Brennstoffzelle

Die Brennstoffzelle galt in der Automobilindustrie lange als Zukunftstechnologie und Alternative zu Elektroautos mit Batterie. Die aus der Raumfahrt stammende Technologie findet heute jedoch auch Einsatz in der Industrie und zum Heizen von Häusern. In diesem Text geben wir einen Überblick der Funktionsweise und Arten von Brennstoffzellen.

Wie funktioniert die Brennstoffzelle?

Bevor die Funktionsweise der Brennstoffzelle erklärt werden kann, sollte klar sein, dass es sich nicht um einen Energiespeicher handelt. Mit einem Akku hat die Technologie also nichts zu tun. Stattdessen handelt es sich um einen Energiewandler, der einen Brennstoff und ein Oxidationsmittel zusammenbringt.  Beispielsweise Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel. Das Ergebnis dieser Reaktion sind Wasser, Wärme und Strom.

Arten von Brennstoffzellen

Die Brennstoffzellen lassen sich in zwei Überkategorien einteilen. Es gibt zum einen sogenannte Hochtemperatur Brennstoffzellen, die im Betrieb bis zu 1.000 Grad Celsius erreichen. Durch die hohe Temperatur und eine entsprechend lange Vorlaufzeit eignen sich diese Systeme neben der Stromgewinnung vor allem für die Wärmeversorgung von Gebäuden. Beispiele dieser Technologie sind die Festoxid- und die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle. In beiden Formen ist die Reformierung des Brennstoffs integriert.

Wasserstoff kann direkt aus Erd- oder Biogas gewonnen werden. Fahrzeuge und andere mobile Einsatzorte greifen hingegen auf Niedertemperatur-Brennstoffzellen zurück. Die Betriebstemperatur von bis zu 100 Grad Celsius erlaubt den schnellen Einsatz ohne lange Vorlaufzeiten. Allerdings lassen sich Erd- und Biogas nicht direkt verwenden. Zuvor muss die Reformierung extern stattfinden. Brennstoff ist auch hier Wasserstoff. Eine Ausnahme stellt die sogenannte Direktmethanolbrennstoffzelle dar. Hier dient Methanol als Brennstoff. Oxidationsmittel können reiner Sauerstoff oder Luft sein. Die Methanol-Brennstoffzelle emittiert neben Wärme und Strom CO₂ als Ergebnis der Reaktion.

Der Wirkungsgrad von Brennstoffzellen

Der Wirkungsgrad von Brennstoffzellen variiert je nach Art. Bei Niedertemperatur-Brennstoffzellen liegt er derzeit bei bis zu 55 %. Dem zugrunde liegt die Betrachtung des Gesamtsystems. In diesem spielen neben der Brennstoffzelle selbst Komponenten wie beispielsweise Kühlung und Wechselrichter eine entscheidende Rolle.  Zum Vergleich: Der Wirkungsgrad von Ottomotoren in PKW liegt bei circa 20 %. Eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle konnte im Forschungszentrum Jülich im Dezember 2018 einen Wirkungsgrad von 60 % erreichen. Der Systemwirkungsgrad von Hochtemperatur-Brennstoffzellen kann, sofern die Abwärme eingerechnet wird, bei bis zu 90 % liegen.

Die Geschichte der Brennstoffzelle

Anders als oft vermutet, handelt es sich bei der Brennstoffzelle nicht um eine neue Technologie. Das zugrunde liegende Prinzip der umgekehrten Elektrolyse wird bereits 1839 entdeckt. Diese Entdeckung von Sir William Grove fand zur Zeit der Dampfmaschine jedoch keine dauerhafte Unterstützung. Mit der Erfindung des elektrischen Generators rückt das sogenannte „batterisierte Knallgas“ in den Hintergrund.

In den 1950er und 60er Jahren des 20. Jahrhunderts wird die Technologie wiederentdeckt und kommt schließlich als Energielieferant für die Raumfahrt zum Einsatz. Dort erfüllen sie neben dem Liefern von Energie mehrere Zwecke. Denn bei der Energiegewinnung mit Wasserstoff und Sauerstoff entsteht neben Strom und Wärme auch Wasser. Dieses kann an Bord der Gemini-Kapsel unter anderem für die Kühlung verwendet werden.

Ebenfalls in den 60er Jahren finden sich erste Versuche, die Brennstoffzelle in Fahrzeugen zum Einsatz zu bringen. So wird 1966 beispielsweise der Electrovan von General Motors präsentiert, der allerdings nie die Marktreife erreicht. Große Fortschritte in diesem Bereich konnten erst in den 90er Jahren erreicht werden. Grund hierfür waren unter anderem strengere Umweltvorgaben in Kalifornien. Zu diesem Zeitpunkt war die Markteinführung eines in Serie hergestellten Wasserstoffautos noch nicht abzusehen.

Die Brennstoffzelle im Auto

Aus einer Zusammenarbeit zwischen Ballard Power Systems und Daimler geht 1994 Wasserstoff-Technologie hervor, die als Basis für Brennstoffzellen-Busse dient. Die ersten Busse wurden 2001 und in Kleinserie hergestellt und testweise eingesetzt, um Daten für die Verbesserung des Antriebs zu gewinnen. Bei PKW gilt der Hyundai ix35 Fuel Cell als Vorreiter. Das Wasserstofffahrzeug wird seit 2013 in Kleinserie hergestellt. 2018 folgte die Vorstellung des Hyundai Nexo. Toyotas Miari ist hingegen das erste Brennstoffzellenauto in Großserie. Toyota selbst hatte bereits Anfang der 90er Jahre mit der Entwicklung entsprechender Fahrzeuge begonnen und 2001 den Prototyp FCHV vorgestellt. Der Mirai wird seit 2014 verkauft.

Auf der IAA 2017 präsentierte Mercedes den GLC F-Cell. Seit November 2018 wird der SUV in Kleinserie hergestellt und an Flottenkunden verkauft. Privatkunden sollen in diesem Jahr erstmals die Möglichkeit bekommen, den Wagen zu mieten. Die Besonderheit des Fahrzeugs liegt in der Kombination von Brennstoffzelle und Plug-in-Technologie.

Brennstoffzelle zum Heizen

Die Brennstoffzelle lässt sich auch als Grundlage für das Heizen der eigenen vier Wände verwenden. Neben der durch die chemische Reaktion mit Wasserstoff abgegebene Wärme stellt die Brennstoffzellenheizung auch Strom bereit, der im Haushalt genutzt wird. Die Verwendung von Wärme und Strom ergibt für die Brennstoffzellenheizung einen Gesamtwirkungsgrad von bis zu 90 %, der sich aus dem elektrischen und thermischen Wirkungsgrad zusammensetzt.

Die Kosten der Brennstoffzelle

Die Brennstoffzellentechnologie ist derzeit noch kostspielig. Wer eine entsprechende Heizung daheim einsetzen möchte, sollte sich auf Gesamtkosten von bis zu 60.000 Euro einstellen. Fahrzeuge, die auf Brennstoffzellen setzen, sind ebenfalls kostspielig. Der Toyota Mirai kostet beispielsweise ab 78.600 Euro (UVP). Für den Hyundai Nexo werden mindestens 69.000 Euro (UVP) fällig.