Was ist eine Brennstoffzelle?

Die Brennstoffzelle kehrt die Elektrolyse um, aus Wasserstoff und Sauerstoff entsteht Wasser unter Abgabe von elektrischem Strom. Entdeckt wurde dieses Prinzip 1838 von Christian Friedrich Schönbein und Sir William Grove. Damals sprach man von der "Gasbatterie". Die Entdeckung wurde im Laufe der Zeit vergessen. Dampfmaschinen und die Elektrodynamik versprachen interessantere Ergebnisse.

Inzwischen treiben Brennstoffzellen nicht nur U-Boote der Bundesmarine an, auch jeder Camper kann damit in seinem rollenden Heim die Energieversorgung sicherstellen.

Am 14.6.2012 wurde der Münchner Erfinder und Unternehmer Manfred Stefener für die Entwicklung der ersten tragbaren Brennstoffzelle mit dem Europäischen Erfinderpreis in Kopenhagen ausgezeichnet. Stefener ist Gründer der Firma SFC Energy, welche die Brennstoffzellen für Reisemobile unter dem Markennamen Efoy herstellt und verkauft

Wie funktioniert eine Brennstoffzelle?

Sie besteht aus einer Anode und einer Kathode, dazwischen befindet sich eine Membran, welche nur für Kationen durchlässig ist. Kationen sind Atome, denen eines oder mehrere Elektronen fehlen. Weil dadurch die positive Ladung des Atomkerns nicht mehr ausgeglichen wird, erscheinen sie nach außen positiv geladen. Kationen wie auch Anionen haben immer das Bestreben, die fehlende Ladung auszugleichen. Die positiv geladenen Kationen wandern deshalb zur Kathode, entsprechend wandern negative geladene Anionen zur Anode.

Anode und Kathode einer Brennstoffzelle sind mit dem Edelmetall Platin beschichtet. Es wirkt als Katalysator, beschleunigt also chemische Reaktionen, ohne selbst dabei verbraucht zu werden.

An der Anode gibt das Wasserstoffatom seine Elektronen ab. Zurück bleibt ein Kation, das sich auf den Weg durch die Membran zur Kathode macht.

An der Kathode spaltet Platin Sauerstoff-Moleküle in ihre Einzelatome auf, die sich so mit den Wasserstoff-Atomen zu Wasser verbinden können.

Die Elektronen der Wasserstoffatome fließen als elektrischer Strom ebenfalls zur Kathode. Dort kommen Kationen und Elektronen des Wasserstoffatoms wieder zusammen und reagieren mit einem Sauerstoffatom zu Wasser.

Die Brennstoffzelle in der Praxis - Wie fühlt es sich an, wenn aus Luft und Methanol Strom erzeugt wird?

Im Reisemobil wird die Brennstoffzelle der Firma SFC Energy zur Ladungserhaltung der Aufbaubatterie eingesetzt. Fällt die Spannung unter 12,3 Volt, springt die Zelle an und liefert nach einer Anlaufphase von einigen Minuten zwischen drei und etwa acht Ampere Ladestrom, je nach Modell. Dabei läuft sie geräuscharm, lediglich ein Lüfter kann sich bemerkbar machen. Als Nebenprodukt entsteht Wärme und Wasser, das nach außen abgeleitet wird, etwa ein Schnapsglas pro Stunde. Bei einer Batteriespannung von 14,2 Volt schaltet sich die Brennstoffzelle wieder aus.

Wegen der erzeugten Abwärme sollte sie an einem gut belüfteten Ort eingebaut werden. Da keine Abgase erzeugt werden, kann die Wärme auch direkt zum Heizen des Innenraums verwendet werden.

Als Treibstoff wird Methanol benötigt, dies dient als Träger für den Wasserstoff, der ja auf Grund seiner Flüchtigkeit und Reaktionsfreudigkeit nicht so einfach im Umgang ist. Der ebenfalls für die Reaktion benötigte Sauerstoff wird der Umgebungsluft entnommen.

Eine Tankpatrone mit zehn Litern Methanol reicht für mehr als 200 Betriebsstunden.

Bei einer Umgebungstemperatur von unter 3 Grad Celsius wird die Brennstoffzelle ebenfalls anspringen, um sich vor dem Einfrieren zu schützen. Bei Nichtgebrauch sollte man sie deshalb im Winter an einem frostsicheren Ort aufbewahren.

Efoy-Brennstoffzelle, eingebaut im Wohnmobil

Eine Efoy 1200, eingebaut im Kleiderschrank (Bild: Henning Schünke)

Brennstoffzellen im Vergleich mit konventionellen Stromerzeugern

Eine Brennstoffzelle ist relativ teuer in der Anschaffung und im Unterhalt. Die Zellen der Firma Efoy kosten zwischen 2.600,-€ und 5.500,-€, je nach Leistung. Auch kostet der Liter Methanol zwischen 2,50€ und 4,00€. Ein Benzingenerator schlägt die Brennstoffzelle zur Zeit noch bei den Kosten pro erzeugter Kilowattstunde.

Aber der Benzingenerator, von den Campern auch gerne "Moppel" genannt, ist laut und erzeugt Abgase. Wer den auf einem gut besetzten Stellplatz anwirft, kann sich böser Blicke der Nachbarn fast sicher sein. Auch kann der Betrieb in manchen Naturschutzgebieten nicht erlaubt sein und gar die Ordnungskräfte auf den Plan rufen. Den Betrieb einer Brennstoffzelle wird hingegen kaum jemand bemerken.

Auch muss der "Moppel" gewartet werden, wie jeder andere Verbrennungsmotor, also Ölwechsel, Zündkerzen tauschen und so weiter. Dazu fehlt ihm der "Nerd-Faktor". Eine Brennstoffzelle läuft wartungsfrei, vom gelegentlichen Wechsel der Tankpatrone abgesehen. Sie ist außerdem ein Stück Zukunft. Letzten Endes muss der Kunde selbst entscheiden, ob ihm dieser Blick in die Zukunft das Geld wert ist. Auf jeden Fall kann er sicher sein, den Strom auf umweltfreundliche Art erzeugt zu haben.

Kurzes Update zum Thema Wartungsfreiheit - Etwas Wartung gibt es doch hin und wieder zu erledigen.

Unter Umständen kann es nötig sein, sogenannte "Service-Fluid" nachzufüllen. Das geschieht bei der EFOY durch den Anschluss des Abgas- bzw. Abwasserschlauchs. Die Prozedur hat etwas vom Füttern eines Babys. Man lässt ein paar Tropfen aus dem Fläschchen laufen und wartet, bis diese in der Öffnung verschwunden sind.

Die Service-Fluid, erhältlich dort, wo auch Brennstoffzellen verkauft werden, ist ein Wasser-Methanol Gemisch. Die Zelle kann diese Flüssigkeit auch im laufenden Betrieb aus dem selbst erzeugten Wasser regenerieren. Nur dann nicht, wenn sie im Betrieb zu warm wird. Es muss also auf gute Belüftung am Einbauort geachtet werden.

Zukunft der Brennstoffzellentechnologie

Hauptproblem bei der weiten Verbreitung von Brennstoffzellen ist noch immer deren hoher Preis. Der wird vor allem durch die Verwendung des Edelmetalls Platin begründet.

Chinesische und französische Forscher arbeiten an Versuchsmustern mit Nickel als Katalysator, aber die sind scheinbar noch nicht marktreif. Vor allem die Leistung ist noch zu gering.

Auch das giftige Methanol als Wasserstoffträger ist nicht der Weisheit letzter Schluss. Bei der Münchner Firma Truma, Produzent von Gasheizungen für den Campingbereich, forscht man seit Jahren an einer Brennstoffzelle mit Namen VeGA mit Flüssiggas als Wasserstoffträger. Dieses Produkt befindet sich momentan in der Erprobung. Laut der Truma-Webseite soll die VeGA noch 2012 auf den Markt kommen.

Die Autoindustrie forscht ebenfalls weiter an der Brennstoffzellentechnologie zur Stromerzeugung für Elektroautos. Hier setzt man allerdings auf reinen Wasserstoff und nicht auf Methanol oder Erdgas als Träger.

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