Was ist eine Brennstoffzelle?

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Für Autos werden Brennstoffzellen seit Jahren diskutiert. Bei der Stromversorgung werden sie als Alternative zu Dieselgeneratoren häufig eingesetzt. Aber was ist eigentlich eine Brennstoffzelle? Wie funktioniert sie? Und in welchen Feldern werden Brennstoffzellen bereits verwendet?

1. Wofür eignen sich Brennstoffzellen?

2. Einfach erklärt: Funktionsweise von Brennstoffzellen

3. Brennstoffzelle Vorteile und Nachteile

4. Anwendungsgebiete der Brennstoffzelle

5. Brennstoffzelle mit Methanol

Wofür eignen sich Brennstoffzellen?

Eine Brennstoffzelle ist eine Anlage, die durch den Einsatz eines Brennstoffs elektrische und thermische Energie erzeugt. Von außen betrachtet, unterscheiden sich Brennstoffzellen kaum von Wärmekraftmaschinen, wie beispielsweise Verbrennungsmotoren. Im Unterschied zu einem Verbrennungsmotor wird der Brennstoff in der Brennstoffzelle nicht verbrannt, sondern mithilfe einer chemischen Reaktion in Strom und Wärme gewandelt.

Heutzutage werden Brennstoffzellen insbesondere zur Stromversorgung eingesetzt. Einer der Vorteile ist ihr emissionsfreier Betrieb – dadurch dienen sie als umweltfreundliche Alternative zum Verbrennungsmotor. Ein weiterer Vorteil ist, dass die entstehende Abwärme sehr einfach zum Heizen verwendet werden kann.

Brennstoffzellen sind auch in der Mobilität sinnvoll einsetzbar. Vorteilhaft im Fahrzeug ist einerseits die hohe Energiedichte und andererseits die Möglichkeit, Brennstoff schnell nachfüllen zu können. Im Nutzfahrzeugbereich sind Brennstoffzellen ein essenzieller Bestandteil zukünftiger Mobilität – nicht als Alternative, sondern im Zusammenspiel mit Batterien.

Batterien alleine hingegen haben große Nachteile: Das Gewicht ist hoch, der Platzbedarf ebenfalls. Oft resultieren daraus geringe Reichweiten, die die Alltagstauglichkeit reiner Batteriefahrzeuge in Frage stellen.

Einfach erklärt: Funktionsweise von Brennstoffzellen

Brennstoffzellen wandeln die chemische Energie eines Brennstoffs direkt in elektrische Energie (und Wärme) um. Dieser Vorgang wird als elektrochemische Reaktion bezeichnet. Brennstoffzellen sind folglich keine Energiespeicher, sondern Energiewandler.

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Energie kann in unterschiedlichen Formen auftreten. Chemische Energie ist in Form von chemischen Verbindungen in einem Energieträger gespeichert und kann bei Reaktionen freigesetzt werden. Diesen Effekt macht man sich beispielsweise bei der Verbrennung von Kraftstoffen in Fahrzeugen zu Nutzen. So wird beim Antrieb von Verbrennungsfahrzeugen durch Verbrennen des Kraftstoffs chemische Energie in mechanische Energie und Wärme umgewandelt. Die Energiedichte eines Kraftstoffes ist hierbei ein entscheidender Wert. Eine Übersicht findet sich unten im Text.

Aufbau und Prinzip

Jede Brennstoffzelle besteht aus 2 Elektroden (Anode und Kathode), die durch einen Elektrolyten voneinander getrennt sind. Die Elektroden sind leitfähig für Elektronen, während der Elektrolyt lediglich für eine bestimmte Ionensorte (elektrisch geladene Atome) durchlässig ist. Im Schaubild sind Aufbau und Funktion anhand einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle dargestellt:

Funktionsweise einer Brennstoffzelle - Schematische Darstellung

Funktionsweise einer Brennstoffzelle – Schematische Darstellung

  1. Als Brennstoff wird Wasserstoff (H2) der Anode zugeführt. Dieser wird in positiv geladene Wasserstoff-Protonen (H+) und negativ geladene Elektronen (e) getrennt.
Reaktion an der Anoden-Seite

Reaktion an der Anoden-Seite

  1. An der Kathode wird Sauerstoff (O2) zugeführt. Dieser stammt meist aus der Umgebungsluft.
Reaktion an der Kathoden-Seite

Reaktion an der Kathoden-Seite

  1. Sowohl Wasserstoff-Protonen (H+) als auch Elektronen (e) wandern zur Kathode, wo sie mit dem zugeführten Sauerstoff (O2) zu Wasser (H2O) reagieren.

Der Elektrolyt hindert die freigesetzten Elektronen (e) daran, auf direktem Weg zur Kathode zu gelangen. Die Elektronen (e) werden folglich gezwungen, über einen externen Leiter zu fließen. Wird eine Last (bspw. eine Glühbirne) in den elektrischen Kreis integriert, geben die Elektronen elektrische Energie ab.

Je nach Betriebspunkt liefert eine einzelne Zelle eine spezifische Spannung. Diese liegt in der Regel zwischen 0,5 – 1,0 Volt. Für höhere Spannungen werden einzelne Zellen in Reihe geschaltet. Man erhält einen sogenannten Stapel oder Stack als Kernelement der Brennstoffzelle.

Leistung, Effizienz und Lebensdauer

Faktoren wie Leistung, Effizienz und Lebensdauer hängen maßgeblich vom verwendeten Brennstoff und der Art der eingesetzten Brennstoffzelle ab. Generell besteht ein Zusammenhang zwischen Größe des Brennstoffzellenstapels und Leistung.

Brennstoffzelle: Zusammenhang Kapazität und Leistung

Brennstoffzelle: Zusammenhang Kapazität und Leistung

Die Kapazität einer Brennstoffzelle kann über den externen Tank angepasst werden. Kapazität und Leistung einer Brennstoffzelle sind unabhängig voneinander.

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Bei der Auslegung von Energiesystemen sind zwei Kenngrößen entscheidend: Kapazität und Leistung. Obwohl ihre Einheiten „Kilowatt (kW)“ und „Kilowattstunde (kWh)“ ähnlich klingen, sind die Begriffe unterschiedlich zu verwenden:

Kapazität beschreibt die Größe eines Energiespeichers und somit die Menge elektrischer Energie. Eine Batterie mit einer Kapazität von 4 kWh kann 4 kWh an elektrischer Energie bereitstellen, bevor nachgeladen werden muss. Die Kapazität ist somit direkt an den elektrischen Verbrauch gekoppelt.

Leistung beschreibt den Energiebetrag, der zu einem bestimmten Moment benötigt wird. Ein Fön benötigt eine Leistung von 2.000 Watt (2 kW). Läuft der Fön für eine Stunde ununterbrochen, werden 2 kWh an elektrischer Energie benötigt (2 kW x 1 h). Läuft der Fön für 3 Minuten, werden 0,1 kWh benötigt (2 kW x 0,05 h).

Obwohl in den meisten Brennstoffzellen Wasserstoff mit Sauerstoff reagiert, gibt es Unterscheide im Aufbau. Generell werden Brennstoffzellen anhand des verwendeten Elektrolyten eingeteilt. Der Elektrolyt bestimmt die Betriebstemperatur und andere Eigenschaften der Zelle.

Mit steigender Betriebstemperatur erhöht sich einerseits die Toleranz gegenüber Verunreinigungen (beispielsweise Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid). Andererseits steigen zeitgleich die Anforderungen an die Systemtechnik und das verwendete Material sowie die benötigte Zeit zum Starten.

Eine Übersicht über die wichtigsten Betriebsparameter und Arten von Brennstoffzellen findet sich im folgenden Abschnitt.

Brennstoffzellen-Technologie und Arten von Brennstoffzellen

Vergleich unterschiedlicher Arten von Brennstoffzellen

Vergleich unterschiedlicher Arten von Brennstoffzellen

Alkalische Brennstoffzelle

AFC – Alkaline Fuel Cell

Bei der alkalischen Brennstoffzelle dient wässrige Kalilauge als Elektrolyt. Durch die geringe Korrosivität des Elektrolyten können überwiegend kostengünstige Materialien verwendet werden. Da Kalilauge mit Kohlendioxid zu einem unlöslichen Karbonat reagiert und so die chemische Reaktion beeinträchtigt, muss der verwendete Wasserstoff hochrein sein (99,999 %). Der hohe technische Aufwand der Gasaufbereitung begrenzt das Anwendungsfeld derzeit noch auf Militär und Raumfahrt.


Polymerelektrolytmembran Brennstoffzelle

PEM – Polymer Electrolyte Membrane

Eine feste Polymermembran dient bei der PEM-Brennstoffzelle als Elektrolyt. Das garantiert das besonders flexible Verhalten beim Lastwechsel. PEM-Brennstoffzellen starten sehr gut und schnell – auch dadurch sind sie für den Fahrzeugantrieb geeignet. Zudem ist die Nutzung von Abwärme zur dezentralen Energieversorgung möglich. Bei niedriger Temperatur benötigen PEM-Brennstoffzellen allerdings einen hohen Anteil an Edelmetallkatalysatoren (meist Platin) und ein aufwändiges Wassermanagement, das ein Austrocknen der Membran verhindert. Sie sind anfällig für Kohlenmonoxid-Verunreinigungen – dadurch wird hochreiner Wasserstoff benötigt.


Direktmethanol-Brennstoffzelle (Weiterentwicklung PEM)

DMFC – Direct Methanol Fuel Cell

Auch in Direktmethanol-Brennstoffzellen wird eine Polymermembran als Elektrolyt integriert. Als Brennstoff wird flüssiges Methanol verwendet. Der Umgang mit dem flüssigen Energieträger ist einfacher. Er ist auch leichter zu transportieren als gasförmiger Wasserstoff. Im Hinblick auf Leistung und Skalierbarkeit sind DMFCs jedoch stark eingeschränkt. Ihr Einsatzfeld beschränkt sich deshalb auf die Versorgung kleinerer Geräte und Campinganwendungen.
Derzeit ist ein hoher Katalysatoranteil nötig. Durch die Reduktion von Methanol zu Kohlenmonoxid wird der Katalysator zudem in seiner Funktionsweise eingeschränkt.


Hochtemperatur Polymerelektrolytmembran Brennstoffzelle

HT-PEM – High Temperature Polymer Electrolyte Membrane

Die HT-PEM ist eine Weiterentwicklung der PEM-Brennstoffzelle, die mit einer Temperatur von bis zu 200°C betreiben wird. Die Membranen müssen nicht aufwändig feucht gehalten werden. Durch die hohe Temperatur sinken die Anforderungen an die Reinheit des verwendeten Brenngases. Entsprechend kann Wasserstoff verwendet werden, der ohne hohen technischen Aufwand vor Ort aus einem flüssigen Wasserstoffträger wie Methanol reformiert wird. Im Gegensatz zur Niedertemperatur-Variante haben HT-PEMs ein vermindertes dynamisches Lastverhalten.


Phosphorsäure-Brennstoffzelle

PAFC – Phosphoric Acid Fuel Cell

Phosphorsäure-Brennstoffzellen arbeiten mit Phosphorsäure als Elektrolyt. Diese ist in einer Faserstruktur aus Kunststoff gebunden. Neben Wasserstoff werden auch kohlenstoffhaltige Gase wie Erdgas verwendet. Aufgrund einer langen Aufheizzeit von bis zu 3 Stunden eignen sich Phosphorsäure-Brennstoffzellen vor allem zur dezentralen Energieversorgung. Um ein Auskristallisieren des Elektrolyten zu verhindern, müssen PAFCs dauerhaft bei ca. 50 °C warmgehalten werden.


Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle

MCFC – Molten Carbonate Fuel Cell

Als Elektrolyt verwenden Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle eine Mischung aus Kalium- und Lithiumkarbonat. Neben Wasserstoff ist die Verwendung von Erdgas und Biogas möglich. Durch die hohe Temperatur kann auf teure Edelmetallkatalysatoren verzichtet werden, allerdings steigen auch die Anforderungen an die Hitzebeständigkeit der verwendeten Werkstoffe. Zudem greift der korrosive Elektrolyt viele Materialien an. Da ein Startvorgang mehrere Stunden dauert und ständiges Auf- und Abkühlen zum Verschleiß des Systems führt, spielen MCFCs insbesondere bei der Energieversorgung im Grundlastbereich eine Rolle. Hohe Abgastemperaturen machen das System für die Kraft-Wärme-Kopplung interessant.


Festoxid-Brennstoffzelle

SOFC – Solid Oxide Fuel Cell

Bei Festoxid-Brennstoffzellen besteht der Elektrolyt aus einem festen keramischen Werkstoff. Wie bei der MCFC können neben Wasserstoff auch andere kohlenstoffhaltige Gase verwendet werden. Allerdings stellen auch bei der SOFC die hohen Betriebstemperaturen hohe Anforderungen an die verwendeten Materialien.


Übrigens: der Prozess einer Brennstoffzelle lässt sich auch umkehren. So kann Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt werden. Der Prozess wird als Elektrolyse bezeichnet.

Brennstoffzelle Vor- und Nachteile

Als Energiewandler sind Brennstoffzellen effizient und umweltfreundlich. Im Vergleich zu Verbrennungsmotoren sind sie aber auch deutlich teurer. Im Zusammenspiel mit Batterien werden hohe Leistung und hohe Energiedichte optimal kombiniert.

Brennstoffzelle vs. Dieselgenerator

In einem Dieselgenerator wird durch das Verbrennen eines Kraftstoffes Wärme erzeugt. Die Wärme wird in Bewegung (mechanische Energie) und letztendlich in elektrische Energie umgewandelt. Brennstoffzellen wandeln die chemische Energie vom Brennstoff direkt in elektrische Energie um. Dadurch arbeiten sie deutlich effizienter:

Brennstoffzelle und Verbrennungsmotor im Vergleich

Im Gegensatz zur herkömmlichen Verbrennung von Kraftstoffen wird weder Feinstaub noch Stickoxide freigesetzt. Da Brennstoffzellen im Grundaufbau keine beweglichen Teile besitzen, arbeiten sie geräuschlos und sind wartungsarm.

Vorteile


  • Lange Betriebszeiten ohne Wartung
  • Kein Verschleiß im Stand-By
  • Kein Ausstoßen von Emissionen
  • Hohe elektrische Effizienz auch im Teillastbetrieb
  • Geräuschlos
  • Modular skalierbar

Nachteile


  • Teilweise geringe Erfahrung im Feld
  • Hohe Investitionskosten bei hoher Leistung
  • Wenige Anbieter am Markt
  • Probleme bei Speicherung und Versorgung von Wasserstoff

Vor- und Nachteile von Brennstoffzellen vs. Dieselgeneratoren

Allerdings wird eine weite Verbreitung von Brennstoffzellen derzeit noch durch hohe Investitionskosten eingeschränkt. Zudem arbeiten Brennstoffzellen mit Wasserstoff besonders effizient. Grüner Wasserstoff ist aber bislang kaum verfügbar und hat – bezogen auf das Volumen – im Vergleich zu konventionellen Kraftstoffen eine relativ geringe Energiedichte. Das erschwert die Kraftstoffversorgung vor allem in abgelegenen Gebieten.

Energiedichte verschiedener Brennstoffe

Energiedichte verschiedener Brennstoffe

Als Lösung kommen flüssige Wasserstoffspeicher wie beispielsweise Methanol in Betracht. Deren Energiedichte ist zwar geringer als die von Diesel oder Benzin: Durch die hohe Effizienz der Brennstoffzelle wird aber trotzdem häufig ein reduzierter Kraftstoffverbrauch erreicht. Anders als Diesel und Benzin kann Methanol sehr einfach aus erneuerbaren Quellen gewonnen werden.

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Brennstoffzelle vs. Batterie

Bei Brennstoffzellen wird Energie nicht im Innern der Zelle gespeichert, sondern extern über den Brennstoff zugeführt. Während Batterien bei großer Kapazität schwer und sperrig sind, kann die Kapazität einer Brennstoffzelle einfach über den externen Tank angepasst werden.

Der Zusammenhang zwischen Kapazität und Gewicht lässt sich bei batteriebetriebenen Elektroautos beobachten: Für eine große Reichweite müssen möglichst viele Batterien verbaut werden. Diese bedeuten zusätzliches Gewicht für das Fahrzeug, was wiederum die Reichweite einschränkt.

Vorteile


  • Geringes Gewicht und kompakte Bauweise
  • Schnelles Nachtanken mit Brennstoff

Nachteile


  • Hohe Investitionskosten bei hoher Leistung
  • Probleme bei Speicherung und Versorgung von Wasserstoff

Vor- und Nachteile von Brennstoffzellen vs. Batterien

Auf der anderen Seite sind Brennstoffzellen derzeit noch mit hohen Kosten verbunden – vor allem bei hohen Leistungen. Die Versorgung mit Wasserstoff ist meist schwierig. Eine Lösung versprechen erneuerbare Kraftstoffe wie Methanol, in denen Wasserstoff in flüssiger Form gespeichert werden kann.

Anstatt Brennstoffzellen und Batterien abgegrenzt zu betrachten, wird mittlerweile der Schritt zur Kombination beider Technologien gegangen. In sogenannten Hybridsystemen arbeiten Brennstoffzelle und Batterie in Symbiose. Dabei wird die hohe Leistungsdichte von Batterien mit der hohen Energiedichte des verwendeten Brennstoffs kombiniert.

Anwendungsgebiete der Brennstoffzelle

Die ersten Anwendungen von Brennstoffzellen gehen auf Raumfahrt und Militär zurück. Während Kosten kaum eine Rolle spielten, stand der technologische Vorteil der hohen Energiedichte und des leisen Betriebs im Vordergrund.

Meist werden Einsatzgebiete in portable, mobile und stationäre Anwendungen untergliedert. Aufgrund fortgeschrittener Batterietechnik sind Brennstoffzellen bei der portablen Versorgung von elektrischen Kleinverbrauchern (Laptops, Kameras, …) kaum noch von Bedeutung.

Off-Grid, Notstrom und Hausenergie: Brennstoffzellen in stationären Anwendungen

Stationäre Anwendungen umfassen Systeme zur durchgehenden Energieversorgung, Notstromanwendungen, aber auch der kombinierten Gewinnung von Wärme und Strom. Aufgrund des wartungsarmen und emissionsfreien Betriebs stellen Brennstoffzellen in einigen Bereichen bereits eine wirtschaftliche Alternative zu herkömmlichen Generatoren dar.

Bei der Hausenergieversorgung erzeugen Brennstoffzellen-Heizgeräte zeitgleich Wärme und Strom. In Kleinanlagen kommen meist PEMFCs, sowie SOFCs zum Einsatz. Als Brennstoff wird Wasserstoff verwendet. Dieser wird vor Ort durch Reformierung von Erdgas gewonnen.

Im Gegensatz zu Privathäusern haben Industriebtriebe, Hotels und Krankenhäuser einen deutlich erhöhten Energiebedarf. Dieser kann durch brennstoffzellenbetriebene Blockheizkraftwerke (BHKW) befriedigt werden, die aufgrund ihres besseren Wirkungsgrads das Potential haben, motorbetriebene Anlagen nach und nach ersetzen.  Verwendet werden überwiegend MCFCs und SOFCs, die bei hohen Temperaturen mit Erdgas betrieben werden.

Stationäres Brennstoffzellensystem in einem Bürocontainer (Foto: Stefan Stark)

Bei der Notstromversorgung verbinden Brennstoffzellen die Vorteile von Batterie- und Diesellösungen. Je nach Brennstoff erfolgt die Versorgung emissionsfrei.  Durch beliebige Dimensionierung des Kraftstofftanks können auch lange Ausfallzeiten überbrückt werden. Durch geringe Wartungskosten rechnet sich die Investition im Vergleich zu Dieselaggregaten meist nach wenigen Jahren.

Bei der netzfernen Stromversorgung – auch Off-Grid genannt – werden Brennstoffzellensysteme häufig kommerziell genutzt. In Kombination mit Photovoltaik eignen sich Brennstoffzellen zur Überbrückung von Versorgungslücken bei autarker Stromversorgung. So liefern Systeme beispielsweise Energie für Berghütten.

Im industriellen Umfeld kommen PEMFCs und DMFCs in der Sicherheits- und Überwachungstechnik, bei Messstationen und in der Telekommunikation zum Einsatz. Da Systeme oftmals transportabel bleiben, verschwimmt die Abgrenzung zwischen stationären und mobilen Systemen zunehmend.

Autos und Fahrzeuge: Brennstoffzellen in mobilen Anwendungen

Mobile Anwendungen von Brennstoffzellen umfassen den Antrieb von Fahrzeugen, aber auch die Bordstromversorgung. Oftmals kommen PEMFCs zur Anwendung. Bei niedrigen Temperaturen können diese flexibel betrieben und häufig an- und ausgeschaltet werden. Da der Antriebsstrang stets elektrisch ist, sind auch Brennstoffzellen-Autos per Definition Elektrofahrzeuge.

Aufgrund des oben beschriebenen Zusammenhangs zwischen Kapazität und Gewicht, lässt sich bei batteriebetriebenen Elektroautos eine große Reichweite nur mit schwerer und sperriger Batterietechnik erreichen. Zusatzgewicht in Form von Batterien verringert wiederum die Reichweite.

Brennstoffzelle als Range Extender (Foto: Dino Eisele)

Um dieses Problem zu lösen, werden Brennstoffzellen auch als Range Extender in batteriebetriebene Fahrzeugen eingebaut. Anstatt die vom Antrieb benötigte Energie ausschließlich über die Batterie zur Verfügung zu stellen, wandelt die Brennstoffzelle die im Brennstoff gespeicherte Energie auf langen Strecken in elektrischen Strom um.

Da der Brennstoff eine höhere Energiedichte als die Batterie hat, ist dies mit einer deutlichen Gewichts- und Platzeinsparung verbunden. Zudem kann Energie einfach nachgetankt werden.

Als Auxiliary Power Unit (APU) bieten Brennstoffzellen die Möglichkeit, Strom an Bord unabhängig von der Antriebsbatterie bereitzustellen. Brennstoffzellen kommen deshalb im Nutzfahrzeugbereich, etwa bei der Elektrifizierung von Kühlfahrzeugen zum Einsatz.

Darüber hinaus kann die anfallende Abwärme das Fahrzeug beheizen, ohne die Batterie zu belasten. Auch hier liegt der Vorteil in der hohen Energiedichte und der schnellen Nachfüllmöglichkeit des Brennstoffs.

Brennstoffzelle mit Methanol

Vor allem hinsichtlich seiner energetischen Dichte und der einfachen Logistik ist Methanol ein interessanter Brennstoff. Im Hinblick auf dessen Nutzung in Brennstoffzellen lassen sich zwei Funktionsweisen unterscheiden: Brennstoffzellen, die Methanol direkt und solche, die Methanol indirekt verwenden.

Direktmethanol-Brennstoffzellen (DMFC) führen an der Anoden-Seite ein Methanol-Wasser-Gemisch zu. Mit 20-30% ist ihr Wirkungsgrad im Vergleich zu anderen Brennstoffzellen relativ gering. Ihr Einsatzfeld liegt meist in der Versorgung kleinerer Geräte im Freizeitbereich.

Brennstoffzellen, die Methanol indirekt verwenden, benötigen einen Reformer um den in Methanol enthaltenen Wasserstoff zu lösen. Das passiert bei 200 – 220°C. An der Anode wird somit kein wässriges Methanol, sondern gasförmiger Wasserstoff zugeführt. Methanol dient lediglich als flüssiger Wasserstoffträger.

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