Brennstoffzellensystemen

Brennstoffzellensysteme umfassen Anlagen zur direkten Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie durch elektrochemische Reaktionen in Brennstoffzellen. Typischer Brennstoff ist Wasserstoff, der Oxidator Sauerstoff aus der Luft. Systeme arbeiten als eigenständige Energieeinheiten oder als Teil größerer Systeme und enthalten Brennstoff- und Luftmanagement, einen Brennstoffzellenstapel, Wärme- und Wasserhaushalt, Leistungs- und Sicherheitstechnik sowie Steuerungs- und Elektroniksysteme.

Funktionsweise: In der Brennstoffzelle wird der Brennstoff an der Anode oxidiert und Elektronen durch einen externen Stromkreis zum Katodenbereich geleitet, wo der Oxidator reduziert wird. Die Elektronenleistung liefert Strom, während Wasser und Wärme als Nebenprodukte entstehen. Die erzeugte Wärme lässt sich in vielen Anwendungen durch Wärme-Kälte-Kopplung nutzen, was die Gesamteffizienz erhöht.

Typen: Zu den wichtigsten Typen gehören PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cells) mit niedrigen Betriebstemperaturen, geeignet für Mobilität und Haushaltsanwendungen; SOFC (Solid Oxide Fuel Cells) mit Hochtemperaturbetrieb, oft für stationäre Anwendungen und Kombination mit Reformern; PAFC, MCFC und AFC als weitere chemische Varianten. Direct Methanol Fuel Cells (DMFC) verwenden Methanol direkt als Brennstoff, bieten geringe Systemkomplexität, haben jedoch typischerweise geringere Leistungsdichte.

Anwendungen: Brennstoffzellensysteme finden Einsatz in Verkehr (PKW, Busse, Schiffe), stationärer Strom- und Wärmeversorgung, Notstrom- und Netzersatzlagen sowie in portablen Systemen. Betrieb erfolgt mit reinem Wasserstoff oder Reformgas, je nach Typ und Infrastruktur.

Vorteile und Herausforderungen: Vorteile sind hohe elektrische Effizienz, geringe Emissionen am Ort der Nutzung und modulare Skalierbarkeit. Herausforderungen umfassen Kosten, Haltbarkeit, Wasserstoffinfrastruktur, Systemintegration und Sicherheit. Umwelt- und Lebenszyklusbetrachtungen hängen stark von der Brennstoffherkunft ab.