Wissenswertes zu Brennstoffzellen

Brennstoffzellensysteme erzeugen elektrische Energie aus Wasserstoff und Sauerstoff. Sie werden sowohl stationär als auch mobil für die netzunabhängige Stromversorgung diverser elektrischer Verbraucher eingesetzt. Im Privatbereich sind Brennstoffzellen für die Nutzung elektrischer Geräte unterwegs zum Beispiel in Wohnmobilen, auf Booten, in Gartenhäusern oder auf Campingplätzen interessant.
Die Brennstoffzelle gilt als Technologie der Zukunft. Zu den weiteren Einsatzbereichen gehören Heizanlagen und Kraftantriebe für Fahrzeuge, Schiffe, Flugzeuge und Weltraumraketen.

Wie funktionieren Brennstoffzellen?

Brennstoffzellen erzeugen elektrische Energie aus Wasserstoff. Sie arbeiten wartungsfrei und sind ganzjährig nutzbar.
Im Gegensatz zu Batterien und Akkumulatoren sind Brennstoffzellen keine Energiespeicher, sondern Energiewandler. Das heißt, sie generieren elektrischen Strom vor Ort erst dann, wenn er gebraucht wird. Dadurch erreichen sie hohe Wirkungsgrade.

Bei Brennstoffzellen handelt es sich um eine zukunftsweisende und effiziente Form der Energieerzeugung, da sie ortsunabhängig Strom erzeugen können. Durch die Vor-Ort-Erzeugung entfallen Wirkungsverluste, die bei Batterien und Akkumulatoren durch die zweifache Umwandlung von elektrischer zu chemischer Energie und zurück zwangsläufig zu verzeichnen sind. Zudem entfallen beim Einsatz von Brennstoffzellen die Energieverluste durch längere Speicherung und damit einhergehende Selbstentladung von Batteriezellen.

Außerdem sind Brennstoffzellen umweltfreundlich. Die Umwandlung von Wasserstoff und Sauerstoff in elektrische Energie erfolgt emissionslos. Als Restprodukte generiert die Wasserstoff-Brennstoffzelle nur Wasser und Wärme. Bei dem chemischen Umwandlungsprozess handelt es sich um eine kalte Verbrennung. Diese geringe Hitzeentwicklung ist aus Sicherheitsgründen für viele Anwendungsbereiche interessant.

 Der Aufbau einer Brennstoffzelle ist relativ simpel:

  • Zwei Elektroden, die Anode und die Kathode, sind durch eine Membran (Elektrolyt) voneinander getrennt.
  • Auf der einen Seite strömt Wasserstoff ein, auf der anderen Sauerstoff.
  • Wasserstoff besteht als chemisches Element aus zwei Elektronen und zwei Protonen. Diese werden getrennt und gehen in der Brennstoffzelle unterschiedliche Wege:
    • Die Protonen gelangen durch die Membran direkt auf die Seite mit dem einströmenden Sauerstoff.
    • Die Elektronen nehmen den Umweg über den angeschlossenen Stromkreis. Dadurch fließt Strom und die Brennstoffzelle gibt elektrische Energie an elektrische Verbraucher (zum Beispiel die Glühbirne in Abbildung 1) weiter.
    • Wenn die Elektronen schließlich auf der Sauerstoffseite bei den Protonen ankommen, entsteht aus Wasserstoff-Protonen zusammen mit den -Elektronen und dem Sauerstoff ungefährliches Wasser.

Info: Die chemische Gesamtgleichung für die Reaktionen in der originären Wasserstoff-Brennzelle* ist:

2 H2 + O2   -> 2 H2O

* Bei verschiedenen Typen von Brennstoffzellen wird die Grundgleichung zum Teil durch Zusatzstoffe etwas abgewandelt. Für eine Direkt-Methanol-Brennstoffzelle beispielsweise lautet die Gleichung 2 CH3OH + 3 O2  -> 4 H2O + 2 CO2, es entsteht also etwas Kohlendioxid.
Die Spannung im Stromkreis beträgt bei einer reinen Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle ungefähr 1,2 Volt. Durch Reihenschaltung der Zellen lassen sich größere Spannungen erzeugen. Dazu werden die Brennstoffzellen „gestapelt“. Die leistungsstarke Formation aus mehreren, hintereinander geschalteten Brennstoffzellen nennt sich Stack. Stack kommt aus dem Englischen und bedeutet Stapel oder Stapelspeicher.

Praxiswissen: Ein Brennstoffzellen-Stack besteht aus mehreren einzelnen Brennstoffzellen, die zusammengeschaltet mehr elektrische Leistung erbringen können sowie eine höhere elektrische Spannung ermöglichen. Sprachlich redet man oft von einer Brennstoffzelle, meint aber eigentlich eine Funktionseinheit aus mehreren, kleinen Energiewandlern.

Wozu werden Brennstoffzellen verwendet?

Für private Anwender gibt es derzeit Brennstoffzellen mit einer Nennspannung von 12 oder 24 V. Das reicht für das Aufladen einer Kfz-Batterie oder aber für die direkte Versorgung elektronischer Verbraucher an Bord eines Wohnmobils, eines Schiffs und an sonstigen mobilen Einsatzorten.
Tipp: Auch in Kleingartenkolonien leisten Brennstoffzellen gute Dienste, denn Sie sind ganzjährig verwendbar und überbrücken dadurch eventuelle Generalstromunterbrechungen in den Wintermonaten.

Welche Brennstoffzellen gibt es im Shop?

In unserem Shop finden Sie Membranbrennstoffzellen sowie Direkt-Methanol-Brennstoffzellen.
Heutzutage frei erhältliche Brennstoffzellen für den mobilen Betrieb erzeugen elektrischen Strom für Verbraucher mit Kleinspannung zwischen 12 und 24 V. Beispielsweise können Sie mit einer Brennstoffzelle Handys und Laptops laden, Fernseher und Radios betreiben oder eine Flutlichtlampe mit Strom versorgen. Sowohl die Werte für Stromspannung als auch die elektrische Leistung der angeschlossenen Geräte muss mit den elektrischen Parametern der Brennstoffzelle kompatibel sein. Diese Leistung beträgt bei Brennstoffzellen für den Kleinspannungsbereich derzeit circa 40 bis 380 Watt, was angesichts des Trends hinzu energiesparenden Kleingeräten für eine Vielzahl von elektrischen Anwendungen einsetzbar ist.
Übrigens: Die Ladungsmenge von Brennstoffzelle wird in Amperestunden (Ah) angegeben. Die Ladekapazität pro Tag kann entsprechend durch den Quotienten 24 in die verfügbare Stromstärke umgerechnet werden.

Membranbrennstoffzellen (PEMFC = Proton Exchange Membrane Fuel Cell)

Membranbrennstoffzellen erzeugen elektrische Energie CO2-neutral. Im Betrieb sind diese Brennstoffzellen sehr leise im Vergleich zu Diesel-Aggregaten und ähnlichen Alternativen für die ortsunabhängige Stromerzeugung.
Für den Betrieb einer Membran-Brennstoff-Zelle benötigen Sie nur eine Wasserstoff-Flasche.
Die Wasserstoff-Brennstoffzelle kann in bestehende Energiesysteme integriert werden
. Durch den optionalen Anschluss von Bleiakkumulatoren, wie beispielsweise einer Fahrzeugbatterie, haben Sie die Möglichkeit von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie für eine spätere Nutzung zwischen zu speichern.

Abbildung: Funktionsschema einer Membran-Brennstoffzelle (PEMFC)

Direkt-Methanol-Brennstoffzellen (DMFC = Direct Methanol Fuel Cell)

Direktmethanol-Brennstoffzellen wandeln bei der Erzeugung elektrischer Energie Methanol und Sauerstoff in die Ausgangsprodukte Wasser und Kohlendioxid um. Die chemische Gleichung für die Reaktion in der Direktmethanol-Brennstoffzelle lautet:

2 CH3OH + 3 O2  -> 4 H2O + 2 CO2

Der Anteil entstehenden CO2 ist nicht sonderlich hoch, dennoch sollten Räume häufiger gelüftet werden, wenn die Methanol-Brennstoffzelle arbeitet. Auch diese Brennstoffzellen sind leise im Betrieb und platzsparend verwendbar.

Für den Betrieb einer Direktmethanol-Brennstoffzelle benötigen Sie Methanol und gelegentlich etwas Service-Fluid.
Hinweis
: Das benötigte Methanol darf leider nicht online versandt werden. Sie erhalten es aber in unseren Conrad-Filialen vor Ort. Methanol darf nur volljährige Kunden abgegeben werden.

Abbildung: Funktionsschema einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle

Technologischer Fortschritt: Die Zukunft gehört den Brennstoffzellen!

Die Vorteile der Brennstoffzelle sind:

  • einfacher Aufbau
  • emissionsfreier, leiser Betrieb
  • Wandlungsfähigkeit der erzeugten elektrischen Energie zum Laden von Akkus
  • ortsunabhängige Einsatzmöglichkeiten.

Diese Vorteile lassen erahnen, dass sich diese Technologie in Zukunft gegenüber herkömmlichen Formen der Stromerzeugung und insbesondere auch bei Mobilitätsanwendungen durchsetzen wird.

Neben Membranbrennstoffzelle (PEMFC = Proton Exchange Membrane Fuel Cell) und Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC = Direct Methanol Fuel Cell) gibt es noch weitere Arten von Brennstoffzellen:

  • Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC = Solid Oxid Fuel Cell)
  • Alkalische Brennstoffzelle (AFC = Alkaline Fuel Cell)
  • Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC = Phosphor Acid Fuel Cell)
  • Schmelzcarbonat-Brennstoffzelle (MCFC = Molten Carbonate Fuel Cell)

Bei einigen dieser Brennstoffzellen sind die chemischen Reaktionen mit hohen Temperaturen verbunden.

Bereits erprobte Anwendungsgebiete sind:

  • PKWs als Hybride mit Brennstoffzell-Antrieb
  • erneuerbare Energien in Form von Solarmodulen und Brennstoffzell-Heizgeräten mit Wärmerückgewinnung
  • Antriebe aller Art, für Bodenfahrzeuge, Schiffe, Flugzeuge und unter anderem auch für Weltraumraketen

Heute handelt es sich dabei um Nischenprodukte, aber der Trend für die Brennstoffzelle zeigt aufwärts.

Die Mankos, an denen die Verbreitung der Brennstoffzellen-Technik (aktuell noch) hakt sind:

  • Für eine großflächige Anwendung müssten zunächst Wege gefunden werden, Wasserstoff in großen Mengen herzustellen. Einige interessante Ansätze gibt es hier bereits, die zum Teil mit rückgewonnenen Energien aus anderen Antriebstechniken arbeiten.
  • Heutige Brennstoffzellen sind noch zu teuer für den Massenmarkt, im Vergleich zum Beispiel zu Lithium-Ionen-Akkus.

Insgesamt bedarf es noch einiger Forschung auf diesem Gebiet. Dennoch hat diese Technologie, was den ökologischen Fußabdruck und die Umweltfreundlichkeit angeht klar die Nase vor. Es lohnt sich also das interessante Thema Brennstoffzellen und ihre fortdauernde Entwicklung gespannt mitzuverfolgen.

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