Brennstoffzelle

Mit Methanol betriebene Brennstoffzelle

Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, welche die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Im Sprachgebrauch steht Brennstoffzelle meist für die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle.

Eine Brennstoffzelle ist kein Energiespeicher, sondern ein Wandler. Die Energie wird in chemisch gebundener Form mit den Brennstoffen zugeführt.

Gewinnung

Die Gewinnung von elektrischer Energie aus chemischen Energieträgern erfolgt zumeist durch Verbrennung und Nutzung der entstehenden heißen Gase in einer Wärmekraftmaschine mit nachgeschaltetem Generator. So wird erst chemische Energie durch Verbrennung in thermische Energie und dann in mechanische Arbeit umgewandelt. Erst aus dieser wird im Generator Strom erzeugt. Eine Brennstoffzelle ist jedoch geeignet, die Umformung ohne die Umwandlung in Wärme und Kraft zu erreichen und ist dadurch potenziell effizienter. Im Unterschied zu einer Verbrennungskraftmaschine (VKM) wandelt sie chemische Energie direkt in elektrische Energie um und unterliegt nicht dem schlechten Wirkungsgrad von VKM. Die theoretisch erreichbare Nutzarbeit ist allein durch die freie Enthalpie der chemischen Reaktion beschränkt und kann damit höher sein als bei der Koppelung einer Wärmekraftmaschine (Carnot-Wirkungsgrad) mit einem Generator zur Stromerzeugung. Praktisch ist auch der mit der Kombination von Brennstoffzelle und Elektromotor erzielte Wirkungsgrad höher als der von Otto- oder Dieselmotoren. Allerdings sollte in der gesamten Wirkkette auch der Aufwand zur Herstellung und Speicherung der Energie mit betrachtet werden. Gut erforscht ist die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle.

Geschichte

Eine einfache Brennstoffzelle wurde 1838 von Christian Friedrich Schönbein erstellt, indem er zwei Platindrähte in Salzsäure mit Wasserstoff bzw. Sauerstoff umspülte und zwischen den Drähten eine elektrische Spannung bemerkte. Ein Jahr später veröffentlichte Schönbein diese Ergebnisse. Sir William Grove schrieb noch im selben Jahr eine Notiz über das sogenannte „batterisierte Knallgas“. Zusammen mit Schönbein erkannte er die Umkehrung der Elektrolyse und das Erzeugen von Strom in diesem Phänomen und wandte diese Erkenntnisse in mehreren Versuchen an.

Recht bald war man von den Brennstoffzellen regelrecht begeistert. Man hoffte die Kohle und Dampfmaschinen zu ersetzen. 1875 schrieb Jules Verne in seinem Buch "Die geheimnisvolle Insel" über die Brennstoffzelle:

„Das Wasser ist die Kohle der Zukunft. Die Energie von morgen ist Wasser, das durch elektrischen Strom zerlegt worden ist. Die so zerlegten Elemente des Wassers, Wasserstoff und Sauerstoff, werden auf unabsehbare Zeit hinaus die Energieversorgung der Erde sichern.“

Wegen der Erfindung des elektrischen Generators, damals Dynamomaschine genannt, durch Werner von Siemens geriet die als „galvanische Gasbatterie“ bezeichnete Erfindung zunächst in Vergessenheit. Die Dynamomaschine war in Verbindung mit der Dampfmaschine bezüglich Brennstoff und Materialien relativ einfach und unkompliziert und wurde daher zu dieser Zeit der komplexen Brennstoffzelle vorgezogen. Wilhelm Ostwald machte sich um die theoretische Durchdringung der Brennstoffzelle verdient. 1894 erkannte er ihr hohes Potential gegenüber den Wärmekraftmaschinen.

Erst in den 1950er Jahren wurde die Idee wieder aufgegriffen, da in der Raumfahrt und beim Militär kompakte und leistungsfähige Energiequellen benötigt wurden. Die Brennstoffzelle wurde ab 1963 erstmals an Bord eines Satelliten und für die Gemini- und Apollo-Raumkapseln eingesetzt.

In den 1990er-Jahren führte die kalifornische Gesetzgebung zu neuen Impulsen. Nun wurden Fahrzeuge mit niedrigen Emissionen von jedem Hersteller gefordert. Seither machte die Brennstoffzellenentwicklung international große Fortschritte, sowohl in der Forschung als auch in der Anwendung.

Besondere Ereignisse

Der erste Prototyp eines größeren brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeuges konnte 1959 von Allis-Chalmers mit einem brennstoffzellenbetriebenen Traktor vorgestellt werden. Die ersten produktiven Einsätze hatte die Brennstoffzelle in der US-amerikanischen Raumfahrttechnik der 1960er Jahre. In den Apollo-Mondmissionen diente sie als meist zuverlässiger Energielieferant. Als aber am 11. April 1970 die Rakete der Apollo-13-Mission mit drei Mann Besatzung nach problemlosem Start das All erreichte, explodierte einer der beiden Sauerstofftanks im Servicemodul der „Odyssey“ und beschädigte dabei die Sauerstoffleitung des anderen Sauerstofftanks, so dass alle drei Brennstoffzellen abgeschaltet werden mussten.

Aufbau

Schematische Darstellung der Funktion einer PEMFC-/DMFC-(/PAFC-)Brennstoffzelle

Eine Brennstoffzelle besteht aus Elektroden, die durch eine semipermeable Membran oder einen Elektrolyt (Ionenleiter) voneinander getrennt sind.

Die Elektrodenplatten/Bipolarplatten bestehen meist aus Metall oder Kohlenstoffnanoröhren. Sie sind mit einem Katalysator beschichtet, zum Beispiel mit Platin oder mit Palladium. Als Elektrolyten können beispielsweise gelöste Laugen oder Säuren, Alkalicarbonatschmelzen, Keramiken oder Membranen dienen.

Die Energie liefert eine Reaktion von Sauerstoff mit dem Brennstoff, der Wasserstoff sein kann, jedoch ebenso aus organischen Verbindungen wie beispielsweise Methan oder Methanol bestehen kann. Beide Reaktionspartner werden über die Elektroden kontinuierlich zugeführt.

Die gelieferte Spannung liegt theoretisch bei 1,23 V für die Wasserstoff-Sauerstoff-Zelle bei einer Temperatur von 25 °C. In der Praxis werden jedoch nur Spannungen von 0,5–1 V (experimentell auch darüber) erreicht. Die Spannung ist vom Brennstoff, von der Qualität der Zelle und von der Temperatur abhängig. Um eine höhere Spannung zu erhalten, werden mehrere Zellen zu einem Stack (engl. für ‚Stapel‘) in Reihe geschaltet. Unter Last bewirken die chemischen und elektrischen Prozesse ein Absinken der Spannung (nicht bei der Hochtemperatur-Schmelzkarbonatbrennstoffzelle, MCFC).

Bei der Niedertemperatur-Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC; oder Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC) ist der Aufbau wie folgt:

1. Bipolarplatte als Elektrode mit eingefräster Gaskanalstruktur, beispielsweise aus leitfähigen Kunststoffen (durch Zugabe von zum Beispiel Carbon-Nanoröhrchen elektrisch leitend gemacht);
2. poröse Carbon-Papiere;
3. Reaktivschicht, meist auf die Ionomermembran aufgebracht. Hier stehen die vier Phasen Katalysator (Pt), Elektronenleiter (Ruß oder Carbon-Nanomaterialien), Protonenleiter (Ionomer) und Porosität miteinander in Kontakt;
4. protonenleitende Ionomermembran: gasdicht und nicht elektronenleitend.

Brennstoffzellentypen

Verschiedene Typen der Brennstoffzelle

Bezeichnung	Elektrolyt	Mobiles Ion	Brennstoff (Anode)	Gas der Kathode	Leistung (kW)	Temperatur (°C)	el. Wirkungs- grad (%)
Alkalische Brennstoffzelle (AFC)	KOH	OH−	H2	O2 (CO2-frei)	10–100	150–220	40–60
Polymerelektrolyt- Brennstoffzelle (PEMFC)	Polymer- Membran	H3O+	H2	O2	0,1–500	10–100	35–60
Direktmethanol- Brennstoffzelle (DMFC)	Polymer- Membran	H+	CH3OH	O2	<0,001–100	60–130	40
Ameisensäure-Brennstoffzelle, div. Katalysatoren (Platin, Palladium, Ruthenium)	Polymer- Membran	H+	HCOOH	O2	<0,001–100	30, 40 (RuCl2(PPh3)2)
Phosphorsäure- Brennstoffzelle (PAFC)	H3PO4	H3O+	H2	O2	<10.000	110–220	38–40
Schmelzkarbonat- Brennstoffzelle (MCFC)	Alkali-Carbonat- Schmelzen	CO32−	H2, CH4, Kohlegas	O2	100.000	550–700	48–70
Festoxid- Brennstoffzelle (SOFC)	oxidkeramischer Elektrolyt	O2−	H2, CH4, Kohlegas	O2 (Luft)	<100.000	450–1000	47–70
Direktkohlenstoff-Brennstoffzelle (SOFC, MCFC)		O2−	C	O2 (Luft)		650	<60
Magnesium-Luft-Brennstoffzelle (MAFC)		O2−	Mg	O2 (Luft)		55	<90

Reversible Brennstoffzelle

Eine Weiterentwicklung der herkömmlichen Brennstoffzelle ist die Reversible Brennstoffzelle (en. reversible fuel cell, RFC), in der Stromerzeugung und -speicherung kombiniert werden. Sie besteht im einfachen Fall aus der Kombination einer Wasserstoff-Brennstoffzelle mit einem Elektrolyseur. Neuere Modelle kombinieren den Verbrennungs- und Elektrolyse-Prozess, um Gewicht zu sparen und die Komplexität zu vermindern. Damit eignen sich reversible Brennstoffzellen für Energiespeicher und als Ersatz von Akkumulator-Systemen.

Chemische Reaktion

Das Prinzip der Brennstoffzelle wurde 1838 von Christian Friedrich Schönbein anhand der Reaktion

$\mathrm {2\ H_{2}+O_{2}\to 2\ H_{2}O}$

erfunden. Viele Brennstoffzellentypen nutzen heutzutage diese Reaktion als „kalte Verbrennung“ zur Gewinnung elektrischer Energie.

Ein wichtiges Beispiel ist die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC). Eine solche Brennstoffzelle verwendet in der Regel Wasserstoff als Energieträger und erreicht einen Wirkungsgrad von etwa 60 %. Andere Konstruktionen arbeiten mit Methanol oder Methan und erzeugen daraus den Wasserstoff mittels Dampfreformierung. Das Kernstück der PEMFC ist eine Polymermembran, die ausschließlich für Protonen durchlässig ist (also nur für H⁺-Ionen), die so genannte proton exchange membrane (PEM). Das Oxidationsmittel, für gewöhnlich Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich vom Reduktionsmittel getrennt.

Der Brennstoff, hier Wasserstoff, wird an der Anode katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert. Diese gelangen durch die Ionen-Austausch-Membran in die Kammer mit dem Oxidationsmittel. Die Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen elektrischen Verbraucher, zum Beispiel eine Glühlampe, zur Kathode. An der Kathode wird das Oxidationsmittel, hier Sauerstoff, durch Aufnahme der Elektronen zu Anionen reduziert, die unmittelbar mit den Wasserstoffionen zu Wasser reagieren.

Brennstoffzellen mit einem solchen Aufbau heißen Polyelektrolyt-Brennstoffzellen, PEFC (für Polymer Electrolyte Fuel Cell) oder auch Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle, PEMFC (für Proton Exchange Membrane Fuel Cell). Die verwendeten Membranen sind saure Elektrolyten.

Redox-Reaktionsgleichungen für eine PEMFC:

Saurer Elektrolyt	Gleichung
Anode	$\mathrm {2\ H_{2}+4\ H_{2}O\to 4\ H_{3}O^{+}+4\ e^{-}}$ Oxidation / Elektronenabgabe
Kathode	$\mathrm {O_{2}+4\ H_{3}O^{+}+4\ e^{-}\to 6\ H_{2}O}$ Reduktion / Elektronenaufnahme
Gesamtreaktion	$\mathrm {2\ H_{2}+O_{2}\to 2\ H_{2}O}$ Redoxreaktion / Zellreaktion

Es gibt auch alkalische Wasserstoff-Brennstoffzellen. Sie arbeiten jedoch nur mit hochreinem Wasserstoff und Sauerstoff. In ihnen werden die Gase durch poröse, katalytisch wirksame Elektroden in eine basische Lösung eingeleitet.

Schema einer basischen Wasserstoffbrennstoffzelle

Die dort ablaufenden Redox-Reaktionen lauten:

Basischer Elektrolyt	Gleichung
Anode (Minus-Pol)	$\mathrm {2\ H_{2}+4\ OH^{-}\to 4\ H_{2}O+4\ e^{-}}$ Oxidation / Elektronenabgabe
Kathode (Plus-Pol)	$\mathrm {O_{2}+2\ H_{2}O+4\ e^{-}\to 4\ OH^{-}}$ Reduktion / Elektronenaufnahme
Gesamtreaktion	$\mathrm {2\ H_{2}+O_{2}\to 2\ H_{2}O}$ Redoxreaktion / Zellreaktion

Elektrischer Wirkungsgrad, Kosten, Lebensdauer

Am Institut für Energieforschung am Forschungszentrum Jülich wurden im Jahr 2003 für Brennstoffzellensysteme folgende Testergebnisse erzielt:

Typ	Betriebsparameter	Leistung	Elektrischer Wirkungsgrad	Einsatzbereitschaft für KWK	Kosten €/kW
PEFC	70 °C, fester Elektrolyt	250 kW	35 %	Feldtest	< 10.000
PAFC	250 °C	200 kW	38 %	Serie	> 5.000
MCFC	650 °C, für stationäre Anwendung	280 kW	48 %	Feldtest	< 8.000
SOFC	900 °C, für stationäre Anwendung	100 kW	47 %	Feldtest	20.000

Stand 2012 erreichen Brennstoffzellen im praktischen Betrieb einen Wirkungsgrad bis zu 60 %.

Kosten und Wirkungsgrad des Gesamtsystems sind auch von den Nebenaggregaten, bei einem Brennstoffzellen-Fahrzeugs etwa der Traktionsbatterie und dem Elektroantrieb, sowie dem Aufwand zur Bereitstellung des Brennstoffzellen-Brennstoffes abhängig. Als Vergleichsbasis werden daher umfassende Betrachtungen der Wirkketten, bei Kraftfahrzeugen auf der Basis Well-to-Wheel, vorgenommen.

Die folgende Tabelle zeigt Leistungs-, Wirkungsgrad- und Kostenüberblick für verschiedene konventionelle Energienutzungen:

Typ	Leistung	Wirkungsgrad	Kosten €/kW
konventionelle Kraft-Wärme-Kopplung	bis 100 kW	34 % (el.)	1000
konventionelle Kraft-Wärme-Kopplung	ab 1000 kW	41 % (el.)	< 500
Stadtbus (Dieselmotor)	300 kW	45–50 %	< 275
LKW, Reisebus	500 kW	45–50 %	< 100
PKW (Ottomotor)	100 kW	35–38 %	50
Gasturbinen	1 kW–300 MW	25–46 %	2200

Die Lebensdauer einer PAFC-Brennstoffzelle liegt zwischen 40.000 Betriebsstunden für stationäre und 5.000 Betriebsstunden für mobile Systeme (40.000 Betriebsstunden entsprechen 1666 Dauerbetriebstagen oder 4,6 Dauerbetriebsjahren). Die Lebensdauer einer Festoxid-SOFC-Brennstoffzelle ist derzeit noch auf einige Monate beschränkt bei Herstellungskosten in der Größenordnung von rund 100.000 Franken (62.000 Euro) (Stand: 13. März 2006).

Hochtemperaturbrennstoffzellen können zur Erhöhung des Wirkungsgrades mit einer Mikrogasturbine gekoppelt werden, sodass sie kombiniert Wirkungsgrade von über 60 % erreichen.

Anwendungen

Die ersten Anwendungen von Brennstoffzellen ergaben sich in Bereichen wie Militär und Raumfahrt, in denen die Kosten eine sehr geringe Rolle spielten und die spezifischen Vorteile die Kostenvorteile der Dieselgeneratoren überwogen. Brennstoffzellen sind leichter als Akkumulatoren sowie zuverlässiger und leiser als Generatoren. Die geringen Geräuschemissionen und die Möglichkeit, Brennstoffzellen nach sehr langer Inaktivität zuverlässig zu betreiben, trugen zu einer anfangs oft militärischen Nutzung sowie einem Einsatz in Notstromversorgungen bei. Zudem können Brennstoffzellen in Kombination mit einem Elektromotor Bewegungsenergie in verschiedenen Einsatzbereichen effizienter erzeugen als Verbrennungsmotoren, etwa wegen des konstanten Drehmomentverlaufs oder der besseren Regelbarkeit Ersterer.

Eine Stärke von Brennstoffzellen liegt in der im Vergleich mit anderen Stromspeichern hohen Energiedichte, wodurch sich das frühzeitige Interesse des Militärs und der Raumfahrt an dieser Technik erklärt.

Stationärer Einsatz

Der stationäre Einsatzbereich eines Brennstoffzellensystems erstreckt sich über einen weiten Leistungsbereich, angefangen bei kleinen Systemen mit einer Leistung von zwei bis fünf Kilowatt elektrischer Leistung – beispielsweise als Hausenergieversorgung – bis hin zu Systemen im niedrigen Megawattbereich. Größere Systeme werden in Krankenhäusern, Schwimmbädern oder für die Versorgung von kleinen Kommunen eingesetzt. Europas größtes Brennstoffzellenkraftwerk hatte mit Stand September 2016 eine Leistung von 1,4 MW.

Eine stromerzeugende brennstoffzellenbasierte HyO-Heizanlage („Hy“ = Hydrogenium = Wasserstoff und „O“ = Oxygenium = Sauerstoff; Mini-Blockheizkraftwerk = Mini-BHKW) besteht aus mehreren Komponenten. Im Idealfall des Bezugs von – möglichst klimaneutral erzeugtem – Wasserstoff wird eine mit geringem Aufwand herstellbare PEM-BZ (Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle) eingesetzt. Solange noch kein (Bio-)Wasserstoff als Brennstoff zur Verfügung steht, sondern stattdessen fossiles oder biogenes Methan (Erdgas oder gar „BioErdgas“), ist eine aufwändige und störungsanfällige Reformer-Einheit erforderlich. Diese verwandelt das Methan in Wasserstoff zum direkten Betrieb der brennstoffzellenbasierten HyO-Anlage und in CO₂ als Abgas. Die zweite Komponente ist die Brennstoffzelle (BZ), die für den chemischen Prozess (Oxidation des zugeführten Wasserstoffs) mit der Folge der Erzeugung von Strom und Wärme Sauerstoff aus der Umgebungsluft verwendet. Hinzu kommen noch die elektrische Leistungselektronik und die dazugehörige Regelung der Betriebsführung. Zur Deckung von thermischen Lastspitzen sind meist zusätzliche herkömmliche erdgasbetriebene Wärmeerzeuger installiert.

Für den stationären Anwendungsbereich kommen alle Typen von Brennstoffzellen in Betracht. Aktuelle Entwicklungen beschränken sich auf die SOFC, die MCFC und die PEMFC. Die SOFC und die MCFC haben den Vorteil, dass – bedingt durch die hohen Temperaturen – Erdgas direkt als Brenngas eingesetzt werden kann. Der Entzug von Wasserstoff (H₂) aus dem Methan (CH₄) des Gasleitungsnetzes („Reformierungsprozess“) verläuft dabei innerhalb der Hochtemperaturbrennstoffzelle (HT-BZ), was beim Einsatz von Methan einen separaten Reformer überflüssig macht. Die im Niedertemperaturbereich arbeitende PEM-Brennstoffzelle hingegen benötigt bei Methan-Einsatz für die Erzeugung von Wasserstoff eine separate Reformer-Einheit mit einer aufwändigen Gasreinigungsstufe, weil das Reformat weitgehend von Kohlenstoffmonoxid (CO) befreit werden muss. CO entsteht bei jeder Reformierung von Kohlenwasserstoffen. CO ist bei diesem BZ-Typ ein Katalysatorgift und würde sowohl die Leistung als auch die Lebensdauer der Brennstoffzelle deutlich verringern.

Beim Betrieb der Hochtemperaturzellen SOFC und MCFC kann die heiße Abluft zur Sterilisation von Gegenständen genutzt werden. Als Notstromerzeuger sind sie wegen der längeren Anfahrphase ungeeignet. Ein Niedertemperatur-PEMFC-System hingegen kann sich bei plötzlichem Notstrombedarf innerhalb von Sekundenbruchteilen selbsttätig in Betrieb setzen.

Betriebsweise

Bei der stationären BZ-Anwendung steht derzeit die Wärmeproduktion gegenüber der Stromproduktion im Vordergrund. Diese Systeme werden deshalb meist wärmebedarfsgeführt betrieben. Das bedeutet, dass die Systemleistung nach der benötigten Wärmemenge geregelt wird, wobei der erzeugte elektrische Strom in das öffentliche Stromnetz eingespeist wird. Stationäre BZ-Systeme werden am besten mit einer geringen Leistungsmodulation betrieben. Idealerweise wird der Wärmegrundlastbedarf komplett über das BZ-BHKW gedeckt. (Wärme-) Lastspitzen werden über konventionelle Heizgeräte abgedeckt. Auf diese Weise arbeitet das stationäre BZ-System bei lediglich einem einzigen konstanten Lastpunkt. Dadurch kann das System auf den maximalen Wirkungsgrad hin ausgelegt werden. Die Lebensdauer einer BZ ist in erster Annäherung durch die Anzahl der Start-Stopp-Zyklen bestimmt, da diese die ungünstigste Auswirkung auf die Katalysatoren im Inneren zeigen.

Für eine PEM-Brennstoffzelle mit geschlossener Kathode gilt, dass sie in ausgeschaltetem Zustand beidseitig – also auch sauerstoffseitig – abgedichtet werden sollte. Das vereinfacht einen erneuten Start, da die für den Betrieb notwendige Feuchtigkeit beibehalten wird, und sich keine schädlichen Gase ansammeln können. Sofern die Lagerung bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt erfolgen soll, muss die Brennstoffzelle komplett ausgetrocknet werden, um Schäden durch Eisbildung zu verhindern.

Mobiler Einsatz

Straßenverkehr

Methanolbrennstoffzelle im Mercedes-Benz NECAR 3

Mehrere Automobilfirmen (u. a. Volkswagen, Toyota, Daimler, Ford, Honda, General Motors / Opel) forschen teilweise bereits seit 20 Jahren mit staatlicher Förderung an Automobilen, deren Treibstoff Wasserstoff ist, und die zur Energieumwandlung Brennstoffzellen sowie einen Elektromotor zum Antrieb nutzen. Ein Beispiel sind die Fahrzeuge NECAR 1 bis NECAR 5 sowie Mercedes-Benz F-Cell und das Konzeptfahrzeug F125 von Daimler. Das schweizerische Hy-Light-Fahrzeug rückte 2004 ins Licht der Öffentlichkeit. Derzeit gehen einige MAN-Brennstoffzellen-Stadtbusse in Berlin für die BVG in Betrieb.

Bei BMW ist die Brennstoffzelle nicht originär zur Erzeugung elektrischer Antriebsenergie gedacht. Das Konzept sieht hier vor, weiterhin einen Verbrennungsmotor einzusetzen, dessen Kraftstoff dann allerdings Wasserstoff ist, der flüssig bei sehr tiefen Temperaturen gespeichert ist. Das Konzeptfahrzeug hierfür ist ein Typ E68 (7er Baureihe) mit einem Kryotank für Wasserstoff. Der permanent im Tank verdunstende Wasserstoff wird als Gas in einer Brennstoffzelle genutzt, um die Stromversorgung des Fahrzeuges sicherzustellen. Ansonsten müsste der gasförmige Wasserstoff von Zeit zu Zeit ins Freie abgeblasen werden.

Auslöser für die erheblichen Anstrengungen in der Forschung war insbesondere der Zero emission act bzw. das Zero Emission Vehicle mandate (ZEV) in den USA, die vorsehen, dass Autos zukünftig abgasfrei fahren sollen. Für das Jahr 2003 war vorgesehen, dass 10 % aller neu zugelassenen Fahrzeuge in Kalifornien diesem Gesetz unterliegen sollten. Kurz vorher, nach massivem Druck der amerikanischen Automobilindustrie, wurde das ZEV jedoch gekippt, obgleich es weiterhin diskutiert wird.

Durch den verstärkten Einsatz von emissionsfreien Fahrzeugen in Ballungszentren und Großstädten wird eine Verbesserung der dortigen Luftqualität erwartet. Ein Nebeneffekt wäre allerdings, dass die Emissionen vom Ort der Fahrzeugnutzung dorthin verlagert werden, wo der Wasserstoff hergestellt wird, soweit das nicht aufgrund klimaneutraler Verfahren erfolgt. Für die Wasserstoffherstellung gibt es mehrere Möglichkeiten mit unterschiedlicher Effizienz.

Für den breiten Einsatz der mobilen Wasserstoffanwendungen ist der gleichzeitige Aufbau von Wasserstofftankstellen erforderlich. Am sinnvollsten geschieht das durch den Umbau der Energiewirtschaft zu einer Wasserstoffwirtschaft. Für die Mitnahme von Wasserstoff in Fahrzeugen kommen neben Druckbehältern auch andere Formen der Wasserstoffspeicherung in Frage, beispielsweise in Metallhydriden oder unter hohem Druck und niedriger Temperatur als flüssiger Wasserstoff. Energetisch beim mobilen Einsatz ist dabei der hohe Energiebedarf für die Komprimierung (bis 700 bar) oder die Verflüssigung (etwa −250 °C) zu beachten, der den Gesamtwirkungsgrad (Well-to-Wheel) der Fahrzeuge mit Wasserstoffspeichern deutlich senkt.

Trotz des hohen Wirkungsgrads der Brennstoffzelle gestaltet sich auch die Abfuhr der Abwärme auf dem vergleichsweise niedrigen Temperaturniveau der PEM-Brennstoffzelle von etwa 80 °C als problematisch, denn im Gegensatz zum Verbrennungsmotor beinhaltet das relativ kalte Abgas (Wasserdampf) nur eine vergleichsweise geringe Wärmemenge. Demzufolge ist man bestrebt, die Betriebstemperatur der PEM-Brennstoffzelle auf über 100 °C anzuheben, um leistungsstärkere Brennstoffzellen-Automobile mit mehr als 100 kW realisieren zu können.

Bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts kann die Startfähigkeit der Brennstoffzelle aufgrund gefrierenden Wassers beeinträchtigt sein. Es muss sichergestellt sein, dass die elektrochemische Reaktion, insbesondere die Diffusion der Brenngase, nicht durch Eisbildung behindert wird. Das kann beispielsweise durch eine geeignete Elektrodenstruktur erzielt werden. Verschiedene Hersteller haben 2003 und 2004 bereits nachgewiesen, dass der Gefrierstart von PEM-Brennstoffzellen bei Temperaturen von bis zu −20 °C möglich ist; die Startzeiten seien mit denen von Verbrennungsmotoren vergleichbar.

Alternativen zu Wasserstoff

Mögliche Alternativen zur direkten Wasserstoffspeicherung sind Treibstoffe wie Ethanol, Methanol oder andere Kohlenwasserstoffe, von denen kurz vor Gebrauch der Wasserstoff durch katalytische Verfahren gewonnen wird. Diese Verfahren tragen jedoch in nicht unerheblichem Maße durch CO₂-Ausstoß zur Umweltbelastung bei, was die ansonsten perfekte Umweltverträglichkeit der Brennstoffzelle einschränkt. Ethanol und Methanol können auch aus Wasser und Kohlendioxid synthetisiert werden, wobei jedoch wiederum die Gewinnung von Kohlendioxid, das in der Luft nur in sehr geringer Konzentration vorkommt, energieaufwendig sein kann. Die Wirtschaftlichkeit dieser Verfahren hängt von den Katalysatoren ab, deren beste Varianten das teure Platin enthalten. Eine breite Verwendung von Platinkatalysatoren würde zudem zu einer weiteren Verknappung und Verteuerung von Platin führen.

Fahrzeug-Entwicklung

Die schon seriennah verfügbaren Prototypen kleinerer Fahrzeuge haben zum Ziel, die Größe, das Gewicht und die Kosten der Brennstoffzelle und eine geeignete Speicherung des Wasserstoffes zu erproben. So hat Daimler Fahrzeuge der A-Klasse und der B-Klasse mit Brennstoffzellen vorgestellt. In Hamburg und Stuttgart werden Busse mit Wasserstoffantrieb im normalen Linienbetrieb getestet.

Im Raum Köln fahren zwei Wasserstoffbusse des RVK des Typs „Phileas“ des niederländischen Herstellers Advanced Public Transport Systems (APTS), bei denen die Brennstoffzellen von Ballard Power Systems Inc. 150 kW erzeugen.

Seit dem 16. Juni 2008 liefert Honda in begrenztem Rahmen den PKW FCX Clarity aus, der ausschließlich mit Brennstoffzellentechnik betrieben wird.

Seit 2007 fahren im Fuhrpark des Bundesverkehrsministeriums die ersten Kfz mit Brennstoffzellen-Antrieb.

Ebenfalls etwa seit 2007 gibt es auch Hybrid-Fahrräder und Motorräder mit Brennstoffzellenantrieb.

Der Autohersteller Ford gab am 24. Juni 2009 bekannt, dass die Arbeit an Brennstoffzellen eingestellt wird. Ford setzt stattdessen lieber auf Batterien und den Elektromotor. Im Dezember 2010 erklärte Ford allerdings, dass intern weiter an der Brennstoffzelle gearbeitet werde.

Mit Wasserstoff angetriebene Prototypen von Elektrofahrzeugen besitzen inzwischen Reichweiten von bis zu 800 km.

Die Fahrzeughersteller Toyota, Nissan, Mercedes-Benz und Honda haben die Produktionskosten für wasserstoffgetriebene Fahrzeuge inzwischen deutlich reduziert.

Um die Alltagstauglichkeit des Wasserstoffantriebes nachzuweisen, hat Mercedes-Benz eine Weltumrundung mit mehreren Brennstoffzellenfahrzeugen der B-Klasse erfolgreich abgeschlossen. Bereits 200 Serienfahrzeuge dieses Typs sind 2010 an Kunden ausgeliefert worden.

Opel wollte ab 2015 erste Modelle mit Brennstoffzellenantrieb in Serie fertigen und den Aufbau einer flächendeckenden Infrastruktur für Wasserstofftankstellen parallel zur Markteinführung vorantreiben.

Daimler wollte die Serienfertigung von Brennstoffzellenfahrzeugen entgegen der ursprünglichen Planung um ein Jahr auf 2014 vorziehen. Der Preis sollte nur etwa 20 % über dem eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor liegen.

Toyota plante den Einsatz von Großserien in Japan ab 2015 in Verbindung mit zahlreichen Wasserstofftankstellen in den japanischen Metropolregionen.
Mit dem Toyota Mirai wurde im Dezember 2014 das erste Serien-Brennstoffzellen-Fahrzeug vorgestellt, das seit September 2015 auch in Deutschland ausgeliefert wird. Der Elektromotor leistet 114 kW, die Höchstgeschwindigkeit liegt bei 178 km/h. Der Wasserstoff wird in zwei getrennten Tanks gespeichert, die bei 700 bar jeweils 2,5 kg Wasserstoff aufnehmen und nach Herstellerangaben eine Reichweite von 500 km ermöglichen.

Luftfahrt

Seit Mitte 2005 sind Brennstoffzellen auch in der Luftfahrt anzutreffen. Eine erste Drohne, deren Elektromotoren von einer Brennstoffzelle angetrieben werden, startete in Yuma, Arizona. Das DLR arbeitet zurzeit an der Integration der Brennstoffzellentechnik in das unbemannte Forschungsflugzeug HyFish, das im März 2007 in der Nähe von Bern erfolgreich seinen Erstflug absolvierte.

Auch an anderer Stelle sind Forschungsaktivitäten in der Luftfahrt im Gange. Zu Beginn des Jahres 2008 wurde in einem Testflug ein umgebauter Airbus A320 mit einer Brennstoffzelle als Backup-System für die Energieversorgung an Bord getestet. Als positiver Nebeneffekt kann das erzeugte Wasser für die Bordversorgung eingesetzt werden, was das Abfluggewicht senkt.

Am 3. März 2008 betrieb Boeing zum ersten Mal ein kleines Flugzeug, eine Dimona von Diamond Aircraft, mit einem Hybridantrieb: Elektromotor mit Lithium-Ionen-Akkus und Brennstoffzelle. Nach dem Aufstieg mit beiden Energiequellen auf 1000 Meter Höhe wurde der Akkumulator abgetrennt und der Pilot flog die ersten 20 Minuten der Fluggeschichte mit Brennstoffzelle. Entwickelt wurde der Antrieb von Boeing Research & Technology Europe (BR&TE) in Madrid mit europäischen Industriepartnern.

Eine Lange Antares 20E des DLR, in der die elektrische Energie mittels Wasserstoff über eine Brennstoffzelle erzeugt wird

Der erste (öffentliche) vollständige Flug (Start – Platzrunde – Landung) eines pilotengesteuerten und ausschließlich mit Energie aus Brennstoffzellen angetriebenen Flugzeuges fand am 7. Juli 2009 in Hamburg statt. Bei dem Flugzeug handelte es sich um den Motorsegler Antares DLR-H2, mit 20 Metern Spannweite, der vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) sowie den Projektpartnern Lange Aviation, BASF Fuel Cells und Serenergy (Dänemark) sowie in enger Zusammenarbeit mit Airbus in 15 Monaten entwickelt und hergestellt wurde.

Raumfahrt

Brennstoffzellen werden seit langem als Energiewandler in der Raumfahrt (Gemini, Apollo, Space Shuttle) verwendet.

Die amerikanischen Space Shuttles verwendeten Brennstoffzellen mit einer maximalen Dauerleistung von 3 × 7 kW für die Stromversorgung des Orbiters. Das bei den Brennstoffzellen anfallende Wasser konnte im Lebenserhaltungssystem verwendet werden.

Schifffahrt

Brennstoffzellenboot Hydra

Das weltweit erste Brennstoffzellenboot war die Hydra, die im Jahr 1999 vom Germanischen Lloyd für den öffentlichen Personenverkehr zertifiziert wurde. Dafür wurde eine Alkalische Brennstoffzelle (AFC) ausgewählt, da diese Technologie einfach verfügbar war und für Einsatzfälle auf hoher See mit der salzigen Seeluft besser umgehen kann als die PEM-Brennstoffzellen. Außerdem konnte das Brennstoffzellensystem auch bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt starten, da Kalilauge erst bei circa −77 °C gefriert und der Wirkungsgrad der AFC-Technologie noch etwa 5 % höher als der der PEM liegt. Die Hydra hat eine Zulassung für 20 Passagiere und beförderte in den Jahren 1999/2000 rund 2.000 Personen. Der Wasserstoff wird im Bug in Metallhydridspeichern bevorratet und reicht für einen Zweitagebetrieb bei jeweils acht Stunden Betriebsdauer.

Vorteil der Bevorratung des Wasserstoffs in Metallhydridspeichern ist außerdem die sehr kompakte Lagerung und die Möglichkeit, das Brennstoffzellensystem beim Betanken bereits durch die Abwärme der Metallhydridspeicher vorzuwärmen, um nach dem Tanken mit voller Leistung losfahren zu können.

Das komplett neu entwickelte Brennstoffzellensystem basiert auf den Brennstoffzellenstacks mit unter den Stacks liegendem KOH-Vorratsbehälter (drain-system). Die Hydra ist seit 2001 nicht mehr in Betrieb, existiert aber noch im Raum Bonn und hat weltweit erstmals bewiesen, dass es technologisch möglich ist, mit Brennstoffzellen ein Passagierschiff anzutreiben.

U-Boot-Klasse 212

Bei U-Booten ist Deutschland der einzige Anbieter eines serienmäßig hergestellten Modells mit Brennstoffzellen-Zusatzantrieb. Die HDW Kiel liefert in Kooperation mit Siemens und Nordseewerke Emden seit 2005 die U-Boot-Klasse 212 mit einem solchen Antrieb (AIP: air independent propulsion) aus. Er leistet etwa 300 kW (408 PS) und ermöglicht eine Schleichfahrt ohne den 1050-kW-Dieselgenerator. Ebenso hat die U-Boot-Klasse 214 (vom selben Hersteller) Brennstoffzellen an Bord. In Bau befindet sich derzeit die spanische S-80-Klasse, die ebenfalls über einen außenluftunabhängigen Brennstoffzellen-Antrieb verfügt. Die erste Einheit soll laut Planung 2013 in Dienst gestellt werden.

Ende 2009 wurde eine Schmelzcarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) mit 320 kW zur elektrischen Energieversorgung des Bordnetzes auf dem norwegischen Bohrinselversorger Viking Lady installiert, um Erfahrungen im Schiffsbetrieb zu sammeln.

Schienenverkehr

Die Schweizerischen Bundesbahnen (SBB) führen seit Frühjahr 2014 in ihren rollenden Minibars mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzellen ein, um unterwegs genug Energievorrat für die eingebaute Espressomaschine zu haben, die den Fahrgästen jetzt sogar Cappuccino bieten kann. Die bisher verwendeten üblichen Akkumulatoren wären für diese energieaufwendige Aufgabe zu schwer gewesen.

Der französische Bahnhersteller Alstom gab am 24. September 2014 auf der Innotrans in Berlin bekannt, dass ab 2018^[veraltet] Züge des Typs Coradia mit Brennstoffzellenantrieb zunächst in Niedersachsen getestet und später in Hessen, Nordrhein-Westfalen und Baden-Württemberg eingesetzt werden.

Mobiltelefonie

Im Zuge der zunehmenden weltweiten Verbreitung von Smartphones spielt die möglichst lange Laufzeit von Akkus eine herausragende Rolle. Allerdings ist diese je nach Grad der Nutzung auf wenige Stunden bis Tage begrenzt. Besonders Vielreisende sind oft gezwungen, zwischendurch ihr Gerät aufzuladen. Um die Abhängigkeit von der Steckdose zu verringern, werden verschiedene Lösungen gesucht.

Beispielsweise entwickelte das Unternehmen Lilliputian Systems tragbare Brennstoffzellen, mit deren Hilfe sich Smartphones auch unterwegs und ohne Nutzung einer Steckdose mehrere Male aufladen lassen. Die Markteinführung war für 2012 geplant. Die tragbaren Brennstoffzellen verfügen über einen USB-Anschluss und einen Tank mit Butangas, das die notwendige Energie liefert. Im Juli 2014 meldete das Unternehmen aus Wilmington, Massachusetts, Insolvenz an.

Die Firma Intelligent Energy bietet seit Anfang 2015 eine Wasserstoff-Brennstoffzelle namens Upp zum Aufladen von Smartphones an, zunächst allerdings nur in England, anschließend in den USA. Mit einer Ladung sollen drei bis fünf Ladevorgänge eines iPhones 6 möglich sein, bis die Zelle wieder aufgeladen werden muss. Der Aufladevorgang kann hierbei nur an bestimmten Ladestationen erfolgen.

Die Firma eZelleron will mit der Brennstoffzelle Kraftwerk auf Basis von Butan-Gas Energie für das elfmalige Laden eines Smartphones zur Verfügung stellen. Die Markteinführung via Crowdfunding war für Anfang 2016 geplant und wurde erst auf Januar 2017, dann auf August 2017 verschoben.

Siehe auch

• CaFCP California Fuel Cell Partnership
• Tafel-Gleichung
• Bio-Brennstoffzelle
• Mikrobielle Brennstoffzelle
• Polymerelektrolytbrennstoffzelle

Literatur

• Peter Kurzweil: Brennstoffzellentechnik. Vieweg, Wiesbaden 2003, ISBN 3-528-03965-5; 2. erweiterte und aktualisierte Auflage: Springer Vieweg, Wiesbaden 2013, ISBN 978-3-658-00084-4.
• Sven Geitmann: Wasserstoff & Brennstoffzellen – Die Technik von morgen. 2. Auflage, Hydrogeit Verlag, Kremmen 2004, ISBN 3-937863-04-4.
• Krewitt, Pehnt, Fischedick, Temming: Brennstoffzellen in der Kraft-Wärme-Kopplung – Ökobilanzen, Szenarien, Marktpotenziale. Erich Schmidt Verlag, Berlin 2004, ISBN 3-503-07870-3.
• CMT – Center of Maritime Technologies e. V.: Zukünftige Energieversorgung und Mobilität. In: Schiff & Hafen. Heft 9/2009, S. 72–73, Seehafen-Verlag, Hamburg, ISSN 0938-1643
• U.S. Dept. of Energy, Office of Fossil Energy, National Energy Technology Laboratory: Fuel Cell Handbook, Sixth Edition. EG&G Technical Services Inc., Science Applications International Corp., Under Contract No. DE-AM26-99FT40575, Morgantown, W. Virginia, November 2002.
• Peter Gerigk, Detlef Bruhn, Dietmar Danner, Leonhard Endruschat, Jürgen Göbert, Heinrich Gross, Dietrich Kruse, Christian Rasmussen, Rainer Schopf: Kraftfahrzeugstechnik. 5. Auflage, Westermann Verlag, Braunschweig 1997, ISBN 3-14-231800-3.
• Wie funktioniert das? – Technik heute. Meyers Lexikonverlag, Mannheim 1998, ISBN 3-411-08854-0.

Weblinks

 Commons: Brennstoffzelle – Album mit Bildern und/oder Videos und Audiodateien

Wiktionary: Brennstoffzelle – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Brennstoffzellen – ihre Funktionsweise sowie verschiedene Typen und Anwendungen. Animationen von BIGS
• Brennstoffzellen und Wasserstoff. Hydrogeit
• Brennstoffzellen und Wasserstoff unter dem Aspekt einer nachhaltigen Energieversorgung
• Übersicht über die Aktivitäten des Forschungszentrums Jülich im Bereich Brennstoffzellen – Brennstoffzellenseiten des Forschungszentrums Jülich
• Netzwerk Brennstoffzelle und Wasserstoff NRW – Enthält Grundlagen zu Brennstoffzelle und Wasserstoff
• Weiterbildungszentrum Brennstoffzelle Ulm e. V. – Informationen und Praxisanwendungen zur Brennstoffzelle
• Brennstoffzellen. Prof. Blumes Bildungsserver für Chemie
• Die Brennstoffzelle. Geschichte und gegenwärtige Entwicklung
• Schwerpunktheft zum Thema Brennstoffzellen. (PDF; 10 MB) Magazin MaxPlanckForschung
• Hausenergiesysteme mit Brennstoffzelle (BINE Informationsdienst)
• Neue Wege in der Hausenergieversorgung. BINE Informationsdienst
• Brennstoffzelle. Sachgeschichten mit der Maus, 2009