Brennstoffzelle: galvanische Zelle

Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, bei der Oxidations- und Reduktionsmittel kontinuierlich von aussen zugeführt werden müssen. Hierbei sollst Du Dir merken, dass chemische gebundene Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Brennstoffzellen sind keine Energiespeicher, sondern Energiewandler. Als Nebenprodukt/Verlustenergie entsteht Wärme.

Wasserstoffbrennstoffzelle

Eine Wasserstoff-Brennstoff-Zelle: An einer Seite wird Wasserstoff zugeführt, an der anderen Sauerstoff, nur die $$H^+$$​Ionen können die Membran durchqueren. Die Elektronen wandern über einen elektrischen Leiter zu anderen Zelle. Es fliesst Strom!

Bei der Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle werden die Elektroden kontinuierlich von den beiden Gasen umspült. Wird ein elektrischer Verbraucher angeschlossen, laufen folgende Reaktionen ab:

Oxidation (Minuspol): $$2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O + 2e^-$$​​

​Reduktion (Pluspol) : $$O_2 + 2H_2O + 4 e^− ⟶ 4 OH^−$$

Die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff wird auch als Knallgasreaktion bezeichnet. Die Effizienz einer Brennstoffzelle ist potenziell höher, als die eines Verbrennungsmotors, da die chemische Energie nicht zuerst in Wärme umgewandelt wird. In der Praxis sorgt aber vor allem die Lagerung und der Transport von Wasserstoff für grosse Probleme. Ein Vorteil von Wasserstoff als Brennstoff ist seine hohe Energiedichte. Hast Du gewusst das die meisten Raketen mit Wasserstoff und Sauerstoff betrieben werden?

Speicherung und Transport von Wasserstoff

Speicher lässt sich Wasserstoff schwer, da er so klein ist, kann er leicht durch Materialien hindurch wandern kann (Diffusion). Es muss sehr weit abgekühlt werden, um ihn in flüssiger Form speichern zu können, was zusätzlich viel Energie benötigt.  Entsteht ein Wasserstoff Luft Gemisch, kann es ausserdem zu einer Explosion kommen. Wasserstoff ist entweder gasförmig, flüssig oder in chemisch gebundener Form speicher­bar. Die Speicherung erfolgt heute fast ausschliesslich in Druckbehältern aus Stahl.

Weitere Brennstoffzellen

Einige Brennstoffzellentypen können ausser Wasserstoff auch andere Brennstoffe nutzen, insbesondere Methanol, Butan oder Erdgas.

Anwendungen:

In Fahrzeugen kann eine Brennstoffzelle, in Kombination mit einem Elektromotor, den Verbrennungsmotor ersetzen.

Wasserstoff kann aus erneuerbaren elektrischer Energie hergestellt werden. Jedoch wurden Wasserstoffspeicher wegen der mangelnden Energieeffizienz (Lagerung) von Lithium-Ionen-Batterie ersetzt.

Alternativ zu einer Brennstoffzelle kann der Wasserstoff auch in einem Verbrennungsmotor verbrannt werden. Diese Methode findet jedoch wenig Verwendung, da der Wirkungsgrad mit etwa 30 % hier nicht besser ist, als der eines herkömmlichen Verbrennungsmotors. Elektromotoren hingegen haben einen Wirkungsgrad von bis zu 90 %.

Zu den tragbaren Anwendungen zählen Brennstoffzellen, die in einem kleinen Leistungsbereich arbeiten, meistens unter 100 Watt. In
diesem Leistungsbereich findet man beispielsweise Anwendungen im Campingbereich als kleines Wärme-Notstromaggregat.

Eine Anwendung von Brennstoffzellen im stationären Bereich ist die Kraft-Wärme-Kopplung mit Brennstoffzellenheizungen.
Mit Erdgas wird eine Brennstoffzelle betrieben, die Strom und Wärme erzeugt.