4.1. Brennstoffzelle

Brennstoffzellen werden als elektrochemische Energiewandler bezeichnet. Das heißt, sie wandeln chemische Energie direkt in elektrische Energie.^[1] Nachfolgend wird auf die Funktionsweise der Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle eingegangen, da ihr Wasserdampfausstoß CO₂-neutral ist.
Die Funktionsweise der Brennstoffzelle lässt sich wieder mit Hilfe des „Knallgasexperiments“ erklären. Das Knallgasexperiment zeigt, dass die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff mit einer Zündquelle zu einer Knallgasreaktion führt. Diese Reaktion setzt viel Energie frei. Um diese Energie zu nutzen, werden in der Brennstoffzelle Wasserstoff und Sauerstoff nie in direkte Verbindung miteinander gebracht, sondern durch eine Membran oder eine Lauge (Elektrolyt) getrennt. Es wird also eine Sperrschicht benötigt. Diese Sperrschicht muss allerdings protonendurchlässig sein.^[2] Die Trennung führt dazu, dass an der Anode, Wasserstoff zuerst in Atome gespalten wird und diese anschließend jeweils in ein Proton und ein Elektron zerlegt werden. An der Kathode wird der Sauerstoff in seine Atome zerlegt. Für die Zerlegung ist ein Katalysator zuständig, bspw. Platin. Nur die Protonen wandern durch die Membran zur Kathode. Dies führt dazu, dass an der Kathode ein Elektronenmangel und an der Anode ein Elektronenüberschuss herrscht. So entsteht zwischen Anode und Kathode eine elektrische Spannung. Durch die Verbindung der beiden Elektroden außerhalb der Zelle, erhält man nun einen Stromfluss.^[3]
Die Sauerstoffatome können zwei Elektronen aufnehmen und reagieren mit Wasserstoffprotonen zu Wasser, welcher dann als Wasserdampf entweicht.^[4] Somit entsteht keine CO₂-Belastung. Die Brennstoffzelle nutzt also das gegensätzliche Prinzip der Elektrolyse.
Abbildung 12 zeigt den einfachen Aufbau einer Brennstoffzelle mit Kathode, Anode und der Membran als Elektrolyt.

Abb. 12: Einfacher Aufbau einer Brennstoffzelle^[5]

Tabelle 3 zeigt verschiedene Brennstoffzellentypen mit ihren spezifischen Eigenschaften.

Tabelle 3: Brennstoffzellentypen und ihre Eigenschaften^[6]

Wie in Tabelle 3 zu sehen, sind nur die PEM- und die AFC-Zelle für den Betrieb in Fahrzeugen geeignet. Beide kommen aufgrund ihrer Leistung und ihrer Betriebstemperatur in Frage. Zudem bieten beide einen guten Wirkungsgrad von über 30% im System. Der Vorteil der AFC-Zelle ist, dass sie robust und einfach aufgebaut ist und sich schon bei niedrigen Temperaturen betreiben lässt. Zudem wurde sie bereits in den 60 Jahren für die Raumfahrt entwickelt, weshalb sie einen sehr fortgeschrittenen Entwicklungsstand hat. Allerdings nutzt sie Kalilauge als Elektrolyt, was als Sicherheitsrisiko angesehen wird und aufgrund von Korrosion die Lebensdauer weiter verkürzt. Außerdem wird für ihren Betrieb reiner Wasser- und Sauerstoff benötigt. Das heißt es müssten im Fahrzeug zusätzliche Sauerstofftanks verbaut werden.
Bei der PEM-Zelle dient eine Kunststofffolie als Elektrolyt. Auf beiden Seiten der Kunststofffolie befindet sich eine katalytische Schicht, welche die Aufspaltung des Wasserstoffs in Protonen und Elektronen sowie die Verbindung der Protonen mit dem Sauerstoff hinter der Kunststofffolie ermöglicht. Die katalytische Schicht besteht ausschließlich aus Platin. Dies hat jedoch einen großen Nachteil, nämlich die Rohstoffkosten. Laut einer Roland-Berger-Studie führen die hohen Platinkosten dazu, dass das Brennstoffzellensystem für Fahrzeuge derzeit ca. 45.000 Euro kostet. Damit ist die Brennstoffzelle zurzeit nicht wettbewerbsfähig. Allerdings wird daran geforscht, den Platingehalt der Brennstoffzelle weiter zu senken.^[7] Die Vorteile der PEM-Zelle sind ihre hohe Stromdichte, die Verwendung von Luftsauerstoff als Reaktionspartner, sowie ihre gute Betriebstemperatur (60°C–120°C).^[8] Allerdings ist ihr  Temperaturbereich auch sehr eingeschränkt. Wenn das Wasser gefriert, kann der Kern beschädigt werden. Um dies zu vermeiden sind Heizelemente erforderlich. Zudem ist die Vorwärmzeit sehr lang und im kalten Zustand steht nur wenig Leistung zur Verfügung.^[9] Negativ zu erwähnen ist, dass während des Betriebs Kohlenmonoxid, Ammoniak und Schwefelverbindungen entstehen, welche die Zelle verunreinigen. Diese Stoffe können jedoch durch Lüften, mittels eines Überdrucks der durch die Zelle geblasen wird, hinausbefördert werden. Dabei verliert die Zelle jedoch auch immer etwas Wasserstoff, was sich negativ im Verbrauch wiederspiegelt. Die Nutzungsdauer einer PEM-Brennstoffzelle in einem Fahrzeug wird mit ca. 4.000 Stunden angegeben, was auf den Aussetzbetrieb zurückzuführen ist. Bei einem kontinuierlichen Einsatz wäre die Nutzungsdauer ca. 10 mal so hoch. Damit liegt die PEM-Brennstoffzelle unter der im Automobilbereich üblichen Nutzungsdauer von ca. 5.000 Stunden. Weiterhin hat sie hohe Wartungskosten, wobei das Ersetzen des Kerns die Hauptkosten verursacht.^[10]
Abbildung 13 stellt das Funktionsprinzip der PEM-Zelle noch einmal grafisch dar.

Abb. 13: Funktionsprinzip der PEM-Zelle^[11]

Nennenswert sind auch noch die phosphorsaure Brennstoffzelle (PAFC) sowie die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC). Beide haben eine hohe Leistung, jedoch einen geringeren Wirkungsgrad als die PEM- und die AFC-Zelle. Daher finden sie eher in Kraftwerken Anwendung.^{[12], [13]}
Brennstoffzellen werden zur Zeit meist in rechteckigen Gehäusen verbaut, was jedoch auf die geringe Stückzahl zurückzuführen ist. Die Funktionsweise der Brennstoffzelle lässt beim Aufbau fast beliebige Variationsmöglichkeiten zu. Es gibt sogar Studien eines portablen modularen Brennstoffzellensystems, welches sich in verschiedenen Bereichen einsetzen lässt. Wird die Brennstoffzelle im Auto nicht benötigt, kann sie bspw. im Haus zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt werden.
Abbildung 14 zeigt den Aufbau verschiedener gängiger Brennstoffzellen.^[14]

Abb. 14: Bauform gängiger Brennstoffzellensysteme^[15]

Die Leistungsdichte einer Brennstoffzelle liegt bei ca. 1 kW/kg, durch Nebenaggregate und Zusatzmodule wird dieser Wert noch verdoppelt. Damit liegen heutige Brennstoffzellen  deutlich unter den Zielen des Department of Energy (DOE) von 2 kW/kg. Bei der Leistungsdichte werden jedoch noch große Potentiale gesehen. Mit aktuellen Brennstoffzellenfahrzeugen sind Reichweiten von bis zu 550 km möglich, was vor allem auf den hohen Tankdruck von bis zu 700bar zurückzuführen ist. Volltanken lassen sich die Autos binnen weniger Minuten. Zudem sind die verbauten Brennstoffzellen sehr leise und vibrationslos.¹² Als Beispiel ist hier der Hyundai IX35 Fuel Cell zu nennen. Hyundai verbaut in einem bewährten Modell eine elektrische Maschine mit Brennstoffzelle als Range Extender und erreicht Reichweiten von bis zu 600 km.^[16]
Tabelle 4 zeigt die Daten der Brennstoffzelle noch einmal kurz im Überblick.