Was ist eine Brennstoffzelle und wo kann sie eingesetzt werden?

In Brennstoffzellen kann chemische Energie mit einem hohen Wirkungsgrad in elektrische Energie umgewandelt werden. Das Funktionsprinzip basiert im Wesentlichen auf der Umwandlung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser. Dabei kommt es unter kontrollierten Bedingungen ohne externe Energiezufuhr zu einer Reaktion des eingesetzten Wasserstoffs mit Sauerstoff. Dieser Vorgang wird auch als “kalte Verbrennung” bezeichnet. Hierbei entsteht neben elektrischem Strom auch Wärme. Die verschiedenen Brennstoffzellentechnologien unterscheiden sich in ihrem Aufbau, den im Inneren ablaufenden chemischen Prozessen und ihren Einsatzgebieten.

Die zwei gängigsten Brennstoffzellentypen sind die Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) und die Solid Oxid Fuel Cell (SOFC).

Die PEMFC arbeiten bei niedrigen Betriebstemperaturen zwischen 70-90 °C und eignen sich besonders für den Einsatz in mobilen, dynamischen Anwendungen. Der elektrische Wirkungsgrad liegt in etwa in zwischen 35-50 %.

SOFC hingegen haben hohe Betriebstemperaturen, die typischerweise bei zwischen 650-1000 °C liegen. Diese Hochtemperaturbrennstoffzellen werden in Bereichen eingesetzt in denen ein konstanter, stationärer Betrieb mit höheren Wirkungsgraden (50-60 %) gefordert ist. Die hohen Temperaturen der SOFC machen unter anderem den Betrieb mit Kohlenwasserstoffen wie beispielsweise Erdgas möglich.

Abbildung: Funktionsweise einer PEM-Brennstoffzelle: Wasserstoff (H2) reagiert an der Anode durch einen Katalysator und gibt Elektronen ab, die durch einen Überbrückungsanschluss zur Kathode wandern – es entsteht Strom. Bei der Oxidation entstehen zugleich Protonen, die durch die Membran zur gegenüberliegenden Kathode wandern. Beim Eintreffen der Protonen und Elektronen des Wasserstoffs auf der Kathodenseite und dem dort befindlichen Sauerstoff (O2) entsteht Wasser (H2O).