffzellen Gleichstrom bei niedriger Spannung. Eine Batterie beziehungsweise ein Akkumulator verbraucht zur Elektrizitätserzeugung einen chemischen Stoff, der in dem Zellenblock selbst enthalten ist. Bei den Brennstoffzellen dagegen wird der Brennstoff dem Zellenblock kontinuierlich zugeführt, ähnlich wie Benzin- oder Dieselkraftstoff bei einem Verbrennungsmotor.

n der Grafik ist auch der Aufbau von Brennstoffzellen aus zwei gasdurchlässigen Elektroden und einer die Gase trennenden, ionenleitenden Elektrolytschicht schematisch dargestellt. Die Zuführung der Reaktionsgase ist jeweils in die Elektroden integriert. Auf der Anodenseite wird das Brenngas Wasserstoff katalytisch zu 2H⁺ ionisiert.

Die dabei entstandenen Elektronen gelangen über den äußeren Verbraucherstromkreis zur Kathode, wo das Oxidationsmittel Sauerstoff zu katalytisch reduziert wird.

Je nach Elektrolyttyp wandern die Wasserstoff-Protonen von der Anode zur Kathode (PEFC, PAFC) oder die Sauerstoff-Ionen in entgegengesetzter Richtung (AFC, MCFC, SOFC), treffen dort auf den Reaktionspartner und reagieren zu Wasser:

Als Bruttoreaktion ergibt sich dann folgende Gleichung:

 
Der Wirkungsgrad wird nicht wie bei Wärmekraftprozessen durch den Carnot-Wirkungsgrad begrenzt, sondern er wird weitgehend durch konstruktive Merkmale bestimmt.

Aufbau der Brennstoffzelle

Im wesentlichen besteht die Brennstoffzelle aus zwei Elektroden, der Anode und der Kathode, und einem Elektrolyten, der die beiden Elektroden und auch die zuzuführenden Gase trennt. Der elektrochemische Prozess verläuft prinzipiell in umgekehrter Reihenfolge wie die Elektrolyse. Der Brennstoff Wasserstoff wird kontinuierlich der Anode zugeführt, wo er in Anwesenheit eines Katalysators in Elektronen und Ionen zerlegt wird. Bei niedrigen Temperaturen können dies in sauren Elektrolyten Protonen sein; in alkalischen Elektrolyten sind es vorwiegend Hydroxylionen. Die Ionen werden durch den Elektrolyten zur Kathode transportiert. Bedingt durch die Potenzialdifferenz zwischen Brenngas- und Sauerstoffelektrode fließen die Elektronen über den externen Stromkreis (Elektrischer Verbraucher) zur Kathode und verrichten elektrische Arbeit. An der Kathode verbinden sich die Ionen und Elektronen mit dem der Kathode zugeführten Sauerstoff zu Wasser, das als Wasserdampf abgeführt wird.

    Schematischer Aufbau der PEFC-Brennstoffzelle

In einem höheren Temperaturbereich, bei den sogenannten Hochtemperaturzellen, die zwischen 600 °C und 1000 °C betrieben werden, wird die ionische Leitung entweder durch die negativ geladenen Karbonationen (CO3^2-) oder Oxidionen O^2- vermittelt

In der Einzelzelle wird im Betrieb eine Spannung von nur etwa 0,7 Volt gemessen, so dass für eine höhere nutzbare Spannung mehrere Brennstoffzellen zu einem Stapel (Stack) in Reihe geschaltet werden. Der von der Brennstoffzelle erzeugte Gleichstrom wird durch einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt. Die Abwärme der Brennstoffzelle wird über einen Kühlkreislauf ausgekoppelt und kann zu Heizzwecken abgegeben werden.

Einen Überblick über die heutzutage eingesetzten Brennstoffzellentypen gibt die obenstehende Abbildung, in der neben den typischen Temperaturbereichen auch die jeweils zum Einsatz kommenden Brenngase dargestellt sind.