Wasserstoff Brennstoffzelle

Brennstoffzellen funktionieren nach demselben Prinzip wie Batterien. An Anode und Kathode laufen Oxidations- und Reduktionsreaktionen ab, wobei Energie in Form einer Spannungsdifferenz frei wird. Im Gegensatz zu Batterien sind Brennstoffzellen jedoch nur Energiewandler. Gespeichert ist die Energie im Brennstoff Wasserstoff, der in der Brennstoffzelle mit Sauerstoff zu Wasser oxidiert wird.

Die erste Brennstoffzelle wurde Mitte des 19. Jahrhunderts von Christian Friedrich Schönbein entwickelt. Als Energiequellen praktisch eingesetzt werden Brennstoffzellen erst seit etwa 60 Jahren. Aufgrund der hohen Kosten waren erste Einsatzgebiete vor allem der militärische Bereich und die Raumfahrt. Sinkende Kosten, aufgrund einer zunehmend kommerziellen Nutzung, eröffnen jedoch auch immer mehr Einsatzmöglichkeiten im zivilen Bereich.

Aufgebaut ist eine Brennstoffzelle aus zwei Kammern, die durch eine elektrisch leitfähige Membran getrennt sind. Jede Kammer enthält eine Elektrode, die aus mit katalytischem Material beschichtetem Metall oder Kohlenstoff besteht.

Je nach Elektrolytflüssigkeit laufen in einer Brennstoffzelle mit Wasserstoff unterschiedliche Reaktionen ab.

Im sauren Bereich werden an der Anode Wasserstoffmoleküle zu Protonen, bzw. Hydroniumionen oxidiert, wobei Elektronen an die Elektrode abgegeben werden.

An der Anode werden Sauerstoffmoleküle reduziert und mit den Protonen/Hydroniumionen entsteht Wasser.

Bei einem alkalischen Elektrolyt wird Wasserstoff in Gegenwart von Hydroxidionen zu Wasser oxidiert, wobei ebenfalls Elektronen abgegeben werden.

Unter Elektronenaufnahme erfolgt die Reduktion von Sauerstoff mit Wasser zu Hydroxidionen.

In beiden Fällen ist die Gesamtreaktion in der Brennstoffzelle mit Wasserstoff und Sauerstoff jedoch gleich: Aus zwei Molekülen Wasserstoff und einem Molekül Sauerstoff entstehen zwei Moleküle Wasser.

Die Spannung, die von einer einzelnen Wasserstoff Brennstoffzelle gewonnen werden kann liegt in der Praxis bei unter einem Volt. Um höhere Werte zu erreichen werden daher mehrere Brennstoffzellen zu sogenannten Stacks zusammengeschaltet.

Der Wirkungsgrad liegt je nach Typ bei 40-60% und damit deutlich höher als etwa der von Verbrennungsmotoren. Brennstoffzellen mit Wasserstoff werden daher als mögliche Antriebsalternativen in Autos getestet. Größtes Problem ist dabei die Lagerung des Brennstoffs Wasserstoff. Alternativ zu in flüssiger Form getanktem Wasserstoff wird Methanol als Wasserstoffquelle eingesetzt. Der Alkohol hat dabei den Vorteil, wesentlich leichter in Tanks gelagert und industriell hergestellt werden zu können.