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Wie funktioniert die Brennstoffzelle?

Wie funktioniert die Brennstoffzelle?

Copyright Abbildung(en): shutterstock / Lizenzfreie Stockfoto- Nummer: 405523447

Unabhängigkeit von Gas und Kohle – saubere Energie – Leistbarkeit. Attribute, die jedem von uns das Leben leichter machen, den Klimawandel vielleicht umdrehen, den weltweiten Individualverkehr verträglich ausgestalten würden. Theoretisch ginge es – mit einer Brennstoffzelle anstatt fossilen Energien.

Noch mehr als das: Umgemünzt auf die Industrie könnte der jeweilige Vorreiter ein gewaltiges Wachstumspotenzial vorweisen, den dahinterstehenden Staat als Pionier bei jeder Klimakonferenz als Partner begehrenswert erscheinen lassen. Ein Stückchen weit Weltgeschichte schreiben. Bloß: Warum macht es keiner wirklich?

Wie die Brennstoffzelle funktioniert, der Stand der Technik von heute und die äußeren Faktoren liefern die Antwort. Zum Einstieg muss man verstehen, was als Brennstoffzelle bezeichnet wird und wie sie funktioniert. Verglichen mit dem Stand von heute, den Vor- und Nachteilen für den Anwender und dem wirtschaftlichen Aspekt versteht es sich von selbst.

Brennstoffzellen im Zeitraffer

Wir schreiben 1839. Schon mehr als drei Jahrzehnte sind vergangen, seit in Paris Herr Isaac de Rivaz, ein französischer Offizier, erstmals die staatliche Genehmigung erhielt, mit explosionsartigen Verbrennungen Fahrzeuge anzutreiben. Durch die Kraft einer Verbrennung wurde ein Kolben hoch geschleudert und Prozesse setzen sich in Gang. Einige Jahre später konnte er nach 25 per Hand verursachten Zündungen sein Fahrzeug, das optisch noch eher einer Kutsche ähnelte, einige hundert Meter weit fahren. So viel Zeit ist seitdem vergangen. Was ist passiert?

Nur drei Jahrzehnte später experimentierte Christian Friedrich Schönbein mit zwei Platindrähten in Schwefelsäure, die er mit Wasser- und Sauerstoff umgab. Dabei konnte er zwischen den Drähten die so erzeugte Spannung feststellen. Später fand der Begriff „galvanische Zelle“ Eingang in die öffentliche Diskussion, welche nach wie vor verwendet wird. Verdrängt wurde die Technologie eine Zeitlang lang von einer anderen Innovation aus damaliger Sicht, der Erfindung des elektrischen Generators. Schließlich etablierte sich die Technik in der Raumfahrt, wo sie nach vor kontinuierlich Anwendung findet. Das war vor allem ab den 1960er Jahren der Fall und führte zu einer staatlichen Förderung für Forschung zur Weiterentwicklung der Brennstoffzelle.

Energiewandler als Synonym

Eigentlich gälte alles als Brennstoffzelle, was Gase in elektrische Energie wandelt. Faktisch ernsthaft erprobt ist nur Wasserstoff und die öffentliche Diskussion beschränkt sich heute auch darauf. Brennstoffzellen sind Energiewandler, nicht Behälter desselbigen. Möglich ist freilich die Integration des Letzteren in die Brennstoffzelle als eine Art Tank. Das Wesen der Brennstoffzelle liegt aber im Unterschied zur Batterie in der Wandlung von Wasserstoff in Strom und nicht in einer Funktion als Speicher.

Auch Gebäude werden längst mit Strom und Wärme durch Brennstoffzellen ausgestattet. Wenngleich der Umstieg mehr oder weniger gefördert wird, ist es noch ein breiter Weg zur flächendeckenden Verwendung. Umstellung kostet. In Japan gab es Anfang 2019 bereits 305 000 derart versorgte Wohnbauten –  Stichwort „Micro-Kraft-Wärme-Kopplung“. Deutschland ist dabei wesentlich langsamer aber schaffte sich bei der Schaffung eines Wasserstoff-Tankstellen-Netzes in Europa einen gewissen Status. Immerhin befinden sich zwei Drittel aller europäischen Wasserstofftankstellen im Bundesgebiet. Bei industriell benützten Fahrzeugen wie Gabelstapler, Hubwägen aber auch elektrisch betriebenen Campinggeräten von Endverbrauchern haben sich weltweit Nischen aufgetan, die aktiv genutzt werden.

Wie funktioniert die Brennstoffzelle? – Hard Facts

Die Brennstoffzelle besteht aus Elektroden. Sie sind durch einen Ionenleiter voneinander getrennt. Als solcher können flüssige Stoffe, wie Laugen oder Säuren dienen oder man greift auf feste Materialien, wie Keramik oder Membrane, zurück. Die gewonnene Energie entsteht wie oben schon angeschnitten durch die Reaktion des Wasser- und Sauerstoffes aufeinander. Bei 25° Celsius wäre als Resultat von einer Spannung mit 1,23 V auszugehen, aber im Betrieb werden normalerweise nur 0,5 V – 1 V erreicht. Um das Resultat zu erhöhen, setzt man mehrere Zellen gleichzeitig ein. Das wird als „Stack“ bezeichnet und heißt aus dem Englischen übersetzt so viel wie „Stapel“.

Daraus ergibt sich für eine typische Brennstoffzelle folgender Aufbau, der zum besseren Verständnis stark vereinfacht dargestellt wird:

  • Eine Bipolarplatte als Elektrode – das können etwa Kunststoffe sein, die mit Carbon-Nano-Röhrchen angereichert wurden um als elektrische Leiter geeignet zu sein.
  • poröse Carbon-Papiere
  • die sogenannte Reaktionsschicht, welche mehrere Bestandteile miteinander in Kontakt bringt
  • gasdichte Ionenmembranen, welche ebenfalls entsprechend leitende Eigenschaften aufweisen müssen.

Wasserstoff entzündet sich, wenn Sauerstoff darauf einwirkt. Es gibt einen Knalleffekt – so entsteht die Energie in einer Brennstoffzelle. Das so entstandene Gemisch nennt sich Knallgas und lässt oberflächlich betrachtet gewisse Ängste aufkeimen: Besteht Explosionsgefahr? Nein. Wahr ist vielmehr, dass die Explosionsgefahr von Wasserstoff erprobterweise geringer ist als bei Benzinern oder Diesel. Eine Explosion verliefe nur anders aber im Endeffekt weniger gefährlich.

Vergleicht man eine Brennstoffzelle mit einer Batterie, ergeben sich Vor- und Nachteile: Die Batterie ist ein Speicher. Die Brennstoffzelle ein Wandler. Das bedeutet, dass die Batterie immer effizienter sein wird. Dafür kann Erstere aber andere Dinge, etwa im selben Atemzug mit dem Antrieb anhand seiner Abwärme das Auto auch gleich beheizen. Damit relativiert sich die Rechnung hinsichtlich Effizienz.

Arten der Brennstoffzelle

Es gibt bereits viele unterschiedliche Formen der Brennstoffzelle, welche jeweils andere Eigenschaften bereitstellen und somit differenziert einsatzfähig sind. Während sie in der Luft- und Schifffahrt so wie beim Schienenverkehr längst etabliert sind und Letztere einen Ausbau erwarten lässt, konnte die Elektroindustrie für mobile Geräte noch keine hohe Nachfrage bewirken: Eingeführte Waren mit dieser Technik sind schnell wieder vom Markt verschwunden.

Beim Individualverkehr bleibt es abzuwarten. Mittlerweile reduzierten namhafte KFZ-Erzeuger ihre Kosten in der Produktion von Wasserstoffautos. Das bedeutet grundsätzlich etwas Positives – immerhin sind wir gesichert so weit, dass jeder renommierte Hersteller bereits sein eigenes Modell auf den Markt brachte. Diese Entwicklung ist erst einige Jahre jung und es ist natürlich auch für sie eine schwierige Entscheidung, auf welche Technik man bei den emissionsfreien Fahrzeugen setzen sollte.

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