Eine Brennstoffzelle (Fuel Cell, FC) ist ein technisches Gerät, das als elektrochemischer Energiewandler Wasserstoff ohne Verbrennung direkt in elektrische Energie umwandelt. Die Brennstoffzelle gilt aufgrund ihrer Effizienz und Vielseitigkeit als vielversprechende Technologie für unterschiedliche Anwendungen. Es gibt zwei Hauptarten von Brennstoffzellen: stationäre und mobile.
Aufbau
Der Aufbau einer Brennstoffzelle ist bei allen Typen ähnlich. Er besteht aus zwei Bipolarplatten, zwei Dichtungen, zwei Gasdiffusionsschichten und einer Membran-Elektrodeneinheit. Der Strom fließt je nach Typ entweder in Form von Elektronen von der Anode zur Kathode oder umgekehrt. Dazwischen befindet sich je nach Art der Brennstoffzelle ein anderes Elektrolyt.
Zusätzlich zu den Elektroden und dem Elektrolyten hat eine Brennstoffzelle zwei Bipolarplatten, durch die der Brennstoff gleichmäßig zugeführt wird. Außerdem regulieren sie die Abgabe von thermischer und elektrischer Energie. Mehrere solcher Brennstoffzellen, wenn sie in Reihe geschaltet sind, ergeben einen Brennstoffzellenstapel oder -stack. Dieses Zusammenfügen der einzelnen Zellen erhöht die Leistung des Brennstoffzellenstacks. Diese Möglichkeit zur Stapelung gilt als wesentlicher Vorteil der Technologie, da sie eine flexible Skalierung der Leistung ermöglicht.
Stationäre Brennstoffzellen
Die PEM-Brennstoffzelle arbeitet bei niedrigen Temperaturen und besteht aus einer Polymermembran, die Protonen leitet (daher der Name “Polymerelektrolytmembran”), sowie Katalysatoren, die die chemischen Reaktionen ermöglichen. Sie eignet sich vor allem für kleine bis mittlere Leistungen. Wasserstoff wird direkt an der Anode zugeführt, wo er in Protonen und Elektronen zerlegt wird. Die Protonen wandern durch die Membran zur Kathode, während die Elektronen einen externen Stromkreislauf durchlaufen und dabei elektrische Energie erzeugen.
Die SOFC hingegen arbeitet bei hohen Temperaturen und besteht aus festen Materialien wie Keramik. Sie ermöglicht einen kontinuierlichen Betrieb und eine effiziente Nutzung von Abwärme. Bei der SOFC wird Wasserstoff ebenfalls an der Anode zugeführt, wo er in Protonen und Elektronen zerlegt wird. Die Protonen wandern durch einen festen Elektrolyten zur Kathode, während die Elektronen einen externen Stromkreislauf durchlaufen und dabei elektrische Energie erzeugen. Aufgrund ihrer robusten Bauweise und ihrer Fähigkeit, mit verschiedenen Brennstoffen zu arbeiten, finden SOFCs insbesondere in Anwendungen wie der dezentralen Stromerzeugung und der Kraft-Wärme-Kopplung Anwendung.
Mobile Brennstoffzellen
Die mobile Brennstoffzelle wird in Fahrzeugen und tragbaren Geräten eingesetzt. Die gängigsten Typen für Fahrzeuganwendungen sind die PEMFC und die Alkalische Brennstoffzelle (AFC).
PEM-FC werden in Brennstoffzellenfahrzeugen verwendet und wandeln Wasserstoff und Sauerstoff in elektrische Energie um, wobei als einziges Abfallprodukt Wasserdampf entsteht. Sie bieten hohe Energiedichten und kurze Betankungszeiten. Durch die kontinuierliche Entwicklung von Wasserstoffinfrastruktur und -technologien gewinnt die PEMFC im Bereich der Mobilität zunehmend an Bedeutung.
Die Alkalische Brennstoffzelle (AFC) ist eine weitere mobile Brennstoffzellentechnologie. Sie arbeitet mit einem alkalischen Elektrolyten, typischerweise Kaliumhydroxid (KOH), und kann sowohl Wasserstoff als auch direkt Methanol als Brennstoff verwenden. Die AFC bietet eine einfache Bauweise und eine hohe Effizienz. Sie wird häufig in spezialisierten Anwendungen wie Raumfahrt und Unterwasserfahrzeugen eingesetzt, findet jedoch aufgrund ihres spezifischen Betriebsmediums nicht die gleiche Verbreitung wie die PEMFC.
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