Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen

Die Frage „Was passiert eigentlich in einer Brennstoffzelle?“ kann ganz knapp beantwortet werden:

Die Elektrolyse wird umgekehrt.

Bei der Elektrolyse wird Wasser (H₂O) mithilfe von Strom in seine Bestandteile Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) gespalten. Die Elektrolyse wurde beim Thema Wasserstoffherstellung in Kapitel 4 beschrieben. Dort wird von der Auftrennung (Spaltung) von Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gesprochen. Wird dieser Vorgang umgekehrt, entstehen bei der Vereinigung von Wasserstoff und Sauerstoff nur Strom, Wärme und Wasser.

Wasserstoff ist von sich aus bestrebt, zusammen mit Sauerstoff zu Wasser zu reagieren. Dabei wird Energie abgegeben (exotherme Reaktion). Wenn genau zwei Teile Wasserstoff ungesteuert mit einem Teil Sauerstoff reagieren, wird diese Reaktion auch als Knallgasreaktion bezeichnet. Vielen ist dieser Prozess aus dem Schulunterricht vertraut, weil er dort häufig anhand eines lauten Knalles veranschaulicht wird und dadurch besonders gut in Erinnerung bleibt.

Im Inneren einer Brennstoffzelle befindet sich keine Zündquelle. Da Wasserstoff und Sauerstoff durch einen Elektrolyten voneinander getrennt sind, reagieren beide Gase nur indirekt miteinander. Es gibt keinen Knall und auch keine Flamme – die Oxidation verläuft unsichtbar. Weil zudem die Reaktionstemperatur vergleichsweise niedrig liegt, spricht man auch von einer kalten Verbrennung.

Ebenso wie es verschiedene Formen der Elektrolyse gibt, gibt es unterschiedliche Brennstoffzellentypen. Sie unterscheiden sich hinsichtlich des Elektrolytmaterials, der Arbeitstemperatur und der Anwendungsbereiche. Bei dem in Abbildung 34 dargestellten Schema handelt es sich um eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEM), wobei PEM gleichzeitig auch für die englische Bezeichnung Proton Exchange Membrane (Protonenaustauschmembran) steht. Die PEM-Brennstoffzelle ist zurzeit die am weitesten verbreitete Variante. Deswegen wird sie an dieser Stelle exemplarisch für alle andere beschrieben. Sie ist die Umkehrung der PEM-Elektrolyse.

Abb. 34: Funktionsweise einer PEM-Brennstoffzelle
2. Auflage, S. 134, Abb. 32

Das Herz einer PEM-Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden, der Anode (Pluspol) und der Kathode (Minuspol), die durch eine ionendurchlässige Polymermembran, den Elektrolyten, getrennt sind. Dieser Elektrolyt ähnelt vom Aussehen einer Folie für Overhead-Projektoren.

Die Membran ist gasdicht, so dass Wasserstoff und Sauerstoff nicht direkt miteinander reagieren können. Außerdem ist sie für Elektronen nicht passierbar, also elektrisch isolierend. Für Protonen (Wasserstoffionen) ist sie dagegen durchlässig, obwohl diese größer sind als die Elektronen. Als Elektrolytmaterialien kommen wegen des aggressiven sauren Milieus nur wenige Materialien in Frage, was einen vergleichsweise hohen Materialpreis zur Folge hat.

Die Elektroden weisen eine hohe Porosität auf, damit eine große Oberfläche für die elektrochemischen Umsetzungen zur Verfügung steht. Sie sind mit einer dünnen, katalytisch wirkenden Edelmetallschicht überzogen. Als Katalysatormaterialien werden meist Platin oder Platinlegierungen verwendet, da die Membran stark sauren Charakter aufweist (vergleichbar mit Schwefelsäure) und niederwertige Metalle angreifen würde.

Die Reaktionsmedien werden durch Graphitplatten (Bipolarplatten) zugeführt, in die feine Gänge gefräst oder gestanzt sind. Durch diese Gänge, das sogenannte Flow-field, wird auf der einen Seite Wasserstoff und auf der anderen Seite Luft beziehungsweise Sauerstoff zugeführt. Auf der Anodenseite muss die Membran befeuchtet und auf der Kathodenseite das Reaktionsprodukt Wasser entfernt werden. Gleichzeitig muss die Wärme aus dem Stapel abgeführt und so weit wie möglich nutzbar gemacht werden. Außerdem muss der erzeugte Strom ohne nennenswerte Verluste abgeleitet werden.

Abb. 35: Medienzufuhr und -abfuhr an einer einzelnen Brennstoffzelle
2. Auflage, S. 136, Abb. 33

Der an der Anode zugeführte Wasserstoff teilt sich mithilfe des Katalysators in Elektronen (negative Ladungsträger) und Protonen (positive Wasserstoffionen). Die Protonen diffundieren durch die Elektrolytmembran zur Kathode. Die negativ geladenen Elektrolytionen (Anionen) leiten das positive Wasserstoffion (Kation) weiter, wobei die Ionen selbst ortsfest bleiben. Die negativen Elektronen hingegen werden von den Anionen abgestoßen. Sie können daher die Elektrolytmembran nicht passieren.

Zwischen Kathode und Anode baut sich so eine Spannung (Potenzialunterschied) auf: An der Kathode sammeln sich die Protonen, an der Anode die Elektronen. Verbindet man diese beiden Elektroden nun mit einem Leiter, fließen die Elektronen durch diesen außen um die Einzelzelle herum von der Anode zur Kathode – es fließt Strom. Schaltet man einen Verbraucher (z. B. einen Elektromotor) in den äußeren Stromkreis zwischen die beiden Elektroden, wird dieser angetrieben.

An der Kathode angekommen rekombinieren schließlich die O₂-Ionen aus der Luft, die Elektronen aus dem Stromkreislauf sowie die durch die Membran diffundierten Protonen zu Wasserdampf. Dabei geben sie Wärme ab. Die Endprodukte der elektrochemischen Vorgänge in einer Brennstoffzelle sind demnach Gleichstrom, Wärme und Wasser beziehungsweise Wasserdampf.

Jede einzelne Brennstoffzelle erzeugt je nach Bauart unter Last etwa 0,7 Volt, die maximale Spannung liegt etwa bei 1,2 Volt. Die Stromstärke hängt von der Fläche der Zelle ab und unterscheidet sich auch etwas je nach Brennstoffzellentyp. Die Größenordnung liegt um 1 Ampere pro cm², so dass sich bei einer 10 x 10 cm großen Zelle ein Strom um 100 Ampere und eine Leistung um etwa 100 Watt ergibt. Erst viele in Reihe geschaltete Zellen, die gemeinsam als Stacks (engl. Stapel) bezeichnet werden, liefern eine für größere Anwendungen brauchbare Spannung und Leistung. Ein Stack kann bis zu 200 dicht aneinander liegende Brennstoffzellen enthalten. Für sie gilt:

• Die Anzahl der Zellen innerhalb des Stacks bestimmt die Spannung.
• Die Größe der Membranfläche bestimmt die Stromstärke.
• Die Größe des Brennstoffzellen-Stacks bestimmt die Leistung.
• Die Größe des Brennstoffreservoirs bestimmt die Betriebsdauer.

Abb. 36: BZ-Stacks bestehen aus vielen Einzelzellen
Stacks.jpg
Quelle: Proton Motor

Im Gegensatz zum Stromnetz liefert die Brennstoffzelle also zunächst Gleichstrom, der obendrein noch eine niedrige Spannung und eine hohe Stromstärke hat. Damit dieser von handelsüblichen Geräten genutzt oder ins Netz eingespeist werden kann, muss er mit einem Wechselrichter in Wechselstrom (in Europa: 230 Volt, 50 Hz) umgewandelt werden. Moderne Wechselrichter erfüllen dabei auch verschiedene Sicherheitsansprüche sowohl für das Stromnetz als auch für das lokale Hausnetz.

Der Geräuschpegel von Brennstoffzellen ist sehr niedrig, da sie selbst über keinerlei bewegliche Teile verfügen. Lediglich Nebenaggregate wie Pumpen und Gebläse erzeugen Geräuschemissionen. Die Platzierung von BZ-Anlagen in unmittelbarer Nähe des Verbrauchers ist demzufolge kein Problem. Der geringe Anteil bewegter Komponenten bietet zudem den Vorteil eines geringen Wartungsbedarfs. Auf der Kathodenseite kann es jedoch durch den anwesenden Sauerstoff zu Oxidationserscheinungen kommen, die die Lebensdauer negativ beeinflussen.