mini|Mit Methanol betriebene Brennstoffzelle Eine Brennstoffzelle ist eine technische Anlage, die zu den elektrischen Energiequellen zählt: Sie wandelt die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie um. Mit Brennstoffzelle ist oft eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle gemeint. Bestimmte Brennstoffzellentypen können statt Wasserstoff andere Brennstoffe nutzen, insbesondere Methanol, Butan oder Erdgas. Zusammen mit den Akkumulatoren und den Batterien gehören Brennstoffzellen zu den galvanischen Zellen.
Brennstoffzellen sind keine Energiespeicher, sondern Energiewandler, denen ein Brennstoff (Energie in chemisch gebundener Form) zugeführt wird. Ein komplettes Brennstoffzellensystem kann aber zusätzlich einen Brennstoffspeicher enthalten.
Die gemessen an der Zahl der installierten Systeme wichtigste Anwendung der Brennstoffzelle ist – vor allem in Japan – die Versorgung von Gebäuden mit Wärme und Elektrizität (Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung) in Brennstoffzellenheizungen. In Japan wurden bis Ende 2025 über 582.000 Brennstoffzellenheizungen ausgeliefert.
Auch für den innerbetrieblichen Warentransport, vor allem mit Gabelstaplern sowie für andere Brennstoffzellenfahrzeuge, wird die Technik genutzt. Ende 2024 wurden über 97.000 Straßenfahrzeuge mit Hilfe von Brennstoffzellen angetrieben. Mehr als ein Drittel davon fuhren in Südkorea, 2590 in Deutschland. Die meisten (67.800 oder 69 %) waren Personenkraftwagen, es wurden aber auch 8700 Brennstoffzellenbusse und diverse Lastkraftwagen genutzt.
Eine weitere nach Gerätezahl häufige Anwendung der Brennstoffzelle ist die Stromversorgung netzferner Geräte wie Messstationen oder Elektrogeräte beim Camping. Für diesen Zweck verwendet man Direktmethanolbrennstoffzellen.
Vergleich mit Wärmekraftmaschinen Die Gewinnung von elektrischer Energie aus chemischen Energieträgern erfolgt zumeist durch Verbrennung und Verwendung der entstehenden heißen Gase zum Betrieb einer Wärmekraftmaschine mit nachgeschaltetem Generator. So wird die chemische Energie zunächst durch Verbrennung in thermische Energie und dann in mechanische Arbeit umgewandelt, aus der schließlich im Generator Strom erzeugt wird.
Eine Brennstoffzelle ist demgegenüber geeignet, die Umformung ohne die Umwandlung in Wärme und Kraft zu erreichen, und ist dadurch potenziell effizienter. Im Unterschied zur Verbrennungskraftmaschine wandelt sie chemische Energie unmittelbar in elektrische Energie um und unterliegt nicht dem inhärent schlechten Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschinen. 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.
Insbesondere die Schwierigkeiten bei Lagerung und Transport von Wasserstoff machen deutlich, dass zur Abschätzung der Effizienz die Energieverluste entlang der gesamten Wirkkette betrachtet werden müssen, also einschließlich des Aufwands zur Herstellung und Speicherung des Energieträgers.
Geschichte
Das Prinzip der Brennstoffzelle wurde 1838 von Christian Friedrich Schönbein entdeckt, als er zwei Platindrähte in verdünnter Schwefelsäure mit Wasserstoff bzw. Sauerstoff umspülte und zwischen den Drähten eine elektrische Spannung bemerkte. Sir William Robert Grove erkannte zusammen mit Schönbein die Umkehrung der Elektrolyse und das Erzeugen von Strom.
Recht bald war man von den Brennstoffzellen begeistert: Man hoffte, Kohle und Dampfmaschinen zu ersetzen. 1875 schrieb Jules Verne in seinem Buch „Die geheimnisvolle Insel“ über die Wasserstofftechnologien:
Wegen der Erfindung des elektrischen Generators durch Werner von Siemens, damals Dynamomaschine genannt, geriet die als „galvanische Gasbatterie“ bezeichnete Erfindung in Vergessenheit. Die Dynamomaschine war in Verbindung mit der Dampfmaschine bezüglich Brennstoff und Materialien relativ einfach und unkompliziert und wurde zu dieser Zeit der komplexen Brennstoffzelle vorgezogen. Wilhelm Ostwald machte sich um die theoretische Durchdringung der Brennstoffzelle verdient; 1894 erkannte er ihr hohes Potenzial 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 Apollo-Mondmissionen diente sie als meist zuverlässiger Energielieferant. Während der Apollo-13-Mission explodierte einer der beiden Sauerstofftanks im Servicemodul und beschädigte dabei die Sauerstoffleitung des anderen Sauerstofftanks, so dass alle drei Brennstoffzellen abgeschaltet werden mussten.
1959 wurde der erste Prototyp eines größeren brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeuges vorgestellt, der Brennstoffzellentraktor der Firma Allis-Chalmers.Noriko Hikosaka Behling: Fuel Cells. Elsevier B. V., Amsterdam 2013
In den 1990er Jahren forderte die Umwelt-Gesetzgebung in Kalifornien von jedem Hersteller Fahrzeuge mit niedrigen Emissionen. Seither wurden im Bereich Forschung und Entwicklung von Brennstoffzellen international große Fortschritte erzielt.Richard Zahoransky et al. (Hrsg.): Energietechnik. 7. Auflage, Springer, 2015, S. 269–271. Meilensteine der Entwicklung Zeit Meilensteine 1839 Christian Friedrich Schönbein und William Robert Grove führen unabhängig voneinander erste Versuche mit „galvanischen Gasbatterien“ durch, d. h. mit einfachen Brennstoffzellen. 1889 Charles Langer und Ludwig Mond verwenden erstmals bei ihren Versuchen das Wort „Brennstoffzelle“. 1889–1910 Walther Nernst entwickelte die Grundlagen für die Beschreibung der elektrochemischen Vorgänge in Brennstoffzellen. 1952 Francis Thomas Bacon zeigte ein alkalisches Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellensystem, das von Pratt & Whitney für die Energieversorgung des Apollo-Programms lizenziert wurde. 1959 Allis-Chalmers präsentierte einen Traktor mit Brennstoffzellensystem und baute danach unter anderem einen mit Brennstoffzellen betriebenen Gabelstapler, ein Golfmobil und ein U-Boot. 1967/1970 Karl Kordesch (Union Carbide) baute ein Motorrad mit Brennstoffzellensystem und 1970 integrierte er ein System in ein PKW-Modell der Austin Motor Company. 1983-1970 In Tokio wurde ein Brennstoffzellen-Kraftwerk mit 11 MW Leistung errichtet, welches bis 1997 in Betrieb war. 1994 Daimler stellte den Kleinbus NECAR 1 mit einer 50 kW Brennstoffzelle vor. 1998 Die Howaldtswerke Deutsche Werft und die Nordseewerke starteten gemeinsam den Bau der brennstoffzellenbetriebenen U-Boot-Klasse 212 A. Das erste dieser U-Boote (U31) wurde 2002 in Betrieb genommen. 1999–2003 Viele Automobilhersteller präsentieren Brennstoffzellen-Testfahrzeuge, unter anderem Daimler, Fiat, Ford, Honda, Mazda, Nissan, Opel, Peugeot, Suzuki, Toyota und VW. 2000 Das erste Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerk wird in Berlin aufgestellt. Die Hersteller waren Alstom und Ballard. 2002 In Japan begann die Entwicklung stationärer Brennstoffzellen für die Hausenergieversorgung. Seit 2009 wurden von der japanischen Regierung mit Zuschüssen geförderte Systeme verschiedener Hersteller kommerziell vertrieben. 2003–2005 Daimler baute eine Kleinserie mit 36 Brennstoffzellenbussen, die bis 2006/2007 in 10 europäischen Städten und in Perth und Peking im regulären Fahrgastbetrieb eingesetzt wurden. 2008–2009 Verschiedene Automobilhersteller starteten die Kleinserienproduktion von Brennstoffzellen, darunter Daimler, Honda, Opel/GM und Toyota.
Aufbau mini|hochkant=1.55|Funktionsprinzip einer PEMFC-/DMFC-(/PAFC-)Brennstoffzelle: Die Wasserstoffmoleküle geben ihre Elektronen ab. Die verbleibenden Protonen treten durch die Elektrolytmembran und reagieren mit den Sauerstoffatomen auf der rechten Seite zu Wasser.
Eine Brennstoffzelle besteht aus Elektroden, zwischen denen sich ein Elektrolyt (Ionenleiter) befindet. Als Elektrolyt kann eine Flüssigkeit, beispielsweise Laugen oder Säuren, oder Alkalicarbonatschmelzen verwendet werden. Bei Hochtemperaturbrennstoffzellen wird ein Feststoff als Elektrolyt verwendet, etwa ionenleitende Keramik, die dann einen Festelektrolyten bildet. Auch Membranen werden genutzt. Sie sind semipermeable Membranen, die nur für eine Ionensorte, z. B. Protonen, durchlässig sind. Eine Membran kann auch zwei verschiedene flüssige Elektrolyte voneinander trennen.
Die Elektrodenplatten bzw. Bipolarplatten bestehen meist aus Metall oder Kohlenstoff, z. B. aus einem Kohlenstofffilz. Sie sind mit einem Katalysator beschichtet, etwa Platin oder Palladium.
Die Energie liefert eine Reaktion von Sauerstoff mit dem Brennstoff. Hierbei handelt es sich häufig um Wasserstoff, es werden aber auch organische Verbindungen wie Methan oder Methanol eingesetzt. Beide Reaktionspartner werden über die Elektroden kontinuierlich zugeführt.
Die theoretische Spannung einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle ist 1,23 V bei einer Temperatur von 25 °C. In der Praxis werden jedoch im Betrieb nur Spannungen von 0,5–1 V erreicht; nur im Ruhezustand oder bei kleinen Strömen werden Spannungen oberhalb 1 V erhalten. 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: Bipolarplatte als Elektrode mit eingefräster Gaskanalstruktur, beispielsweise aus leitfähigen Kunststoffen (durch Zugabe von zum Beispiel Carbon-Nanoröhrchen elektrisch leitend gemacht); poröse Carbon-Papiere; 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; protonenleitende Ionomermembran: gasdicht und nicht elektronenleitend.
Alternativen zur Speicherung von flüssigem oder gasförmigem Wasserstoff Eine mögliche Alternative zur direkten Wasserstoffspeicherung in Drucktanks oder Kryotanks sind Metallhydride oder andere chemische Wasserstoffspeicher. Bei den letzteren wird aus Treibstoffen wie Methanol oder aus geeigneten Kohlenwasserstoffen wie Dibenzyltoluol kurz vor Gebrauch der Wasserstoff durch katalytische Verfahren und/oder Erhitzen gewonnen. Sofern der Brennstoff regenerativ gewonnen wurde (z. B. Methanolherstellung aus Müll oder aus CO2 mit erneuerbarem Strom), so wird bei einer Dampfreformierung zu wasserstoff-haltigem Gas kein zusätzliches CO2 emittiert.
Brennstoffzellentypen Bedeutende Brennstoffzellentypen Die bis 2018 wichtigsten Brennstoffzellentypen sind: