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Wirkprinzip einer Brennstoffzelle

Woher kommt der Wasserstoff?
Beim Betrieb von Brennstoffzellen mit reinem Sauerstoff und reinem Wasserstoff entsteht als einziges Abfallprodukt nur reines Wasser. Wasserstoff ist ein relativ teures Gas, weil es erst aus anderen Substanzen gewonnen werden muss. Die Brennstoffzellen stellen je nach Typ sehr unterschiedliche Anforderungen an die Reinheit der zugeführten Gase. Vor allem die Niedertemperaturbrennstoffzellen können durch bestimmte Verunreinigungen nachhaltig beeinträchtigt werden.
Meist wird Wasserstoff aus Erdgas oder Biogas gewonnen, dieser Prozess wird auch Reformierung genannt. Die Reformierung setzt Kohlendioxid und ebenso Schadstoffe frei, die den bereits erwähnten Vorteil von Brennstoffzellen relativieren. Außerdem werden aus dem erzeugten Wasserstoff Schadstoffe gefiltert beziehungsweise entfernt, die die Brennstoffzelle schädigen könnten.
Wasserstoff kann völlig ohne Schadstoffproduktion aus der elektrischen Zerlegung von Wasser (Elektrolyse) gewonnen werden. Elektrische Überschussenergie kann in Form von Wasserstoff gespeichert werden, um durch die Brennstoffzellen zum gewünschten Zeitpunkt wieder in elektrische Energie gewandelt zu werden.

Elektrochemische Energie-Gewinnung
Es gibt unterschiedliche Brennstoffzellentypen, die vom Wirkprinzip her ähnlich sind. Bei der überwiegenden Zahl wird Wasserstoff als Brennstoff eingesetzt. Vom Prinzip her ist die Brennstoffzelle die Umkehrung der Elektrolyse, bei der durch den Einsatz von Strom Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird.
Eine Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden und einem Elektrolyten, der nur für eine bestimmte Sorte von Ionen leitfähig ist. Die Elektroden sind über einen äußeren Stromkreis elektrisch verbunden. Beispielsweise wird nun bei den Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) Wasserstoff an der Anode (positive Elektrode) vorbeigeführt, wo sich das Wasserstoffmolekül in zwei Wasserstoffatome (Protonen, daher der Name !) teilt und dabei Elektronen abgibt.

Die aus der Spaltung entstandenen Wasserstoffionen wandern zur Kathode (negative Elektrode), an der sie mit Sauerstoff zu Wasser oxidieren. Dazu werden die an der Anode frei gewordenen Elektronen benötigt, die über den äußeren Stromkreis zugeführt werden, weil sie nicht durch den Elektrolyten gelangen können. Auf diese Weise wird elektrischer Gleichstrom produziert. Außerdem entsteht durch den Betrieb der Brennstoffzelle auch Wärme, die weiter genutzt werden kann.

Pakete von Zellen schaffen Power
Will man technisch nutzbare Energie gewinnen, müssen Einzelzellen in Serien zusammen geschaltet werden. So entstehen sandwichartige Zellenstapel, die auch Stacks genannt werden. Solche Stacks erreichen je nach Zellentyp Spannungen von bis zu 200 Volt.
Außerdem zeichnen sich Brennstoffzellen dadurch aus, dass sie schwankende Belastungen gut verkraften. Ihr maximaler Wirkungsgrad ist bereits bei halber Volllast erreicht. Brennstoffzellen können sich so wesentlich besser den Schwankungen des Strombedarfs anpassen als beispielsweise Wärmekraftmaschinen, die erst bei Volllast ihre ganze Effizienz entfalten.

Klassifizierung nach Elektrolytentyp
Es gibt viele unterschiedliche Typen von Brennstoffzellen. Man unterscheidet Brennstoffzellen grundsätzlich nach Art der Elektrolyten, wodurch sich Unterschiede in der Arbeitstemperatur und den verwendeten Materialien bei den Elektroden ergeben.

Zu den Niedertemperatur-Brennstoffzellen – die ausschließlich mit Wasserstoff als Brennstoff betrieben werden – zählen:

Alkalische Brennstoffzelle (AFC)

Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC), wird auch Polymer-Elektrolyt-Brennstoff-Zelle genannt und aufgrund ihrer universellen Einsetzbarkeit und der einfachen Technik derzeit favorisiert

Phosphorsäure Brennstoffzelle (PAFC)

Hochtemperatur-Brennstoffzellen sind auch für den direkten Einsatz von Erdgas oder Kohlegas geeignet, weil diese durch die hohe Betriebstemperatur das Brenngas selbst aufspalten:

Karbonatschmelze-Brennstoffzelle (MCFC)
Oxidkeramik-Brennstoffzelle (SOFC)

Eine Sonderrolle nehmen die Direkt Methanol-Brennstoffzellen (DMFC)
ein, die bei Zimmertemperatur nicht Wasserstoff, sondern Methanol als Brennstoff nutzen können. Diese Zellen erscheinen insbesondere als Alternative zum Betrieb von mobilen elektronischen Geräten (Laptop, Camcoder) geeignet.

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