Was ist eine Brennstoffzelle?

Eine Brennstoffzelle ist ein elektrochemisches Energiewandlungssystem, das die chemische Energie eines Brennstoffs (meist Wasserstoff) und eines Oxidationsmittels (Sauerstoff aus der Luft) direkt in elektrische Energie umwandelt. Im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren erfolgt diese Umwandlung ohne Verbrennung – es entstehen lediglich Wasser, Wärme und Strom. Anders als Batterien erzeugen Brennstoffzellen Energie kontinuierlich, solange Brennstoff zugeführt wird, ohne dass sie sich entladen.
 

Funktionsweise einer Brennstoffzelle

Das Grundprinzip basiert auf einer kontrollierten elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff mit den folgenden drei Hauptkomponenten.

1. Anode (Minuspol): Hier wird Wasserstoff zugeführt und in Protonen (H⁺) und Elektronen (e⁻) aufgespalten
2. Elektrolyt: Eine ionenleitende Membran, die nur Protonen durchlässt, Elektronen aber blockiert
3. Kathode (Pluspol): Hier reagieren Sauerstoff, Protonen und Elektronen zu Wasser

 

Arten von Brennstoffzellen

Brennstoffzellen lassen sich nach ihrem Elektrolyt-Typ und ihrer Betriebstemperatur in verschiedene Kategorien einteilen. Zu den Niedertemperatur-Brennstoffzellen gehören die PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) mit 60-80 °C, die vor allem in Fahrzeugen und portablen Systemen zum Einsatz kommt, sowie die DMFC (Direct Methanol Fuel Cell), die Methanol direkt als Brennstoff nutzt und sich für kleine elektronische Geräte eignet. Die AFC (Alkaline Fuel Cell) arbeitet mit einer alkalischen Lösung und erreicht hohe Wirkungsgrade, ist jedoch CO₂-empfindlich und findet hauptsächlich in der Raumfahrt Verwendung.

Bei den Hochtemperatur-Brennstoffzellen ist die PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) mit etwa 200 °C Betriebstemperatur vor allem für die dezentrale Gebäudeversorgung relevant. Die MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) arbeitet bei 600-650 °C mit geschmolzenem Karbonat und eignet sich für industrielle Kraft-Wärme-Kopplung. Die SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) mit keramischem Festelektrolyten erreicht bei 600-1.000 °C die höchsten elektrischen Wirkungsgrade und bietet Brennstoffflexibilität, weshalb sie zunehmend in stationären Anlagen und für maritime Anwendungen eingesetzt wird.

 

Vorteile von Brennstoffzellen

Brennstoffzellen überzeugen vor allem durch ihre Umweltfreundlichkeit und hohe Effizienz. Bei Betrieb mit Wasserstoff entstehen am Einsatzort keinerlei Schadstoffe – lediglich Wasserdampf wird freigesetzt. In Kombination mit grünem Wasserstoff aus erneuerbaren Energien ist die gesamte Energiekette nahezu CO₂-neutral. Der elektrische Wirkungsgrad liegt mit 40-60 % deutlich über dem konventioneller Verbrennungsmotoren, und in Kraft-Wärme-Kopplung lassen sich Gesamtwirkungsgrade von bis zu 85 % erreichen. Dabei arbeiten Brennstoffzellen auch im Teillastbereich effizient.

Ein weiterer Vorteil liegt in den praktischen Betriebseigenschaften: Brennstoffzellen arbeiten nahezu geräuschlos ohne mechanische Vibrationen und ermöglichen im Mobilitätsbereich schnelle Betankungszeiten von nur 3-5 Minuten bei gleichzeitig großen Reichweiten von 500-700 km. Durch ihren modularen Aufbau sind sie flexibel skalierbar und ermöglichen dezentrale Energieerzeugung. Zudem können verschiedene Brennstoffe genutzt werden – neben Wasserstoff auch Methanol oder nach entsprechender Reformierung sogar Erdgas. Diese Vielseitigkeit macht Brennstoffzellen zu einer attraktiven Technologie für unterschiedlichste Anwendungsbereiche.

 

Fazit

Brennstoffzellen stellen eine ausgereifte Schlüsseltechnologie für die Energiewende dar und ermöglichen emissionsfreie Mobilität sowie dezentrale Energieversorgung mit hohen Wirkungsgraden. Ihre größten Stärken liegen in der lokalen Emissionsfreiheit, den kurzen Betankungszeiten und der Eignung für Anwendungen mit hohem Energiebedarf. Während die Technik selbst bereits marktreif ist, bleiben die hohen Systemkosten und die noch unzureichende Wasserstoff-Infrastruktur die zentralen Herausforderungen für eine breitere Marktdurchdringung.

Mit dem fortschreitenden Ausbau der Wasserstoffwirtschaft, sinkenden Produktionskosten durch Skalierungseffekte und zunehmender politischer Unterstützung wird die Brennstoffzelle voraussichtlich eine wichtige Rolle im künftigen Energiemix einnehmen – insbesondere dort, wo batterieelektrische Lösungen an ihre Grenzen stoßen. Dies betrifft vor allem den Schwerlastverkehr, die Schifffahrt, stationäre Langzeitspeicher und industrielle Anwendungen. Die erfolgreiche Etablierung hängt dabei maßgeblich von der Verfügbarkeit kostengünstigen grünen Wasserstoffs ab, der die ökologischen Vorteile der Technologie erst vollständig zur Geltung bringt.