Brennstoffzellensysteme

Brennstoffzellensysteme sind energieumwandlungssysteme, die chemische Energie direkt in elektrische Energie konvertieren, üblicherweise durch Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff. Sie bestehen aus einer Brennstoffzelle (Stack) und Begleitsystemen wie Brennstoff- und Luftversorgung, Wärme- und Wasserhaushalt, Abwärmenutzung, Leistungselektronik sowie Steuerung und Sicherheitseinrichtungen. Oft kommt zusätzlich ein Reformprozessor zum Einsatz, der aus vorhandenen Brennstoffen Wasserstoff bereitstellt.

Funktionsprinzip und Leistungskennzahlen: Wasserstoff reagiert an der Anode, Elektronen fließen durch einen äußeren Stromkreis, Protonen wandern durch eine Membran zur Kathode, wo Sauerstoff aus der Luft mit Elektronen und Protonen zu Wasser reagiert. Die Abwärme kann genutzt werden. Elektrische Wirkungsgrade liegen typischerweise bei 40–60 Prozent; durch Nutzung der Abwärme (Kraft-Wärme-Kopplung) steigt der Gesamtwirkungsgrad deutlich.

Typen und Betriebstemperaturen: Zu den verbreiteten Typen zählen PEMFCs (Proton Exchange Membrane) mit niedrigen Betriebstemperaturen um 60–80°C, geeignet für Fahrzeuge; SOFCs (Solid Oxide) arbeiten bei hohen Temperaturen von 700–1000°C und ermöglichen auch den Einsatz von Kohlenwasserstoffen. Weitere Systeme wie PAFC, MCFC und DMFC unterscheiden sich in Temperaturbereichen, Materialien und Brennstoffkompatibilität.

Anwendungen und Systemarchitektur: Brennstoffzellensysteme finden Anwendung in der Mobilität (PKW, Busse, LKW), in stationären Stromversorgungen, Notstrom und netzgekoppelten Anlagen. Sie ermöglichen oft eine integrierte Kraft-Wärme-Kopplung, bei der neben Strom auch Wärme nutzbar gemacht wird.

Vor- und Herausforderungen: Vorteile sind hoher Wirkungsgrad, geringe Emissionen und geräuscharmer Betrieb. Herausforderungen bleiben Kosten, Lebensdauer der Stacks, Infrastruktur für Wasserstoff, Versorgungssicherheit und Systemintegration. Forschung fokussiert auf langlebigere Materialien, kostengünstige Fertigung und effiziente Wärme- und Wasserverwaltung.