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Wie funktioniert eine Brennstoffzelle?
Eine Brennstoffzelle ist ein Gerät, das die chemische Energie von Wasserstoff durch eine elektrochemische Reaktion in Elektrizität umwandelt. Brennstoffzellen können als Stromquelle für ein breites Spektrum von Anwendungen genutzt werden, darunter Fahrzeuge, tragbare Stromgeneratoren und stationäre Stromversorgungssysteme.
Die grundlegenden Bestandteile einer Brennstoffzelle sind eine Anode, eine Kathode und eine Elektrolytmembran. Das Wasserstoffgas wird der Anode zugeführt, wo es in Protonen und Elektronen aufgespalten wird. Die Protonen durchqueren die Elektrolytmembran, während die Elektronen gezwungen sind, einen externen Stromkreis zu durchlaufen, wodurch ein elektrischer Strom erzeugt wird. An der Kathode werden die Protonen und Elektronen mit dem Sauerstoff aus der Luft zusammengeführt, wobei als Nebenprodukte Wasser und Wärme entstehen.
Wie werden Brennstoffzellen hergestellt?
Der Aufbau und die Materialien, die zur Herstellung bestimmter Brennstoffzellentypen verwendet werden, hängen stark von der Art des Brennstoffs und des Oxidationsmittels ab, die zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden. Prinzipiell besteht jede Brennstoffzelle aus Anode, Kathode und Elektrolyt. Diese sind in mehreren dünnen Schichten aufgebaut, wobei im Allgemeinen eine Membran verwendet wird. Die Idee ist, die Oberfläche zu maximieren, damit die chemische Reaktion stattfinden kann. Die Membranen bestehen aus einem Material, das je nach verwendetem Brennstoff – also je nach der tatsächlich stattfindenden chemischen Reaktion – an bestimmte Brennstoffzellentypen angepasst ist.
Platin in Brennstoffzellen
Platin spielt in der Brennstoffzellentechnik eine wichtige Rolle. Dieses inerte Metall wird häufig als Katalysator in Brennstoffzellen verwendet, insbesondere in PEM-Brennstoffzellen (Proton Exchange Membrane), um die elektrochemischen Reaktionen an Anode und Kathode zu erleichtern. Die Platinbeschichtung der Brennstoffzellenmembran ist ein wirksamer Katalysator, da sie eine große Oberfläche hat und den Elektronentransfer zwischen den Wasserstoffmolekülen und den Sauerstoffmolekülen erleichtern kann.
Platin ist jedoch auch eine relativ teure und knappe Ressource, weshalb sich die derzeitige Brennstoffzellenforschung auf die Verringerung der in den Brennstoffzellen verwendeten Platinmenge konzentriert, unter anderem:
- Verwendung alternativer Katalysatoren: Die Forscher untersuchen die Verwendung alternativer Katalysatoren wie Kobalt, Eisen und Nickel, die möglicherweise die gleichen Funktionen wie Platin erfüllen können, jedoch zu geringeren Kosten.
- Entwicklung neuer Katalysatormaterialien: Die Forscher arbeiten auch an der Entwicklung neuer Katalysatormaterialien, die effizienter sind und weniger Platin benötigen.
- Entwicklung neuer Katalysatorkonzepte: Die Forscher untersuchen neue Katalysatorkonzepte, die möglicherweise effizienter arbeiten und weniger Platin benötigen.
Insgesamt dürfte die Verwendung von Platin in Brennstoffzellen auch weiterhin ein Thema für Forschung und Entwicklung sein, da die Ingenieure bestrebt sind, den Wirkungsgrad und die Kosteneffizienz der Brennstoffzellentechnologie zu verbessern.
Brennstoffzellen-Technologien
Die Chemie von Brennstoffzellen ist das Herzstück der Brennstoffzellenentwicklung. Jede Konstruktion basiert im Wesentlichen auf einer bestimmten elektrochemischen Brennstoffzellenreaktion (mit Ausnahme der so genannten mikrobiellen Brennstoffzelle oder enzymatischen Biobrennstoffzelle).
Beispiel: Brennstoffzelle Bipolarplatte
Wie erzeugen Brennstoffzellen Strom?
Alle Arten von Brennstoffzellen erzeugen Strom durch elektrochemische Prozesse, bei denen ein gasförmiger Stoff in Reststoffe umgewandelt wird und dabei Elektronen freigesetzt werden.
Durch eine chemische Reaktion mit dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff wird ein elektrischer Strom erzeugt. Im Allgemeinen werden Brennstoffzellen nach der Art des verwendeten Brennstoffs unterschieden. Die wasserstoffbetriebene Brennstoffzelle ist heute der am häufigsten verwendete Brennstoffzellentyp.
Typen von Brennstoffzellen
Es gibt mehrere verschiedene Brennstoffzellentechnologien, von denen einige eine Vielzahl von Brennstoffen verwenden. Einige Brennstoffzellentechnologien verwenden Erdgas oder Methanol. Doch heute ist Wasserstoff aufgrund seiner hohen Energiedichte und seiner sauberen Verbrennung der am häufigsten verwendete Brennstoff in Brennstoffzellen. Infolgedessen sind Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologien heute am weitesten verbreitet.
Einige Beispiele für Brennstoffzellentechnologien mit den jeweils verwendeten Brennstoffarten:
- PEM-Brennstoffzellen (“Proton Exchange Membrane”): Verwendung von Wasserstoff
- Festoxid-Brennstoffzellentechnologie: Kann Wasserstoff, Erdgas oder andere Brennstoffe verwenden
- Phosphorsäure-Brennstoffzellen: Verwendet Wasserstoff
- Alkalische Brennstoffzellen: Verwendet Wasserstoff oder andere Brennstoffe wie Methanol oder Ethanol
- Brennstoffzellen mit geschmolzenem Karbonat: Können Wasserstoff, Erdgas oder andere Brennstoffe verwenden
- Direkt-Methanol-Brennstoffzellen: Verwendet Methanol als Brennstoff
- Regenerative Brennstoffzellen: Können Wasserstoff, Erdgas oder andere Brennstoffe verwenden
Einsatzmöglichkeiten und Anwendungen von Brennstoffzellen
Der Einsatz von Brennstoffzellen reicht von verschiedenen Lösungen für die Wasserstoffmobilität bis hin zu einer Vielzahl von Anwendungen zur Stromerzeugung mit Brennstoffzellen.
Die Standardisierung der Komponenten und die modulare Bauweise machen die Brennstoffzellentechnologie universell einsetzbar für alle Arten von Stromerzeugungsszenarien, die in unseren modernen Industrieländern vorkommen.
Vor- und Nachteile: Brennstoffzellen, Batterien, Verbrennungsmotoren
Wirkungsgrad der Brennstoffzelle
Brennstoffzellen können unter bestimmten Umständen effizienter sein als Verbrennungsmotoren. Sie haben einen höheren Energieumwandlungswirkungsgrad als Verbrennungsmotoren, was bedeutet, dass sie einen größeren Teil der im Kraftstoff gespeicherten Energie in nützliche Arbeit umwandeln können.
Sind Brennstoffzellen effizienter als Verbrennungsmotoren oder Batterien?
Es ist zu beachten, dass der Gesamtwirkungsgrad eines Brennstoffzellensystems von einer Reihe von Faktoren abhängt, darunter der Typ der Brennstoffzelle, die Betriebsbedingungen und die Verwendung des erzeugten Stroms. In einigen Fällen sind Brennstoffzellen möglicherweise nicht so effizient wie andere Technologien, z. B. Batterien oder fortschrittliche Verbrennungsmotoren.
Sind Brennstoffzellen wiederaufladbar?
Per Definition ist eine Brennstoffzelle an und für sich nicht “wiederaufladbar”. Bei einigen Konstruktionen werden jedoch Batterien und Brennstoffzellen kombiniert, um den Gesamtwirkungsgrad zu maximieren, indem die optimalen Eigenschaften beider Technologien genutzt werden. Die Batterie dient als Puffer und Speicher für elektrische Energie, die bei geringer Last oder im Leerlauf erzeugt wird. Das entstehende Brennstoffzellensystem könnte dann als wiederaufladbar gelten.
In einigen Ausführungen wird die von der Brennstoffzelle erzeugte überschüssige elektrische Energie für die Elektrolyse des Wasserdampfs verwendet, der als Restprodukt des elektrochemischen Prozesses der Stromerzeugung anfällt. Der so erzeugte Wasserstoff wird zur späteren Verwendung als Brennstoff in derselben Brennstoffzelle gespeichert.
Vergleich – Vorteile und Nachteile
| Vorteile von Brennstoffzellen | Vorteile von Batterien | Vorteile des Verbrennungsmotors |
| Hohe Energiedichte | Leichtgewicht | Hohe Leistungsdichte |
| Hohe spezifische Energie | Hohe spezifische Energie | Hohe Effizienz |
| Lange Lebensdauer | Lange Lebensdauer | Geringe Kosten |
| Schnelles Tanken | Schnelles Aufladen | Weithin verfügbar |
| Null Emissionen | Null Emissionen |
| Nachteile von Brennstoffzellen | Nachteile von Batterien | Nachteile des Verbrennungsmotors |
| Hohe Kosten | Geringe Energiedichte | Hohe Emissionen |
| Komplexe Infrastruktur | Begrenzte Lade-/Entladezyklen | Begrenzter Wirkungsgrad bei niedriger Last |
| Begrenzte Verfügbarkeit von Wasserstoff | Niedrige spezifische Energie |
Brennstoffzellen – Vor- und Nachteile in Bezug auf Sicherheit und Umwelt
Sind Brennstoffzellen schlecht für die Umwelt? Die Antwort auf diese Frage ist von größter Bedeutung, da die Brennstoffzellentechnologie als optimale Lösung für den Aufbau einer nachhaltigen Wirtschaft unter Nutzung erneuerbarer Energien gilt. Die genaue Antwort hängt davon ab, welche Art von Brennstoffzelle verwendet wird.
Eine Beeinträchtigung der unmittelbaren Umwelt durch Emissionen kann bei der Wasserstoff-Brennstoffzelle ausgeschlossen werden, da diese Technologie nur Wasserdampf abgibt. Aber auch die Art und Weise, wie der Wasserstoffkraftstoff hergestellt wird, spielt eine Rolle. Vergleicht man den so genannten “grauen” Wasserstoff, der aus fossilen Brennstoffen gewonnen wird, den “blauen” Wasserstoff, der in Kombination mit Technologien zur Kohlenstoffabscheidung hergestellt wird, und den “grünen” Wasserstoff, der durch den Einsatz von Technologien zur Nutzung erneuerbarer Energien erzeugt wird, so kann nur für die letzte Option ein kategorisches “Nein” gegeben werden: Grüner Wasserstoff ist der ultimative umweltfreundliche Kraftstoff.
Sind Brennstoffzellen sicher?
Es liegt auf der Hand und erklärt sich von selbst, dass der Umgang mit gasförmigem, entflammbarem Brennstoff wie Wasserstoff, der in Brennstoffzellen verschiedener Typen und Bauarten verwendet wird, hochentwickelte und spezielle Sicherheitssysteme erfordert. Die Bewältigung der mit der Brennstoffzellentechnologie verbundenen Risiken ist eine der Herausforderungen, die im Zuge ihrer breiten Einführung zu bewältigen sind.
Die Gefahren von Brennstoffzellen sind gut bekannt und wurden in anderen Technologien und Branchen bereits einzeln und in verschiedenen Kombinationen bewältigt. Die Akteure der Branche sind zuversichtlich, dass die technischen Herausforderungen, die sich aus den verwendeten Brennstoffen und den erforderlichen Materialien ergeben, bewältigt werden können, um die Sicherheitsrisiken zu isolieren und zu kontrollieren.
Letzte Aktualisierung: 15.02.2023