- Was ist eine Brennstoffzelle?
- Aufbau der Brennstoffzelle
- Funktionsweise der Brennstoffzelle
- Arten und Anwendungsgebiete von Brennstoffzellen
- Warum Brennstoffzellen?
- Brennstoffzelle vs. Wärmepumpe
- Produktion und Kosten von Brennstoffzellen
- Vor- und Nachteile von Brennstoffzellen
- Zukunft von Brennstoffzellen
- Erfolgsfaktoren von Brennstoffzellen
- Weiterbildungen für Brennstoffzellen
Was ist eine Brennstoffzelle?
Die Brennstoffzelle ist ein elektrochemischer Energiewandler, der die chemische Energie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffs (meist Wasserstoff) direkt in elektrische Energie umwandelt. Die Brennstoffzelle zeichnet sich besonders aufgrund der umweltfreundlichen Betriebsweise aus, da bei der Verwendung von reinem Wasserstoff nur Wasser als „Abfallprodukt“ entsteht. Die Grundlagen der Technologie wurden bereits 1838 von Christian Friedrich Schönbein entdeckt, und William Grove baute 1839 daraufhin die erste funktionsfähige Brennstoffzelle. As nachhaltiger Energiewandler spielt sie eine Schlüsselrolle in der heutigen Energiewende.
Aufbau der Brennstoffzelle
Die Brennstoffzelle besteht aus Anode und Kathode, die durch einen Elektrolyten voneinander getrennt sind. Diese Grundstruktur wird als Membranelektrodeneinheit bezeichnet. Zur Gasverteilung und Stromableitung werden Bipolarplatten mit eingearbeiteten Strömungskanälen verwendet, die zusätzliche mechanische Stabilität und Kühlung der Zelle gewährleisten sollen. Ein Gasdiffusionsmedium bestehend aus porösem und elektrisch leitfähigem Material, wird zwischen den beiden Elektroden und den Bipolarplatten aufgebracht, um für einen gleichmäßigen Reaktandentransport zur Katalysatorschicht zu sorgen. Mehrere solcher Einzelzellen werden zu einem „Stack“ in Reihe geschaltet, um die gewünschte elektrische Leistung zu erreichen.
Funktionsweise der Brennstoffzelle
Der Brennstoff (typischerweise Wasserstoff) wird auf der Anodenseite zugeführt, während an der Kathode Sauerstoff aus der Luft eingeleitet wird. Beide Elektroden sind mit einem Katalysator beschichtet, meist Platin, der die elektrochemische Reaktion beschleunigt. Der zugeführte Wasserstoff wird katalytisch in H-Protonen und Elektronen gespalten. Während die Protonenn durch die Elektrolytmembran zur Kathode wandern, werden die Elektroden über einen externen Stromkreis zur Kathode geleitet, wodurch nutzbarer elektrischer Strom entsteht. An der Kathode reagieren die Protonen mit dem zugeführten Sauerstoff und den Elektronen aus dem Stromkreis. Bei dieser elektrochemischen Reaktion entsteht als einziges Nebenprodukt reines Wasser, das durch das Gasdiffusionsmedium und die Bipolarplatte auf der Kathodenseite abgeführt wird.
Abbildung 1 – Bildunterschrift: Aufbau und Funktionsweise einer PEM-Brennstoffzelle (Quelle: KIT/wbk)
Arten und Anwendungsgebiete von Brennstoffzellen
In Abhängigkeit des Anwendungsgebietes gibt es verschiedene Arten von Brennstoffzellen, die sich im Aufbau und der Funktionsweise unterscheiden. Nachfolgend werden die charakteristischen Merkmale aufgezeigt:
Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEMFC)
Die PEMFC arbeitet bei niedrigen Temperaturen (< 90°C) und nutzt eine protonenleitende Polymermembran als Elektrolyt. Sie zeichnet sich durch schnelles Startverhalten und hohe Leistungsdichte aus. Jedoch ist ihre Anfälligkeit gegenüber Verunreinigungen im Vergleich zu anderen Typen hoch und erfordert den hochreinen Wasserstoff als Reaktanden. Haupteinsatzgebiete sind Fahrzeuge und portable Anwendungen.
Alkalische Brennstoffzelle (AFC)
Die PEMFC arbeitet bei niedrigen Temperaturen (< 90°C) und nutzt eine protonenleitende Polymermembran als Elektrolyt. Sie zeichnet sich durch die kostengünstigen Katalysatoren (meist Nickel) aus, ist aber sehr empfindlich gegenüber CO2. Historisch wurde AFC in der Raumfahrt eingesetzt. Heute findet sie hauptsächlich in Spezialanwendungen Verwendung.
Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC)
Die DMFC arbeitet ebenfalls bi niedrigen Temperaturen und nutzt eine ähnliche Membran wie die PEMFC. Die dickere Polymerelektrolytmembran wird in Hinsicht auf eine minimale Methanoldurchlässigkeit für diese Anwendung modifiziert. Anders als die PEMFC wird flüssiges Methanol statt Wasserstoff als Brennstoff verwendet. Ihre geringere Leistungsdichte wird durch die einfachere Brennstoffhandhabung aufgewogen. Hauptanwendungen sind portable Geräte.
Oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC)
Die SOFC operiert bei sehr hohen Temperaturen (600 – 1000°C) und verwendet einen keramischen Elektrolyten. Sie kann verschiedene Brennstoffe wie Erdgas verarbeiten und erreicht sehr hohe Wirkungsgrade. Haupteinsatzgebiete sind stationäre Energieversorgung. Die lange Aufheizzeit und hohe Materialanforderungen bei der Betriebstemperatur stellen die größten Herausforderungen dar.
Warum Brennstoffzellen?
Brennstoffzellen bieten als zukunftsweisende Energiewandler mehrere entscheidende Vorteile:
- Höhere gravimetrische Energiedichte: Wasserstoff hat eine wesentlich höhere Energiedichte als Batterien, was zu einem geringen Gewicht des Antriebsstrangs führt. Bei Schwerlast-Nutzfahrzeugen für den Fernverkehr über 800 km kann der Gewichtsunterschied bis zu zwei Tonnen betragen, was mehr Ladungsgewicht für die Spediteuren ermöglicht.
- Flexibilität in der Energiebereitstellung: Die Wasserstoffproduktion mittels Elektrolyse ist hinsichtlich Lastverlauf und Standort flexibler, was eine höhere Netzverträglichkeit bedeutet.
- Potential zur Energiespeicherung: Wasserstoff kann als Speichermedium für überschüssige erneuerbare Energie genutzt werden.
Brennstoffzelle vs. Wärmepumpe
Brennstoffzellen erzeugen primär elektrische Energie und liefern Wärme nur als Nebenprodukte, während die Wärmepumpe zur Wärmeerzeugung dient. Brennstoffzellen eignen sich besonders für die gleichzeitige Strom- und Wärmeerzeugung (Kraft-Wärme-Kopplung). Die Wärmepumpe benötigt Strom zum Betrieb, erreicht im reinen Heizbetrieb aber höhere Effizienzen.
Produktion und Kosten von Brennstoffzellen
Die Produktion von Brennstoffzellen wird von verschiedenen globalen Akteuren vorangetrieben Führende Hersteller sind unter anderem Ballard Power Systems, Plug Power und Bosch in der Industrieanwendung, sowie Automobilhersteller wie Toyota, Hyundai und Cellcentric für Fahrzeuganwendungen. Die Kosten für Brennstoffzellen variieren stark nach Typ und Leistungsklasse. Aktuell liegen die Kosten für automobile Brennstoffzellensysteme bei etwa 200-300 Euro pro Kilowatt Leistung.
Vor- und Nachteile von Brennstoffzellen
Die Vorteile der Brennstoffzellen im Verkehrssektor sind die mögliche große Reichweite, das schnelle Betanken, die hohe Energiedichte und die Umweltfreundlichkeit. Als Abfallprodukt entsteht bei PEMFC lediglich Wasser.
Die Nachteile des brennstoffzellenbasierten Antriebsstrangs liegen in den noch sehr hohen Herstellungskosten, besondere durch die teuren Materialien wie Platinkatalysatoren. Die bislang unzureichende Wasserstoffinfrastruktur ist auch eine der Hindernisse für die Ausbreitung der Technologie. Diese liegen in der Herstellung, dem Transport und der Lagerung des grünen Wasserstoffes.
Zukunft von Brennstoffzellen
Der Entwicklungsfokus der nächsten Generation der Brennstoffzellen adressiert folgende Aspekte:
- Reduzierung des Edelmetallbedarfs
- Weiterentwicklung der Membran hinsichtlich der Langzeitstabilität
- Ramp-Up für die industrielle Serienfertigung für weitere Kostenreduzierung
Erfolgsfaktoren von Brennstoffzellen
Der Erfolg der Brennstoffellentechnologie hängt von mehreren entscheidenden Faktoren ab. Zentral ist die weitere Kostensenkung durch Massenproduktion. Eine flächendeckende Wasserstoffinfrastruktur mit wettbewerbsfähigem Wasserstoffpreis ist ebenso essentiell. Zudem ist die Verfügbarkeit von grünem Wasserstoff in ausreichenden Mengen auch entscheidend für die Marktdurchdringung.
Weiterbildungen für Brennstoffzellen
Die komplexen elektrochemischen Prozesse, spezifischen Sicherheitsanforderungen und vielfältige Fertigungs- und Montagetechnik, die von der traditionellen Technologie für Verbrennungsmotoren abweichen, erfordern fundiertes Fachwissen. Das wbk Institut für Produktionstechnik bietet daher praxisorientierte Schulungen in Brennstoffzellen an, die von erfahrenen Experten durchgeführt werden. Das Institut stellt dabei auch moderne Laborausstattung und Demonstratoren zur Verfügung, was einen optimalen Praxistransfer ermöglicht.
Abbildung 2 – Überblick zum Ablauf des Fit4H2 – Schulungsprogramms (Quelle: KIT/wbk)
Hier finden Sie das Seminar zu Produktionsprozessen in der Brennstoffzellenproduktion der WGP-Produktionsakademie.