Technik erklärt Wie funktioniert eine Brennstoffzelle?

Von Thomas Günnel

Brennstoffzellen sind Energiewandler. Sie eignen sich für stationäre und mobile Anwendungen. Wie sind sie aufgebaut, wie funktioniert ihre Technik?

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Aufbau und Funktionisweise einer Wasserstoff-Brennstoffzelle.
Aufbau und Funktionisweise einer Wasserstoff-Brennstoffzelle.
(Bild: Daimler)

Brennstoffzellen wandeln die Energie einer chemischen Reaktion in elektrische Energie. Dabei reagieren ein Brennstoff und ein Oxidationsmittel miteinander. In der Automobilindustrie ist die Wasserstoff-Brennstoffzelle etabliert. Sie nutzt Wasserstoff als Brennstoff – er reagiert mit Sauerstoff in einer elektrochemischen Reaktion.

Der Kern der Brennstoffzelle ist die Membran. Sie trennt als sogenannter Elektrolyt Sauerstoff und Wasserstoff voneinander. Die Membran besteht aus einer dünnen Folie. Diese ist beschichtet mit einer dünnen Katalysatorschicht und gasdurchlässigen Elektroden: der Anode und der Kathode. Die Membran ist eingefasst von zwei Bipolarplatten mit eingefrästen Gaskanälen.

Wasserstoff-Brennstoffzelle: Die elektrochemische Reaktion

Durch die Gaskanäle strömen die Reaktionsgase zur Katalysatorschicht: Sauerstoff auf der Anodenseite und Wasserstoff auf der Kathodenseite. Dabei wird der Wasserstoff vom Katalysator gespalten in Protonen und Elektronen. Die Protonen können die Membran durchdringen und zur Anode strömen, die Elektronen jedoch nicht – in der Folge baut sich zwischen den Elektroden eine Spannung auf.

Werden beide Elektroden verbunden fließt Gleichstrom. Die Wasserstoffprotonen gelangen durch die Membran zur Kathode. Dort reagieren sie mit dem zugeführten Sauerstoff zu Wasser. In der als „kalte Verbrennung“ bezeichneten elektrochemischen Reaktion entsteht außerdem nur noch Wärme.

Aufbau und Funktionisweise einer Wasserstoff-Brennstoffzelle.
Aufbau und Funktionisweise einer Wasserstoff-Brennstoffzelle.
(Bild: Daimler)

Die Membran mit den Elektroden bildet die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA, Membrane Electrode Assembly). Membran, Elektroden und die Bipolarplatten bildet die Brennstoffzelle. Mehrere dieser Brennstoffzellen ergeben den Brennstoffzellen-Stack.

In automobilen Anwendungen hat sich die „Protonen-Austausch-Membran“ (PEM, Proton Exchange Membrane oder Polymer Electrolyt Membrane) durchgesetzt. Ein Quadratzentimeter der Membran kann rund ein Watt Energie liefern. Der Wirkungsgrad von Wasserstoff-Brennstoffzellen liegt bei über 60 Prozent.

In einem Brennstoffzellen-Fahrzeug sind zwischen 300 und 400 Membran-Elektroden-Einheiten verbaut. Als Katalysatormaterial auf der Membran dient meist Platin. In aktuellen Brennstoffzellen sind etwa 0,3 g Platin pro Kilowatt elektrischer Leistung notwendig. Zum Vergleich: Im Abgasreinigungssystem eines heutigen Diesel-Pkws befinden sich circa 0,1 g Platin pro Kilowatt Motorleistung.

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Der Energieträger Wasserstoff

Der für die Reaktion notwendige Wasserstoff hat einen Energiegehalt von 33,3 Kilowattstunden pro Kilogramm. In den bislang verfügbaren Brennstoffzellenfahrzeugen lagert er in zylinderförmigen Drucktanks bei rund 700 Bar. Diese fassen meist etwa fünf Liter. Das reicht für etwa 500 Kilometer elektrische Reichweite.

Der Druck ist notwendig, um ausreichende Energiemengen speichern zu können. Das Betanken dauert nur wenige Minuten und funktioniert ähnlich wie bei Fahrzeugen mit fossilen Kraftstoffen. Das aktuelle Netz für Wasserstoff-Tankstellen in Deutschland ist auf H2 Live hinterlegt.

Die Funktionsweise von Brennstoffzelle und Elektrolyse in einer Animation

Weitere Typen von Brennstoffzellen

Jede Brennstoffzelle ist eine so genannte galvanische Zelle. Andere mögliche Brennstoffe sind zum Beispiel:

  • Erdgas,
  • Methan,
  • Butan.

Alternative Oxidationsmittel können zum Beispiel Chlor oder Salpetersäure sein. Die Zellen werden nach ihrer Arbeitstemperatur unterschieden. Es gibt Niedertemperatur-Brennstoffzellen und Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Deren Temperaturfenster reicht von zehn Grad Celsius bis hin zu 1.000 Grad Celsius bei Festoxid-Brennstoffzellen.

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