Brennstoffzelle: Funktionsweise, Wasserstoffherkunft und Einsatz

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.

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.

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.

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.

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.