Was sind Brennstoffzellen, welche Typen gibt es und wie funktionieren sie?
Was sind Brennstoffzellen?
Brennstoffzellen sind Systeme, die Strom nicht durch Verbrennung, sondern durch elektrochemische Redoxreaktionen erzeugen. Kurz gesagt, sie wandeln die chemische Energie von Brennstoffen wie Wasserstoff oder Methan direkt in elektrische Energie um, indem sie sie mit Sauerstoff kombinieren.
Da die chemische Energie nicht erst in Wärmeenergie und mechanische Energie umgewandelt werden muss, sind Brennstoffzellen äußerst effizient. Neben der Minimierung von Energieverlusten sind Brennstoffzellen auch weniger umweltschädlich als klassische Verbrennungsmotoren: Die Kohlenstoffemissionen sind viel geringer. Wenn die Zelle mit grünem Wasserstoff – Wasserstoff, der aus erneuerbaren Energiequellen erzeugt wird – betrieben wird, stoßen sie nur Dampf und warme Luft aus.
Darüber hinaus sind Brennstoffzellen Allrounder. Sie können sowohl große Systeme wie Kraftwerke als auch kleine Laptops mit Strom versorgen. Daher werden Brennstoffzellen in einer Vielzahl von Sektoren eingesetzt, unter anderem in der Schifffahrt, der Luftfahrt und im Schienenverkehr. Bei Umicore konzentrieren wir uns auf ihren Mehrwert für die Automobilindustrie.
Welche Arten von Brennstoffzellen gibt es?
Es gibt verschiedene Arten von Brennstoffzellen, die sich durch die Art des Elektrolyts unterscheiden, der den Brennstoff vom Sauerstoff trennt. Diese Klassifizierung bestimmt die Art der elektrochemischen Reaktionen, die in der Zelle ablaufen, die erforderlichen Katalysatoren, die Betriebstemperatur, den erforderlichen Brennstoff und andere Faktoren.
Dies sind die 4 häufigsten Kategorien von Brennstoffzellen:
- Polymerelektrolytmembran (PEM)
- Alkalische Brennstoffzellen
- Festoxid-Brennstoffzellen
- Phosphorsäure-Brennstoffzellen
Die Eigenschaften jeder Kategorie bestimmen, für welche Art von Anwendung sie am besten geeignet sind. Beispielsweise sind PEM-Brennstoffzellen für die Automobilindustrie besonders interessant, da sie eine hohe Leistungsdichte aufweisen, bei relativ niedrigen Temperaturen arbeiten und zudem leichter und kompakter sind als andere Brennstoffzellen.
Was ist der Unterschied zwischen Brennstoffzellen und Batterien?
Die Redoxreaktionen, die in Brennstoffzellen ablaufen, verleiten zu der Annahme, dass sie sich nicht so sehr von Batterien unterscheiden. Obwohl die Ähnlichkeiten in der Funktionsweise beider Systeme unverkennbar sind, gibt es auch einen sehr deutlichen Unterschied.
Batterien werden zur Speicherung von Energie verwendet. Man füllt sie mit elektrischer Energie, die man dann verbraucht. Wenn sie wiederaufladbar sind, kann man sie wieder auffüllen und den Vorgang wiederholen.
Brennstoffzellen wandeln Energie aus einem Brennstoff. Diese Funktion wird aufrechtgehalten solange Brennstoff nachgeführt wird. Mit anderen Worten: Die Reagenzien werden nicht in einem geschlossenen System gelagert (wie Batterien), sondern können kontinuierlich zugeführt werden.
Wie funktionieren Brennstoffzellen?
Jede Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden, einer negativen Elektrode (Anode) und einer positiven Elektrode (Kathode), die durch einen Separator, z. B. durch eine Membran voneinander getrennt sind. Im Allgemeinen läuft das Prinzip wie folgt: Der Anode wird ein Brennstoff zugeführt, während der Kathode Sauerstoff zugeführt wird.
Nehmen wir das Beispiel der PEM-Brennstoffzellen, um den Prozess zu veranschaulichen:
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Arten von PEM-Brennstoffzellen-Katalysatoren
Je nach Bauart der Brennstoffzelle werden unterschiedliche Katalysatoren benötigt:
- Platin-Nanopartikel auf einem Rußträger: die gängigsten Katalysatoren.
- Platinlegierungskatalysatoren: Platin wird zusätzlich mit Nickel oder Kobalt legiert, um die elektrischen Eigenschaften zu verändern und die katalytische Aktivität zu verbessern.
- Katalysatoren auf Iridiumoxidbasis: Diese Katalysatoren werden als schützende Zusätze in der Anodenelektrode verwendet, die sie bei kritischen Betriebsbedingungen wie schnellen Lastwechseln oder Systemstarts bei niedrigen Temperaturen vor Beschädigung schützen.
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