AlegsaOnline.com

Brennstoffzelle: Funktionsweise, Wasserstoffherkunft und Einsatz

Brennstoffzelle: Funktionsweise, Wasserstoffherkunft und Anwendungen – Produktion, Umweltbilanz und Einsatz in Industrie, Verkehr und Energieversorgung kompakt erklärt.

Autor: Leandro Alegsa

07-04-2026

Eine Brennstoffzelle erzeugt Elektrizität unter Verwendung der Energie, die durch das Mischen von Brennstoff mit Luft freigesetzt wird, eine Reaktion, bei der Wasser und manchmal auch Kohlendioxid entsteht. Der gebräuchlichste Brennstoff für Brennstoffzellen ist Wasserstoff, der bei der Reaktion mit Sauerstoff aus Luft nur Wasser erzeugt. Brennstoffzellen funktionieren wie eine Batterie, die ständig mit Brennstoff gespeist wird, so dass sie nie leer wird (solange man genügend Brennstoff hat). Brennstoffzellen sind ein wichtiger Teil der Wasserstoffwirtschaft.

Funktionsweise und Aufbau

Eine Brennstoffzelle besteht grundsätzlich aus drei Hauptkomponenten: Anode, Elektrolyt und Kathode. Am Anodenpol wird der Brennstoff (typischerweise Wasserstoff) in geladene Teilchen und Elektronen aufgespalten. Die Elektronen werden über einen äußeren Stromkreis geleitet und liefern elektrische Leistung; die Ionen (z. B. Protonen) wandern durch den Elektrolyten zur Kathode, wo sie mit Sauerstoff und den Elektronen reagieren und Wasser bilden.

Vereinfachte Reaktionsgleichung (bei H2/O2-Brennstoffzellen):
Anode: H2 → 2 H+ + 2 e−
Kathode: 1/2 O2 + 2 H+ + 2 e− → H2O
Gesamt: H2 + 1/2 O2 → H2O

Katalysatoren (meist Platin oder Platinlegierungen) beschleunigen diese Reaktionen, insbesondere an der Anode und Kathode. Die unterschiedlichen Brennstoffzellentypen (z. B. PEM-Brennstoffzellen, Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC), Phosphorsäure-BZ, Molten Carbonate) unterscheiden sich durch den verwendeten Elektrolyten, Betriebstemperatur und geeigneten Einsatzbereich.

Typische Leistungskennzahlen:

Elektrischer Wirkungsgrad: ca. 40–60 % bei reiner Stromerzeugung.
Bei Kraft-Wärme-Kopplung (Wärmenutzung) sind Gesamtwirkungsgrade von 70–90 % möglich.
Betriebstemperaturen: PEM ca. 50–100 °C, SOFC 600–1000 °C (je nach Typ).

Herkunft des Wasserstoffs

Wasserstoff kommt nicht frei in großen Mengen in der Atmosphäre vor; er ist gebunden in Verbindungen wie Methan, Wasser und organischer Materie. Um ihn nutzbar zu machen, muss er erst gewonnen werden. Es gibt mehrere gängige Verfahren:

Dampfreformierung (Steam Methane Reforming, SMR): Trennung aus fossilen Brennstoffen wie Erdgas oder Öl. Dabei entstehen neben Wasserstoff auch CO2-Emissionen, sofern keine Abscheidung und Speicherung des CO2 (CCS) erfolgt.
Elektrolyse: Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mittels elektrischem Strom. Wenn die elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen wie Sonne oder Wind stammt, spricht man von „grünem“ Wasserstoff, da bei der Herstellung keine direkten CO2-Emissionen anfallen.
Biologische oder thermochemische Verfahren: Wasserstoff kann auch aus Biogas oder Biomasse gewonnen werden; der dabei freigesetzte Kohlenstoff ist nicht fossilen Ursprungs und gehört somit zum natürlichen Kohlenstoffkreislaufs.

In der Praxis hat sich eine „Farbsymbolik“ etabliert (vereinfachte Darstellung):

Grau: Hydrogen aus fossilen Brennstoffen ohne CO2-Abscheidung.
Blau: Fossiler Wasserstoff mit CO2-Abscheidung und -Speicherung (CCS).
Grün: Wasserstoff aus Elektrolyse mit erneuerbarem Strom.
Weitere Bezeichnungen (braun, pink, türkis) beschreiben andere Herstellungsverfahren oder Energiequellen.

Wichtig ist: Die Klimabilanz von Brennstoffzellen-Systemen hängt stark davon ab, wie der verwendete Wasserstoff hergestellt wurde.

Einsatzgebiete

Brennstoffzellen werden in vielen Bereichen eingesetzt oder erprobt:

Mobilität: Brennstoffzellenfahrzeuge (PKW, Busse, Nutzfahrzeuge, Züge, Spezialfahrzeuge) nutzen H2 als Reichweitenverlängerer oder primäre Energiequelle.
Stationäre Strom- und Wärmeerzeugung: Blockheizkraftwerke, Notstromaggregate oder dezentrale Energieversorgung für Gebäude.
Tragbare und industrielle Anwendungen: Gabelstapler, Telekommunikations-Backups, Off-grid-Systeme.
Luft- und Raumfahrt: Forschungsprojekte für emissionsärmere Antriebe und Bordenergie.

Vorteile und Nachteile

Vorteile:

Bei reiner H2/O2-Reaktion entstehen als lokale Emissionen nur Wasser (keine CO2-Emissionen vor Ort).
Hohe Effizienz, besonders wenn Abwärme genutzt wird.
Schnelles Tanken im Vergleich zu vielen Batterie-Ladezeiten (je nach Speichertechnik).
Geeignet für Anwendungen mit langen Reichweiten und hoher Energiedichte.

Nachteile / Herausforderungen:

Herstellung von klimafreundlichem Wasserstoff ist aktuell teurer und energieintensiv.
Infrastruktur für Erzeugung, Transport und Betankung ist noch im Ausbau.
Material- und Rohstoffbedarf (z. B. Platinkatalysatoren) sowie Kosten und Lebensdauer der Systeme.
Sicherheitsanforderungen beim Umgang mit Wasserstoff (leicht entflammbar, diffusionsfähig).

Speicherung, Transport und Sicherheit

Wasserstoff kann auf verschiedene Weise gespeichert werden: komprimiert in Drucktanks (bis zu 700 bar), verflüssigt bei sehr tiefen Temperaturen, in chemischen Trägern (LOHC – Liquid Organic Hydrogen Carriers) oder in Metallhydriden. Jede Methode hat Vor- und Nachteile hinsichtlich Energiebedarf, Gewicht, Volumen und Kosten.

Sicherheitsaspekte: H2 ist farb- und geruchlos, hat eine große Zündgrenze und diffundiert leicht durch viele Materialien. Deshalb sind dichte Tanks, geeignete Materialien, Sensorik zur Leckerkennung und gut geplante Belüftung bei Stationen und Fahrzeugen essenziell.

Herausforderungen und Zukunftsperspektiven

Für eine breite Markteinführung sind mehrere Punkte wichtig:

Kostensenkung bei Elektrolyseuren und Brennstoffzellen durch Skaleneffekte und Materialinnovation.
Ausbau erneuerbarer Energien, um großen Mengen grünen Wasserstoff wirtschaftlich herstellen zu können.
Infrastruktur für Transport und Betankung sowie Normung und Regelwerke.
Verbesserung der Lebensdauer, Robustheit und Recyclingfähigkeit von Brennstoffzellenkomponenten.

Forschung konzentriert sich u. a. auf bessere Katalysatoren ohne Platin, niedrigere Kosten von PEM-Membranen, langlebigere SOFC-Materialien und die Kombination von Stromnetzen, Elektrolyse und Speicherlösungen, um saisonale Schwankungen der erneuerbaren Erzeugung auszugleichen.

Fazit

Brennstoffzellen bieten eine effiziente Möglichkeit, elektrische Energie aus chemischer Energie zu erzeugen und können lokal emissionsarme Lösungen ermöglichen – vorausgesetzt, der zugrundeliegende Wasserstoff stammt aus klimafreundlichen Quellen. Ihr Potenzial liegt besonders dort, wo hohe Energiedichten, lange Reichweiten oder kontinuierliche Stromversorgung gefragt sind. Zu einer klimaneutralen Energiewirtschaft gehören jedoch neben der Technologie auch die saubere Wasserstoffproduktion, Infrastruktur und wirtschaftliche Skalierung.

Direkt-Methanol-Brennstoffzelle. Der eigentliche Brennstoffzellenstapel ist die geschichtete bikubische Struktur in der Mitte des Bildes

Wie man Energie umwandelt

Wasser ist ein Molekül, das aus einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen besteht. Es braucht Energie, um Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zu trennen, und Energie wird freigesetzt, wenn sie wieder zu Wasser zusammengesetzt werden. Eine Brennstoffzelle setzt Wasserstoff und Sauerstoff wieder so zusammen, dass die Energie in Form von Elektrizität freigesetzt wird.

Brennstoff (die Energiequelle, in der Regel Wasserstoff) und Luft (die den Sauerstoff enthält) werden auf gegenüberliegenden Seiten der Brennstoffzelle platziert. In der Mitte der Brennstoffzelle befindet sich ein "Schirm", ein sogenannter Elektrolyt, der zwischen zwei Metallplatten, den sogenannten Elektroden, angeordnet ist und den Brennstoff und die Luft getrennt hält. Die verschiedenen Arten von Brennstoffzellen erhalten ihre Namen aufgrund der Art des Schirms, der zur Trennung von Brennstoff und Luft verwendet wird. Der Schirm lässt nur bestimmte geladene Moleküle, auch Ionen genannt, durch.

Um Ionen zu erzeugen, müssen Elektronen von der einen Seite des Systems zur anderen Seite transportiert werden. Die Elektronen werden durch die Metallplatte auf der Brennstoffseite vom Brennstoff abgespalten und müssen zur Luftseite wandern, um die Reaktion abzuschließen. Da der Bildschirm die Elektronen nicht durchlässt, gehen sie durch einen separaten Draht zur anderen Metallplatte auf der Luftseite. Die Bewegung der Elektronen erzeugt elektrischen Strom (Elektrizität). Der Draht ist der Ort, an dem Elektrizität genutzt werden kann. Zum Beispiel kann der Draht in zwei Hälften geschnitten werden, und eine Glühbirne kann zwischen den beiden Hälften angeschlossen werden.

In der Zwischenzeit passieren die Ionen den Bildschirm und reagieren mit den Molekülen (bereits auf der anderen Seite) und Elektronen (die durch den Draht gelaufen sind und dabei Energie an die Leistungselektronik abgeben) auf der anderen Seite. Es bildet sich Wasser (und je nach Treibstofftyp gelegentlich auch andere Produkte), das sie durch ein Auspuffrohr austreten lassen.

Effizienz

Brennstoffzellen erzeugen Elektrizität durch die Kombination von Sauerstoff und Wasserstoff. Der Wirkungsgrad ist sehr gut (etwa 40%-70%). Sie haben einen maximalen Wirkungsgrad von 83%, wenn die Abgaswärme während der Reaktion genutzt wird. Außerdem können Brennstoffzellen verschiedene Brennstoffe verwenden, z.B. Erdgas, Methanol, LPG (Liquid Petroleum Gas), Naphtha, Kerosin usw.

Merkmale

Einige Arten von Brennstoffzellen produzieren nur Wasser, was keine Verschmutzung bedeutet. Die meisten Arten von Brennstoffzellen verursachen viel weniger Emissionen als die klassische ("kalorische") Stromerzeugung. Sie können die gleichen Brennstoffarten wie klassische Stromgeneratoren, z.B. Dieselmotoren, verbrauchen, sind aber etwa doppelt so effizient, d.h. sie können die gleiche Energiemenge mit halb so viel Brennstoff und damit mindestens halb so viel Umweltverschmutzung erzeugen. Darüber hinaus besteht bei der Verwendung von Brennstoffzellen mit Direktumwandlung ein geringeres Risiko der Erzeugung von Sekundäremissionen wie NOx, SOx und Feinstaub, die als Nebeneffekte der Verbrennung auftreten, zur globalen Erwärmung beitragen und als Kriterienschadstoffe bekannt sind.

Brennstoffzellen sind sehr leise. Sie haben keine beweglichen Teile außer einigen Ventilatoren, um Luft zu bewegen, und Pumpen, um Wasser zu bewegen, was bedeutet, dass sie nur sehr selten repariert werden müssen, aber einige große Brennstoffzellen, die für den Antrieb von Dingen wie Gebäuden verwendet werden, können recht zerbrechlich sein.

Wegen der sehr geringen Schadstoffemissionen werden Brennstoffzellen häufig in Fahrzeugen eingesetzt, die sich innerhalb von Gebäuden bewegen, wie zum Beispiel Gabelstapler. Da sie sehr leise sind, werden sie auf einigen militärischen U-Booten eingesetzt, um einer Entdeckung zu entgehen. Der Brennstoff wird effizienter genutzt, was bedeutet, dass Brennstoffzellen länger arbeiten können, ohne neuen Brennstoff zu erhalten. Dadurch können sie an Orten eingesetzt werden, die schwer zu erreichen sind, wie Wetter- oder Forschungsstationen, Raumschiffe oder Militärstützpunkte.

Da Raumschiffe mit Raketen gestartet werden, die reinen Wasserstoff und Sauerstoff enthalten, wird der Bordstrom mit sehr effizienten Brennstoffzellen erzeugt, die diese Brennstoffe nutzen können. Zusätzlich produzieren die Brennstoffzellen auf Raumschiffen an ihrem Auspuff reines Wasser, das weiter aufgefangen und als Trinkwasser für die Astronauten verwendet werden kann, so dass absolut nichts verschwendet wird.

Arten von Brennstoffzellen

Brennstoffzellen können nach der Art des inneren Schirms (Elektrolyt) klassifiziert werden. Zum Beispiel sind phosphorsaure Brennstoffzellen für niedrige Temperaturen geeignet. Sie wird in Mobiltelefonen und Automobil-Stromversorgungen verwendet, die hohe Ströme benötigen, weil sie viel sicherer ist. Alkali-Brennstoffzellen enthalten gewöhnlich Kaliumhydroxid (KOH). Methanol-Brennstoffzellen werden durch elektrochemische Reaktion von Methanol verwendet. Diese Art von Brennstoffzellen ist eine bessere Wahl für einfachere Systeme. Methanol-Brennstoffzellen haben jedoch niedrige Ausgangsdichten, da ihre Reaktionsgeschwindigkeit langsam ist.

Einige wichtige Arten von Brennstoffzellen sind:

Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC) - Phosphorsäure-Brennstoffzellen sind heute kommerziell erhältlich. Sie sind die am weitesten verbreiteten Brennstoffzellen für die kombinierte Wärme- und Stromerzeugung.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEM) - Diese Brennstoffzellen arbeiten bei relativ niedrigen Temperaturen (ca. 175 °F), haben eine hohe Leistungsdichte, können ihre Leistung schnell variieren, um auf Veränderungen im Leistungsbedarf zu reagieren, und eignen sich für Anwendungen, wie z.B. in Automobilen, wo ein schnelles Anfahren erforderlich ist. Alle kommerziellen Brennstoffzellenfahrzeuge verwenden diesen Brennstoffzellentyp. Der Nachteil dieser Brennstoffzellen ist, dass sie hochreinen Wasserstoff benötigen, dessen Herstellung kostspielig ist.
Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) - Diese Brennstoffzellen arbeiten bei sehr hohen Temperaturen, die es ihnen ermöglichen, komplexere Brennstoffe wie Erdgas in Wasserstoff-Brennstoff umzuwandeln, der von der Zelle selbst verwendet wird. Das An- und Abfahren dauert mehrere Stunden, so dass sie nur in Anwendungen eingesetzt werden, bei denen sie ununterbrochen in Betrieb bleiben können, wie z.B. bei der stationären Stromversorgung großer Gebäude/Geschäfte.
Mikrobielle Brennstoffzelle (MFC) - Eine Brennstoffzelle, die atmende Mikroben verwendet, um organische Substrate mit Hilfe von Oxidations-Reduktionsreaktionen in elektrische Energie umzuwandeln.

Bewerbungen

Es gibt viele Einsatzmöglichkeiten für Brennstoffzellen - große Autohersteller arbeiten an der Kommerzialisierung von Brennstoffzellenautos. Toyota und Honda haben den Mirai und den Clarity auf den Markt gebracht. Brennstoffzellen treiben Busse, Boote, Züge, Flugzeuge, Roller, Gabelstapler und Fahrräder an. Es gibt brennstoffzellenbetriebene Verkaufsautomaten, Staubsauger und Autobahnschilder. Miniatur-Brennstoffzellen für Mobiltelefone, Laptops und tragbare Elektronik werden vorhergesagt. Krankenhäuser, Kreditkartenzentren, Polizeistationen und Banken nutzen Brennstoffzellen, um ihre Einrichtungen mit Strom zu versorgen. Kläranlagen und Mülldeponien nutzen sie, um das von ihnen erzeugte Methangas in Strom umzuwandeln. Brennstoffzellen werden seit langem im Weltraum eingesetzt. Telekommunikationsunternehmen setzen Brennstoffzellen an Handy-, Funk- und 911-Türmen ein.

Fragen und Antworten

F: Wie wird mit einer Brennstoffzelle Strom erzeugt?

A: Eine Brennstoffzelle erzeugt Strom, indem sie Brennstoff mit Luft mischt und eine Reaktion auslöst, bei der Energie freigesetzt wird und Wasser und manchmal Kohlendioxid entsteht.

F: Welcher Brennstoff wird am häufigsten in Brennstoffzellen verwendet?

A: Der am häufigsten verwendete Brennstoff in Brennstoffzellen ist Wasserstoff.

F: Wie unterscheidet sich eine Brennstoffzelle von einer Batterie?

A: Eine Brennstoffzelle unterscheidet sich von einer Batterie dadurch, dass sie ständig mit Brennstoff versorgt wird, so dass ihr nie der Brennstoff ausgeht, solange genügend Brennstoff vorhanden ist.

F: Was ist die Wasserstoffwirtschaft?

A: Die Wasserstoffwirtschaft bezieht sich auf die Verwendung von Wasserstoff als Kraftstoffquelle, um die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern.

F: Wie wird Wasserstoff hergestellt?

A: Wasserstoff kann durch Dampfreformierung hergestellt oder durch Elektrolyse aus Wasser extrahiert werden.

F: Was geschieht, wenn Wasserstoff von fossilen Brennstoffen getrennt wird?

A: Wenn Wasserstoff von fossilen Brennstoffen getrennt wird, wird Kohlendioxid freigesetzt.

F: Kann Wasserstoff auf eine Weise hergestellt werden, die keine schädlichen Emissionen verursacht?

A: Ja, wenn die zur Herstellung von Wasserstoff verwendete Energie aus erneuerbaren Quellen wie Sonnen- oder Windenergie stammt, ist der erzeugte Wasserstoff unschädlich, da keine Emissionen freigesetzt werden. Wasserstoff kann auch aus erneuerbarem Biogas abgetrennt werden, was bedeutet, dass der emittierte Kohlenstoff nicht fossilen Ursprungs ist und somit Teil des natürlichen Kohlenstoffkreislaufs ist.