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Was sind Brennstoffzellen – und wie funktionieren sie?

Brennstoffzellen gelten als Effizienz-Technologie der Zukunft. Dabei ist die Idee dahinter schon rund 180 Jahre alt: Wasserstoff plus Sauerstoff erzeugen Strom und Wärme. Was nun besonders effizientes Heizen ermöglicht, kam vor vielen Jahren schon im Weltall zum Einsatz – und inzwischen auch in einigen Autos und einem Zug.

Was sind Brennstoffzellen? Definition

In einer Brennstoffzelle reagiert ein kontinuierlich zugeführter Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff aus Erdgas) mit einem Oxidationsmittel (wie Sauerstoff aus Luft). Dabei entstehen Wasser, Strom und Wärme. Diese elektrochemische Reaktion wird auch als „kalte Verbrennung“ bezeichnet und ist besonders effizient.

Aufbau der Brennstoffzelle

Der Aufbau einer Brennstoffzelle ist vergleichbar mit dem Aufbau einer Batterie. Beide bestehen aus zwei Elektroden: einer Anode (Pluspol) und einer Kathode (Minuspol). Ein Elektrolyt trennt die Elektroden voneinander und ist zuständig für den Ionen-Transport zwischen Anode und Kathode. Es muss also für Ionen durchlässig sein.

Elektrolyte sind feste, flüssige oder gelartige chemische Substanzen, die Strom leiten können. Bei der PEMFC-Brennstoffzelle besteht der Elektrolyt aus einer dünnen, festen Kunststoffhaut, der Polymer-Membran. PEMFC steht für „Proton Exchange Membrane Fuel Cell“, auf Deutsch: Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle. Der Elektrolyt von SOFC-Brennstoffzellen besteht hingegen aus der Hightech-Keramik Zirkondioxid, die auch bei hohen Temperaturen wärme- und korrosionsbeständig ist. Die Abkürzung SOFC steht für „Solid Oxide Fuel Cell“, zu Deutsch: Festoxid-Brennstoffzelle. Der wesentliche Unterschied beim Aufbau der zwei Brennstoffzellen-Arten liegt also beim verwendeten Elektrolyt.

Funktionsweise der Brennstoffzelle

Die Funktionsweise von Brennstoffzellen lässt sich ebenfalls mit der von Batterien vergleichen: Durch eine chemische Reaktion zwischen Anode und Kathode entsteht Energie. Chemische Reaktionspartner in der Brennstoffzelle sind Wasserstoff und Sauerstoff.

Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle, PEMFC (für Proton Exchange Membrane Fuel Cell) werden auch PEFC-Brennstoffzellen genannt.

Das Element Wasserstoff reagiert zusammen mit Sauerstoff wieder zu Wasser. Dieses einfache Prinzip machen sich Brennstoffzellen mit ihrer Funktionsweise zunutze: Ein sogenannter Reformer gewinnt Wasserstoff aus Erdgas. In der Brennstoffzelle reagiert dieser Wasserstoff zusammen mit Sauerstoff aus der Luft. Dabei entstehen Wasser, Strom und Wärme. Diese elektrochemische Reaktion wird auch als „kalte Verbrennung“ bezeichnet – im Unterschied zur Verbrennung, durch die Motoren oder Turbinen Energie erzeugen.

Vor- und Nachteile von Brennstoffzellen 

VorteileNachteile
erzeugen elektrische Energie und Wärmeenergietechnische Anforderungen sehr groß
hoher Wirkungsgradhohe Kosten
arbeiten praktisch schadstofffreineue Technologie / vergleichsweise wenig Erfahrungen mit Betrieb
verschleiß- und wartungsarmbegrenzte Stack-Lebensdauer
ausgereifte Gerätegeneration am Markt
Wartungsvertrag und Contracting möglich, um Kostenrisiko zu senken

Brennstoffzellen erzeugen in der „kalten Verbrennung“ nicht nur elektrische Energie, sondern auch Wärmeenergie. Ein großer Vorteil, doch nicht nur das macht sie so energieeffizient. Durch das direkte Umwandeln von Energie nutzen Brennstoffzellen den Energiegehalt des eingesetzten Brennstoffs fast vollständig.

Die elektrochemische Energieumwandlung hat noch weitere Vorteile gegenüber der Verbrennung: Brennstoffzellen arbeiten praktisch schadstofffrei, da sie nur Wasserdampf produzieren. Lediglich das Beheizen des Reformers verursacht Kohlendioxid-Emissionen, weil hier in der Regel konventionelles Erdgas benutzt wird. Noch klimafreundlicher ist es deshalb, wenn Brennstoffzellen reinen Wasserstoff statt Erdgas als Brennstoff nutzen und damit auf den Reformer verzichten können. Doch das ist Zukunftsmusik. Möglich ist hingegen schon das Verwenden von CO2-neutralem Bio-Erdgas statt Erdgas.

Außerdem machen Brennstoffzellen bewegliche Teile wie Kolben und Getriebe, die laute Betriebsgeräusche verursachen könnten, weitgehend überflüssig. Das macht sie verschleiß- und wartungsarm.

Ein großer Nachteil der Brennstoffzelle sind ihre vergleichsweise hohen technischen Anforderungen. Diese und die damit verbundenen hohen Kosten bremsten die Technologie über viele Jahrzehnte aus. Zudem decken Heizungen auf Basis von Brennstoffzellen nur den Grundbedarf an Wärme. Hausbesitzer benötigen also zusätzlich einen (in der Regel bereits in Brennstoffzellen-Heizungen integrierten) Gas-Brennwertkessel.

Geschichte der Brennstoffzelle

Die Idee, durch Oxidation von Wasserstoff mit Sauerstoff elektrische Energie zu erzeugen, ist schon fast 180 Jahre alt. Der britische Physiker und Jurist Sir William Grove hatte herausgefunden, dass sich der Prozess der Elektrolyse, bei der Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird, auch umkehren lässt. Bereits 1839 präsentierte er eine „galvanische Gasbatterie“, die durch die „kalte Verbrennung“ von Wasserstoff und Sauerstoff Strom erzeugte. Messbare Spannung und Stromfluss waren allerdings so gering, dass die Brennstoffzelle sich nicht gegen Erfindungen wie Elektrodynamo und Verbrennungsmotor durchsetzen konnte.

Brennstoffzelle für emissionsfreie Mobilität

In den 1950er-Jahren wurden Brennstoffzellen in U-Booten eingesetzt, in den 1960ern in der Raumfahrt. Hier spielte es keine Rolle, dass die Technik extrem teuer war. Als Hoffnungsträger für einen breiteren Einsatz wurden Brennstoffzellen erstmals in den 1990er-Jahren gehandelt: Sie sollten Großkraftwerke und Hochspannungsleitungen überflüssig machen, Autos abgasfrei fahren lassen und Hausbesitzer zu ihren eigenen Stromproduzenten machen. Die noch immer recht hohen technischen Anforderungen und Kosten verhinderten jedoch den massenhaften Einsatz von Brennstoffzellen.

Einige große Automobilkonzerne erforschen und testen seitdem allerdings Autos, die mit Brennstoffzellen fahren. Folgende Hersteller haben solche Wasserstoffautos bereits zur Serienreife gebracht:

  • Honda,
  • Hyundai,
  • Toyota,
  • Renault und
  • Mercedes-Benz.

Im Unterschied zu Elektroautos ziehen sie ihren Strom nicht aus einer Batterie, sondern erzeugen ihn direkt an Bord. Ihr großer Vorteil: Die meisten Elektroautos kommen wegen der begrenzten Batterien heute maximal 400 Kilometer weit. Bei Brennstoffzellen-Fahrzeugen hängt die Reichweite dagegen bloß davon ab, wie groß der Tank ist. Das Betanken geht ähnlich schnell wie bei heutigen Diesel- und Benzin-Fahrzeugen. Auch einzelne Nutzfahrzeuge wie Busse sowie einige Schiffe nutzen Brennstoffzellen.

Viersitziges Brennstoffzellenflugzeug HY4 des DLR(c) DLR (CC-BY 3.0)

Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) haben inzwischen sogar ein Flugzeug entwickelt, das von einer PEMFC-Brennstoffzelle mit reinem Wasserstoff angetrieben wird. Der erste Testflug der „HY4“ im September 2016 war erfolgreich. Ein viersitziges Modell soll ab 2019 verfügbar sein. Auch Züge fahren schon mit Wasserstoff: Seit September 2018 sind im deutschen Nahverkehr die weltweit ersten Brennstoffzellen-Züge im Probebetrieb unterwegs: zwischen Cuxhaven, Bremerhaven, Bremervörde und Buxtehude. Ab 2021 könnten Züge mit Brennstoffzellen dann regulär durch Niedersachsen und auch Brandenburg fahren.

Autoren: Kristina Simons und Marcus Franken

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