Funktionsweise und Anwendungsfelder von Brennstoffzellen

Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, in der es zu einer Reaktion zwischen einem Brennstoff und einem Oxidationsmittel kommt. Am häufigsten werden hierfür Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel genutzt. Bei der Reaktion entstehen drei Produkte: thermische Energie, elektrische Energie und Wasser. Das Prinzip der Brennstoffzelle wurde bereits in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts entdeckt, heute kommen Brennstoffzellen in verschiedenen Anwendungsfeldern zum Einsatz. Insbesondere mit Blick auf die Energiewende wird Brennstoffzellen große Relevanz zugesprochen – unter anderem in den Bereichen Industrie und Verkehr.

Das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle wurde bereits 1838 von Christian Friedrich Schönbein entwickelt. Die sogenannte „galvanische Gasbatterie“ wurde binnen kürzester Zeit als Option für die Energieversorgung der Zukunft gesehen. Mindestens ebenso schnell geriet die Brennstoffzelle aber auch wieder in Vergessenheit, denn weniger komplizierte Lösungen zur Energiegewinnung – wie zum Beispiel der elektrische Generator – erfreuten sich einer größeren Anhängerschaft.

Es dauerte bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts, ehe sich die Brennstoffzelle den Weg zurück aus der Versenkung erkämpfte. Damals waren es vor allem die Branchen Raumfahrt und Militär, welche die spezifischen Vorteile der Brennstoffzelle als Energiequelle erkannten: Die kompakte Bauweise bei maximaler Leistungsfähigkeit war geradezu perfekt für die Nutzung in Situationen, in denen es auf Platzeinsparungen und ein möglichst geringes Gewicht ankam. Das ist bis heute einer von vielen Vorzügen der Brennstoffzelle.

Die Brennstoffzelle arbeitet auf Basis einer elektrochemischen Reaktion. Anders als eine Batterie ist eine Brennstoffzelle deshalb kein Energiespeicher, sondern vielmehr ein Energiewandler – die Umwandlung der chemischen Energie des Brennstoffs erfolgt direkt in der Brennstoffzelle. Damit das gelingt, ist ein spezifischer Aufbau erforderlich.

Der konkrete Aufbau einer Brennstoffzelle unterscheidet sich je nach Typ und Einsatzzweck. Besonders gut erforscht und insbesondere in der Automobilindustrie verbreitet, ist die Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle, die auch als PEM oder PEMFC bezeichnet wird. Deshalb soll dieser Brennstoffzellen-Typ nachfolgend näher betrachtet werden.

Eine Brennstoffzelle besitzt zwei Elektroden – jeweils eine Anode und eine Kathode. Zwischen beiden befindet sich eine Polymer-Membran als Elektrolyt. Diese Membran hat zwei Aufgaben: Sie ist dafür zuständig, die beiden Elektroden voneinander zu trennen und den selektiven Ionentransport zwischen ihnen sicherzustellen.

Der Brennstoffzelle wird zunächst Wasserstoff als Brennstoff sowie Sauerstoff als Oxidationsmittel zugeführt. Wichtig dabei: Die Wasserstoffzufuhr befindet sich bei der Anode, während die Sauerstoffzufuhr an der Kathode stattfindet. Die Wasserstoffmoleküle werden an der Anode aufgespalten – in positiv geladene Protonen und negativ geladene Elektronen. Während die Protonen die Membran der Brennstoffzelle ungehindert passieren und zur Kathode strömen können, ist den negativ geladenen Elektronen dieser Weg versperrt.

Vereinfacht gesagt, müssen die negativ geladenen Elektronen einen Umweg nehmen, um auf die andere Seite, zur Kathode zu gelangen. Dabei fließen sie über einen elektrischen Leiter und können dort ihre elektrische Energie abgeben. Es wird Strom gewonnen. Auf der anderen Seite der Membran angekommen, reagieren die Elektronen genauso wie die Protonen mit dem Sauerstoff zu Wasser. Bei diesem Prozessabschnitt wird zudem Wärme als thermische Energie freigesetzt.

Wichtig: In der Brennstoffzelle findet keine Verbrennung, sondern eine Umwandlung von Wasserstoff und Sauerstoff statt. Das macht die Brennstoffzelle sehr wartungsarm und effizient. Gleichzeitig läuft die elektrochemische Reaktion im Inneren der Brennstoffzelle komplett emissionsfrei ab – das macht sie für die Energiewende so überaus interessant.

Inwiefern Brennstoffzellen sich für bestimmte Anwendungsfelder oder Einsatzgebiete eignen, hängt von verschiedenen Faktoren ab. Entscheidend sind vor allem Leistung und Kapazität. Doch auch die Lebensdauer ist ein wichtiger Faktor, damit Brennstoffzellen rentabel eingesetzt werden können.

Brennstoffzellen erreichen mit einem relativ einfachen Prinzip einen hohen Wirkungsgrad und sind – je nach Herkunft des verwendeten Brennstoffs – dazu in der Lage, grüne Energie zu erzeugen. Dies ist vor allem darin begründet, dass die Energieerzeugung mit ihrer Hilfe emissionsfrei ablaufen kann. Zukünftig lässt sich mit dem Ausbau der Technologie eine Senkung der bislang noch hohen Kosten für Brennstoffzellen erwarten. Aktuell verfügbare Brennstoffzellengenerationen werden in der Regel noch manufakturartig in Kleinserie hergestellt. Durch den hohen Personalaufwand ist die Produktion sehr teuer. Mit wachsendem Automatisierungsgrad und gestiegenen Produktionszahlen werden die Herstellungskosten dramatisch sinken, was gleichzeitig ein breiteres Einsatzgebiet erschließt. Grundvoraussetzung für diesen Schritt ist das Einfließen von automatisierungsgerechten Designvorgaben. Eine Brennstoffzelle besteht aus mehreren 100 Zellen, die wiederum aus je einer MEA (membran electrode assembly), einer BPP (Bipolarplatte) und einer Gasket (Dichtung) bestehen. "Bottleneck" der derzeitigen Produktion von Brennstoffzellen ist neben dem zeitaufwendigen Konditionieren auch der reine Stapelprozess der Zellen. Es bedarf neuer Ansätze für das Stapeln, um der zukünftig wachsenden Nachfrage gerecht zu werden.