Brennstoffzelle | Aufbau und Funktion - Einfache Erklärung

[0:00]Bei der Elektromobilität im PKW-Bereich war es in der Forschung lange Zeit ein intensiv diskutiertes Thema, ob die elektrische Energie aus einer Batterie oder Wasserstoff und einer Brennstoffzelle kommt. Für PKW ist inzwischen relativ klar, dass es Richtung Batterie geht. In Anwendungen mit deutlich längeren Betriebsdauern, wie Bussen, LKW oder Schiffen, ist das noch nicht so klar und auch in stationären Anwendungen kommen Brennstoffzellen zum Einsatz. Wie eine Brennstoffzelle aufgebaut ist und funktioniert, erfahrt ihr in diesem Video. Zudem erfahrt ihr, wie durch das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle auch die Speicherproblematik der Energiewende im Bereich der Langzeitspeicher gelöst werden könnte. In einer Brennstoffzelle reagiert Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser und dabei wird Energie in Form von elektrischer Energie frei. Die Zelle ist wie folgt aufgebaut: Sie besteht aus zwei Elektroden, zwischen denen im Betrieb eine Spannung anliegt, über die ein Verbraucher, beispielsweise ein Elektromotor, betrieben werden kann. Zwischen den beiden Elektroden befindet sich ein Elektrolyt und eine Membran in der Mitte, die für Wasserstoff und Sauerstoff undurchlässig ist. Ionen dagegen können durch die Membran auf die andere Seite gelangen. An der negativen Elektrode wird Wasserstoff zugeführt und die Wasserstoffmoleküle geben zwei Elektronen ab und werden zu zwei Wasserstoffionen. Diese H+ Ionen können durch die Membran zur anderen Elektrode wandern. An dieser Elektrode wird Sauerstoff zugeführt und dieser reagiert mit dem Wasserstoffionen und zwei Elektronen zu Wasser. Die Elektronen wandern über den Verbraucher vom Minuspol zum Pluspol, wodurch ein Strom fließt. Wird an der negativen Elektrode stets neuer Wasserstoff und an der positiven Elektrode neuer Sauerstoff hinzugefügt, kann ein Verbraucher, wie der Elektromotor, dauerhaft betrieben werden. Die Spannung an der Zelle beträgt dabei 1,2 Volt im Leerlauf, solange also kein Strom fließt und etwas weniger, in der Regel knapp unter einem Volt, wenn im Betrieb dann ein Strom fließt. Es gibt unterschiedliche Arten von Brennstoffzellen, die sich durch die Materialien der Elektroden, der Membran und dem Elektrolyten unterscheiden. Mit manchen Brennstoffzellen ist es auch möglich, statt Wasserstoff Methan als Brennstoff zu verwenden. Dann reagiert Methan, also CH4, zusammen mit Sauerstoff zu Wasser und zusätzlich entsteht dabei dann noch Kohlenstoffdioxid, also CO2. Doch sowohl Methan als auch Wasserstoff sind Brennstoffe, die theoretisch auch direkt in einem Gasmotor verbrannt werden können und so ohne den Umweg über eine Brennstoffzelle und einen Elektromotor in Bewegung umgesetzt werden können. Zudem kommt in der Elektromobilität immer mehr die Lithium-Ionen-Batterie zum Einsatz, die eine Alternative zur Brennstoffzelle darstellt. Wo sind also die Unterschiede dieser Technologien und worin bestehen die Vor- und Nachteile der Brennstoffzelle? Im Vergleich zum Motor erzeugt die Brennstoffzelle elektrische Energie. Diese kann für alle elektrischen Verbraucher genutzt werden. Man benötigt also in mobilen Anwendungen auch keinen Generator, in diesem Zusammenhang häufig auch Lichtmaschine genannt, für die elektrischen Verbraucher. Der größte Vorteil im Vergleich zu Gasmotoren ist die Effizienz. Während durch einen Verbrennungsmotor nur Wirkungsgrade von 40 bis maximal 50 % erreicht werden, kann eine Brennstoffzelle Wirkungsgrade von 60 bis 70 % erreichen. Zusätzlich ist in einigen Anwendungen ein Vorteil, dass Brennstoffzellen sehr leise sind im Vergleich zu Motoren. Nachteile sind die relativ aufwendige Speicherung von Wasserstoff im Vergleich zu anderen Brennstoffen. Außerdem sind Brennstoffzellen relativ teuer. Im Vergleich zu Batterien, die ebenfalls elektrische Energie liefern, ist ein Vorteil der Brennstoffzelle die Möglichkeit, den Speicher des Brennstoffs von der Zelle zu trennen. Die Kosten sind dadurch vor allem von der notwendigen Leistung, nicht aber von der speicherbaren Energiemenge abhängig, ähnlich wie bei einem Motor mit Treibstofftank. Nachteil der Brennstoffzelle ist auch hier die aufwendige Speicherung des Wasserstoffs und die damit verbundenen Gefahren oder Kosten. Zusätzlich ist auch die Effizienz hier ein Nachteil. Zwar ist die Umwandlung von Wasserstoff in elektrische Energie relativ effizient, aber auch bei der Erzeugung von Wasserstoff fallen Verluste an. Dadurch ist eine Lithiumbatterie, wenn es um die Speicherung von elektrischer Energie geht, deutlich effizienter. Durch die Vor- und Nachteile ergeben sich unterschiedliche Anwendungsgebiete für Brennstoffzellen. Zum einen werden Brennstoffzellen als Brennstoffzellenheizung eingesetzt. Dabei wird sowohl Strom für den Haushalt oder Einspeisung ins Netz als auch Wärme erzeugt mit einer hohen Gesamteffizienz von bis zu 95 %. Neben den stationären Anwendungen sind auch mobile Anwendungen für Brennstoffzellen interessant. Durch die Unabhängigkeit von Leistung und gespeicherter Energie sind hier vor allem Anwendungen, in denen die Brennstoffzelle lange am Stück betrieben wird, wie in Bussen, LKWs oder Schiffen, interessant. Auch in U-Booten sind Brennstoffzellen interessant, da Brennstoffzellen deutlich leiser sind als Verbrennungsmotoren. Das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle kann auch umgekehrt werden und mit Hilfe einer Spannung und Wasser so Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt werden. So kann elektrische Energie in Wasserstoff umgewandelt und gespeichert werden. Das könnte in Zukunft ein essentieller Baustein der Energiewende werden. Wenn du mehr über das sogenannte Power to Gas erfahren willst, schau dir jetzt dieses Video an. Zudem findest du hier ein Video über Lithium-Ionen-Batterien. Falls dir das Video gefallen hat, lass jetzt noch ein Like da und abonniere den Kanal.