Die Brennstoffzelle-Technologie der Zukunft

Die Brennstoffzelle stellt eine echte Alternative zu Verbrennungsmotoren und Elektroautos dar und wird in Zukunft wahrscheinlich stark an Bedeutung gewinnen. Dabei ist das Prinzip der Brennstoffzelle schon 180 Jahre alt.

Funktionsweise

Bei der Brennstoffzelle macht man sich die sogenannte „Kalte Verbrennung“ zunutze: Das ist eine elektrochemische Reaktion, bei der beim Zusammentreffen von Sauerstoff und Wasserstoff Wasser entsteht.
Die Brennstoffzelle besteht, ähnlich wie die Batterie, aus Elektroden die durch eine Elektrolytmembran voneinander getrennt sind. Von links (siehe Darstellung) wird Wasserstoff zugeführt. An der ersten Elektrode, der Anode, wird der Wasserstoff in ein Wasserstoff-Ion und ein Elektron aufgespalten.

Wasserstoff –> Wasserstoff-Ionen + Elektronen
2 H₂–> 4 H⁺+ 4 e^–

Die Elektronen wandern durch den Leiter zur zweiten Elektrode, der Kathode. Es fließt ein Strom. Von rechts wird nun Sauerstoff zugeführt. An der Kathode reagiert dieser mit zwei Elektronen, die einst zum Wasserstoff gehörten, zu einem Sauerstoff-Ion.

Sauerstoff + Elektronen –> Sauerstoff-Ionen
O₂ + 4 e^– –> 2 O^2-

Währenddessen gelangen die Wasserstoff-Ionen durch die Elektrolytmembran. Diese lässt nämlich nur die relativ „kleinen“ Wasserstoff-Ionen durch, nicht aber die „großen“ Sauerstoff-Ionen. Auf der Kathodenseite (rechts von der Membran) verschmelzen nun Wasserstoff-Ionen und Sauerstoff-Ionen zu Wasser.

Wasserstoff-Ionen + Sauerstoff-Ionen –> Wasser
4 H⁺+ 2 O^2-–> 2 H₂O

Somit wird bei der Brennstoffzelle Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser und Energie umgewandelt.

Wasserstoff + Sauerstoff –> Wasser
2 H₂+ O₂ –> H₂O

Energiefluss

Während der „kalten Verbrennung“ wird chemische Reaktionsenergie, die bei der Reaktion von Sauerstoff mit Wasserstoff freigesetzt wird in elektrische Energie und einen geringeren Teil Wärmeenergie umgewandelt. Diese chemische Reaktionsenergie wird frei, weil es sich hier um eine exotherme Reaktion handelt, dass bedeutet, während der Reaktion wird Energie abgegeben

Chemische Reaktionsenergie –> Elektrische Energie + Wärmeenergie
E_ch–> E_el+ E_th

Vor- und Nachteile

Vorteile	Nachteile
erzeugen elektrische Energie und Wärmeenergie hoher Wirkungsgrad keine umweltschädlichen Abfallprodukte verschleiß- und wartungsarm	hohe technische Anforderungen hohe Kosten wenig Betriebserfahrung

Geschichte und Potenzial

Die erste Brennstoffzelle, die „galvanische Gasbatterie“ wurde 1839 durch den britischen Physiker William Grove entwickelt. Wegen des geringen Stromflusses konnte sich diese aber nicht gegen Erfindungen wie Elektrodynamo und Verbrennungsmotor durchsetzen.

Während des Kalten Krieges fanden Brennstoffzellen vor allem in der Raumfahrt und in U-Booten Verwendung. Seit einigen Jahren verkaufen Autokonzerne wie Toyota und Honda Autos, die mit Brennstoffzellen fahren, weil sehr effizient und umweltschonend sind. Auch wurde vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt bereits ein Flugzeug getestet, welches mit einer PEMFC-Brennstoffzelle angetrieben wird.

Im September sollen in Deutschland sogar Züge mit Brennstoffzellen unterwegs sein, vorerst zwischen Bremerhaven, Cuxhaven, Buxtehude und Bremervörde.