Das Grundprinzip
Zunächst machen wir uns das Grundprinzip einer einfachen Brennstoffzelle mit einem einfachen Versuch klar:
Wir elektrolysieren Wasser (oder Kalilauge KOH) mit zwei Graphit-Elektroden für ca. 10 Minuten, dann ersetzen wir die Gleichspannungsquelle durch einen Voltmeter.
Ein ähnliches Verfahren haben wir bereits bei anderer Gelegenheit kennengelernt, zum Beispiel bei dem Zink-Iod-Akkumulator.
Durch die Elektrolyse haben wir in unserem kleinen Versuch eine Sauerstoff- und eine Wasserstoff-Halbzelle erzeugt. Die Sauerstoff-Halbzelle besteht aus dem Graphitstab als Elektronenleiter und einer Schicht von Sauerstoff-Bläschen, und die Wasserstoff-Halbzelle setzt sich aus dem anderen Graphitstab und einer Schicht von Wasserstoff-Bläschen zusammen.
Nun könnte man vielleicht denken, Brennstoffzellen sind nichts anderes als besondere Akkumulatoren, die auf Wasser-Basis arbeiten. Weit gefehlt!
Eine Brennstoffzelle ist kein Akkumulator, sondern lediglich ein Energiewandler.
Die benötigte Energie - der Brennstoff - muss von außen kontinuierlich zugeführt werden, zum Beispiel in Form von Wasserstoff, Methan oder Methanol. Ein Akkumulator dagegen bringt seinen "Brennstoff" mit, in Form von Blei, Schwefelsäure, Zink, Lithium oder Ähnlichem. Dieser "Brennstoff" wird beim Entladen aufgebraucht und muss dann beim Aufladen wieder regeneriert werden. Eine Brennstoffzelle muss nicht wieder aufgeladen werden, da sie keinen Brennstoffvorrat hat, den sie aufbraucht, sondern nur den ständig zugeführten Brennstoff in elektrische Energie umwandelt.
Brennstoffzellen
Der Vorteil einer solchen Brennstoffzelle ist klar: Aus Wasserstoff und Sauerstoff wird Wasser und viel Energie erzeugt - saubere Energie, könnte man sagen.
Die Energie, die bei dieser exothermen Reaktion schlagartig frei wird, wenn man sie als Knallgasreaktion im Reagenzglas ablaufen lässt, wird bei der Brennstoffzelle als elektrische Energie genutzt; man erhält dann eine Spannung von ca. 1,2 Volt.
Brennstoffzellen gelten als leicht, leise und umweltfreundlich; zumindest dann, wenn der Brennstoff umweltfreundlich erzeugt wurde. Sie werden daher gerne in Fahrzeugen eingesetzt, in größerem Maßstab aber auch in der Haustechnik und in Heizkraftwerken. Ein weiterer Vorteil der Brennstoffzellen gegenüber Batterien und Akkumulatoren: Sie haben einen extrem hohen Wirkungsgrad von nahezu 80%.
Brennstoffe
Wasserstoff
Wasserstoff ist wohl der bekannteste Brennstoff für Brennstoffzellen. Wie gewinnt man die großen Mengen Wasserstoff, die man für den Betrieb braucht?
Gewinnung von Wasserstoff durch Elektrolyse
Im Prinzip könnte man Wasser elektrolysieren, aber das wäre ja eigentlich unsinnig. Man würde Strom einsetzen, um Wasserstoff zu gewinnen, aus dem man dann wieder Strom gewinnt. Bei näherer Betrachtung allerdings macht dieses Verfahren sogar Sinn: Jede Menge Windkraftanlagen stehen heute in der Bundesrepublik herum, und wenn es mal stürmisch ist, produzieren diese Anlagen Strom im Überschuss, die Kraftwerksbetreiber wissen oft gar nicht, wohin mit dem vielen Strom. Hier könnte man Wasserstoff als Zwischenspeicher einsetzen und dann in windstillen Zeiten damit Brennstoffzellen betreiben.
Gewinnung von Wasserstoff aus Methan
Eine andere Möglichkeit zur Gewinnung von Wasserstoff sind chemische Prozesse wie die Umsetzung von Methan mit Wasser zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff:
Und selbst das Kohlenmonoxid kann noch einmal zur Wasserstoff-Gewinnung eingesetzt werden:
Gewinnung von Wasserstoff aus nachwachsenden Rohstoffen oder Biomüll
Die Biologen sind in letzter Zeit dabei, mit Hilfe biochemischer Verfahren Wasserstoff aus Biomüll oder Wasserstoff aus nachwachsenden Rohstoffen zu gewinnen.
Lagerung und Transport von Wasserstoff
Allerdings ist die Lagerung von Wasserstoff recht aufwendig, vor allem, weil Wasserstoff ein sehr leicht flüchtiges und zudem auch noch sehr explosives Gas ist.
Methanol
Eine Alternative zu Wasserstoff ist Methanol bzw. Methylalkohol, der leicht aus nachwachsenden Rohstoffen erzeugt werden kann. Allerdings ist dieses Verfahren politisch umstritten, da man die riesigen Landflächen, die für die Gewinnung von diesen Rohstoffen benötigt werden, besser für die Ernährung hungernder Menschen einsetzen könnte.
Methanol hat gegenüber Wasserstoff den großen Vorteil, dass es flüssig gelagert werden kann; es muss nicht wie Wasserstoff unter hohem Druck verflüssigt werden (und explodiert auch nicht so leicht).
Aufbau und Funktionsweise von Brennstoffzellen
Ich denke, auf anderen Webseiten sind der Aufbau und die Funktionsweise von Brennstoffzellen schon sehr gut beschrieben, daher würde ich an dieser Stelle einfach mal auf die externen Links verweisen:
- Brennstoffzelle (Chemgapedia)
- Brennstoffzelle (Wikipedia)
- Funktionsprinzip (Netzwerk Brennstoffzelle und Wasserstoff NRW)