Brennstoffzelle

Grundprinzip und Bedeutung

Eine Brennstoffzelle ist eine technische Anlage und elektrische Energiequelle. Sie wandelt die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels direkt in elektrische Energie um. Oft ist damit eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle gemeint, es gibt aber auch Brennstoffzellen für Methanol, Butan, Erdgas und weitere Stoffe. Brennstoffzellen gehören zusammen mit Akkumulatoren und Batterien zu den galvanischen Zellen.

Wichtig ist die Unterscheidung: Eine Brennstoffzelle ist kein Energiespeicher, sondern ein Energiewandler. Der Brennstoff enthält Energie in chemisch gebundener Form und muss zugeführt werden. Ein komplettes Brennstoffzellensystem kann zusätzlich einen Brennstoffspeicher enthalten.

Im Vergleich zu Wärmekraftmaschinen kann eine Brennstoffzelle chemische Energie ohne den Umweg über Wärme, mechanische Arbeit und Generator in Strom umwandeln. Dadurch ist sie potenziell effizienter. Die theoretisch erreichbare Nutzarbeit ist durch die freie Enthalpie der chemischen Reaktion begrenzt und nicht durch den Carnot-Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine. Für eine faire Bewertung muss aber die ganze Wirkkette betrachtet werden, also auch Herstellung, Lagerung und Transport des Energieträgers, besonders bei Wasserstoff.

Wichtige Anwendungen sind Gebäudeversorgung mit Wärme und Strom, Fahrzeuge, innerbetrieblicher Warentransport und netzferne Stromversorgung. In Japan wurden bis Ende 2025 über 582.000 Brennstoffzellenheizungen ausgeliefert. Ende 2024 wurden über 97.000 Straßenfahrzeuge mit Brennstoffzellen angetrieben, davon mehr als ein Drittel in Südkorea und 2590 in Deutschland.

Aufbau und Reaktionen

Eine Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden und einem Elektrolyt, also einem Ionenleiter zwischen den Elektroden. Der Elektrolyt kann eine Flüssigkeit wie Lauge oder Säure sein, eine Alkalicarbonatschmelze, ein Feststoff wie ionenleitende Keramik oder eine Membran. Membranen sind semipermeabel, das heißt, sie lassen nur bestimmte Ionen, zum Beispiel Protonen, hindurch.

Die Elektrodenplatten oder Bipolarplatten bestehen meist aus Metall oder Kohlenstoff und sind mit einem Katalysator wie Platin oder Palladium beschichtet. Der Brennstoff und das Oxidationsmittel werden den Elektroden kontinuierlich zugeführt. Häufig ist der Brennstoff Wasserstoff, möglich sind aber auch Methan oder Methanol.

Die theoretische Spannung einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle beträgt 1,23 V bei 25 °C. Im praktischen Betrieb werden meist 0,5 bis 1 V erreicht; mehr als 1 V gibt es vor allem im Ruhezustand oder bei kleinen Strömen. Für höhere Spannungen werden mehrere Einzelzellen zu einem Stack, also einem Stapel, in Reihe geschaltet.

Die Gesamtreaktion entspricht der Verbrennung des Brennstoffes, wird aber als „kalte Verbrennung“ bezeichnet, weil elektrische Energie direkt entsteht. Für die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle lautet die Gesamtreaktion: 2 H2 + O2 -> 2 H2O. Bei der Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) wird Wasserstoff an der Anode oxidiert, die Elektronen fließen über einen Verbraucher zur Kathode, und Protonen wandern durch die Membran. An der Kathode reagiert Sauerstoff mit Elektronen und Wasserstoffionen zu Wasser. Eine PEMFC erreicht etwa 60 % Wirkungsgrad.

Typen und Brennstoffe

Brennstoffzellen werden unter anderem nach Elektrolyt, beweglichem Ion, Brennstoff, Betriebstemperatur und Anwendung unterschieden. Wichtige Typen sind die alkalische Brennstoffzelle (AFC), die Niedertemperatur- und Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (LT-PEMFC und HT-PEMFC), die Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC), die Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC), die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) und die Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC).

Die genannten Typen arbeiten in sehr unterschiedlichen Bereichen. Beispiele aus der Tabelle des Artikels: Eine LT-PEMFC arbeitet bei 10 bis 100 °C und erreicht 35 bis 60 % elektrischen Wirkungsgrad. Eine DMFC nutzt Methanol, arbeitet bei 60 bis 130 °C und erreicht etwa 40 %. Eine MCFC arbeitet bei 550 bis 700 °C und erreicht 48 bis 70 %. Eine SOFC arbeitet bei 450 bis 1000 °C und erreicht 47 bis 70 %.

Neben Wasserstoff werden alternative Brennstoffe erforscht oder genutzt, etwa Ethanol, Propanol, Glycerin, Formaldehyd, verschiedene Kohlenwasserstoffe, Diethylether, Ethylenglycol, Ameisensäure, Glucose, Kohlenstoff, Ammoniak, Hydrazin und Natriumborhydrid. Als Oxidationsmittel dient meistens Luftsauerstoff; in Raumfahrt und U-Booten wird reiner Sauerstoff genutzt. Für Sonderanwendungen wurden auch Wasserstoffperoxid, Salpetersäure oder Halogene wie Chlor untersucht.

Eine reversible Brennstoffzelle kann den Prozess umkehren: Mit von außen zugeführtem Strom wird der Brennstoff wieder zurückgewonnen, etwa indem eine Wasserstoff-Brennstoffzelle auch als Elektrolyseur arbeitet. Mikrobielle Brennstoffzellen nutzen Mikroorganismen, besonders Bakterien, die organische Verbindungen unter Abgabe elektrischer Energie umsetzen.

Wirkungsgrad, Kosten und Lebensdauer

Die Angaben im Artikel zu Wirkungsgrad, Kosten und Lebensdauer sind teilweise als nicht hinreichend belegt markiert; das sollte bei der Nutzung als Lernmaterial erwähnt werden. Für Brennstoffzellensysteme wurden 2003 am Forschungszentrum Jülich unter anderem folgende Werte genannt: PEFC mit 250 kW Leistung und 35 % elektrischem Wirkungsgrad, PAFC mit 200 kW und 38 %, MCFC mit 280 kW und 48 %, SOFC mit 100 kW und 47 % sowie rSOC mit 5 kW und 62 % im Laborbetrieb.

Moderne SOFC-Systeme erreichen laut Artikel bei neuen Anlagen bis zu 65 % Wirkungsgrad, der über eine Lebensdauer von etwa 5 bis 8 Jahren auf etwa 50 % sinkt. Die initialen Kapitalkosten werden mit etwa 7.000 bis 8.000 US-Dollar pro kW angegeben. Die Lebensdauer einer PAFC-Brennstoffzelle liegt zwischen 80.000 Betriebsstunden für stationäre Systeme und 6.500 Betriebsstunden für mobile Systeme. 80.000 Betriebsstunden entsprechen 3333 Dauerbetriebstagen oder 9,1 Dauerbetriebsjahren.

Kosten und Wirkungsgrad hängen nicht nur von der Zelle selbst ab, sondern vom Gesamtsystem. Bei Fahrzeugen gehören dazu zum Beispiel Antriebsbatterie, Elektroantrieb und die Bereitstellung des Brennstoffs. Hochtemperaturbrennstoffzellen können mit einer Mikrogasturbine gekoppelt werden und kombiniert Wirkungsgrade von über 60 % erreichen.

Stationäre und mobile Nutzung

Die ersten Anwendungen lagen in Raumfahrt und Militär, weil dort geringe Masse, Zuverlässigkeit, leiser Betrieb und hohe Energiedichte wichtiger waren als niedrige Kosten. Brennstoffzellen können nach langer Inaktivität zuverlässig starten und eignen sich deshalb auch für Notstromversorgungen. Die Zahl der jährlich ausgelieferten Brennstoffzellensysteme stieg von 60.000 Geräten im Jahr 2015 auf rund 89.200 im Jahr 2022; die ausgelieferte Gesamtleistung lag 2022 bei 2,49 GW.

Beim stationären Einsatz reicht der Leistungsbereich von kleinen Anlagen mit zwei bis fünf Kilowatt elektrischer Leistung für Hausenergieversorgung bis zu Anlagen im niedrigen Megawattbereich, etwa für Krankenhäuser, Schwimmbäder oder kleine Kommunen. Brennstoffzellenheizungen erzeugen Strom und Wärme. Wenn kein regenerativ erzeugter Wasserstoff verfügbar ist, wird bei Methan oder Erdgas oft ein Reformer benötigt, der Wasserstoff und CO2 erzeugt. Hochtemperaturzellen wie SOFC und MCFC können Erdgas direkt in der Zelle nutzen; PEMFC-Systeme brauchen bei Methan dagegen eine Gasreinigung, weil Kohlenstoffmonoxid den Katalysator schädigt. In Deutschland werden Brennstoffzellen auch zur Notstromversorgung im Digitalfunknetz der Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben genutzt, teils mit einer Auslegung auf mindestens 72 Stunden.

Im mobilen Einsatz sind Gabelstapler und andere Flurförderzeuge wichtig, besonders bei Schichtbetrieb. Sie lassen sich in wenigen Minuten mit Wasserstoff betanken und brauchen weniger Lade- und Wechselinfrastruktur als Akkusysteme. Bis Dezember 2020 waren in den USA über 35.000 solcher Fahrzeuge ausgeliefert; weltweit waren 2020 mehr als 36.100 Flurfördergeräte mit Brennstoffzellen ausgestattet.

Im Straßenverkehr waren 2020 und 2021 vor allem Südkorea und Modelle wie Hyundai Nexo und Toyota Mirai wichtig. Ende 2020 waren 25.011 Brennstoffzellenautos, über 3.100 Brennstoffzellenbusse und über 1.200 Brennstoffzellenlastwagen in Verkehr gebracht. Für den breiten Einsatz sind Wasserstofftankstellen nötig; Ende 2020 waren weltweit 553 in Betrieb. Die Speicherung erfolgt in Fahrzeugen meist in Druckbehältern, wobei Komprimierung bis 700 bar oder Verflüssigung bei etwa −250 °C viel Energie benötigt und den Gesamtwirkungsgrad senkt.

Geschichte und weitere Beispiele

Das Prinzip der Brennstoffzelle wurde 1838 von Christian Friedrich Schönbein entdeckt. Sir William Robert Grove erkannte zusammen mit Schönbein die Umkehrung der Elektrolyse und die Stromerzeugung. 1889 verwendeten Charles Langer und Ludwig Mond erstmals das Wort „Brennstoffzelle“. Wilhelm Ostwald erkannte 1894 ihr hohes Potenzial gegenüber Wärmekraftmaschinen. In den 1950er Jahren wurde die Technik wegen des Bedarfs von Raumfahrt und Militär wieder wichtiger. Ab 1963 wurde sie an Bord eines Satelliten sowie später in Gemini- und Apollo-Raumkapseln eingesetzt.

In der Raumfahrt verwendeten Gemini, Apollo und Space Shuttle Brennstoffzellen. Die Space Shuttles nutzten Brennstoffzellen mit einer maximalen Dauerleistung von 3 × 7 kW; das entstehende Wasser konnte im Lebenserhaltungssystem verwendet werden. In der Luftfahrt wurden ab 2005 Drohnen, Forschungsflugzeuge und Testflugzeuge mit Brennstoffzellen erprobt. Am 7. Juli 2009 fand in Hamburg ein vollständiger öffentlicher Flug eines pilotengesteuerten Flugzeugs statt, das ausschließlich mit elektrischer Energie aus Brennstoffzellen angetrieben wurde.

In der Schifffahrt gibt es Anwendungen bei Rundfahrtbooten, U-Booten und Fähren. Deutschland liefert seit 2005 U-Boote der Klasse 212 A mit Brennstoffzellen-Zusatzantrieb aus; dieser leistet etwa 300 kW und ermöglicht Schleichfahrt ohne Dieselgenerator. Die Fähre MF Hydra ist seit März 2023 in Norwegen im Betrieb und wird mit flüssigem Wasserstoff betankt.

Im Schienenverkehr testete Alstom ab 2018 Brennstoffzellenzüge des Typs Coradia iLint in Niedersachsen; bis 2021 sollten insgesamt 14 Brennstoffzellenzüge betrieben werden. Für mobile Elektronik wurden kleine Brennstoffzellensysteme mit Wasserstoff, Butan oder Methanol entwickelt, konnten sich aber kaum durchsetzen. Hauptgrund war laut Artikel der schnelle Preisverfall von Lithium-Ionen-Akkumulatoren, wodurch Powerbanks deutlich günstiger wurden.