Brennstoffzellen gehören in die Oberliga der angekündigsten Revolutionen am Energiemarkt. Man spricht von ungekannten Effizienzen und Start-Ups übertreffen sich gegenseitig mit Ankündigungen extrem niedriger Kosten. Aber reale Preise selbst großer Anbieterfirmen sind offenbar Geschäftsgeheimnis. Statt Preisen findet man aber sofort Links zu Subventionsangeboten der jeweils lokalen Regierung. Von der viel gepriesenen Effizienz bleibt in der Realität übrigens auch nicht viel übrig. (Wer eine ausführliche und viel detailliertere Übersicht über die Technik haben will , wird hier fündig.) Aber der Reihe nach.
Was ist eigentlich so eine Brennstoffzelle?
Sie ist letztlich eine Art Batterie, bei die eigentlichen Energieträger nicht Teil der Batterie sind, sondern Stück für Stück zugeführt werden. Die eigentliche Brennstoffzelle stellt nur die Infrastruktur zur Verfügung, damit es zwischen den Stoffen zu einer kontrollierten chemischen Reaktion kommt.
Die einfachste Reaktion ist dabei die von Wasserstoff und Sauerstoff. Ein Wasserstoffmolekül besteht aus zwei Wasserstoffatomen, die nur aus einem Proton bestehen. Schon weil das Wort kürzer ist, redet mas deswegen oft auch von Protonen. Zusammengehalten wird das Molekül von zwei Elektronen, die sich die beiden Atome teilen. Beim Sauerstoff ist es das gleiche, nur dass Sauerstoffmoleküle von insgesamt vier Elektronen zusammengehalten werden.
Damit zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom ein Wassermolekül formen können, müssen zuerst die Moleküle aufgetennt werden. Das geht am einfachsten, wenn der Wasserstoff pro Atom ein Elektron abgibt. Für den Sauerstoff ist es am einfachsten, jedes Atom zwei Elektronen aufnimmt. Wenn Wasserstoff mit Sauerstoff verbrennt, passiert das alles in einem Aufwasch. Die Wasserstoffatome bringen ihre Elektronen mit und die Sauerstoffatome nehmen sie begierig auf. Weil die Elektronen an den Wasserstoffatomen hängen, bleiben die Wasserstoffatome aber gleich dort wo sie sind, nämlich bei dem einen Sauerstoffatom. Dieses Sauerstoffatom nimmt zwei Elektronen von Wasserstoffatomn auf und deswegen hängen jetzt zwei Wasserstoffatome an dem Sauerstoffatom.
Nachdem nun geklärt ist, dass mich in der Hölle Chemikern verfolgen und quälen werden, kommen wir dazu, was die Brennstoffzelle macht.
Die Brennstoffzelle trennt diesen Prozess räumlich auf. An der Anode wird der Wasserstoff gespalten und die Elektronen werden von den Wasserstoffatomen abgespalten. Die Protonen (Wasserstoff ohne Elektronen) gelangen nun durch die Anode hindurch in ein Elektrolyt, in dem sich geladene Teilchen wie Protonen bewegen können. Zur Zeit haben sie aber noch keinen Grund dazu.
Auf der anderen Seite des Elektrolyts ist die Kathode. An ihr werden Sauerstoffmoleküle gespalten und nehmen Elektronen auf. Dazu braucht man Elektronen und die kommen von der Anode. Die Negativ geladenen Sauerstoffatome sorgen auch dafür, dass die positiv geladenen Protonen einen guten Grund haben, sich durch das Elektrolyt zur Kathode hindurch zu kämpfen – auf sie wirkt eine anziehende elektrische Kraft. Wichtig ist jetzt nur, dass die Sauerstoffatome draußen bleiben und nicht in das Elektrolyt gelangen, denn jetzt kommt der eigentliche Trick an der Sache.
Die Elektronen der Wasserstoffatome bewegen sich nicht durch das Elektrolyt hindurch, sondern durch einen elektrischen Leiter der von der Anode zur Kathode geht. Zwischen beiden besteht eine elektrische Spannung und mit der kann man jetzt elektrische Geräte antreiben. Wenn jetzt ein negativ geladenes Sauerstoffatom mitsamt Elektronen in das Elektrolyt hinein kommt, dann reagiert es einfach so mit dem Wasserstoff und die Elektronen müssen diesen Umweg nicht nehmen.
Um überhaupt die Wasserstoffmoleküle zu spalten, braucht man einen Katalysator. Es kann zwar auch von allein passieren, das ist aber viel zu langsam. Zu den besten Katalysatoren gehört Palladium und Platin. Nickel ist 1000 mal schlechter als Palladium und etwa 100 mal so schlecht wie Platin. Höhere Temperaturen helfen aber auch mit der Geschwindigkeit der Reaktion, weshalb bei Brennstoffzellen mit hohen Temperaturen auch Nickel zum Einsatz kommt.
Wie sieht es mit der Effizienz aus?
Die Effizienz einer Brennstoffzelle verhält sich völlig anders als die Effizienz eines Verbrennungsmotors oder eine Dampfturbine. Eigentlich genau umgekehrt.
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