Der technologische Fortschritt hat zur Entwicklung neuer Formen der Energiespeicherung geführt. Energiespeicher wie beispielsweise wiederaufladbare Batterien dominieren zwar weiterhin den Markt, aber Brennstoffzellen sind auf dem Vormarsch. Die erste kommerziell genutzte Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle wurde bereits vor fast einem Jahrhundert vorgestellt. Durch die jüngsten Fortschritte in Sachen Energieeffizienz¹ und der Leistungsdichte von Brennstoffzellen sowie durch Maßnahmen zur Bekämpfung des Klimawandels und den Trend hin zu umweltfreundlicher Energieerzeugung sind sie immer attraktiver – insbesondere Brennstoffzellen, die grünen Wasserstoff verwenden. Dieser Beitrag befasst sich mit den chemischen Grundlagen von Brennstoffzellen und den verschiedenen Brennstoffzellenvarianten, die für unterschiedlichste Anwendungsbereiche entwickelt worden sind.

Einführung

Brennstoffzellen werden zur Energieerzeugung verwendet. Sie ähneln Batterien, weisen jedoch einige grundlegende Unterschiede auf. Einer der Hauptunterschiede zwischen Brennstoffzellen und Batterien besteht darin, dass Brennstoffzellen eine kontinuierliche Brennstoffquelle benötigen, um zu funktionieren. Im Gegensatz dazu wird in Batterien Energie durch das Hin- und Herwandern der bereits vorhandenen Ionen zwischen den Elektroden erzeugt. Wenn eine konstante Brennstoffzufuhr vorhanden ist – am häufigsten werden Wasserstoff und Sauerstoff verwendet – kann die Brennstoffzelle kontinuierlich Energie erzeugen. Diese Fähigkeit der Brennstoffzelle, fortlaufend Energie zu liefern, kann bei bestimmten Anwendungen von Vorteil sein, beispielsweise als Notstromversorgung² für Rechenzentren, um von den mit fossilen Brennstoffen betriebenen Standby-Dieselgeneratoren unabhängig zu werden, oder als alternative Stromquelle (Microgrids) für ländliche Gebiete, die dadurch nicht nur über Strom verfügen, sondern auch erhebliche Infrastrukturkosten einsparen können.

Funktionsweise von Brennstoffzellen

Ähnlich wie Standardbatterien verfügen Brennstoffzellen über eine Anode, eine Kathode und einen Elektrolyten (zwischen den Elektroden) und arbeiten mit verschiedenen elektrochemischen Reaktionen, um Energie zu erzeugen. Bei Brennstoffzellen wird der Strom durch die Reaktionen erzeugt, die an beiden Elektroden stattfinden. Es gibt zwar viele verschiedene Arten von Brennstoffzellen, der gängigste Funktionsmechanismus ist jedoch die Bewegung von Protonen – d. h. positiv geladenen Wasserstoffionen – zwischen den Elektroden. Beide Elektroden verfügen über einen Katalysator, der die elektrochemische Reaktion begünstigt und das Ausgangsmaterial „Brennstoff“ in die entsprechenden ionisierten Bestandteile aufspaltet. Der Katalysator unterscheidet sich von Brennstoffzelle zu Brennstoffzelle, aber er muss aus einem Material bestehen, das die Reaktionen mit Sauerstoff und Wasserstoff begünstigt. Daher werden häufig Platin und Nickel verwendet.

Wasserstoff ist zwar der Basisbrennstoff für eine Zelle, aber sie benötigen auch Sauerstoff. Dies sind die beiden grundlegenden Ausgangsstoffe, die kontinuierlich zugeführt werden müssen, damit die meisten Brennstoffzellen funktionieren. Der Elektrolyt trennt die beiden Elektroden voneinander, sodass es zwei verschiedene Elektroden-Elektrolyt-Grenzflächen gibt, an denen die elektrochemischen Reaktionen ablaufen.

Wenn der Wasserstoff über die Anode zugeführt wird, werden durch die elektrochemischen Reaktionen an der Anode Elektronen freigesetzt. Dabei entstehen positiv geladene Wasserstoffionen, d. h. Protonen. Die freigesetzten Elektronen gelangen dann in den externen Kreislauf und erzeugen einen Strom, während die Wasserstoffionen durch den Elektrolyten und zur Kathode wandern. Der Elektrolyt fungiert als Protonenaustauschmembran, die nur positiv geladene Ionen durchlässt und alle abgegebenen Elektronen ausschließt, sodass diese nur in den externen Kreislauf gelangen und nicht versuchen, zur anderen Elektrode zu diffundieren, was die entsprechenden chemischen Reaktionen verhindern würde. Wenn der Katalysator den molekularen Sauerstoff in negativ geladene Sauerstoffionen aufspaltet, verbindet sich das in den externen Kreislauf abgegebene Elektron mit den positiv geladenen Wasserstoffionen und den Sauerstoffionen an der kathodischen Grenzfläche. Dabei entsteht als Endprodukt Wasser, das über ein Abgas aus der Brennstoffzelle abgeführt wird.

Verschiedene Arten von Brennstoffzellen

Dieser Grundmechanismus der Brennstoffzelle wird als „Wasserstoff-Brennstoffzelle“ bezeichnet. Sie ist die am weitesten verbreitete Art der Brennstoffzelle. Es handelt sich dabei zwar um den Standardmechanismus der Brennstoffzelle, aber es gibt auch noch andere Varianten. Die meisten Brennstoffzellen funktionieren nach ähnlichen Prinzipien und alle benötigen Wasserstoff und Sauerstoff als Brennstoff, einige jedoch zusätzlich andere Stoffe. Das Hauptunterscheidungsmerkmal aller Brennstoffzellen ist die Art des Elektrolyten, der für den Transport der Wasserstoffionen zur Kathode verwendet wird.

Die wichtigsten Arten von Brennstoffzellen sind:

• Alkalische Brennstoffzellen
• Schmelzkarbonatbrennstoffzellen (Molten carbonate fuel cells, MCFC)
• Phosphorsäurebrennstoffzellen (Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC)
• Festoxidbrennstoffzellen (Solid oxide fuel cells, SOFC)
• PEM-Brennstoffzellen (Polymer-Elektrolyt-Membran, PEM)

Die verschiedenen Varianten haben alle ihren eigenen Anwendungsbereich, und einige sind nur in bestimmten Situationen geeignet.

Das „Alkali“ in alkalischen Brennstoffzellen kommt von dem verwendeten Elektrolyten, der aus Kaliumhydroxid (einer alkalischen Substanz) besteht. Das ist das einzige Unterscheidungsmerkmal zu anderen Arten von Brennstoffzellen – abgesehen davon, dass diese Brennstoffzellen bei niedrigen Temperaturen arbeiten. MCFCs hingegen arbeiten bei höheren Temperaturen und verwenden neben Sauer- und Wasserstoff auch Kohlendioxid, da die Karbonat-Ionen im Elektrolyten verbraucht werden und durch die Zufuhr von Kohlendioxid wieder aufgefüllt werden müssen. MCFCs verwenden Salzkarbonate als Elektrolyt. Da sie bei höheren Temperaturen arbeiten, sind sie nicht für alle Anwendungen geeignet, insbesondere nicht für den privaten Hausgebrauch, da die hohen Temperaturen zu Leckagen führen können.

PAFCs sind ebenfalls Niedertemperatur-Brennstoffzellen und verwenden Phosphorsäure als Elektrolyt. PAFCs sind eine interessante Variante, da das Innenleben die Bildung von Kohlenmonoxid toleriert. Das bedeutet, dass Benzin als Brennstoff verwendet werden kann, wenngleich dies keine grüne Option ist. Im Gegensatz zu den anderen Brennstoffzellenarten verwenden SOFCs und PEM-Brennstoffzellen einen nicht-flüssigen Elektrolyten, wobei SOFCs eine Metalloxid-Keramikverbindung (z. B. Zirkoniumdioxid) und PEM-Brennstoffzellen eine dünne und durchlässige Polymerschicht verwenden. SOFCs arbeiten bei sehr hohen Temperaturen und sind wiederum nur begrenzt einsetzbar, da der Elektrolyt zwar nicht auslaufen, aber reißen bzw. brechen kann. PEM-Brennstoffzellen hingegen arbeiten bei sehr niedrigen Temperaturen, haben aber einen geringeren Wirkungsgrad und der Brennstoff muss vor der Verwendung gereinigt werden.

Neben der Energieerzeugung durch die elektrochemischen Reaktionen kann auch die entstehende Wärme genutzt werden, um zusätzlichen Strom zu erzeugen. Daher sind einige der Brennstoffzellen mit höherer Betriebstemperatur zwar weniger stabil, aber es kann mehr Energie erzeugt werden, wenn sowohl der Brennstoff als auch das Nebenprodukt Wärme gleichzeitig genutzt werden.

Fazit

Es gibt zwar viele verschiedene Arten von Brennstoffzellen, doch alle arbeiten nach einem ähnlichen Mechanismus. Sie alle benötigen Wasserstoff und Sauerstoff, um zu funktionieren. Durch elektrochemische Reaktionen an den Elektroden werden diese Gase abgebaut. Dabei entsteht Wasser und es wird gleichzeitig ein Strom erzeugt. Die elektrochemische Gesamtreaktion für Brennstoffzellen lautet also: Wasserstoff + Sauerstoff = Elektrizität + Wasserdampf.

Brennstoffzellen sind eine alternative Technologie zu Batterien und gelten als wesentlich umweltfreundlicher, da sie nur Wasser produzieren, das die Umwelt nicht belastet. Ihre Implementierung ist häufig komplizierter als bei vielen handelsüblichen Batterien. Aber sie sind nicht nur umweltfreundlich, sondern haben auch den großen Vorteil, dass sie immer Strom erzeugen, solange sie mit Wasserstoff und Sauerstoff versorgt werden.

Quellen

• 1. Office of Energy Efficiency & Renewable Energy. Zugriff am 5. Dezember 2022. https://www.energy.gov/eere/fuelcells/fuel-cells.
• 2. Microsoft. „Hydrogen Fuel Cells Could Provide Emission Free Backup Power at Datacenters, Microsoft Says,“ 28. Juli 2022. https://news.microsoft.com/innovation-stories/hydrogen-fuel-cells-could-provide-emission-free-backup-power-at-datacenters-microsoft-says/.