Was sind Brennstoffzellen – und wie funktionieren sie?
Brennstoffzellen gelten als Effizienz-Technologie der Zukunft. Dabei ist die Idee dahinter schon mehr als 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.
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 oder auch Methanol. 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.