Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die Wasserstoff (oder andere Brennstoffe) und Sauerstoff in elektrische Energie umwandelt, wobei Wasser und Wärme als Nebenprodukte entstehen.

Brennstoffzellen haben das Potenzial, eine saubere und effiziente Energiequelle für eine Vielzahl von Anwendungen zu sein, von stationärer Energieversorgung bis hin zu Fahrzeugen jeglicher Art an Land, Wasser und sogar in der Luft.

Eine Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden – einer Anode und einer Kathode – sowie einem Elektrolyten dazwischen. Wasserstoff (H₂) wird an der Anode zugeführt, wo er in Protonen und Elektronen aufgespalten wird. Die Protonen durchqueren den Elektrolyten von der Anode und bewegen sich zur Kathode, während die Elektronen einen externen Stromkreislauf durchlaufen und dabei elektrische Energie erzeugen. An der Kathode reagieren die Protonen, Elektronen und Sauerstoff zu Wasser, das als Nebenprodukt freigesetzt wird. Weiterhin entsteht bei dieser Reaktion Abwärme, die aus dem System abgeführt werden muss und thermisch genutzt werden kann.

Im Gegensatz zu Verbrennungskraftmaschinen wandeln Brennstoffzellen chemische Energie direkt in Strom um, ohne eine Zwischenumwandlung in mechanische Energie und haben daher einen deutlich höheren Wirkungsgrad sowie lokal keine umweltschädlichen Emissionen.

Herzstück einer jeden Brennstoffzelle ist der Zellstapel oder Stack. Dessen Aufbau umfasst mehrere Komponenten, die zusammenarbeiten, um Wasserstoff und Sauerstoff in elektrische Energie umzuwandeln:

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Wesentliches Element ist die Protonenaustauschmembran (PEM): Diese spezielle Membran trennt die Anode von der Kathode und ermöglicht den Durchtritt von Protonen, während sie den Elektronenfluss blockiert. Die PEM dient dazu, die Protonenleitung zwischen den Elektroden aufrechtzuerhalten und den Übertritt der Gase auf die jeweils andere Seite zu verhindern (sogenannter Crossover). Auf beiden Seiten der Membran befindet sich jeweils eine Elektrokatalysatorschicht. An der Anode (negative Elektrode) wird der Wasserstoff (H₂) zugeführt. Dort findet die Oxidation des Wasserstoffs statt, bei der Protonen (positiv geladene Wasserstoffionen) und Elektronen freigesetzt werden. Die Elektronen werden durch einen externen Stromkreislauf geleitet, um zur Kathode zu gelangen. An der Kathode (positive Elektrode) wird Sauerstoff (O₂) in Form von Luft zugeführt. An der Kathode erfolgt die Reduktion des Sauerstoffs, bei der Protonen, Elektronen und Wasserstoff (H₂) reagieren, um Wasser zu bilden.

Zusammen bildet die Membran und die Elektrodenschicht die sogenannte CCM (engl. catalyst coated membrane).

Bipolarplatten: Diese Platten aus leitendem Material liegen zwischen den einzelnen CCMs und leiten den erzeugten Strom ab. Sie dienen gleichzeitig als Verteiler für Wasserstoff, Sauerstoff (Luft), Kühlmittel und Reaktionswasser. Dafür werden diese Medien durch spezielle Kanäle in der Bipolarplatte geleitet.

Gasdiffusionslage (engl. Gas diffusion layer) Die GDL ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung von Wasserstoff (an der Anode) und Sauerstoff (an der Kathode) auf die Elektrodenoberflächen, wodurch eine effiziente Reaktion und Energieerzeugung ermöglicht wird. Bei der Sauerstoffreduktion an der Kathode entsteht Wasser. Ebenso wird dieses zum Teil auf die Anodenseite übertragen. Die GDL erleichtert den Abtransport dieses Wassers, um eine Überflutung der Elektrode zu verhindern und den Gastransport zu erleichtern. Die GDL ist ein leitendes Material, das den Elektronenfluss zwischen den Elektroden ermöglicht und somit elektrische Verbindungen herstellt.

Der Aufbau einer PEM-Brennstoffzelle ist komplex und erfordert eine genaue Abstimmung der Komponenten, sowie der damit einhergehenden Betriebsparameter, um eine effiziente und zuverlässige Energieerzeugung zu gewährleisten. Damit kann die Brennstoffzelle saubere und effiziente elektrische Energie erzeugen, während sie gleichzeitig Wasserstoff und Sauerstoff verbraucht. Proton Motor hat die zugrundeliegenden Konzepte und Mechanismen verstanden und darauf ihr spezielles Stackdesign konzipiert.

Es gibt verschiedene Arten von Brennstoffzellen, die sich je nach verwendetem Elektrolyten und Brennstoff unterscheiden. Zu den gängigen Typen gehören:

1. 1. PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell bzw. Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell): Verwendet eine dünne Polymerelektrolytmembran als Elektrolyten und reinen Wasserstoff (H₂) als Brennstoff. Hierbei wird noch nach der Betriebstemperatur in zwei Klassen unterschieden:

– Niedertemperatur (NT-PEM): T zwischen 50 °C und < 100 °C

– Hochtemperatur (HT-PEM): T > 100 °C (üblicherweise 120 °C … 180 °C)

1. 1. SOFC (Solid Oxide Fuel Cell): Verwendet einen festen Elektrolyten aus Keramik und kann Wasserstoff, Methan und andere Brennstoffe verwenden.
   2. MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell): Verwendet geschmolzene Carbonate als Elektrolyt und kann verschiedene Brennstoffe wie Wasserstoff, Erdgas und Biogas nutzen.
   3. AFC (Alkaline Fuel Cell): Verwendet eine basische Lösung als Elektrolyt und kann Wasserstoff oder Methanol verwenden.
   4. DMFC (Direct Methanol Fuel Cell): Wandelt Methanol direkt in elektrische Energie um, ohne vorherige Umwandlung in Wasserstoff.

Die Proton Motor Brennstoffzellen beruhen ausschließlich auf der NT-PEM-Technologie, welche technologisch am weitesten entwickelt und auch am stärksten im Markt verbreitet ist.

Brennstoffzellen bieten mehrere Vorteile, darunter hohe Effizienz, geringe Umweltauswirkungen (da die chemische Umsetzung von Wasserstoff (H₂) keine schädlichen Emissionen wie CO₂, NO_X, Feinstaub, SO_X etc. erzeugt), niedrige Lärmpegel und potenzielle Vielseitigkeit in der Anwendung, von Fahrzeugen bis hin zur stationären Stromerzeugung.

Sie können zur nachhaltigen und umweltfreundlichen Energieversorgung genutzt werden, wenn sogenannter „Grüner Wasserstoff“ verwendet wird, welcher z.B. mittels Elektrolyse aus überschüssiger Energie von regenerativen Energiequellen erzeugt wurde.