Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler, die eine kontinuierliche Umwandlung der chemischen Energie eines Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie ermöglichen. Die wesentlichen Vorteile gegenüber konventionellen Energiewandlern sind die sehr niedrigen lokalen Emissionen (nahezu Null-Emissionen vor Ort), die potenziell sehr hohen Wirkungsgrade bereits bei kleiner Anlagenleistung und die hohe Modularität der Systeme.
Die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff ist als Knallgasreaktion aus dem Chemieunterricht bekannt. Wasserstoff und Sauerstoff richtig gemischt, ein Glimmstab hinein, und schon gibt es einen heftigen Knall. Bei dieser Reaktion wird viel Energie frei: 2 H2 + O2 -> 2 H2O
Der Trick an der Brennstoffzelle ist nun, dass Wasserstoff und Sauerstoff nie unmittelbar miteinander in Berührung kommen, es also keinen Knall gibt: Sie werden durch ein Material getrennt, das die Funktion eines Elektrolyten hat. Das Material kann eine dünne Folie sein, eine Säure oder Lauge, eine Schmelze von Karbonaten oder eine Keramik. Durch diesen Elektrolyten wird die Energie nicht explosionsartig und unkontrolliert frei, sondern in Form elektrischen Stroms.
Was passiert nun genau in der Brennstoffzelle?
Die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, in der eine dünne Membran als Elektrolyt eingesetzt wird, soll als Anschauungsobjekt dienen. Von außen kommen die Reaktionsgase Wasserstoff und Sauerstoff. Im Prinzip würden die beiden Gase nun gerne zu Wasser reagieren, denn diese Reaktion ist energetisch günstig. Sie können aber nicht, denn die Membran, eine hauchdünne Plastikfolie, ist so präpariert, dass sie nur die Protonen durchlässt, also die Wasserstoff-Teilchen, die ihre Elektronen schon abgestreift haben.
Der Wasserstoff muss sich daher an der Anode in seine Bestandteile, zwei Protonen und zwei Elektronen, aufspalten. Dabei sind kleine Katalysatorpartikel behilflich, die dem Molekül einen kleinen Tritt zur Spaltung geben. Nun können die gespaltenen Moleküle als Protonen durch die Membran wandern. Die Elektronen werden nicht durch die Membran gelassen und fließen daher über ein äußeres Kabel. Auf diesem Weg verrichten sie elektrische Arbeit. Auf der anderen Seite der Membran, der Kathode, reagieren die Protonen und Elektronen mit dem Sauerstoff zu Wasser.
Bei der Reaktion wird nicht nur Elektrizität erzeugt. Die Gase, die die Zelle verlassen, nehmen die Wärme mit, die bei der Reaktion entsteht. Diese Wärme kann man auch nutzen: zum Heizen von Häusern oder Schwimmbädern oder zur Bereitstellung von Dampf für Industrie und Krankenhäuser.
Von der Zelle zum Kraftwerk
Eine einzelne Zelle besteht also aus einem Sandwich von Anode, Elektrolyt und Kathode. Um nun die Spannung beziehungsweise die Leistung der Zelle weiter zu erhöhen, schaltet man einfach viele dieser Sandwiches hintereinander. Es entsteht ein Stapel, ein sogenannter Stack, ein gewaltiger elektrochemischer Big Mac. Eine wichtige Funktion haben dabei die sogenannten Bipolarplatten zwischen den einzelnen Zellen. Sie sorgen dafür, dass die Gase die Zellen auch erreichen. Zugleich trennen sie die einzelnen Zellen und leiten den erzeugten Strom nach außen.
Aus Zellen werden Stacks: Hintereinander angeordnet, werden viele Einzelzellen zu einem kraftvollen Stromlieferanten. Eine wichtige Funktion haben dabei die Gasverteiler, auch Bipolarplatten genannt. Sie sorgen dafür, dass die Gase die Zellen auch erreichen. Zugleich trennen sie die einzelnen Zellen und leiten den erzeugten Strom nach außen.
Die Elektrolytmaterialien bestimmen auch die Betriebstemperatur. Während die Membran schon bei niedrigen Temperaturen arbeitet – denn bei hohen Temperaturen schmilzt die Kunststofffolie – leiten beispielsweise die Karbonate oder Keramiken nur bei hohen Temperaturen die Ionen. Man teilt die Brennstoffzellen daher auf in Nieder-, Mittel- und Hochtemperaturbrennstoffzellen. Dabei eignen sich Hochtemperatur-Brennstoffzellen vor allem zum Einsatz im Kraftwerkssektor, während die Niedertemperatur-Brennstoffzellen im Auto, im Laptop oder als Kraftwerk gleichermaßen angewendet werden können.
Damit aus der Brennstoffzelle ein Kraftwerk oder ein Auto wird, ist aber noch einiges an Hilfsmaschinen notwendig. Bei einem Brennstoffzellen-Auto beispielsweise muss zunächst einmal der Kraftstoff gespeichert werden. Der Wasserstoff kann gasförmig gesammelt werden, indem man ihn auf hohen Druck bringt und in druckfesten Behältern aufbewahrt. Oder man kühlt ihn sehr stark ab. Denn dann wird Wasserstoff flüssig. Damit der Wasserstoff in diesem Zustand bleibt, muss man den Behälter sehr gut isolieren.
Ein Kompressor garantiert eine rasche Luftversorgung der Brennstoffzelle. Elektrische Steuerungen und Wechselrichter sind notwendig, damit der erzeugte Strom die richtige Qualität hat, und der Motor setzt schließlich die Elektrizität in das um, was eigentlich im Auto nachgefragt wird: die Bewegung.
