Brennstoffzellen in einfachen Worten

Brennstoffzellen sind eine innovative Technologie, die die Art und Weise der Stromerzeugung weltweit revolutionieren wird. Sie werden als „Batterie der Zukunft“ bezeichnet und sind eine saubere, hocheffiziente Alternative zu herkömmlichen verbrennungsbasierten Systemen wie dem Verbrennungsmotor (ICE).

Was ist eine Brennstoffzelle?

Stellen Sie sich Brennstoffzellen als einen besonderen Batterietyp vor. Das Endziel einer Batterie und einer Brennstoffzelle ist dasselbe: Strom zu erzeugen, um eine Anwendung mit Strom zu versorgen. Der Hauptunterschied zwischen den beiden besteht darin, woher die Energie kommt.

Stellen Sie sich Batterien wie einen vorgefüllten Vorratsbehälter vor. Der Strom ist bereits im Inneren gespeichert, betriebsbereit und benötigt keine zusätzliche Brennstoffquelle.

Brennstoffzellen sind das Gegenteil. Sie speichern Strom nicht – sie erzeugen ihn. Brennstoffzellen erzeugen Strom durch eine chemische Reaktion und wandeln Energie aus einer Brennstoffquelle direkt in elektrische Energie um. Dieser Strom kann dann für den Betrieb seiner Anwendungen verwendet werden.

Beispielsweise stehen Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEM) derzeit im Fokus von Brennstoffzellenfahrzeugen (FCVs). PEM-Brennstoffzellen nutzen Wasserstoff als Brennstoff zur Stromerzeugung. Dieser Strom wird in eine Batterie eingespeist, die dann einen Elektromotor antreibt, der das Fahrzeug in Bewegung setzt.

Teile einer Brennstoffzelle

Während Brennstoffzellen aus mehreren Schichten unterschiedlicher Materialien bestehen, gibt es drei wichtige Teile, die man kennen sollte:
• Elektrolytmembran
• Katalysatorschichten (Anode und Kathode)
• Gasdiffusionsschichten

Diese drei Komponenten bilden die Membran-Elektroden-Einheit (MEA) der Brennstoffzelle. Die MEA wird manchmal auch „das Herz“ der Zelle genannt und ist der Ort, an dem Elektrizität bzw. Energie erzeugt wird. Unabhängig vom Typ verfügt eine Brennstoffzelle immer über eine Anode, eine Kathode und eine Elektrolytmembran. Der Unterschied besteht darin, aus welchem Material die Elektrolytmembran besteht.

Die Elektrolytmembran

Die Membran trennt die beiden Katalysatorschichten. Es fungiert als Gatekeeper der Brennstoffzelle. Seine Aufgabe besteht darin, nur die notwendigen positiv geladenen Teilchen von einer Katalysatorseite zur anderen passieren zu lassen und gleichzeitig den Übergang der negativ geladenen Teilchen zu verhindern. Dieser Komponente verdankt die Brennstoffzelle auch ihren Namen. Eine Brennstoffzelle mit einer Polymerelektrolytmembran wird als PEM-Brennstoffzelle bezeichnet.

Die Katalysatorschichten

Eine Brennstoffzelle besteht aus zwei Katalysatorschichten. Jede Schicht besteht aus einer Elektrodenbeschichtung aus Katalysatormaterial. Die Membran liegt dazwischen. Auf der einen Seite befindet sich eine negative Elektrode (Anode) und auf der anderen Seite eine positive Elektrode (Kathode). Die Anodenschicht nimmt Brennstoff auf und trennt ihn in Protonen und Elektronen. Die Kathodenschicht nimmt Sauerstoff auf und wandelt Sauerstoff, Protonen und Elektronen in Wasser und Wärme um.

Gasdiffusionsschichten (GDLs)

Während Anode und Kathode ihre Aufgabe erfüllen, sitzen die GDLs außerhalb der Katalysatorschichten, um Gase aus dem chemischen Prozess zu diffundieren und Produktwasser zu entfernen. GDLs tragen dazu bei, übermäßige Wasseransammlungen zu verhindern und sorgen für ein Gleichgewicht zwischen Wassereinlagerungen und Wasserabgabe. Zur Aufrechterhaltung der Membranleitfähigkeit ist eine Wasserretention erforderlich, und die Wasserabgabe ist erforderlich, um die Poren der GDLs offen zu halten, damit Wasserstoff und Sauerstoff in die Elektroden diffundieren können.

Diese Grafik veranschaulicht die grundlegende Struktur eines Wasserstoffatoms, dem einfachsten und am häufigsten vorkommenden Element im Universum. Das Atom besteht aus drei Hauptkomponenten: einem einzelnen Proton im Kern, dargestellt als positiv geladene grüne Kugel in der Mitte; ein einzelnes Elektron, dargestellt durch eine negativ geladene blaue Kugel, die den Kern auf einer Kreisbahn umkreist; und der leere Raum um den Kern herum, symbolisiert durch einen transparenten Hintergrund. — Ein Ion ist ein Atom, das eine elektrische Ladung trägt. Ein Wasserstoffatom besteht aus einem positiv geladenen Proton und einem negativ geladenen Elektron. Ein Wasserstoffion entsteht, wenn ein Wasserstoffatom sein Elektron verliert. Eine Brennstoffzelle trennt das Elektron vom Wasserstoffatom und macht es zu einem positiv geladenen Ion.

Wie Brennstoffzellen Strom erzeugen

Innerhalb der Zelle findet eine Reihe chemischer Reaktionen statt, um Elektronen von den Brennstoffmolekülen zu trennen und so Strom zu erzeugen. Bei Wasserstoff wird der Brennstoffzelle auf der Anodenseite Wasserstoffgas zugeführt, während auf der Kathode Sauerstoff zugeführt wird. An der Anode werden Wasserstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespalten. Die positiven und negativen Teilchen wandern dann auf zwei unterschiedlichen Wegen.

Eine einfache Illustration einer Brennstoffzelle mit Anode, Kathode und Elektrolyt.

Die Elektronen wandern zu einem externen Stromkreis, bevor sie zur Kathode gelangen. Im externen Stromkreis entsteht ein Stromfluss. Die positiven Teilchen gelangen durch die Membran zur Kathode. Dort vereinigen sich die Protonen wieder mit den Elektronen und reagieren mit Sauerstoff zu Wasser und Wärme.

Warum Brennstoffzellen als Alternative zum Verbrennungsmotor?

Das Fehlen einer Verbrennung ist ein großes Verkaufsargument für die Investition und Einführung von Brennstoffzellentechnologien. Während Verbrennungsmotoren und herkömmliche Kraftwerke eine Verbrennung benötigen, um Kraftstoff in Energie umzuwandeln, ist dies bei einer Brennstoffzelle nicht der Fall. Es wandelt den Brennstoff durch einen nicht verbrennenden elektrochemischen Prozess in Elektrizität um. Da keine Verbrennung stattfindet, sind mit der elektrischen Leistung keine schädlichen Emissionen verbunden. Die einzigen Nebenprodukte sind reines Wasser und Wärme.

Da sie sauberen Strom für verschiedene Anwendungen bereitstellen können, wenden sich Industrien der Brennstoffzelle zu, um Technologien einzuführen, mit denen sie ihre Emissionsziele erreichen können. Brennstoffzellen treiben die kommerzielle Transportindustrie bereits voran, indem sie schwere Lastkraftwagen, Busse, Züge und Seeschiffe antreiben. Auch Industrien, Versorgungsunternehmen und Institutionen wie Rechenzentren, Krankenhäuser und Universitäten setzen auf Brennstoffzellen. Zu diesen stationären Anwendungen gehören Notstromversorgung, Spitzenlastausgleich sowie tragbare und Hilfsstromerzeugung.

Da die Klimakrise in aller Munde ist, sind die Industrien bestrebt, auf umweltfreundlichere Energielösungen umzusteigen. Brennstoffzellen sind eine vielversprechende Lösung, werden aber nicht umsonst als „Batterie der Zukunft“ bezeichnet. In den letzten 20 Jahren wurden Fortschritte erzielt, und es sind weitere Fortschritte erforderlich, bevor brennstoffzellenbetriebene Sattelschlepper über jede Autobahn fahren. Aber wir bei Accelera™ by Cummins sind zuversichtlich, dass wir es schaffen werden. Wir investieren aktiv in PEM-Brennstoffzellen für den Transport von Nutzfahrzeugen und die stationäre Stromversorgung, da wir davon überzeugt sind, dass sie eine wichtige Lösung sind, die den Übergang zu null Emissionen beschleunigen wird.

Schließlich haben Brennstoffzellen 1969 dazu beigetragen, die ersten Menschen auf den Mond zu schicken. Wenn die NASA das also kann, warum können wir das nicht?

Möchten Sie reale Beispiele von Brennstoffzellen in Aktion sehen? Schauen Sie sich diese Demonstrationsprojekte an: