Was sind Niedertemperatur-Brennstoffzellen?

Niedertemperatur-Brennstoffzellen wird von Experten hohes Zukunftspotential zugesprochen: Sie gelten als sauber, effizient und vielseitig nutzbar. Doch was geschieht eigentlich in Niedertemperatur-Brennstoffzellen und für welche Einsatzzwecke eignen sie sich? Der folgende Artikel bringt Ihnen das Funktionsprinzip sowie den aktuellen Stand der Technik näher.

Auch wenn es paradox klingt: In einer Brennstoffzelle entsteht ganz ohne Verbrennungsvorgänge Strom. Die Technologie beruht auf einem chemischen Prozess, den man Oxidation nennt. Der in der Luft enthaltene Sauerstoff (O₂) trifft dabei auf einen Reaktionspartner und wandelt diesen unter Abgabe von Elektronen um - diese Elektronen stellen den für uns nutzbaren Strom dar. Ist der Reaktionspartner Wasserstoff (H), so entsteht als einziges Abfallprodukt Wasser (H₂O). Man spricht auch von "kalter" Verbrennung, anders als in den heute üblichen Verbrennungsmotoren entstehen keinerlei schädliche Abgase.

Aufgebaut ist eine Brennstoffzelle aus zwei Elektroden, einer Anode und einer Kathode, die durch einen Elektrolyten getrennt sind. Man nennt den Elektrolyten auch Ionentauscher, denn er ist für Ionen (geladene Teilchen) durchlässig, nicht aber für elektrischen Strom. Führt man der Anode Wasserstoff zu, so teilen sich Protonen (H⁺) und Elektronen (e^-) voneinander. Während die Elektronen als elektrischer Strom genutzt werden können, fließen die Protonen durch den Elektrolyten zur Kathode und verbinden sich dort mit Luftsauerstoff zu Wasser.

Prinzipiell unterscheidet man Hochtemperatur-Brennstoffzellen und Niedertemperatur-Brennstoffzellen. Erstere benötigen für ihren einwandfreien Betrieb Temperaturen von mindestens 550° Celsius und eignen sich vorwiegend für stationäre Anwendungen. Niedertemperatur-Brennstoffzellen arbeiten dagegen bei vergleichsweise moderaten Temperaturen von 10 bis 220° Celsius. Bisher wurden im Wesentlichen vier Typen entwickelt, die sich durch den eingesetzten Elektrolyten und den Brennstoff unterscheiden:

• Alkalische Brennstoffzelle (AFC): Als Elektrolyt dient eine wässrige Kaliumhydroxidlösung, als Brennstoff wird Wasserstoff eingesetzt.
• Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle (PEFC): Hier dient eine feste Polymer-Membran als Elektrolyt, oxidiert wird Wasserstoff.
• Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC): Diese ebenfalls auf Wasserstoff beruhende Brennstoffzelle verwendet als Elektrolyten hochkonzentrierte Phosphorsäure, die auf einer Trägermembran fixiert ist.
• Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC): Bei diesem Typus kann auf Wasserstoff als Brennstoff verzichtet werden, stattdessen wird Methanol (CH₃OH) verwendet. Diese organische Substanz ist leicht herzustellen und wird schon heute in Industrie und Verkehr vielfältig eingesetzt.

Anders als Verbrennungsmotoren oder Wärme-Kraft-Maschinen wandeln Brennstoffzellen chemische Energie direkt in elektrischen Strom um. Aus diesem Grund erzielt man relativ hohe elektrische Wirkungsgrade von bis zu 55 %. Heute arbeiten Forscher in erster Linie daran, die "Kinderkrankheiten" der Technologie zu kurieren: Die verwendeten Materialien sind noch nicht langlebig genug, die Aufbereitung des Wasserstoffs ist noch sehr aufwendig. Mögliche Anwendungsfelder sind grundsätzlich aber breit gestreut:

• Fahrzeugantrieb: Zahlreiche Automobil-Hersteller forschen derzeit an Antriebssystemen auf Brennstoffzellen-Basis. Insbesondere in Großstädten könnten emissionsfreie Fahrzeuge erheblich zur Verbesserung der Luftqualität beitragen.
• Tragbare Geräte: In tragbaren Elektrogeräten wie Smartphones könnten Brennstoffzellen die heute üblichen Akkumulatoren ersetzen.
• Hausenergieversorgung: Für stationäre Einsätze kommen alle Typen von Brennstoffzellen in Frage. Hochtemperatur-Brennstoffzellen haben hier jedoch den Vorteil, dass auch die Abwärme gezielt genutzt werden kann.