Brennstoffzellen:

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 kommen 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.

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

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 entlegene Messstationen verwendet.

Die Polymerelektrolytbrennstoffzelle, auch Protonaustauschmembran-Brennstoffzelle (englisch: Proton Exchange Membrane Fuel Cell) genannt, gehört bei einer Betriebstemperatur zwischen 70 und 90 °C zu den Niedertemperaturbrennstoffzellen. Es gibt aber auch die Proton-Exchange-Membrane-Fuel-Cell, 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.

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.

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 eine 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 durch Brennstoffzellen angetrieben werden. Hier laufen bereits verschiedene Forschungsprojekte mit PEMFC- oder DMFC-Brennstoffzellen, um auch die Schifffahrt auf einen umweltfreundlichen Antrieb umzustellen.

Obwohl das Funktionsprinzip schon seit dem 19. Jahrhundert bekannt ist, bedarf es für die sichere und effiziente Anwendung dieser Technik, insbesondere bei Wasserstoff-Brennstoffzellen, 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. auf dem Transport von reinem Wasserstoff über ein Gasnetz.

Ein wichtiger Forschungsschwerpunkt im Bereich Brennstoffzellen 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 benötigt werden, müssen im stationären Bereich bei Brennstoffzellenheizungen bis zu 80.000 Betriebsstunden und mehr ermöglicht werden.

Um diese Betriebsstunden zu erreichen, müssen die einzelnen Zellen eines Brennstoffzellen Stacks 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 zu vermeiden. Dies ist ein besonderer Vorteil für den Kunden, da sein System nicht ausfällt.