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Wasserstoff-Brennstoffzelle: Funktion & Arten

Wasserstoff-Brennstoffzelle: Funktion & Arten

Nutzung von Wasserstoff: Was macht eine Brennstoffzelle?

Zur Verstromung von Wasserstoff (H2) wird eine Brennstoffzelle benötigt, konkret handelt es sich dabei genau genommen um eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle. Man spricht auch oft einfach von der „Wasserstoff-Brennstoffzelle“. Im Folgenden werden „Brennstoffzelle“ und „Wasserstoff-Brennstoffzelle“ synonym verwendet. In Wasserstoff-Brennstoffzellen dient Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff (O2) als Oxidationsmittel. Indem sie chemische Energie direkt in elektrische Energie und Wärme umwandeln, verfügen Wasserstoff-Brennstoffzellen über signifikant höhere Wirkungsgrade als konventionelle Kraftwerke.

In Kombination mit einem Brennstoffspeicher und einer Wasserstoff-Rezyklierung ermöglichen Brennstoffzellsysteme eine schadstofffreie Energieerzeugung. Das Leistungsspektrum von Wasserstoff-Brennstoffzellen reicht vom sub-kW-Bereich einzelner Zellen bis in den MW-Bereich in Form virtueller Kraftwerke. Dabei erstreckt sich das Einsatzgebiet von Wasserstoff-Brennstoffzellen von der Wärme- und Stromversorgung in Gebäuden über netzferne Anwendungen bis hin zum Antrieb von Fahrzeugen, Flugzeugen und Schiffen. Gerade durch die Diskussionen rund um die Rolle von Wasserstoff für die E-Mobilität sind Brennstoffzellen verstärkt in den Fokus gerückt.

Brennstoffzelle: Funktion und Aufbau

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Wie ist eine Brennstoffzelle aufgebaut und wie funktioniert sie? Was passiert in ihr mit dem Wasserstoff? Das wird in dieser Infografik anschaulich gezeigt.

Wie funktioniert eine Brennstoffzelle und wie ist diese aufgebaut? Eine Brennstoffzelle besteht aus einem Verbund von mehreren Zellen, die durch Separatoren getrennt werden und zu einem Stapel bzw. Stack angeordnet sind. Der Aufbau einer Brennstoffzelle erfolgt planar in Schichten oder bei oxidkeramischen Brennstoffzellen auch tubular als Röhrensystem. Für die Funktionsweise von Brennstoffzellen spielt die Elektrolyse eine entscheidende Rolle: Den Kern einer einzelnen Brennstoffzelle bildet ein flüssiger bzw. fester Elektrolyt, der beidseitig von bipolaren Elektrodenplatten (Anode und Kathode) eingefasst ist.

Diese Platten besitzen eine poröse Diffusionsschicht (GDL – Gas Diffusion Layer), welche die Reaktionsgase über eine edelmetallbeschichtete Katalysatorfläche führen (Nieder- und Mitteltemperaturbereich) bzw. über einen Katalysator aus Nickel, Keramik oder Stahl (Hochtemperaturbereich). Auf diese Weise wird bei den meisten Brennstoffzellentypen anodenseitig der Wasserstoff gespalten und die Elektronen werden zum elektrischen Verbraucher abgeführt. Die Wasserstoffprotonen wandern durch den Elektrolyten zur Kathodenseite und verbinden sich dort mit dem zugeführten Sauerstoff zu Wasser (H2O).

Wirkungsgrad von Brennstoffzellen

Zur Stromerzeugung nutzen Brennstoffzellen Wasserstoff. Der Wasserstoffantrieb in einem Brennstoffzellenfahrzeug ist ein bekanntes Beispiel: Der Strom aus der Brennstoffzelle treibt entsprechende Fahrzeuge an, wobei aus dem Auspuff letztlich nur emissionsfreier Wasserdampf ausgestoßen wird. Aktuell beträgt der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle circa 60 %. Diese Technik ist nicht zu verwechseln mit derjenigen eines Wasserstoffmotors, bei dem es sich nämlich um einen Wasserstoffverbrennungsmotor handelt.

Zum Vergleich: Die Elektrolyse besitzt einen Wirkungsgrad von 60 bis 70 %. Ein moderner Ottomotor bzw. Benziner hat einen Wirkungsgrad von etwa 24 %, Dieselmotoren sind dagegen in der Lage, rund 40 % der im Kraftstoff gespeicherten Energie zu nutzen. Auch Flugzeugtriebwerke erreichen je nach Qualität des Triebwerks ähnliche Wirkungsgrade wie Fahrzeugmotoren. Somit spricht vieles für den Einsatz der Brennstoffzelle bei Fahrzeugen, die täglich größere Strecken zurücklegen und größere Lasten bewegen müssen.

Wasserstoff ist ein Thema mit vielen Facetten – angefangen von der Herstellung, über den Transport und die Speicherung bis hin zur Nutzung. Mit unserer Kompetenz, Know-How und langjähriger Erfahrung sind wir ein unabhängiger Partner für Sicherheit und Gefahrenabwehr, indem wir verschiedenen Aspekte der Wasserstofftechnologie prüfen, inspizieren und zertifizieren können.

Arten von Brennstoffzellen

Derzeit kommen sechs verschiedene Arten von Wasserstoff-Brennstoffzellen zum Einsatz. Diese Brennstoffzellentypen verstromen unterschiedliche Gase, nutzen verschiedene Elektrolyten und werden abhängig von ihrer Betriebstemperatur als Nieder-, Mittel- oder Hochtemperaturbrennstoffzellen klassifiziert. Die einzelnen Brennstoffzellentypen werden konkret folgenden Kategorien zugewiesen:

  • Niedertemperaturbrennstoffzellen: Alkalische Brennstoffzelle, Membran-Brennstoffzelle, Direkt-Methanol-Brennstoffzelle
  • Mittel- und Hochtemperaturbrennstoffzellen: Phosphorsäure-Brennstoffzelle, Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle, oxidkeramische Brennstoffzelle

Das Einsatzspektrum für Wasserstoff-Brennstoffzellen ist groß und wächst ständig, da sie im Betrieb zuverlässig, wartungsarm und umweltschonend sind. Während sich sämtliche Arten von Brennstoffzellen für stationäre Anwendungen eignen, kommen in der portablen und mobilen Nutzung hauptsächlich Niedertemperaturbrennstoffzellen zum Einsatz.

 

Typ

Anodengas

Kathodengas

Elektrolyt

Arbeitstemperatur

Leistungsbereich

Zellen-Wirkungsgrad

Alkalische Brennstoffzelle
AFC

Wasserstoff

Sauerstoff

Kalilauge

20 °C - 90 °C

bis 100 kW

60 % - 70 %

Membran-Brennstoffzelle
PEMFC

Wasserstoff

Luftsauerstoff

Polymer-Membran

20 °C - 80 °C

bis 500 kW

50 % - 70 %

Direkt-Methanol-Brennstoffzelle DMFC

Methanol

Luftsauerstoff

Polymer-Membran

20 °C - 130 °C

bis 100 kW

20 % - 30 %

Phosphorsäure-Brennstoffzelle PAFC

Wasserstoff
Erd- bzw. Biogas

Luftsauerstoff

Phosphorsäure

160 °C - 220 °C

bis 10 MW

55 %

Schmelzcarbonat-Brennstoffzelle MCFC

Erd-, Kohle-
Biogas

Luftsauerstoff

Alkalicarbonatschmelzen

620 °C - 660 °C

bis 100 MW

65 %

Oxidkeramische Brennstoffzelle SOFC

Erd-, Kohle-
Biogas

Luftsauerstoff

Yttriumstabilisiertes Zirkonoxid

800 °C - 1000 °C

bis 100 MW

60 % - 65 %

 

 

Alkalische Brennstoffzelle (AFC – Alkaline Fuel Cell)

Diese zu den Niedertemperaturbrennstoffzellen zählende Art von Brennstoffzellen setzte einen Meilenstein in der Entwicklung der Brennstoffzellentechnologie. Vor allem in der Raumfahrt und beim Antrieb von U-Booten konnte sich die alkalische Brennstoffzelle durchsetzen. Auch das weltweit erste Brennstoffzellen-Passagierboot wurde von alkalischen Brennstoffzellen angetrieben. Trotz seines robusten Systems weist diese Brennstoffzellenart eine verhältnismäßig niedrige Lebensdauer auf. Die alkalische Brennstoffzelle erreicht nicht die hohe Leistungsdichte der heute weit verbreiteten Membran-Brennstoffzellen bzw. PEM-Brennstoffzellen.

Membran-Brennstoffzelle/PEM-Brennstoffzelle (PEMFC – Proton Exchange Membrane Fuel Cell)

Kein anderer Brennstoffzellentyp lässt sich so vielseitig einsetzen wie die Membran-Brennstoffzelle bzw. PEM-Brennstoffzelle. Aufgrund der hohen Dynamik in der Leistungsabgabe werden PEM-Brennstoffzellen häufig im mobilen Bereich genutzt, z. B. in Pkw, Kleintransportern und Bussen, aber auch für Anwendungen in der Luft-, Raum- und Schifffahrt. Ein weites Einsatzfeld für die zu den Niedertemperaturbrennstoffzellen zählenden PEM-Brennstoffzellen ist zudem die Notstromversorgung, etwa im Schienenverkehr und in der Telekommunikation, sowie die Absicherung kritischer industrieller Infrastrukturen oder Rechenzentren.

Kleinere Brennstoffzellsysteme kommen etwa bei portablen Generatoren oder stationär im Bereich der Hausenergieversorgung durch Blockheizkraftwerke zum Einsatz. Größere Systeme von PEM-Brennstoffzellen finden sich beispielsweise in Krankenhäusern, Schwimmbädern oder anderen kommunalen Versorgungseinrichtungen. Aktuell besitzt die PEM-Brennstoffzelle unter allen Arten von Brennstoffzellen das größte Potenzial, vor allem in puncto Massenfertigung.

Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC – Direct Methanol Fuel Cell)

Dank ihrer unkomplizierten Handhabung findet die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle große Verbreitung. Stationär werden Direkt-Methanol-Brennstoffzellen etwa für die netzferne Stromversorgung von Messstationen, Überwachungssystemen oder Kommunikationseinrichtungen eingesetzt. Portabel finden Direkt-Methanol-Brennstoffzellen z. B. im Freizeitbereich und mobil häufig als Range-Extender für Elektrofahrzeuge Verwendung. Doch was sind die Vor- und Nachteile der Direkt-Methanol-Brennstoffzelle? Zunächst zu den Vorteilen: Mit ihrer hohen Speicherdichte ermöglicht die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle Elektrofahrzeugen eine große, umweltfreundliche Reichweite. Zudem fällt durch die Reaktion von Methanol (CH4O) mit Sauerstoff bei Direkt-Methanol-Brennstoffzellen zusätzlich zum Wasserdampf nur ein geringer Anteil Kohlenstoffdioxid (CO2) an. Hinzu kommt, dass sich flüssiges Methanol gut speichern lässt.

Hinsichtlich der Nachteile der Direkt-Methanol-Brennstoffzelle ist vor allem zu beachten, dass Methanol nicht nur korrosiv, sondern auch ausgesprochen giftig ist. Daher müssen bei der Speicherung höchste Sicherheitsvorschriften gelten. Aufgrund der Arbeitstemperaturen von bis zu 120 °C ist zusätzlich auf ausreichende Kühlung zu achten. Da ein Anteil des Methanols von der Anode zur Kathode wandert, weist die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle zudem nur einen geringen elektrischen Wirkungsgrad auf. Ein weiterer Nachteil der Direkt-Methanol-Brennstoffzelle besteht darin, dass es in der Zelle bei der kalten Verbrennung zur Entstehung von Kohlendioxid kommt.

Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC – Phosphoric Acid Fuel Cell)

Als Mitteltemperaturbrennstoffzelle verfügt dieser Zellentyp nicht nur über eine höhere Arbeitstemperatur als Niedertemperaturbrennstoffzellen, sondern auch über eine gewisse Toleranz gegenüber Kohlenstoffmonoxid (CO) und Kohlenstoffdioxid, sodass sie vorwiegend mit reformiertem Erdgas betrieben werden kann. Aufgrund ihres sauren, aggressiven Elektrolyten besitzt sie jedoch auch eine vergleichsweise geringe Lebensdauer. Sie kommt im Bereich der Kraft-Wärme-Kopplung zum Einsatz, z. B. in der stationären Energieversorgung für Industrieanlagen, Einkaufszentren, Krankenhäuser oder auch Wohnsiedlungen.

Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC – Molten Carbonate Fuel Cell)

Als Hochtemperaturbrennstoffzelle hat die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle den Vorteil, unempfindlich gegenüber Kohlenstoffmonoxid zu sein und Erd-, Kohle, Bio- und Synthesegas ohne den Prozess der Reformierung direkt nutzen zu können. Allerdings erfordert der interne Kohlenstoffdioxid-Kreislauf der Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle ein zusätzliches Elektrolyt- und Kohlenstoffdioxid-Management. Wie bei der Mitteltemperaturbrennstoffzelle steht bei der Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle die Wärmeproduktion gegenüber der Stromproduktion im Vordergrund. Da sie über eine längere Anfahrphase verfügt und ihre Lebensdauer maßgeblich durch die Anzahl der Start-Stopp-Zyklen bestimmt wird, arbeitet die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle in Kraftwerken und Heizkraftwerken idealerweise im Grundlastbetrieb.

Oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC – Solid Oxide Fuel Cell)

Im Vergleich zur Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle zeichnet sich die oxidkeramische Brennstoffzelle durch ein vergleichsweise einfaches System, hohe Lebensdauer und hohe Wirkungsgrade aus. Die Arbeitstemperatur der oxidkeramischen Brennstoffzellen von bis zu 1000 °C prädestiniert diese leistungsfähigen Hochtemperaturbrennstoffzellen zur Auskoppelung von Prozesswärme und damit zum stationären Einsatz in Kraftwerken und Heizkraftwerken, aber auch für Heizanlagen in Ein- und Zweifamilienhäusern. In Kombination mit Gasturbinen werden Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen auch in kleineren Blockheizkraftwerken und Großanlagen zur Stromerzeugung eingesetzt.

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