Brennstoffzelle

Eine Brennstoffzelle ist ein galvanisches Element, das nicht leer wird: Die Reaktionspartner sind nicht in der Zelle eingeschlossen wie bei einer Batterie, sondern werden laufend von außen zugeführt – meist Wasserstoff und der Sauerstoff aus der Luft. Solange Gas nachströmt, liefert sie Strom; als „Abgas“ entsteht nur Wasser. Sie ist damit die Umkehrung der Wasser-Elektrolyse.

Kalte Verbrennung

Verbrennt Wasserstoff mit Sauerstoff in einer Flamme, wird die gesamte Reaktionsenergie als Wärme frei. Um daraus Strom zu machen, bräuchtest du eine Wärmekraftmaschine mit Turbine und Generator – mit allen Verlusten, die das Wärme-Kraft-Prinzip mit sich bringt.

Die Brennstoffzelle trennt die Reaktion stattdessen in zwei Hälften: Der Wasserstoff gibt seine Elektronen an einer Elektrode ab, der Sauerstoff nimmt sie an der anderen auf. Dazwischen liegt ein Elektrolyt, der nur Ionen durchlässt. Die Elektronen müssen den Weg über den äußeren Stromkreis nehmen – und leisten dort Arbeit. Man spricht deshalb auch von „kalter Verbrennung“.

Aufbau der PEM-Brennstoffzelle

Am weitesten verbreitet ist die PEM-Brennstoffzelle (Proton Exchange Membrane). Ihr Herz ist eine nur etwa 0,02 bis 0,2 mm dünne Kunststoffmembran, die Protonen (H⁺) leitet, Elektronen und Gase aber nicht. Beidseitig ist sie mit einer porösen Katalysatorschicht aus fein verteiltem Platin auf Kohlenstoff beschichtet.

An der Anode wird der Wasserstoff oxidiert. Sie ist der Minuspol, weil hier Elektronen in den äußeren Kreis abgegeben werden:

An der Kathode nimmt Sauerstoff die Elektronen auf und verbindet sich mit den durch die Membran gewanderten Protonen zu Wasser. Sie ist der Pluspol:

Spannung, Kennlinie und Stack

Thermodynamisch liefert die Reaktion höchstens 1,23 V pro Zelle. Im Leerlauf misst du etwa 0,9 bis 1,0 V, unter Last typisch 0,6 bis 0,8 V. Die Spannung sinkt mit steigender Stromdichte in drei Bereichen:

• Aktivierungsverluste: Schon bei kleinen Strömen fällt die Spannung deutlich, weil die Reaktion an der Kathode träge ist.
• Ohmsche Verluste: Im mittleren Bereich sinkt die Spannung nahezu linear – durch den Widerstand der Membran und der Kontakte.
• Transportverluste: Bei sehr hohen Strömen kommen die Gase nicht schnell genug an die Katalysatoren, und die Spannung bricht ein.

Weil eine Zelle so wenig Spannung liefert, schaltet man viele in Reihe zu einem Stack. Bipolarplatten aus Graphit oder beschichtetem Metall verbinden jeweils die Kathode einer Zelle mit der Anode der nächsten und verteilen über eingefräste Kanäle die Gase. Ein Elektroauto-Stack besteht aus mehreren hundert Zellen. Ein DC/DC-Wandler bringt die lastabhängige Stackspannung auf einen festen Wert.

Bauarten

Hochtemperaturzellen wie die SOFC brauchen kein Platin und vertragen auch Erdgas oder Biogas, das intern zu Wasserstoff umgesetzt wird. Dafür starten sie langsam und eignen sich nur für den Dauerbetrieb.

Neben Wasserstoff kommen auch flüssige Brennstoffe wie Methanol oder Ethanol infrage. Sie lassen sich viel einfacher speichern und transportieren, liefern aber weniger Leistung pro Zellfläche und setzen an der Anode zusätzlich CO₂ frei.

Woher kommt der Wasserstoff?

Wasserstoff ist das häufigste Element, auf der Erde aber praktisch nur gebunden zu haben – in Wasser, Erdgas oder Biomasse. Bevor eine Brennstoffzelle ihn nutzen kann, muss er unter Energieaufwand freigesetzt werden. Zwei Wege dominieren:

• Dampfreformierung: Erdgas reagiert bei hoher Temperatur mit Wasserdampf zu Wasserstoff und CO₂; ein Teil des Erdgases wird zusätzlich verbrannt, um die Prozesswärme zu liefern. Das ist heute der günstigste und mit Abstand häufigste Weg – klimafreundlich ist dieser Wasserstoff aber nicht, denn das CO₂ entsteht nur an anderer Stelle.
• Elektrolyse: Strom zerlegt Wasser. Stammt er aus Wind oder Sonne, etwa aus Überschüssen, die sonst niemand abnehmen würde, wird Wasserstoff zum klimaneutralen Energiespeicher („Power-to-Gas“). Der Haken ist der Wirkungsgrad der Kette, siehe unten.

Stärken und Grenzen

Brennstoffzellen arbeiten leise, ohne bewegte Teile und lokal emissionsfrei. Der elektrische Wirkungsgrad liegt bei 40 bis 60 %, mit Nutzung der Abwärme deutlich höher. Anders als ein Akku trennt sie Leistung (Stackgröße) und Energie (Tankgröße): Für längere Laufzeit genügt ein größerer Tank.

Die Grenzen liegen beim Wasserstoff selbst: Er muss erzeugt, auf 350 oder 700 bar verdichtet oder tiefgekühlt und verteilt werden. Rechne die Kette einmal durch: Der Elektrolyseur schafft 60 bis 80 %, Verdichten, Transport und Lagerung kosten weitere 10 bis 20 Prozentpunkte, die Brennstoffzelle selbst arbeitet mit rund 50 bis 60 %. Vom eingesetzten Strom kommen so nur etwa 25 bis 35 % wieder heraus, bei einem Akku sind es rund 90 %. Außerdem vergiften schon Spuren von Kohlenmonoxid den Platinkatalysator einer PEM-Zelle.

Das kleine Wasserstoffmolekül diffundiert durch viele Dichtungen und Werkstoffe und macht manche Stähle spröde (Wasserstoffversprödung); Tanks und Leitungen brauchen deshalb besondere Materialien. Tiefgekühlter Flüssigwasserstoff verdampft im Stand langsam und muss abgelassen werden.

Ganz ohne Akku kommt kaum ein Brennstoffzellen-System aus. Die Zelle reagiert träge auf Lastsprünge und kann keine Bremsenergie aufnehmen; ein Pufferakku übernimmt Spitzen und Rückspeisung. Bei Kleingeräten dreht sich das Verhältnis ganz um: Dort lädt eine Brennstoffzelle mit Brennstoffkartusche nur unterwegs einen Lithium-Ionen-Akku nach – sie ersetzt das Netzteil, nicht den Akku.

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