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Glossar · Brennstoffe & Wasserstoff

Brennstoffzelle

Elektrochemischer Wandler, der die chemische Energie von Wasserstoff oder einem anderen Brennstoff ohne Verbrennung direkt in Strom und Wärme umwandelt.

Eine Brennstoffzelle arbeitet wie ein umgekehrter Elektrolyseur: An der Anode wird Wasserstoff oxidiert, Ionen wandern durch einen Elektrolyten, und an der Kathode wird Sauerstoff reduziert. Dabei entsteht Wasser. Die theoretische Zellspannung beträgt 1,23 V; unter Last arbeiten reale Zellen bei 0,6–0,8 V.

ηZelle ≈ VZelle / 1.25 V (bezogen auf Hu); bei 0.7 V → etwa 56%

Die wichtigsten Typen:

  • PEMFC: 60–80 °C, Platinkatalysator, schneller Start; eingesetzt in Brennstoffzellenautos und Bussen. Systemwirkungsgrad 50–60 % in Teillast, bei voller Leistung weniger.
  • SOFC: 600–1.000 °C, läuft dank interner Reformierung auch mit Erdgas oder Biogas; elektrischer Wirkungsgrad 55–65 %, mit Wärmenutzung in der Kraft-Wärme-Kopplung über 85 % gesamt.
  • MCFC und PAFC: stationäre Stromerzeugung im Bereich von Hunderten Kilowatt bis Megawatt.
  • AFC: alkalisch, früher in der Raumfahrt verwendet.

Der Weg von Strom zu Wasserstoff und über die Brennstoffzelle zurück zu Strom erreicht nur 30–40 % Wirkungsgrad, Lithium-Ionen-Batterien dagegen 85–90 %. Wasserstoff bleibt deshalb auf Langzeit- und saisonale Speicherung beschränkt. PEM-Stacks für Fahrzeuge sind auf 8.000 Stunden (Pkw) bis 25.000–30.000 Stunden (Schwerlast) ausgelegt. Den Großteil der stationären Brennstoffzellenleistung haben Südkorea, Japan und die USA installiert, Südkorea allein mehr als 1 GW.

Verwandte Begriffe

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  • Elektrolyseur

    Elektrochemisches Gerät, das Wasser mit elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet; die Kerntechnik der grünen Wasserstofferzeugung.

  • Grüner Wasserstoff

    Wasserstoff, der in einem mit Ökostrom betriebenen Elektrolyseur aus Wasser gewonnen wird, praktisch ohne direkte CO2-Emissionen.

  • Brennstoffzellenfahrzeug (FCEV)

    Elektrofahrzeug, das seinen Strom an Bord in einer Brennstoffzelle aus Wasserstoff erzeugt. Aus dem Auspuff kommt nur Wasserdampf.

  • Speicherwirkungsgrad (Round-Trip-Wirkungsgrad)

    Anteil der in einen Speicher geladenen Energie, der sich beim Entladen zurückgewinnen lässt, gemessen an einer festgelegten Systemgrenze (Zelle, DC- oder AC-Netzanschluss).

  • KWK (Kraft-Wärme-Kopplung)

    Gleichzeitige Erzeugung von Strom und nutzbarer Wärme aus einem Brennstoff; der Gesamtwirkungsgrad liegt bei 75–90 %, reine Stromkraftwerke erreichen etwa 35–60 %.