Energietechnik Was ist eine Brennstoffzelle?

Auf ihr ruhen hoffnungsvolle Erwartungen einer CO₂-neutralen Energieversorgung und Mobilität der Zukunft: die Brennstoffzelle. Doch woraus bestehen Brennstoffzellen und worin unterscheiden sie sich? Und wie funktioniert eine Wasserstoff-Brennstoffzelle?

Eine Brennstoffzelle ist ein Gerät, das in der Lage ist, meist aus Wasserstoff und Sauerstoff erzeugte chemische Energie unmittelbar in elektrische Energie und Wärme umzuwandeln. Im Gegensatz zu Batterien oder Akkumulatoren können Brennstoffzellen keine Energie speichern und benötigen als Energiewandler eine permanente Brennstoffversorgung von außen.[1]

Aus welchen Bestandteilen bestehen Brennstoffzellen?

Brennstoffzellen bestehen im Allgemeinen aus zwei Elektroden (Anode und Kathode), einem Elektrolyten, Gasdiffusionsschichten, Bipolarplatten (Elektrodenplatten) und Dichtungen. Die Elektroden sind meist mit einem Katalysator beschichtet, um die jeweiligen Reaktionen zu beschleunigen.

Vereinfacht beschrieben, sorgt die Anode für die Oxidation des an dieser Stelle eintretenden Brennstoffs (Freisetzung von Elektronen), während an der Kathode das Oxidationsmittel (meist Sauerstoff) zugeführt und reduziert wird.
– An der Kathode werden die Elektronen aufgenommen und mit Ionen zu Wasser oder anderen Reaktionsprodukten umgesetzt.
– Der Elektrolyt (Membran) trennt die Anode und Kathode und übernimmt die Ionenleitung.
– In der Gasdiffusionsschicht wird das Gas verteilt sowie Wasser und Wärme transportiert.
– Die Bipolarplatten leiten den elektrischen Strom zwischen den einzelnen Zellen eines Brennstoffzellenstapels (einem sogenannten Stack) und verteilen die Gase gleichmäßig über die Elektrodenflächen.
– Die Dichtungen schließlich verhindern, dass die Gase austreten können, und sorgen für die Trennung der einzelnen Zellen innerhalb eines Stacks. [2]
Die genaue Funktionsweise von Brennstoffzellen, präziser Wasserstoff-Brennstoffzellen, wird weiter unten beschrieben. 

Welche Hauptarten von Brennstoffzellen gibt es?

Brennstoffzellen werden in der Regel nach ihrem Elektrolyten und ihrer Betriebstemperatur unterschieden. Hier die wichtigsten Brennstoffzellentypen in einem kurzen Überblick:

Die verschiedensten Brennstoffzellentypen unterscheiden sich somit hinsichtlich der verwendeten Materialien, der Anforderungen an die Brennstoffe, ihres Wirkungsgrades und den hieraus resultierenden potenziellen Einsatzfeldern. 

Die nachfolgenden Ausführungen konzentrieren sich vor allem auf die Wasserstoff-Brennstoffzelle, da der Einsatz von Wasserstoff am häufigsten und zudem am weitesten entwickelt ist. Neben reinem Wasserstoff lassen sich aber auch andere wasserstoffhaltige Brennstoffe wie zum Beispiel Erdgas, Biogas, Methan und Methanol verwenden (siehe Tabelle).

Bei Wasserstoff-Brennstoffzellen sind mit Blick auf verschiedene Elektrolyten alle bereits oben beschriebene Brennstoffzellen-Typen mit Ausnahme der Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC) und der Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) zu finden. Hinzu kommt die Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzelle (HT-PEMFC), die als Elektrolyt eine mit Phosphorsäure getränkte Membran aus Polybenzimidazol (PBI) verwendet, wobei die Phosphorsäure als eigentlicher Elektrolyt dient. Diese Brennstoffzellentyp kann bei Temperaturen zwischen 120 °C und 200 °C betrieben werden. [5]

Wie funktioniert eine Wasserstoff-Brennstoffzelle?

Wie bereits erwähnt, besteht eine Wasserstoff-Brennstoffzelle aus einer Anode und einer Kathode, die durch einen Elektrolyten getrennt sind, der nur durchlässig für bestimmte Ionen (meist Protonen), aber nicht Elektronen ist. An der Anode wird Wasserstoffgas zugeführt, wobei die Wassermoleküle mithilfe eines Katalysators in Protonen und Elektronen aufgespalten werden.

Da die Elektronen den Elektrolyten nicht passieren können, sind sie gezwungen, über einen äußeren Stromkreis zur Kathode zu gelangen. Hierbei entsteht Strom als nutzbare elektrische Energie. Die Protonen (Wasserstoff-Ionen) wandern hingegen direkt durch den Elektrolyten zur Kathode. Dort wird Sauerstoff (meist Luft) zugeführt. Die Protonen und Elektronen reagieren in der Folge mit dem Sauerstoff zu Wasser. Hierbei wird neben Strom auch Wärme erzeugt.

Zusammengefasst wandelt eine Wasserstoff-Brennstoffzelle daher die chemische Energie des Brennstoffs Wasserstoff direkt in elektrische Energie um. Dies erfolgt durch die elektrochemische Reaktion mit Sauerstoff (kalte Verbrennung), bei der als Nebenprodukte oder auch „Abfallprodukte“ nur Wärme und Wasser entstehen. Die Reaktion läuft somit emissionsarm ab. [6]

Welche Einsatzbereiche sind in der Industrie denkbar?

• Für die Strom- und Wärmeversorgung ermöglichen Wasserstoff-Brennstoffzellen u. a. Lösungen für emissionsfreie Kraftwerke.
• In energieintensiven Branchen, die nur mit hohem Aufwand Strom erzeugen können und in denen hohe Prozesstemperaturen notwendig sind, wie zum Beispiel in der Stahl-, Glas- oder Ziegelindustrie, können Wasserstoff-Brennstoffzellen vielfach fossile Brennstoffe wie Kohle oder Gas ersetzen.
• In der Stahl- und gesamten Metallverarbeitung tragen Wasserstoff-Brennstoffzellen zu einer weitestgehend CO₂-armen Produktion bei, wobei es in der Metallverarbeitung beispielsweise bei Schmelz- und Umformprozessen bereits konkrete Pilotprojekte gibt.
• In der chemischen Industrie und in Raffinerien lassen sich Wasserstoff-Brennstoffzellen u. a. für die Herstellung von Ammoniak, synthetischen Kunststoffen oder zur Raffinierung von Mineralölprodukten einsetzen.
• Brennstoffzellen bieten darüber hinaus eine zuverlässige Energiequelle für kritische Infrastrukturen, etwa Rechenzentren und Lagerhäuser. Generell gilt zudem, dass sich Brennstoffzellen auch zur Integration in erneuerbaren Energiequellen (Wind- und Solarkraftwerke) anbieten, um über eine Rückverstromung der überschüssigen Energie u.a. die Netzstabilität zu fördern und damit einen wesentlichen Beitrag für die zuverlässige Energieversorgung der Industrie zu leisten. [7]
• Weiterhin ist Wasserstoff ein Thema im gesamten Bereich der Logistik, beispielsweise für Schwerlastfahrzeuge, Flurförderzeuge und ähnliche industrielle Transportmittel.

Welche Anforderungen stellen Fahrzeuge an Wasserstoff-Brennstoffzellen?

Wasserstoffbetriebene Fahrzeuge unterliegen einschließlich aller Komponenten strengen Sicherheitsanforderungen. Diese sind u. a. in der (EG) Nr. 79/2009 sowie einer Reihe an internationalen Normen geregelt, beispielsweise in der ISO 23273 (Sicherheitsspezifikation für Brennstoffzellenfahrzeuge) und ISO 12619 (Anforderungen an Fahrzeuge mit komprimiertem Wasserstoff).

Bevor Wasserstoff-Fahrzeuge zum Einsatz kommen, werden sie umfangreichen Prüfungen unterzogen, darunter Druck-, Dichtigkeits-, Berst- und Feuersicherheitsprüfungen. Die Treibstofftanks der Fahrzeuge sind besonders robust ausgelegt, damit sie bei Unfällen möglichst unbeschädigt bleiben und ein Austreten von Wasserstoff verhindern.

Die in Fahrzeugen eingesetzten Brennstoffzellen sind nahezu ausschließlich vom Typ PEMFC (auch PEM), weil sie bei kompakter Bauweise eine hohe Leistungsdichte und schnelle Lastwechsel ermöglichen. Die Betriebstemperatur liegt typischerweise bei circa 80 °C, was eine Integration in Fahrzeuge erleichtert. Ferner lässt sich die Abwärme für Heizzwecke nutzen.

Wasserstoff muss für einen störungsfreien und effizienten Betrieb der Brennstoffzelle hohe Qualitätsstandards erfüllen. So muss er etwa der EN 17124 (Qualitätsanforderungen an Wasserstoff für PEM-Brennstoffzellen) und der ISO 21087 genügen, die die analytischen Methoden zur Überprüfung der Qualität von Wasserstoff-Brennstoff für PEMFC-Brennstoffzellen in Straßenfahrzeugen festlegt. [8]

Schließlich darf eines nicht vergessen werden: Die Produktion von Wasserstoff stellt technisch als auch energetisch nach wie vor eine große Herausforderung dar. 

Wie aufwendig ist die Wasserstoff-Herstellung?

Der eigentliche Aufwand zur Herstellung von Wasserstoff hängt stark von dem jeweils gewählten Verfahren ab. Eine verbreitete Methode ist etwa die Dampfreformierung von Erdgas, die vergleichsweise kostengünstig, aber dennoch mit hohen CO₂-Emissionen verbunden ist, schon allein, weil hierzu Erdgas benötigt wird.

Eine Alternative ist die Elektrolyse von Wasser, bei der der benötigte Strom idealerweise aus erneuerbaren Energiequellen wie Wind und Sonne zur Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gewonnen wird. Allerdings ist das Verfahren sehr energieintensiv und überdies technisch anspruchsvoll, sodass die Herstellungskosten momentan bei Weitem den Nutzen übertreffen.

Weitere Ansätze wie beispielsweise thermochemische Prozesse, die Methanpyrolyse oder biologische Verfahren sind häufig noch in der Entwicklungsphase und führen u. a. aufgrund ihrer technischen Komplexität zu zahlreichen Herausforderungen. [9]

Das Herstellen von Wasserstoff ist somit nach wie vor mit erheblichem technischem, energetischem und finanziellem Aufwand verbunden, insbesondere – und das ist das eigentliche Dilemma – wenn er möglichst klimaneutral produziert werden soll.

Ein weiteres Problem ist der allgemeine Umgang mit Wasserstoff-Brennstoffzellen: der Brennstoff ist hochentzündlich.

Welche Sicherheitsmaßnahmen gilt es zu beachten?

Die Sicherheit beim Umgang und Betrieb von Brennstoffzellen mit explosiven Stoffen wie Wasserstoff wird, wie so oft, durch eine Kombination von verschiedenen Maßnahmen (technisch, organisatorisch und personenbezogen) unterstützt.

• Zu den rein technischen Maßnahmen gehören das Vermeiden von Wasserstofflecks durch dichte Anlagen mit robusten Materialien und sicheren Druckbehältern, die regelmäßig gewartet werden sollten. Zentrale Steuergeräte wie z. B. eine Fuel Cell Control Unit (FCCU) regeln und überwachen den gesamten Betrieb eines Brennstoffzellensystems, inklusive Wasserstoffzufuhr, Luftsystem, Thermalsystem und Wassermanagement. [10]
• Die Integration moderner Überwachungssysteme wie Gasdetektoren, Ultraschallsensoren zur Echtzeit-Überwachung der Wasserverteilung in Brennstoffzellen oder optische sowie taktile Systeme zur Überwachung einzelner Komponenten ermöglicht außerdem die frühzeitige Erkennung von Leckagen.
• Durch eine gute Belüftung des Einbau- und Einsatzortes von Wasserstoff-Brennstoffzellen lässt sich insbesondere in geschlossenen Räumen die Entstehung von gefährlichen explosionsfähigen Wasserstoff-Sauerstoff-Gemischen vermeiden.
  In diesem Zusammenhang sollten zudem potenzielle Zündquellen in der Nähe von Wasserstoff-Brennstoffzellen vermieden werden, hierzu gehören auch der Einsatz explosionsgeschützter elektrischer Betriebsmittel oder Erdungsketten. Um in einem Fehlerfall ein kontrolliertes Austreten von Wasserstoff aus einer Brennstoffzelle zu ermöglichen, werden zum Beispiel Überdruckventile oder Abblasleitungen an Tanks und Anlagen eingesetzt. [11]
• Zu den organisatorischen Maßnahmen gehört die regelmäßige Überwachung der Gaskonzentration mit hierfür geeigneten Gaswarngeräten. Eindeutige Betriebsanweisungen u.a. mit gut sichtbaren Hinweisen auf Gefahren durch Brand und Explosion sowie Schulungen und Unterweisungen für Personen mit direktem Zugang zu Brennstoffzellen erhöhen die Sicherheit zusätzlich, ebenso wie die Durchführung von Risikoanalysen und wiederkehrenden Prüfungen durch Sachverständige.
• Für einen wirksamen Personenschutz in direkter Umgebung einer Brennstoffzelle sorgen schließlich persönliche Schutzausrüstungen, vor allem das Tragen ableitfähige Schutzkleidung, und der Einsatz von funkenfreien Werkzeugen bei Arbeiten an einer Brennstoffzelle bzw. in ihrer unmittelbaren Umgebung. [12]

Hersteller/Anbieter von Wasserstoff-Brennstoffzellen 

Atlas Copco
Bosch
Cellcentric
DiLiCo
Inhouse Engineering
Horizon
Hydrogen Systems
FuelCon
Fujian Yanan Power Group
Phoenix Contact
Proton Motor Fuel Cell
SFC Energy AG
Siqens
Solidpower
Sunfire
Umicore
Udomi
Vision Group

Fußnoten

[1] Wikipedia, EWE, Vattenfall
[2] TÜV Süd, Chemie.de, Siqens, Accelera, Dilico
[3] Umicore, Bayern-innovativ, Wikipedia, Siqens
[4] Westfalen, Leifi Physik, Uni Augsburg
[5] Wikipedia
[6] Leifi Physik, Toyota, Datatec, Simpleclub
[7] 3M Deutschland, Fraunhofer IKTS
[8] Wasserstoffwirtschaft.sh, Hyfindr, Now (PDF), BMW, Draeger (PDF), DGUV, TÜV Süd
[9] Atlas Copco
[10] Phoenix Contact, Bosch Mobility
[11] Study Smarter, Wasserstoffwirtschaft.sh, Draeger (PDF), Emcel
[12] DGUV, Wasserstoffwirtschaft.sh