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Brennstoffzellen

Funktion, Typen und Anwendungen
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Quelle: stock.adobe.com

Die Messtechnik von DiLiCo engineering wird bisher am meisten bei Brennstoffzellen eingesetzt. Aber was ist eigentlich eine Brennstoffzelle? Wie funktioniert diese Technologie, welche verschiedenen Typen von Brennstoffzellen gibt es und wo werden diese eingesetzt? Welche Anwendungen sind bereits marktreif und welche erfordern noch weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeit? Auf diese Fragen erhalten Sie auf dieser Seite Antworten. Darüber hinaus wird auf aktuelle Forschungsthemen im Brennstoffzellenbereich eingegangen und es wird vorgestellt, bei welchen Forschungsprojekten DiLiCo eingineering seine Kompetenzen einbringt und die Entwicklung dieser Technologie tatkräftig voranbringt.

Was ist eine Brennstoffzelle

Die Brennstoffzelle zählt zu den Wasserstofftechnologien und ist, wie die Redox-Flow-Batterie oder der Elektrolyseur, ein elektrochemischer Energiewandler. Durch eine elektrochemische Reaktion wird chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Dies geschieht in der Brennstoffzelle durch eine sogenannte kalte Verbrennung. Dabei reagiert ein Brennstoff mit einem anderen chemischen Stoff (meist Sauerstoff oder Kohlenstoffdioxid) und erzeugt dabei eine elektrische Spannung. Der Unterschied zu einer heißen Verbrennung liegt darin, dass bei der kalten Verbrennung die erzeugte Energie durch die Reaktion oder Verbrennung nicht auf ein anderes Medium übertragen wird, um elektrische oder kinetische Energie (Bewegungsenergie) zu erzeugen. Stattdessen wird die Verbrennungsreaktion (Oxidation) kontrolliert in getrennten Zellkammern durchgeführt und die freiwerdenden Elektronen direkt als elektrischer Strom genutzt.

Das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle wurde bereits im Jahr 1838 von dem deutschen Christian Friedrich Schönbein und dem Briten William Robert Grove im Jahr 1839 entdeckt. Da allerdings um die gleiche Zeit herum auch entdeckt wurde, wie sich mit einem Generator Strom erzeugen lässt, hat sich das Prinzip der Brennstoffzelle damals nicht durchsetzen können.

Bild: Aufbau einer Brennstoffzelle bzw. eines Brennstoffzellenstacks.

Wie ist eine Brennstoffzelle aufgebaut?

Der Aufbau einer Brennstoffzelle ist bei allen Typen von Brennstoffzellen ähnlich. Eine Brennstoffzelle besteht aus zwei Bipolarplatten, zwei Dichtungen, zwei Gasdiffusionsschichten und einer Membran-Elektrodeneinheit. Je nach Typ fließt der Strom in Form von negativen Elektronen von der der Anode zur Kathode oder umgekehrt. Zwischen der Anode und der Kathode befindet sich der Elektrolyt, welcher je nach Brennstoffzellentyp unterschiedlich ist.

Neben den Elektroden und dem Elektrolyten besteht eine Brennstoffzelle außerdem aus zwei Bipolarplatten, die dafür sorgen, dass der Brennstoff gleichmäßig der Zelle zugeführt wird und die Abgabe von thermischer und elektrischer Energie regelt. Schaltet man mehrere solcher Brennstoffzellen in Reihe spricht man von einem Brennstoffzellenstapel oder auch Brennstoffzellenstack. Das in Reihe schalten der einzelnen Zellen dient dazu, die Leistung eines Brennstoffzellenstacks zu erhöhen. Diese Möglichkeit ist ein wesentlicher Vorteil dieser Technik, da dadurch eine sehr flexible Skalierbarkeit der Leistung möglich ist.

Wie funktioniert eine Brennstoffzelle?

Die Funktion einer Brennstoffzelle unterscheidet sich je nach Typ, dem eingesetzten Brennstoff und dem Elektrolyten. Im Folgenden wird das Funktionsprinzip anhand der Protonaustauschmembran Brennstoffzelle (PEMFC) erläutert.

Eine Protonaustauschmembran Brennstoffzelle besteht aus einer Bipolarplatte, einer Gasdiffusionsschicht (kurz GDL, sorgt für das kontrollierte Eintreten des Wasserstoffs oder Sauerstoffs in die Zelle) gefolgt von der Anode. Anschließend kommt eine dünne protonleitende Membran. Auf der anderen Seite der Membran kommt die Kathode, eine weitere GDL und zum Schluss eine weitere Bipolarplatte.

Auf der Anodenseite wird der Zelle Wasserstoff zugeführt. Dieser spaltet sich an der Membran auf, sodass die positiven Wasserstoffionen durch die Membran zur Kathodenseite wandern können. Die Membran lässt die negativen Elektronen vom Wasserstoff nicht durch und sie müssen einen Umweg zur Kathode nehmen, dadurch entsteht eine elektrische Spannung. Auf der Kathodenseite wird (Luft-)Sauerstoff zugeführt und die positiven Wasserstoffionen verbinden sich mit dem Sauerstoff und den negativen Elektronen. Die Emission dieser Reaktion ist reines Wasser.

Bild: Schematische Darstellung der Funktionsweise einer PEM-Brennstoffzelle.

Dieser kann für eine elektrische Last wie beispielsweise einen Elektromotor verwendet werden. Durch den Umweg, den die Elektroden von der Anode zu Kathode nehmen müssen, entsteht Gleichstrom.

Welche Typen von Brennstoffzellen gibt es?

Brennstoffzellen lassen sich in zwei verschiedene Kategorien einteilen, in Niedertemperaturbrennstoffzellen die eine Betriebstemperatur von unter 150 °C haben und in Hochtemperaturbrennstoffzellen die eine Betriebstemperatur zwischen 150 und 1.000 °C haben. In diesen beiden Kategorien gibt es jeweils drei verschiedenen Brennstoffzellentypen die je nach Typ unterschiedliche Brennstoffe, Leistungsklassen und Anwendungen aufweisen. Die nachfolgende Tabelle gibt einen Überblick über die verschiedenen Brennstoffzellentypen.

Niedertemperatur (NT) Brennstoffzellen Hochtemperatur (HT) Brennstoffzellen
DMFC PEMFC AFC PAFC MCFC SOFC
Elektrolyt Protonleitende Membran Protonleitende Membran Kalilauge Phosphorsäure Schmelzkarbonat Oxidkeramik
Temperaturbereich ˂ 150 °C ˂ 150 °C ˂ 150 °C ca. 200 °C ca. 650 °C 650 - 1.000 °C
Brennstoff Methanol Wasserstoff, Erdgas Wasserstoff Wasserstoff Erdgas Wasserstoff, Erdgas
Lesitungsbereich W/kW W/kW W/kW kW kW/MW kW/MW

Tabelle: Die verschiedenen Typen von Brennstoffzellen.

Direktmethanolbrennstoffzelle (DMFC)

Die DMFC (englisch: Direct Methanol Fuel Cell) wird zwischen 60 und 120 °C betrieben und zählt somit zu den Niedertemperaturbrennstoffzellen. Als Brennstoff dient Methanol zusammen mit Wasser, welches der Anode zugeführt wird und dann oxidiert. An der Kathode wird (Luft-)Sauerstoff zugeführt und es entsteht elektrische Energie sowie als Abfallprodukt Wasser. Direktmethanolbrennstoffzellen werden für kleine Notstromaggregate im Campingbereich oder für entlegenen Messstationen verwendet.

Polymerelektrolytbrennstoffzelle (PEMFC)

Die Polymerelektrolytbrennstoffzelle oder auch Protonaustauschmembran-Brennstoffzelle (englisch: Proton Exchange Membrane Fuel Cell) genannt gehört bei einer Betriebstemperatur zwischen 70 - 90 °C zu den Niedertemperaturbrennstoffzellen. Es gibt aber auch PEM Brennstoffzellen, die bei einer Betriebstemperatur von ca. 180 °C als Hochtemperaturbrennstoffzellen betrieben werden.

Durch eine chemische Reaktion innerhalb der Zelle von Wasserstoff und Sauerstoff wird eine elektrische Spannung erzeugt. Auch hier ist das Abfallprodukt der Reaktion reines Wasser. Als Katalysator in der Membran für die Reaktion wird häufig Platin verwendet. Durch die einfache und leichte Bauweise dieses Brennstoffzellentyps ist die PEMFC die am meisten produzierte und eingesetzte Brennstoffzelle weltweit.

Festoxidbrennstoffzelle (SOFC)

Die SOFC (englisch: Solid Oxid Fuel Cell) wird bei einer Temperatur zwischen 650 und 1.000 °C betrieben und zählt somit zu den Hochtemperaturbrennstoffzellen. Als Elektrolyt dient ein fester keramischer Werkstoff. Als Brennstoff kann Wasserstoff als auch Erdgas oder Biogas verwendet werden. Je nach Verwendung des Brennstoffes bleibt als Abfallprodukt entweder Wasser oder überschüssiges Brenngas übrig.

Durch die hohe Betriebstemperatur hat die SOFC einen hohen elektrischen Wirkungsgrad von bis zu 60%. Dadurch ist dieser Brennstoffzellentyp besonders gut für den Einsatz als Kraft-Wärme-Kopplungsanlage in Form eines Blockheizkraftwerks (kurz: BHKW) geeignet. Die SOFC ist die weltweit am zweitmeisten produzierte und eingesetzte Brennstoffzelle nach der PEMFC.

Anwendungsgebiete von Brennstoffzellen

Der Vorteil der flexiblen Leistungsskalierung der Brennstoffzellentechnik ermöglicht es, die Technologie an vielen verschiedenen Stellen anzuwenden. Nicht zuletzt tragen auch die verschiedenen Typen von Brennstoffzellen mit ihren unterschiedlichen Betriebseigenschaften und dazugehörigen Vor- und Nachteilen dazu bei, dass die Technologie ein weites Anwendungsspektrum hat. Die Anwendungsgebietet sind in portable, mobile und stationäre Bereiche unterteilt.

Portable Anwendungen

Zu den portablen Anwendungen zählen Brennstoffzellen, die in einem kleinen Leistungsbereich arbeiten, meistens unter 100 Watt. In diesem Leistungsbereich findet man beispielsweise Anwendungen im Campingbereich als kleines Notstromaggregat von der deutschen Firma SFC Energy. Darüber hinaus gibt es von der Firma Sunfire Fuel Cells einen Brennstoffzellenanhänger zur mobilen Strom- und Wärmeversorgung für Einfamilienhaushalte, die keinen Gasanschluss besitzen.

Aber auch Lösungen für autarke und netzferne Stromlieferungen sind bereits auf dem Markt. Im portablen Anwendungsbereich kommen häufig die DMFC oder SOFC Typen zum Einsatz, da beide Brennstoffzellen mit Flüssiggas oder Methanol betrieben werden können, welcher im Gegensatz zu reinem Wasserstoff einfacher zu lagern ist.

Bild: Portables Brennstoffzellen Notstromaggregat auf Methanolbasis.

Bild: Wasserstoffzug Coradia iLint. Image by Erich Westendarp from Pixabay

Mobile Anwendungen

Die mobilen Anwendungen von Brennstoffzellen stehen durch die ambitionierten Klimaziele und den Automobilstandort Deutschland besonders im öffentlichen Fokus. Brennstoffzellen können als Energiewandler in PKW und LKW eingesetzt werden und durch den erzeugten Strom der Brennstoffzelle kann ein Elektromotor angetrieben werden. Wenn der verwendete Wasserstoff grün ist, also aus erneuerbaren Energiequellen mithilfe von Elektrolyseuren erzeugt wurde, fahren die Autos und LKW ohne CO2 Emissionen. In PKW und LKW werden auf Grund des geringen Gewichts die PEMFC mit leichten metallischen Bipolarplatten verwendet.

Darüber hinaus bietet die Brennstoffzelle in der mobilen Anwendung noch weitere Möglichkeit. Beispielsweise können Züge damit betrieben werden, die auf nicht elektrifizierten Strecken fahren. Der erste Wasserstoffzug von der französischen Firma Alstom ist bereits in Norddeutschland seit 2019 unterwegs. Aber auch Schiffe können zukünftig die durch Brennstoffzellen angetrieben werden. Hier laufen bereits verschiedenen Forschungsprojekte mit PEMFC oder DMFC Brennstoffzellen, um auch die Schifffahrt auf einen umweltfreundlichen Antrieb umzustellen.

Stationäre Anwendungen

Die stationären Anwendungen von Brennstoffzellen sind in Japan bereits sehr weit in der praktischen Anwendung verbreitet. Europa hat durch verschiedene Förderungen und Forschungsprojekte bereits den Einsatz von Brennstoffzellen unterstützt. Die bekannteste Anwendung von Brennstoffzellen im stationären Bereich ist die Kraft-Wärme-Kopplung mit Brennstoffzellenheizungen bzw. Brennstoffzellen BHKWs.

Dabei wird Gas verwendet, meistens Erdgas oder Bioerdgas, um Wasserstoff durch Dampfreformierung zu gewinnen. Mit dem Wasserstoff wird dann eine Brennstoffzelle betrieben, die Strom und Wärme erzeugt. Marktreife Lösungen gibt es bereits für Einfamilienhäuser, aber auch für Kleingewerbebetriebe und Mehrfamilienhäuser. Der elektrische Leistungsbereich der marktreifen Produkte liegt zwischen 0,75 kW und 5 kW. In diesem Anwendungsbereich wird die PEMFC und die SOFC am meisten eingesetzt.

Neben den Anwendungen für die Strom- und Wärmeerzeugung für Gebäude werden Brennstoffzellen im stationären Bereich auch für die netzferne Notstromversorgung oder Netzersatzanlagen eingesetzt. Auf Grund der einfachen Wartung der Anlagen und der einfacheren Lagerung von Wasserstoff gegenüber Diesel, bieten sich Brennstoffzellen sehr gut an, um Funkmasten, Notstromanlagen von Umspannwerken oder anderen kritische Infrastrukturen abzusichern. Hierbei kommen meistens PEMFC und DMFC zum Einsatz.

Bild: Stationäre Anwendung: Das Brennstoffzellen-BHKW inhouse5000+.

Forschung im Bereich Brennstoffzellen

Obwohl das Funktionsprinzip schon seit dem 19. Jahrhundert bekannt ist, bedarf es für die sichere und effiziente Anwendung dieser Technik noch viel Forschungsaufwand. Aufgrund der hohen Komplexität der Brennstoffzelle im Aufbau und Betrieb müssen viele Probleme noch gelöst werden. In den letzten Jahren wurden allerdings schon viele Fortschritte gemacht. Dadurch, dass Wasserstofftechnologien und damit auch die Brennstoffzelle seit 2019 erheblich in den öffentlichen Fokus gerückt sind, ist in den nächsten Jahren von einem erheblichen Schub in der Weiterentwicklung dieser Technologie auszugehen.

Ein besonders interessantes Forschungsgebiet ist die Verbindung von Elektrolyse und Brennstoffzellen in ein und demselben System. Dies ist möglich bei sogenannten reversiblen Brennstoffzellen. Sie können bidirektional betrieben werden und haben einen Brennstoffzellenmodus, in dem Sie aus Wasserstoff Strom erzeugen, und einen Elektrolysemodus, in dem Sie aus Strom und Wasser Wasserstoff erzeugen. Die Otto-von-Guericke Universität Magdeburg erforscht gemeinsam mit einem Konsortium aus Wirtschaft und Forschung eine solche reversible Brennstoffzelle auf Basis der PEM Technologie in dem Forschungsprojekt RE-FLEX (Unitäre REversible PEM-Brennstoffzellen für die FLEXible Energiespeicherung).

Neben wissenschaftlichen Grundlagenforschungen wie in dem RE-FLEX Projekt wird auch in der Wirtschaft viel an dem praktischen Einsatz von Brennstoffzellen und Wasserstofftechnologien gearbeitet. DiLiCo engineering konnte im Rahmen der HYPOS Projekte H2-Netz und H2-Home mit seiner langjährigen Erfahrung im Bereich Wasserstoff als Dienstleister den Energiepavillon in Bitterfeld-Wolfen auf dem Testgelände der MITNETZ GAS GmbH planen und errichten. In diesem Ausstellungspavillon zeigen die Projektteilnehmer, wie die Versorgung von Gebäuden mit Wärme und Strom aus Wasserstoff in Zukunft aussehen kann. Dabei liegt der Fokus auch auf der Einbindung von Wasserstoff in das Erdgasnetz bzw. der Transport von reinem Wasserstoff über ein Gasnetz.

Lebensdauer von Brennstoffzellen

Ein wichtiger Forschungsschwerpunkt im Bereich Brennstoffzelle ist die Verbesserung der Lebensdauer von Brennstoffzellen. Besonders bei stationären Anwendungen, wie der Heizung auf Brennstoffzellenbasis, ist die Lebensdauer ein sehr wichtiger Faktor für den wirtschaftlichen Erfolg der Technologie. Während bei mobilen Anwendungen verhältnismäßig wenig Betriebsstunden über die gesamte Produktlebensdauer benötig werden, müssen im stationären Bereich bei Brennstoffzellenheizungen bis 80.000 Betriebsstunden und mehr ermöglicht werden.

Spannungen von Brennstoffzellen messen

Um diese Betriebsstunden zu erreich, müssen die einzelnen Zellen eines Brennstoffzellenstacks während des Betriebs dauerhaft überwacht werden. Denn wenn nur eine Zelle ausfällt, fällt die gesamte Brennstoffzelle aus. Das Messsystem DiLiCo cell voltage ist genau für diese Anwendung konzipiert. Es überwacht die einzelnen Zellen eines Stacks und kann bei Abweichungen ein Signal an die Steuerung des Systems geben, um den Betrieb zu ändern und einen Ausfall der Brennstoffzelle vermeiden. Dies ist ein besonderer Vorteil für den Kunden, da sein System nicht ausfällt.

Philipp Kuehne

Fragen zur Lebensdauer?

Ihr Ansprechpartner

Philipp Kühne

Tel.: +49 (0) 391 - 555 698 94
Mail: support(at)dilico.de

Michael Wenske

Fragen zur Zellspannung?

Ihr Ansprechpartner

Michael Wenske

Tel.: +49 (0) 391 - 555 698 94
Mail: support(at)dilico.de

Serienfertigung von Brennstoffzellen

Eine aktuelle Herausforderung bei der Brennstoffzellentechnik ist, dass die Produktion der Stacks derzeit noch in Manufakturarbeit erfolgt und sie dadurch sehr teuer sind. Unternehmen arbeiten daran, den Produktionsprozess zu automatisieren und somit die Produktionskosten zu senken und gleichzeitig die Stückzahlen zu erhöhen. Hierbei gibt es einige Probleme, die es zu lösen gilt, da einige Bauteile einer Brennstoffzelle sehr komplex zu fertigen sind.

Ein Beispiel für ein komplexes Bauteil ist zum Beispiel die Membran bei der PEMFC. Diese müssen in einem aufwendigen Verfahren mit einem Katalysator beschichtet und passend zu der Zelle zugeschnitten werden. Eine Automatisierung dieses Prozesses stellt eine große Herausforderung dar. Auch das Zusammenführen der einzelnen Komponenten zu einer Zelle und im nächsten Schritt zu einem Stack ist ein komplexer Automatisierungsprozess, der zum Teil völlig neue Produktionsanlagen erfordert.

Bild: Das Messgerät DiLiCo cell voltage zur Einzelzellspannungsmessung.

DiLiCo engineering entwickelt Produkte für die Serienproduktion von Brennstoffzellen. Im Rahmen eines Forschungsprojektes im Förderprogramm Zentrales Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) entwickelt DiLiCo engineering gemeinsam mit seinem Partner ZBT - Zentrum für BrennstoffzellenTechnik GmbH in Duisburg eine Lösung zur einfachen und schnellen Kontaktierung von Brennstoffzellen zur Zellspannungsmessung. Diese Lösung ist eine Erweiterung des Messgerätes DiLiCo cell voltage und soll eine kostengünstige Lösung für die Integration einer Zellspanungsmessung in der Serienfertigung von Brennstoffzellen darstellen. Mit dieser Lösung wird die Zuverlässigkeit von Brennstoffzellen, die in Serie gefertigt werden, optimiert. Dies bringt für den Hersteller wesentliche Vorteile bei den Produktions- und Folgekosten seiner Systeme.

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