Brennstoffzelle

Demonstrationsmodell einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (schwarzer, geschichteter Würfel) in ihrer Umhüllung. ⓘ

Schema einer protonenleitenden Brennstoffzelle ⓘ

Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, die die chemische Energie eines Brennstoffs (oft Wasserstoff) und eines Oxidationsmittels (oft Sauerstoff) durch ein Paar von Redoxreaktionen in Elektrizität umwandelt. Brennstoffzellen unterscheiden sich von den meisten Batterien dadurch, dass sie zur Aufrechterhaltung der chemischen Reaktion eine kontinuierliche Quelle von Brennstoff und Sauerstoff (in der Regel aus der Luft) benötigen, während in einer Batterie die chemische Energie in der Regel aus Substanzen stammt, die bereits in der Batterie vorhanden sind. Brennstoffzellen können kontinuierlich Strom erzeugen, solange Brennstoff und Sauerstoff zugeführt werden. ⓘ

Die ersten Brennstoffzellen wurden 1838 von Sir William Grove erfunden. Die erste kommerzielle Nutzung von Brennstoffzellen erfolgte mehr als ein Jahrhundert später mit der Erfindung der Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle durch Francis Thomas Bacon im Jahr 1932. Die alkalische Brennstoffzelle, die nach ihrem Erfinder auch als Bacon-Brennstoffzelle bezeichnet wird, wird seit Mitte der 1960er Jahre in Raumfahrtprogrammen der NASA zur Stromerzeugung für Satelliten und Raumkapseln eingesetzt. Seitdem wurden Brennstoffzellen in vielen anderen Anwendungen eingesetzt. Brennstoffzellen werden für die Primär- und Notstromversorgung von Gewerbe-, Industrie- und Wohngebäuden sowie in abgelegenen oder unzugänglichen Gebieten eingesetzt. Sie werden auch zum Antrieb von Brennstoffzellenfahrzeugen wie Gabelstaplern, Autos, Bussen, Zügen, Booten, Motorrädern und U-Booten verwendet. ⓘ

Es gibt viele verschiedene Arten von Brennstoffzellen, aber alle bestehen aus einer Anode, einer Kathode und einem Elektrolyten, der es Ionen, oft positiv geladenen Wasserstoffionen (Protonen), ermöglicht, sich zwischen den beiden Seiten der Brennstoffzelle zu bewegen. An der Anode bewirkt ein Katalysator, dass der Brennstoff Oxidationsreaktionen unterliegt, bei denen Ionen (häufig positiv geladene Wasserstoffionen) und Elektronen entstehen. Die Ionen bewegen sich durch den Elektrolyten von der Anode zur Kathode. Gleichzeitig fließen die Elektronen über einen externen Stromkreis von der Anode zur Kathode und erzeugen so Gleichstrom. An der Kathode sorgt ein weiterer Katalysator für die Reaktion von Ionen, Elektronen und Sauerstoff, wobei Wasser und möglicherweise andere Produkte entstehen. Brennstoffzellen werden nach der Art des verwendeten Elektrolyts und nach der unterschiedlichen Startzeit unterschieden, die von 1 Sekunde bei Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEM-Brennstoffzellen oder PEMFC) bis zu 10 Minuten bei Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) reicht. Eine verwandte Technologie sind Durchflussbatterien, bei denen der Brennstoff durch Wiederaufladung regeneriert werden kann. Einzelne Brennstoffzellen erzeugen ein relativ geringes elektrisches Potenzial von etwa 0,7 Volt, so dass die Zellen "gestapelt" oder in Reihe geschaltet werden, um eine ausreichende Spannung zu erzeugen, die den Anforderungen einer Anwendung entspricht. Neben Strom erzeugen Brennstoffzellen auch Wasser, Wärme und - je nach Brennstoffquelle - sehr geringe Mengen an Stickstoffdioxid und anderen Emissionen. Der Energiewirkungsgrad einer Brennstoffzelle liegt im Allgemeinen zwischen 40 und 60 %; wird jedoch die Abwärme in einem Kraft-Wärme-Kopplungssystem genutzt, können Wirkungsgrade von bis zu 85 % erreicht werden. ⓘ

Die gemessen an der Zahl der installierten Geräte wichtigsten Anwendungen der Brennstoffzelle sind die netzunabhängige Stromversorgung sowie – vor allem in Japan – die Versorgung von Gebäuden mit Wärme und Elektrizität (Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung). Dazu wurden bis zum August 2021 in Japan über 400.000 Brennstoffzellenheizungen installiert, wobei die Markteinführung staatlich bezuschusst wurde („ENE-FARM-Programm“). In Deutschland wurden insgesamt bis einschließlich Dezember 2020 über 15.000 Anträge auf KfW-Förderung für Brennstoffzellenheizungen bewilligt. ⓘ

Die nach der Gerätezahl zweithäufigste Anwendung der Brennstoffzelle ist die Versorgung netzferner Geräte wie Messstationen oder Elektrogeräte beim Camping. Für diesen Zweck verwendet man Direktmethanolbrennstoffzellen, von denen ein Hersteller bis Januar 2022 nach eigenen Angaben über 50.000 Geräte verkaufte. ⓘ

Darüber hinaus werden Fahrzeuge mit Brennstoffzellen betrieben, darunter mehr als 20.000 Gabelstapler, Hubwagen oder ähnliches, viele davon in den USA. Der Bestand an Brennstoffzellenfahrzeugen erhöhte sich 2018 um rund 4000 und lag am Ende bei etwa 11.200 Autos und Kleinlastwagen. Allein vom Toyota Mirai wurden bis September 2019 über 10.000 Fahrzeuge produziert. Außerdem waren bis September 2019 weltweit etwa 200 Brennstoffzellenbusse in Betrieb, etwa 70 in Europa, 40 in China, 18 in Japan und 71 in den USA. ⓘ

Geschichte

Skizze der Brennstoffzelle von Sir William Grove aus dem Jahr 1839 ⓘ

Die ersten Hinweise auf Wasserstoff-Brennstoffzellen stammen aus dem Jahr 1838. In einem Brief vom Oktober 1838, der in der Dezemberausgabe 1838 des The London and Edinburgh Philosophical Magazine and Journal of Science veröffentlicht wurde, schrieb der walisische Physiker und Rechtsanwalt Sir William Grove über die Entwicklung seiner ersten groben Brennstoffzellen. Er verwendete eine Kombination aus Eisenblech, Kupfer- und Porzellanplatten sowie eine Lösung aus Kupfersulfat und verdünnter Säure. In einem Brief an dieselbe Publikation, der im Dezember 1838 geschrieben, aber erst im Juni 1839 veröffentlicht wurde, beschrieb der deutsche Physiker Christian Friedrich Schönbein die erste von ihm erfundene Rohbrennstoffzelle. In seinem Brief ging es um die Stromerzeugung aus in Wasser gelöstem Wasserstoff und Sauerstoff. Grove skizzierte seinen Entwurf später, im Jahr 1842, in derselben Zeitschrift. Die von ihm hergestellte Brennstoffzelle verwendete ähnliche Materialien wie die heutige phosphorsaure Brennstoffzelle. ⓘ

1932 erfand Francis Thomas Bacon eine Brennstoffzelle, die Strom aus Wasserstoff und Sauerstoff gewann. Sie wurde von der NASA zur Beleuchtung, Klimatisierung und Kommunikation eingesetzt.

Die Briten, die die Mondlandungen unterstützten, BBC Archives.

Im Jahr 1932 entwickelte der englische Ingenieur Francis Thomas Bacon erfolgreich eine stationäre Brennstoffzelle mit einer Leistung von 5 kW. Die alkalische Brennstoffzelle (AFC), die nach ihrem Erfinder auch als Bacon-Brennstoffzelle bezeichnet wird, ist eine der am weitesten entwickelten Brennstoffzellentechnologien, die die NASA seit Mitte der 1960er Jahre einsetzt. ⓘ

1955 änderte W. Thomas Grubb, ein Chemiker der General Electric Company (GE), das ursprüngliche Brennstoffzellendesign weiter, indem er eine sulfonierte Polystyrol-Ionenaustauschmembran als Elektrolyt verwendete. Drei Jahre später entwickelte ein anderer GE-Chemiker, Leonard Niedrach, eine Methode zur Abscheidung von Platin auf der Membran, das als Katalysator für die notwendigen Wasserstoffoxidations- und Sauerstoffreduktionsreaktionen diente. Dies wurde als "Grubb-Niedrach-Brennstoffzelle" bekannt. GE entwickelte diese Technologie in Zusammenarbeit mit der NASA und McDonnell Aircraft weiter und setzte sie schließlich im Rahmen des Projekts Gemini ein. Dies war die erste kommerzielle Nutzung einer Brennstoffzelle. 1959 baute ein Team unter der Leitung von Harry Ihrig einen 15-kW-Brennstoffzellen-Traktor für Allis-Chalmers, der in den gesamten USA auf Messen vorgeführt wurde. Dieses System verwendete Kaliumhydroxid als Elektrolyt und komprimierten Wasserstoff und Sauerstoff als Reaktionsmittel. Später, im Jahr 1959, demonstrierten Bacon und seine Kollegen eine praktische Fünf-Kilowatt-Einheit, die eine Schweißmaschine antreiben konnte. In den 1960er Jahren lizenzierte Pratt & Whitney Bacons US-Patente für den Einsatz im US-Raumfahrtprogramm zur Versorgung mit Elektrizität und Trinkwasser (da Wasserstoff und Sauerstoff in den Tanks der Raumfahrzeuge leicht verfügbar waren). 1991 wurde das erste Wasserstoff-Brennstoffzellenauto von Roger E. Billings entwickelt. ⓘ

UTC Power war das erste Unternehmen, das ein großes, stationäres Brennstoffzellensystem für den Einsatz als Kraft-Wärme-Kopplungsanlage in Krankenhäusern, Universitäten und großen Bürogebäuden herstellte und auf den Markt brachte. ⓘ

In Anerkennung der Brennstoffzellenindustrie und der Rolle Amerikas bei der Entwicklung von Brennstoffzellen hat der Senat der Vereinigten Staaten den 8. Oktober 2015 mit der Verabschiedung von S. RES 217 zum Nationalen Tag des Wasserstoffs und der Brennstoffzelle erklärt. Das Datum wurde in Anbetracht des Atomgewichts von Wasserstoff (1,008) gewählt. ⓘ

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 Brennstoffzelle:

„Das Wasser ist die Kohle der Zukunft. Die Energie von morgen ist Wasser, das durch elektrischen Strom zerlegt worden ist. Die so zerlegten Elemente des Wassers, Wasserstoff und Sauerstoff, werden auf unabsehbare Zeit hinaus die Energieversorgung der Erde sichern.“ ⓘ

Wegen der Erfindung des elektrischen Generators, damals Dynamomaschine genannt, durch Werner von Siemens 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 Potential 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 1990er Jahren forderte die Umwelt-Gesetzgebung in Kalifornien von jedem Hersteller Fahrzeuge mit niedrigen Emissionen. Seither hat die Brennstoffzellen-Forschung und -Entwicklung international große Fortschritte gemacht. ⓘ

Typen von Brennstoffzellen; Design

Es gibt viele verschiedene Arten von Brennstoffzellen, die jedoch alle auf die gleiche Art und Weise funktionieren. Sie bestehen aus drei benachbarten Segmenten: der Anode, dem Elektrolyten und der Kathode. An den Grenzflächen zwischen den drei verschiedenen Segmenten laufen zwei chemische Reaktionen ab. Das Nettoergebnis der beiden Reaktionen ist, dass Brennstoff verbraucht wird, Wasser oder Kohlendioxid entsteht und ein elektrischer Strom erzeugt wird, der zum Betrieb elektrischer Geräte, normalerweise als Last bezeichnet, verwendet werden kann. ⓘ

An der Anode oxidiert ein Katalysator den Brennstoff, in der Regel Wasserstoff, wobei der Brennstoff in ein positiv geladenes Ion und ein negativ geladenes Elektron umgewandelt wird. Der Elektrolyt ist eine Substanz, die so beschaffen ist, dass die Ionen sie durchdringen können, die Elektronen jedoch nicht. Die freigesetzten Elektronen wandern durch einen Draht und erzeugen den elektrischen Strom. Die Ionen wandern durch den Elektrolyten zur Kathode. An der Kathode angekommen, werden die Ionen wieder mit den Elektronen vereint, und die beiden reagieren mit einer dritten Chemikalie, in der Regel Sauerstoff, zu Wasser oder Kohlendioxid. ⓘ

Ein Blockdiagramm einer Brennstoffzelle ⓘ

Zu den Konstruktionsmerkmalen einer Brennstoffzelle gehören:

• Die Elektrolytsubstanz, die in der Regel den Typ der Brennstoffzelle bestimmt und aus einer Reihe von Substanzen wie Kaliumhydroxid, Salzkarbonaten und Phosphorsäure hergestellt werden kann.
• Der verwendete Brennstoff. Der häufigste Brennstoff ist Wasserstoff.
• Der Anodenkatalysator, meist feines Platinpulver, zerlegt den Brennstoff in Elektronen und Ionen.
• Der Kathodenkatalysator, häufig Nickel, wandelt die Ionen in chemische Abfallstoffe um, wobei Wasser die häufigste Abfallart ist.
• Gasdiffusionsschichten, die so konzipiert sind, dass sie der Oxidation widerstehen. ⓘ

Eine typische Brennstoffzelle erzeugt eine Spannung von 0,6 bis 0,7 V bei voller Nennlast. Die Spannung nimmt mit steigendem Strom ab, was auf mehrere Faktoren zurückzuführen ist:

• Aktivierungsverlust
• Ohmscher Verlust (Spannungsabfall aufgrund des Widerstands der Zellkomponenten und der Verbindungsleitungen)
• Massentransportverlust (Erschöpfung der Reaktanten an den Katalysatorstellen bei hoher Belastung, was zu einem schnellen Spannungsverlust führt). ⓘ

Um die gewünschte Energiemenge zu liefern, können die Brennstoffzellen in Reihe geschaltet werden, um eine höhere Spannung zu erzielen, und parallel geschaltet werden, um einen höheren Strom liefern zu können. Ein solcher Aufbau wird als Brennstoffzellenstapel bezeichnet. Auch die Zelloberfläche kann vergrößert werden, um einen höheren Strom aus jeder Zelle zu ermöglichen. ⓘ

Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen

Aufbau einer Hochtemperatur-PEMFC: Bipolarplatte als Elektrode mit eingefräster Gaskanalstruktur, hergestellt aus leitfähigen Verbundwerkstoffen (angereichert mit Graphit, Ruß, Kohlenstofffasern und/oder Kohlenstoffnanoröhren für mehr Leitfähigkeit); poröse Kohlenstoffpapiere; reaktive Schicht, in der Regel auf der aufgebrachten Polymermembran; Polymermembran. ⓘ

Kondensation des von einer PEMFC erzeugten Wassers an der Luftkanalwand. Der Golddraht, der die Zelle umgibt, sorgt für die Sammlung des elektrischen Stroms. ⓘ

REM-Aufnahme eines PEMFC MEA-Querschnitts mit einer Nicht-Edelmetall-Katalysator-Kathode und einer Pt/C-Anode. Zur Verdeutlichung wurden Falschfarben verwendet. ⓘ

Bei der archetypischen Wasserstoffoxid-Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) enthält eine protonenleitende Polymermembran (typischerweise Nafion) die Elektrolytlösung, die die Anoden- und Kathodenseite trennt. In den frühen 1970er Jahren, als der Protonenaustausch-Mechanismus noch nicht richtig verstanden wurde, nannte man dies eine Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle (SPEFC). (Beachten Sie, dass die Synonyme Polymerelektrolytmembran und Protonenaustauschmechanismus dasselbe Akronym ergeben). ⓘ

Auf der Anodenseite diffundiert der Wasserstoff zum Anodenkatalysator, wo er später in Protonen und Elektronen dissoziiert. Diese Protonen reagieren oft mit Oxidationsmitteln, so dass sie zu so genannten multifacettierten Protonenmembranen werden. Die Protonen werden durch die Membran zur Kathode geleitet, aber die Elektronen sind gezwungen, in einem externen Kreislauf zu reisen (Stromzufuhr), da die Membran elektrisch isolierend ist. Auf dem Kathodenkatalysator reagieren Sauerstoffmoleküle mit den Elektronen (die durch den externen Kreislauf gereist sind) und Protonen zu Wasser. ⓘ

Neben diesem reinen Wasserstofftyp gibt es Kohlenwasserstoffbrennstoffe für Brennstoffzellen, darunter Diesel, Methanol (siehe: Direkt-Methanol-Brennstoffzellen und indirekte Methanol-Brennstoffzellen) und chemische Hydride. Die Abfallprodukte bei diesen Brennstoffen sind Kohlendioxid und Wasser. Bei der Verwendung von Wasserstoff wird das CO₂ freigesetzt, wenn Methan aus Erdgas in einem als Dampf-Methan-Reformierung bezeichneten Prozess mit Wasserdampf kombiniert wird, um den Wasserstoff zu erzeugen. Dieser Prozess kann an einem anderen Ort als die Brennstoffzelle stattfinden, so dass die Wasserstoff-Brennstoffzelle möglicherweise in Innenräumen eingesetzt werden kann - zum Beispiel in Gabelstaplern. ⓘ

Die verschiedenen Komponenten einer PEMFC sind

1. Bipolarplatten,
2. Elektroden,
3. Katalysator,
4. Membran und
5. die notwendige Hardware wie Stromabnehmer und Dichtungen. ⓘ

Die für die verschiedenen Teile der Brennstoffzellen verwendeten Materialien unterscheiden sich je nach Typ. Die Bipolarplatten können aus verschiedenen Materialien bestehen, z. B. aus Metall, beschichtetem Metall, Graphit, flexiblem Graphit, C-C-Verbundwerkstoff, Kohlenstoff-Polymer-Verbundwerkstoff usw. Die Membranelektrodenanordnung (MEA) wird als Herzstück der PEMFC bezeichnet und besteht in der Regel aus einer Protonenaustauschmembran, die zwischen zwei katalysatorbeschichteten Kohlepapieren liegt. Als Katalysator für PEMFC werden in der Regel Platin und/oder ähnliche Edelmetalle verwendet, die durch Kohlenmonoxid verunreinigt werden können, so dass ein relativ reiner Wasserstoff als Brennstoff erforderlich ist. Der Elektrolyt könnte eine Polymermembran sein. ⓘ

Probleme bei der Konstruktion von Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen

Kosten

Im Jahr 2013 schätzte das Energieministerium die Kosten für ein 80-kW-Brennstoffzellensystem für Kraftfahrzeuge auf 67 US-Dollar pro Kilowatt, wenn man von einer Serienproduktion von 100.000 Fahrzeugen pro Jahr ausgeht, und 55 US-Dollar pro Kilowatt, wenn man von einer Serienproduktion von 500.000 Fahrzeugen pro Jahr ausgeht. Viele Unternehmen arbeiten an Techniken, um die Kosten auf verschiedene Weise zu senken, u. a. durch eine Verringerung der in jeder einzelnen Zelle benötigten Platinmenge. Ballard Power Systems hat mit einem mit Kohlenstoffseide angereicherten Katalysator experimentiert, der eine 30 %ige Reduzierung (1,0-0,7 mg/cm²) des Platinverbrauchs ohne Leistungseinbußen ermöglicht. Die Monash University in Melbourne verwendet PEDOT als Kathode. In einer 2011 veröffentlichten Studie wurde der erste metallfreie Elektrokatalysator dokumentiert, der relativ kostengünstige dotierte Kohlenstoffnanoröhren verwendet, die weniger als 1 % der Kosten von Platin betragen und die gleiche oder eine bessere Leistung aufweisen. Ein kürzlich veröffentlichter Artikel zeigt, wie sich die Umweltbelastung ändert, wenn Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Kohlenstoffsubstrat für Platin verwendet werden.

Wasser- und Luftmanagement (in PEMFCs)

Bei diesem Brennstoffzellentyp muss die Membran hydratisiert werden, was bedeutet, dass das Wasser genau in dem Maße verdampft werden muss, in dem es produziert wird. Wird das Wasser zu schnell verdampft, trocknet die Membran aus, der Widerstand an der Membran nimmt zu und schließlich reißt die Membran, was zu einem "Kurzschluss" führt, bei dem sich Wasserstoff und Sauerstoff direkt miteinander verbinden und Wärme erzeugen, die die Brennstoffzelle beschädigt. Wird das Wasser zu langsam verdampft, werden die Elektroden überflutet, so dass die Reaktanten den Katalysator nicht erreichen und die Reaktion unterbrochen wird. Es werden Methoden für das Wassermanagement in Zellen entwickelt, wie z. B. elektroosmotische Pumpen, die sich auf die Durchflusskontrolle konzentrieren. Wie in einem Verbrennungsmotor ist ein gleichmäßiges Verhältnis zwischen Reaktant und Sauerstoff erforderlich, damit die Brennstoffzelle effizient arbeitet.

Temperaturmanagement

In der gesamten Zelle muss die gleiche Temperatur aufrechterhalten werden, um eine Zerstörung der Zelle durch thermische Belastung zu verhindern. Dies ist eine besondere Herausforderung, da die Reaktion 2H₂ + O₂ → 2H₂O stark exotherm ist, so dass innerhalb der Brennstoffzelle eine große Wärmemenge erzeugt wird.

Haltbarkeit, Lebensdauer und besondere Anforderungen für bestimmte Zellentypen

Stationäre Brennstoffzellenanwendungen erfordern in der Regel mehr als 40.000 Stunden zuverlässigen Betrieb bei einer Temperatur von -35 °C bis 40 °C (-31 °F bis 104 °F), während Brennstoffzellen für Kraftfahrzeuge eine Lebensdauer von 5.000 Stunden (das entspricht 240.000 km (150.000 mi)) unter extremen Temperaturen benötigen. Die derzeitige Lebensdauer beträgt 2.500 Stunden (etwa 75.000 Meilen). Automotoren müssen auch bei -30 °C (-22 °F) zuverlässig starten können und ein hohes Leistungs-Volumen-Verhältnis aufweisen (typischerweise 2,5 kW/L).

Begrenzte Kohlenmonoxid-Toleranz einiger (Nicht-PEDOT-)Kathoden. ⓘ

Phosphorsäure-Brennstoffzelle

Phosphorsäure-Brennstoffzellen (PAFCs) wurden erstmals 1961 von G. V. Elmore und H. A. Tanner entwickelt und vorgestellt. In diesen Zellen wird Phosphorsäure als nichtleitender Elektrolyt verwendet, um Protonen von der Anode zur Kathode zu leiten und um Elektronen zu zwingen, durch einen externen Stromkreis von der Anode zur Kathode zu wandern. Diese Zellen arbeiten in der Regel bei Temperaturen von 150 bis 200 °C. Diese hohe Temperatur führt zu Wärme- und Energieverlusten, wenn die Wärme nicht abgeführt und richtig genutzt wird. Diese Wärme kann zur Erzeugung von Dampf für Klimaanlagen oder andere Wärmeenergie verbrauchende Systeme verwendet werden. Die Nutzung dieser Wärme in der Kraft-Wärme-Kopplung kann den Wirkungsgrad von phosphorsauren Brennstoffzellen von 40 bis 50 % auf etwa 80 % erhöhen. Da die Protonenproduktionsrate an der Anode gering ist, wird Platin als Katalysator verwendet, um diese Ionisierungsrate zu erhöhen. Ein wesentlicher Nachteil dieser Zellen ist die Verwendung eines sauren Elektrolyten. Dadurch wird die Korrosion oder Oxidation von Bauteilen, die der Phosphorsäure ausgesetzt sind, verstärkt. ⓘ

Feste saure Brennstoffzelle

Feste saure Brennstoffzellen (Solid Acid Fuel Cells, SAFCs) zeichnen sich durch die Verwendung eines festen sauren Materials als Elektrolyt aus. Bei niedrigen Temperaturen haben feste Säuren eine geordnete Molekularstruktur wie die meisten Salze. Bei wärmeren Temperaturen (zwischen 140 und 150 °C für CsHSO₄) durchlaufen einige feste Säuren einen Phasenübergang zu hochgradig ungeordneten "superprotonischen" Strukturen, was die Leitfähigkeit um mehrere Größenordnungen erhöht. Die ersten SAFCs wurden im Jahr 2000 unter Verwendung von Cäsiumhydrogensulfat (CsHSO₄) entwickelt. Aktuelle SAFC-Systeme verwenden Cäsiumdihydrogenphosphat (CsH₂PO₄) und haben Lebensdauern von mehreren tausend Stunden nachgewiesen. ⓘ

Alkalische Brennstoffzelle

Die alkalische Brennstoffzelle (AFC) oder Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle wurde 1959 von Francis Thomas Bacon entwickelt und erstmals öffentlich vorgeführt. Sie wurde im Apollo-Raumfahrtprogramm als primäre Quelle für elektrische Energie eingesetzt. Die Zelle besteht aus zwei porösen Kohlenstoffelektroden, die mit einem geeigneten Katalysator wie Pt, Ag, CoO usw. imprägniert sind. Der Raum zwischen den beiden Elektroden ist mit einer konzentrierten Lösung von KOH oder NaOH gefüllt, die als Elektrolyt dient. H₂-Gas und O₂-Gas werden durch die porösen Kohlenstoffelektroden in den Elektrolyten eingeblasen. Die Gesamtreaktion besteht also in der Verbindung von Wasserstoffgas und Sauerstoffgas zu Wasser. Die Zelle läuft kontinuierlich, bis der Vorrat an Reaktanten erschöpft ist. Diese Art von Zelle arbeitet effizient im Temperaturbereich von 343-413 K und liefert ein Potenzial von etwa 0,9 V. Die alkalische Anionenaustauschmembran-Brennstoffzelle (AAEMFC) ist eine Art von AFC, bei der ein fester Polymerelektrolyt anstelle von wässrigem Kaliumhydroxid (KOH) verwendet wird, und sie ist der wässrigen AFC überlegen. ⓘ

Hochtemperatur-Brennstoffzellen

Festoxid-Brennstoffzelle

Festoxid-Brennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cells, SOFCs) verwenden ein festes Material, meist ein keramisches Material namens Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ), als Elektrolyt. Da SOFCs vollständig aus festen Materialien bestehen, sind sie nicht auf die flache Konfiguration anderer Brennstoffzellentypen beschränkt und werden häufig als gewalzte Rohre ausgeführt. Sie erfordern hohe Betriebstemperaturen (800-1000 °C) und können mit einer Vielzahl von Brennstoffen einschließlich Erdgas betrieben werden. ⓘ

SOFCs sind einzigartig, weil negativ geladene Sauerstoffionen von der Kathode (positive Seite der Brennstoffzelle) zur Anode (negative Seite der Brennstoffzelle) wandern und nicht Protonen in umgekehrter Richtung (d. h. von der Anode zur Kathode), wie es bei allen anderen Brennstoffzellentypen der Fall ist. Sauerstoffgas wird durch die Kathode geleitet, wo es Elektronen absorbiert und Sauerstoffionen erzeugt. Die Sauerstoffionen wandern dann durch den Elektrolyten und reagieren an der Anode mit Wasserstoffgas. Bei der Reaktion an der Anode entstehen Strom und Wasser als Nebenprodukte. Je nach Brennstoff kann auch Kohlendioxid als Nebenprodukt anfallen, aber die Kohlendioxidemissionen eines SOFC-Systems sind geringer als die einer Verbrennungsanlage für fossile Brennstoffe. Die chemischen Reaktionen für das SOFC-System lassen sich wie folgt darstellen:

Anodenreaktion: 2H₂ + 2O2- → 2H₂O + 4e-

Kathodenreaktion: O₂ + 4e- → 2O2-

Gesamtreaktion der Zelle: 2H₂ + O₂ → 2H₂O ⓘ

SOFC-Systeme können auch mit anderen Brennstoffen als reinem Wasserstoffgas betrieben werden. Da jedoch Wasserstoff für die oben genannten Reaktionen erforderlich ist, muss der gewählte Brennstoff Wasserstoffatome enthalten. Damit die Brennstoffzelle funktionieren kann, muss der Brennstoff in reines Wasserstoffgas umgewandelt werden. SOFCs sind in der Lage, leichte Kohlenwasserstoffe wie Methan (Erdgas), Propan und Butan intern zu reformieren. Diese Brennstoffzellen befinden sich in einem frühen Stadium der Entwicklung. ⓘ

Aufgrund der hohen Betriebstemperaturen bestehen bei SOFC-Systemen Herausforderungen. Eine davon ist die Gefahr, dass sich Kohlenstoffstaub auf der Anode ablagert, wodurch der interne Reformierungsprozess verlangsamt wird. Forschungsarbeiten an der Universität von Pennsylvania haben gezeigt, dass die Verwendung von Cermets auf Kupferbasis (hitzebeständige Materialien aus Keramik und Metall) die Verkokung und den Leistungsverlust verringern kann. Ein weiterer Nachteil von SOFC-Systemen ist die lange Anlaufzeit, wodurch SOFCs für mobile Anwendungen weniger geeignet sind. Trotz dieser Nachteile bietet eine hohe Betriebstemperatur den Vorteil, dass kein Edelmetallkatalysator wie Platin benötigt wird, wodurch die Kosten gesenkt werden. Außerdem kann die Abwärme von SOFC-Systemen aufgefangen und wiederverwendet werden, wodurch der theoretische Gesamtwirkungsgrad auf bis zu 80-85 % steigt. ⓘ

Die hohe Betriebstemperatur ist weitgehend auf die physikalischen Eigenschaften des YSZ-Elektrolyten zurückzuführen. Mit abnehmender Temperatur sinkt auch die Ionenleitfähigkeit von YSZ. Um eine optimale Leistung der Brennstoffzelle zu erzielen, ist daher eine hohe Betriebstemperatur erforderlich. Laut ihrer Website hat Ceres Power, ein britischer SOFC-Brennstoffzellenhersteller, eine Methode entwickelt, um die Betriebstemperatur ihres SOFC-Systems auf 500-600 Grad Celsius zu senken. Dabei wurde der üblicherweise verwendete YSZ-Elektrolyt durch einen CGO-Elektrolyt (Cerium-Gadolinium-Oxid) ersetzt. Die niedrigere Betriebstemperatur ermöglicht die Verwendung von rostfreiem Stahl anstelle von Keramik als Zellsubstrat, was die Kosten und die Anlaufzeit des Systems reduziert. ⓘ

Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle

Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen (MCFC) erfordern eine hohe Betriebstemperatur von 650 °C (1.200 °F), ähnlich wie SOFCs. MCFCs verwenden Lithium-Kaliumkarbonat-Salz als Elektrolyt, das sich bei hohen Temperaturen verflüssigt und so die Bewegung von Ladung innerhalb der Zelle ermöglicht - in diesem Fall von negativen Karbonationen. ⓘ

Wie SOFC sind MCFC in der Lage, fossile Brennstoffe in der Anode in ein wasserstoffreiches Gas umzuwandeln, so dass die Notwendigkeit einer externen Wasserstofferzeugung entfällt. Der Reformierungsprozess verursacht CO₂-Emissionen. Zu den MCFC-kompatiblen Brennstoffen gehören Erdgas, Biogas und aus Kohle gewonnenes Gas. Der Wasserstoff im Gas reagiert mit Karbonat-Ionen aus dem Elektrolyten und erzeugt Wasser, Kohlendioxid, Elektronen und kleine Mengen anderer Chemikalien. Die Elektronen wandern durch einen externen Stromkreis, erzeugen Strom und kehren zur Kathode zurück. Dort reagieren der Sauerstoff aus der Luft und das von der Anode zurückgewonnene Kohlendioxid mit den Elektronen zu Karbonationen, die den Elektrolyten wieder auffüllen und den Kreislauf schließen. Die chemischen Reaktionen für ein MCFC-System lassen sich wie folgt darstellen:

Anodenreaktion: CO₃2- + H₂ → H₂O + CO₂ + 2e-

Kathodische Reaktion: CO₂ + ½O₂ + 2e- → CO₃2-

Gesamtzellreaktion: H₂ + ½O₂ → H₂O ⓘ

Zu den Nachteilen der MCFC gehören wie bei den SOFC langsame Anlaufzeiten aufgrund der hohen Betriebstemperatur. Aus diesem Grund sind MCFC-Systeme nicht für mobile Anwendungen geeignet, und diese Technologie wird höchstwahrscheinlich für stationäre Brennstoffzellenzwecke eingesetzt werden. Die größte Herausforderung der MCFC-Technologie ist die kurze Lebensdauer der Zellen. Die hohe Temperatur und der Karbonatelektrolyt führen zur Korrosion von Anode und Kathode. Diese Faktoren beschleunigen den Abbau der MCFC-Komponenten und verringern die Haltbarkeit und Lebensdauer der Zellen. Die Forscher befassen sich mit diesem Problem, indem sie korrosionsbeständige Materialien für die Komponenten sowie Brennstoffzellendesigns erforschen, die die Lebensdauer der Zelle ohne Leistungseinbußen erhöhen können. ⓘ

MCFCs haben mehrere Vorteile gegenüber anderen Brennstoffzellentechnologien, darunter ihre Beständigkeit gegenüber Verunreinigungen. Sie sind nicht anfällig für "Kohlenstoffverkokung", d. h. Kohlenstoffablagerungen an der Anode, die zu einer Leistungsverringerung führen, weil sie den internen Brennstoffreformierungsprozess verlangsamen. Daher sind kohlenstoffreiche Brennstoffe wie Gase aus Kohle mit dem System kompatibel. Das Energieministerium der Vereinigten Staaten behauptet, dass Kohle selbst in Zukunft eine Brennstoffoption sein könnte, vorausgesetzt, das System kann gegen Verunreinigungen wie Schwefel und Partikel, die bei der Umwandlung von Kohle in Wasserstoff entstehen, resistent gemacht werden. MCFCs haben außerdem einen relativ hohen Wirkungsgrad. Sie können einen Brennstoff-Strom-Wirkungsgrad von 50 % erreichen, was deutlich über dem Wirkungsgrad von 37-42 % einer phosphorsauren Brennstoffzellenanlage liegt. Der Wirkungsgrad kann bis zu 65 % betragen, wenn die Brennstoffzelle mit einer Turbine gekoppelt ist, und 85 %, wenn die Wärme aufgefangen und in einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage (KWK) genutzt wird. ⓘ

FuelCell Energy, ein in Connecticut ansässiger Brennstoffzellenhersteller, entwickelt und vertreibt MCFC-Brennstoffzellen. Das Unternehmen gibt an, dass seine MCFC-Produkte von 300-kW- bis 2,8-MW-Systemen reichen, die einen elektrischen Wirkungsgrad von 47 % erreichen und mit Hilfe der Kraft-Wärme-Kopplung einen höheren Gesamtwirkungsgrad erzielen können. Ein Produkt, die DFC-ERG, wird mit einer Gasturbine kombiniert und erreicht nach Angaben des Unternehmens einen elektrischen Wirkungsgrad von 65 %. ⓘ

Elektrische Speicherbrennstoffzelle

Bei der elektrischen Speicherbrennstoffzelle handelt es sich um eine herkömmliche Batterie, die durch die Zufuhr elektrischer Energie unter Ausnutzung des herkömmlichen elektrochemischen Effekts aufgeladen werden kann. Die Batterie enthält jedoch zusätzlich Wasserstoff (und Sauerstoff) zur alternativen chemischen Aufladung der Batterie. ⓘ

Vergleich der Brennstoffzellentypen

Name der Brennstoffzelle	Elektrolyt	Qualifizierte Leistung (W)	Arbeitstemperatur (°C)	Wirkungsgrad		Status	Kosten (USD/W) ⓘ
				Zelle	System
Metallhydrid-Brennstoffzelle	Wässrige alkalische Lösung		> −20 (50% Ppeak @ 0 °C)			Kommerziell / Forschung
Elektro-galvanische Brennstoffzelle	Wässrige alkalische Lösung		< 40			Kommerziell / Forschung
Direkte Ameisensäure-Brennstoffzelle (DFAFC)	Polymermembran (Ionomer)	< 50 W	< 40			Kommerziell / Forschung
Zink-Luft-Batterie	Wässrige alkalische Lösung		< 40			Massenproduktion
Mikrobielle Brennstoffzelle	Polymermembran oder Huminsäure		< 40			Forschung
Mikrobielle Aufstrom-Brennstoffzelle (UMFC)			< 40			Forschung
Regenerative Brennstoffzelle	Polymermembran (Ionomer)		< 50			Kommerziell / Forschung
Direkte Borhydrid-Brennstoffzelle	Wässrige alkalische Lösung		70			Kommerziell
Alkalische Brennstoffzelle	Wässrige alkalische Lösung	10-200 kW	< 80	60–70%	62%	Kommerziell / Forschung
Direkt-Methanol-Brennstoffzelle	Polymermembran (Ionomer)	100 mW - 1 kW	90–120	20–30%	10–25%	Kommerziell / Forschung	125
Reformierte Methanol-Brennstoffzelle	Polymermembran (Ionomer)	5 W - 100 kW	250-300 (Reformer) 125-200 (PBI)	50–60%	25–40%	Kommerziell / Forschung
Direkt-Ethanol-Brennstoffzelle	Polymermembran (Ionomer)	< 140 mW/cm²	> 25 ? 90–120			Forschung
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle	Polymermembran (Ionomer)	1 W - 500 kW	50-100 (Nafion) 120-200 (PBI)	50–70%	30–50%	Kommerziell / Forschung	50–100
Redox-Brennstoffzelle (RFC)	Flüssige Elektrolyte mit Redox-Shuttle und Polymermembran (Ionomer)	1 kW bis 10 MW				Forschung
Phosphorsäure-Brennstoffzelle	Geschmolzene Phosphorsäure (H3PO4)	< 10 MW	150–200	55%	40% Co-gen: 90	Kommerziell / Forschung	4.00–4.50
Feste saure Brennstoffzelle	H+-leitendes Oxyanionsalz (feste Säure)	10 W - 1 kW	200–300	55–60%	40–45%	Kommerziell / Forschung
Brennstoffzelle mit geschmolzenem Karbonat	Geschmolzenes Alkalikarbonat	100 MW	600–650	55%	45–55%	Kommerziell / Forschung
Röhrenförmige Festoxid-Brennstoffzelle (TSOFC)	O2--leitendes keramisches Oxid	< 100 MW	850–1100	60–65%	55–60%	Kommerziell / Forschung
Protonische Keramik-Brennstoffzelle	H+-leitendes keramisches Oxid		700			Forschung
Direkte Kohlenstoff-Brennstoffzelle	Mehrere verschiedene		700–850	80%	70%	Kommerziell / Forschung
Planare Festoxid-Brennstoffzelle	O2--leitendes keramisches Oxid	< 100 MW	500–1100	60–65%	55–60%	Kommerziell / Forschung
Enzymatische Biobrennstoffzellen	Jede, bei der das Enzym nicht denaturiert wird		< 40			Forschung
Magnesium-Luft-Brennstoffzelle	Salzwasser		-20 bis 55	90%		Kommerziell / Forschung

Glossar der Begriffe in der Tabelle:

Anode

Die Elektrode, an der die Oxidation (ein Verlust von Elektronen) stattfindet. Bei Brennstoffzellen und anderen galvanischen Zellen ist die Anode der negative Pol; bei elektrolytischen Zellen (wo Elektrolyse stattfindet) ist die Anode der positive Pol.

Wässrige Lösung

Von, in Bezug auf oder ähnlich wie Wasser

Hergestellt aus, mit oder durch Wasser.

Katalysator

Eine chemische Substanz, die die Geschwindigkeit einer Reaktion erhöht, ohne selbst verbraucht zu werden; nach der Reaktion kann sie möglicherweise aus dem Reaktionsgemisch zurückgewonnen werden und ist chemisch unverändert. Der Katalysator senkt die erforderliche Aktivierungsenergie, so dass die Reaktion schneller oder bei einer niedrigeren Temperatur ablaufen kann. In einer Brennstoffzelle erleichtert der Katalysator die Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff. Er besteht in der Regel aus Platinpulver, das hauchdünn auf Kohlepapier oder Stoff aufgetragen ist. Der Katalysator ist rau und porös, damit die größtmögliche Oberfläche des Platins dem Wasserstoff oder Sauerstoff ausgesetzt werden kann. Die platinbeschichtete Seite des Katalysators ist der Membran in der Brennstoffzelle zugewandt.

Kathode

Die Elektrode, an der die Reduktion (ein Gewinn an Elektronen) stattfindet. Bei Brennstoffzellen und anderen galvanischen Zellen ist die Kathode der positive Anschluss; bei elektrolytischen Zellen (wo Elektrolyse stattfindet) ist die Kathode der negative Anschluss.

Elektrolyt

Eine Substanz, die geladene Ionen von einer Elektrode zur anderen in einer Brennstoffzelle, Batterie oder einem Elektrolyseur leitet.

Brennstoffzellenstapel

Einzelne Brennstoffzellen, die in Reihe geschaltet sind. Brennstoffzellen werden gestapelt, um die Spannung zu erhöhen.

Matrix

Etwas, das in oder aus dem etwas anderes entsteht, sich entwickelt oder Form annimmt.

Membrane

Die Trennschicht in einer Brennstoffzelle, die sowohl als Elektrolyt (Ionenaustauscher) als auch als Sperrschicht zur Trennung der Gase im Anoden- und Kathodenraum der Brennstoffzelle dient.

Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC)

Eine Art von Brennstoffzelle, die einen geschmolzenen Karbonatelektrolyten enthält. Carbonat-Ionen (CO₃2-) werden von der Kathode zur Anode transportiert. Die Betriebstemperaturen liegen in der Regel bei 650 °C.

Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC)

Eine Art von Brennstoffzelle, bei der der Elektrolyt aus konzentrierter Phosphorsäure (H₃PO₄) besteht. Protonen (H+) werden von der Anode zur Kathode transportiert. Der Betriebstemperaturbereich liegt im Allgemeinen bei 160-220 °C.

Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEM)

Eine Brennstoffzelle, die eine feste Polymermembran als Elektrolyt verwendet. Protonen (H+) werden von der Anode zur Kathode transportiert. Der Betriebstemperaturbereich liegt im Allgemeinen bei 60-100 °C für Niedertemperatur-Protonen-Austauschmembran-Brennstoffzellen (LT-PEMFC). PEM-Brennstoffzellen mit einer Betriebstemperatur von 120-200 °C werden als Hochtemperatur-Protonen-Austauschmembran-Brennstoffzellen (HT-PEMFC) bezeichnet.

Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC)

Ein Brennstoffzellentyp, bei dem der Elektrolyt ein festes, nicht poröses Metalloxid ist, typischerweise Zirkoniumoxid (ZrO₂), das mit Y₂O₃ behandelt wurde, und O2 von der Kathode zur Anode transportiert wird. Etwaiges CO im Reformatgas wird an der Anode zu CO₂ oxidiert. Die Betriebstemperaturen liegen in der Regel bei 800-1.000 °C.

Lösung

Ein Vorgang, bei dem ein fester, flüssiger oder gasförmiger Stoff homogen mit einer Flüssigkeit oder manchmal auch einem Gas oder einem Feststoff vermischt wird.

Ein homogenes Gemisch, das durch diesen Prozess entsteht; insbesondere: ein einphasiges Flüssigkeitssystem.

Der Zustand des Gelöstseins. ⓘ

Wirkungsgrad der führenden Brennstoffzellentypen

Theoretischer maximaler Wirkungsgrad

Der energetische Wirkungsgrad eines Systems oder Geräts, das Energie umwandelt, wird durch das Verhältnis der vom System abgegebenen Nutzenergie ("Ausgangsenergie") zur zugeführten Gesamtenergie ("Eingangsenergie") oder durch die nutzbare Ausgangsenergie in Prozent der gesamten Eingangsenergie gemessen. Im Falle von Brennstoffzellen wird die nutzbare Ausgangsenergie in der vom System erzeugten elektrischen Energie gemessen. Die Eingangsenergie ist die im Brennstoff gespeicherte Energie. Nach Angaben des US-Energieministeriums liegt die Energieeffizienz von Brennstoffzellen im Allgemeinen zwischen 40 und 60 %. Dies ist höher als bei einigen anderen Systemen zur Energieerzeugung. Der typische Verbrennungsmotor eines Autos hat zum Beispiel einen Wirkungsgrad von etwa 25 %. Dampfkraftwerke erreichen in der Regel einen Wirkungsgrad von 30-40 %, während kombinierte Gasturbinen- und Dampfkraftwerke einen Wirkungsgrad von bis zu 60 % erreichen können. Bei der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) wird die Abwärme des primären Stromkreislaufs - ob Brennstoffzelle, Kernspaltung oder Verbrennung - aufgefangen und genutzt, wodurch der Wirkungsgrad des Systems auf bis zu 85-90 % steigt. ⓘ

Der theoretische Maximalwirkungsgrad wird in der Praxis nie erreicht, und andere Schritte der Stromerzeugung wie die Erzeugung, der Transport und die Lagerung des Brennstoffs sowie die Umwandlung des Stroms in mechanische Energie bleiben unberücksichtigt. Diese Berechnung ermöglicht jedoch den Vergleich verschiedener Arten der Stromerzeugung. Der theoretische maximale Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle nähert sich 100 %, während der theoretische maximale Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren bei etwa 58 % liegt. ⓘ

Die Gewinnung von elektrischer Energie aus chemischen Energieträgern erfolgte bislang 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. ⓘ

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. ⓘ

In der Praxis

Bei einem Brennstoffzellenfahrzeug ist der Tank-Rad-Wirkungsgrad bei niedriger Last größer als 45 % und weist Durchschnittswerte von etwa 36 % auf, wenn ein Fahrzyklus wie der NEFZ (Neuer Europäischer Fahrzyklus) als Testverfahren verwendet wird. Der vergleichbare NEFZ-Wert für ein Dieselfahrzeug liegt bei 22 %. Im Jahr 2008 stellte Honda ein Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug (Honda FCX Clarity) vor, das einen Wirkungsgrad von 60 % zwischen Tank und Rad aufweist. ⓘ

Es ist auch wichtig, die Verluste bei der Herstellung, dem Transport und der Lagerung des Kraftstoffs zu berücksichtigen. Brennstoffzellenfahrzeuge, die mit komprimiertem Wasserstoff betrieben werden, können einen Wirkungsgrad von 22 % haben, wenn der Wasserstoff als Hochdruckgas gespeichert wird, und 17 %, wenn er als Flüssigwasserstoff gespeichert wird. Brennstoffzellen können Energie nicht wie eine Batterie speichern, sondern nur in Form von Wasserstoff. In einigen Anwendungen, z. B. in autonomen Kraftwerken, die auf diskontinuierlichen Energiequellen wie Sonnen- oder Windenergie basieren, werden sie jedoch mit Elektrolyseuren und Speichersystemen zu einem Energiespeichersystem kombiniert. Ab 2019 werden 90 % des Wasserstoffs für die Ölraffination, die chemische Industrie und die Düngemittelherstellung (wo Wasserstoff für das Haber-Bosch-Verfahren benötigt wird) verwendet, und 98 % des Wasserstoffs werden durch Methandampfreformierung erzeugt, bei der Kohlendioxid freigesetzt wird. Der Gesamtwirkungsgrad (Strom zu Wasserstoff und zurück zu Strom) solcher Anlagen (bekannt als Round-Trip-Wirkungsgrad) kann bei der Verwendung von reinem Wasserstoff und reinem Sauerstoff je nach Gasdichte und anderen Bedingungen "zwischen 35 und 50 Prozent" liegen. Das System Elektrolyseur/Brennstoffzelle kann unbegrenzte Mengen an Wasserstoff speichern und eignet sich daher für die Langzeitspeicherung. ⓘ

Festoxid-Brennstoffzellen erzeugen Wärme durch die Rekombination von Sauerstoff und Wasserstoff. Die Keramik kann bis zu 800 Grad Celsius heiß werden. Diese Wärme kann aufgefangen und zur Erwärmung von Wasser in einer Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungs-Anwendung (m-KWK) genutzt werden. Wenn die Wärme aufgefangen wird, kann der Gesamtwirkungsgrad der Anlage 80-90 % erreichen, wobei Produktions- und Verteilungsverluste nicht berücksichtigt sind. KWK-Anlagen werden derzeit für den europäischen Haushaltsmarkt entwickelt. ⓘ

Professor Jeremy P. Meyers schrieb 2008 in der Fachzeitschrift Interface der Electrochemical Society: "Obwohl Brennstoffzellen im Vergleich zu Verbrennungsmotoren effizient sind, sind sie nicht so effizient wie Batterien, vor allem wegen der Ineffizienz der Sauerstoffreduktionsreaktion (und ... der Sauerstoffentwicklungsreaktion, wenn der Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser gebildet wird) .... [Sie sind am sinnvollsten für den netzunabhängigen Betrieb oder wenn der Kraftstoff kontinuierlich bereitgestellt werden kann. Für Anwendungen, die häufige und relativ schnelle Starts erfordern ..., bei denen keine Emissionen erforderlich sind, wie z. B. in geschlossenen Räumen wie Lagerhallen, und bei denen Wasserstoff als akzeptabler Reaktionspartner gilt, wird eine [PEM-Brennstoffzelle] eine zunehmend attraktive Wahl [wenn ein Batteriewechsel unpraktisch ist]". Im Jahr 2013 untersuchten militärische Organisationen Brennstoffzellen, um festzustellen, ob sie das Gewicht der von den Soldaten mitgeführten Batterien erheblich reduzieren könnten. ⓘ

Anwendungen

Die ersten Anwendungen von Brennstoffzellen ergaben sich in Bereichen wie Militär und Raumfahrt, in denen die Kosten eine untergeordnete Rolle spielten und die spezifischen Vorteile die Kostenvorteile der Dieselgeneratoren überwogen. Brennstoffzellen sind leichter als Akkumulatoren sowie zuverlässiger und leiser als Generatoren. Die geringen Geräuschemissionen und die Möglichkeit, Brennstoffzellen nach sehr langer Inaktivität zuverlässig zu betreiben, trugen zu einer anfangs oft militärischen Nutzung sowie einem Einsatz in Notstromversorgungen bei. Zudem können Brennstoffzellen in Kombination mit einem Elektromotor Bewegungsenergie in verschiedenen Einsatzbereichen effizienter erzeugen als Verbrennungsmotoren, etwa wegen des konstanten Drehmomentverlaufs oder der besseren Regelbarkeit Ersterer. ⓘ

Eine Stärke von Brennstoffzellensystemen liegt in der im Vergleich mit anderen Wandlertechnologien hohen Energiedichte, wodurch sich das frühzeitige Interesse des Militärs und der Raumfahrt an dieser Technik erklärt. ⓘ

Im Jahr 2016 wurden weltweit etwa 62.000 Brennstoffzellensysteme verkauft. Davon wurden die meisten, nämlich über 50.000, für stationäre Anwendungen gebraucht. Die Gesamtleistung aller 2016 verkauften Systeme wird auf 0,5 GW geschätzt, wovon mehr als die Hälfte nach Asien verkauft wurde. Die Gesamtleistung der 2015 verkauften Systeme war mit etwa 0,3 GW deutlich kleiner gewesen. ⓘ

U-Boot Typ 212 mit Brennstoffzellenantrieb. Dieses Beispiel im Trockendock wird von der Deutschen Marine betrieben. ⓘ

Strom

Stationäre Brennstoffzellen werden für die primäre und sekundäre Stromerzeugung in Gewerbe, Industrie und Haushalten eingesetzt. Brennstoffzellen sind sehr nützlich als Stromquellen an abgelegenen Orten, wie z. B. in Raumfahrzeugen, abgelegenen Wetterstationen, großen Parks, Kommunikationszentren, ländlichen Gebieten, einschließlich Forschungsstationen, und in bestimmten militärischen Anwendungen. Ein mit Wasserstoff betriebenes Brennstoffzellensystem kann kompakt und leicht sein und hat keine großen beweglichen Teile. Da Brennstoffzellen keine beweglichen Teile haben und keine Verbrennung stattfindet, können sie unter idealen Bedingungen eine Zuverlässigkeit von bis zu 99,9999 % erreichen. Dies entspricht einer Ausfallzeit von weniger als einer Minute in einem Zeitraum von sechs Jahren. ⓘ

Da Brennstoffzellen-Elektrolyseursysteme den Brennstoff nicht in sich selbst speichern, sondern auf externe Speichereinheiten angewiesen sind, können sie erfolgreich für die Energiespeicherung in großem Maßstab eingesetzt werden, zum Beispiel in ländlichen Gebieten. Es gibt viele verschiedene Arten von stationären Brennstoffzellen, so dass die Wirkungsgrade variieren, aber die meisten haben einen Wirkungsgrad zwischen 40 und 60 %. Wird jedoch die Abwärme der Brennstoffzelle in einem Kraft-Wärme-Kopplungssystem zur Beheizung eines Gebäudes genutzt, kann der Wirkungsgrad auf 85 % steigen. Das ist wesentlich effizienter als bei herkömmlichen Kohlekraftwerken, die nur etwa ein Drittel des Energiebedarfs decken. Bei einer Produktion in großem Maßstab könnten Brennstoffzellen in Kraft-Wärme-Kopplungssystemen 20-40 % der Energiekosten einsparen. Brennstoffzellen sind auch viel sauberer als die herkömmliche Stromerzeugung; ein Brennstoffzellenkraftwerk, das Erdgas als Wasserstoffquelle nutzt, würde weniger als eine Unze Schadstoffe (außer CO₂) pro 1.000 erzeugten Kilowattstunden verursachen, verglichen mit 25 Pfund Schadstoffen, die bei herkömmlichen Verbrennungssystemen entstehen. Brennstoffzellen erzeugen auch 97 % weniger Stickoxidemissionen als herkömmliche Kohlekraftwerke. ⓘ

Ein solches Pilotprogramm wird auf Stuart Island im Bundesstaat Washington durchgeführt. Dort hat die Stuart Island Energy Initiative ein komplettes System mit geschlossenem Kreislauf errichtet: Sonnenkollektoren treiben einen Elektrolyseur an, der Wasserstoff herstellt. Der Wasserstoff wird in einem 500-US-Gallonen-Tank (1.900 Liter) bei 1.400 kPa (200 Pfund pro Quadratzoll) gespeichert und betreibt eine ReliOn-Brennstoffzelle, die das netzunabhängige Haus mit Strom versorgt. Ein weiterer geschlossener Systemkreislauf wurde Ende 2011 in Hempstead, NY, vorgestellt. ⓘ

Brennstoffzellen können mit minderwertigem Gas aus Mülldeponien oder Kläranlagen betrieben werden, um Strom zu erzeugen und die Methanemissionen zu senken. Eine 2,8-MW-Brennstoffzellenanlage in Kalifornien soll die größte ihrer Art sein. Brennstoffzellen in kleinem Maßstab (unter 5 kWh) werden für den Einsatz in netzunabhängigen Haushalten entwickelt. ⓘ

Kraft-Wärme-Kopplung

Brennstoffzellensysteme mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), einschließlich Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung (Mikro-KWK), werden zur Erzeugung von Strom und Wärme für Privathaushalte (siehe Heimbrennstoffzelle), Bürogebäude und Fabriken eingesetzt. Das System erzeugt konstante elektrische Energie (wobei überschüssige Energie an das Netz zurückverkauft wird, wenn sie nicht verbraucht wird) und erzeugt gleichzeitig Heißluft und Wasser aus der Abwärme. KWK-Systeme haben das Potenzial, Primärenergie einzusparen, da sie die Abwärme nutzen können, die im Allgemeinen von thermischen Energieumwandlungssystemen abgelehnt wird. Ein typischer Leistungsbereich von Brennstoffzellen für den Hausgebrauch liegt bei 1-3 kWel, 4-8 kWth. KWK-Systeme, die mit Absorptionskältemaschinen verbunden sind, nutzen deren Abwärme zur Kühlung. ⓘ

Die Abwärme von Brennstoffzellen kann im Sommer direkt ins Erdreich abgeleitet werden und so für weitere Kühlung sorgen, während die Abwärme im Winter direkt ins Gebäude gepumpt werden kann. Die Universität von Minnesota besitzt die Patentrechte für diese Art von System. ⓘ

Kraft-Wärme-Kopplungssysteme können einen Wirkungsgrad von 85 % erreichen (40-60 % elektrisch und der Rest als Wärme). Phosphorsäure-Brennstoffzellen (PAFC) stellen weltweit das größte Segment der bestehenden KWK-Produkte dar und können kombinierte Wirkungsgrade von fast 90 % erreichen. Schmelzkarbonat- (MCFC) und Festoxidbrennstoffzellen (SOFC) werden ebenfalls für die Kraft-Wärme-Kopplung eingesetzt und haben einen elektrischen Wirkungsgrad von etwa 60 %. Zu den Nachteilen von Kraft-Wärme-Kopplungssystemen gehören langsames Hoch- und Runterfahren, hohe Kosten und eine kurze Lebensdauer. Auch die Tatsache, dass sie einen Warmwasserspeicher benötigen, um die Wärmeproduktion auszugleichen, war ein schwerwiegender Nachteil auf dem Wohnungsmarkt, wo der Platz in den Wohnungen sehr knapp ist. ⓘ

Die Berater von Delta-ee stellten 2013 fest, dass die Brennstoffzellen-Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung 2012 mit 64 % des weltweiten Absatzes die konventionellen Systeme beim Absatz überholt hat. Das japanische ENE FARM-Projekt gab an, dass im Zeitraum 2012-2014 34.213 PEMFC- und 2.224 SOFC-Anlagen installiert wurden, 30.000 mit LNG und 6.000 mit LPG. ⓘ

Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (FCEVs)

Konfiguration der Komponenten in einem Brennstoffzellenfahrzeug ⓘ

Toyota Mirai ⓘ

Element One Brennstoffzellenfahrzeug ⓘ

Kraftfahrzeuge

Bis zum Jahresende 2019 wurden weltweit etwa 18.000 FCEVs geleast oder verkauft. Drei Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge wurden für das kommerzielle Leasing und den Verkauf eingeführt: der Honda Clarity, der Toyota Mirai und der Hyundai ix35 FCEV. Weitere Vorführmodelle sind der Honda FCX Clarity und der Mercedes-Benz F-Cell. Bis Juni 2011 haben die FCEV-Demonstrationsfahrzeuge mehr als 4.800.000 km zurückgelegt und dabei mehr als 27.000 Tankvorgänge durchgeführt. Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge haben eine durchschnittliche Reichweite von 314 Meilen zwischen den Tankvorgängen. Sie können in weniger als 5 Minuten aufgetankt werden. Laut dem Fuel Cell Technology Program des US-Energieministeriums erreichten Brennstoffzellen im Jahr 2011 einen Wirkungsgrad von 53-59 % bei einem Viertel der Leistung und 42-53 % bei voller Leistung sowie eine Lebensdauer von mehr als 120.000 km mit weniger als 10 % Degradation. In einer Simulationsanalyse von Well-to-Wheels aus dem Jahr 2017, bei der die wirtschaftlichen und marktspezifischen Zwänge nicht berücksichtigt wurden, schätzten General Motors und seine Partner, dass ein Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug, das mit komprimiertem, gasförmigem, aus Erdgas hergestelltem Wasserstoff betrieben wird, pro zurückgelegter Meile etwa 40 % weniger Energie verbrauchen und 45 % weniger Treibhausgase ausstoßen könnte als ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor. ⓘ

Im Jahr 2015 stellte Toyota sein erstes Brennstoffzellenfahrzeug, den Mirai, zu einem Preis von 57.000 Dollar vor. Hyundai führte den Hyundai ix35 FCEV in Kleinserie im Rahmen eines Leasingvertrags ein. Im Jahr 2016 begann Honda mit dem Leasing des Honda Clarity Fuel Cell. Im Jahr 2020 führte Toyota die zweite Generation seines Mirai ein, die im Vergleich zur ursprünglichen Limousine aus dem Jahr 2014 die Kraftstoffeffizienz verbessert und die Reichweite erhöht. ⓘ

Kritik

Einige Kommentatoren sind der Meinung, dass Wasserstoff-Brennstoffzellenautos wirtschaftlich niemals mit anderen Technologien konkurrieren können oder dass es Jahrzehnte dauern wird, bis sie rentabel werden. Elon Musk, CEO des batterieelektrischen Fahrzeugherstellers Tesla Motors, erklärte 2015, dass Brennstoffzellen für den Einsatz in Autos unter anderem wegen der Ineffizienz der Herstellung, des Transports und der Lagerung von Wasserstoff sowie der Entflammbarkeit des Gases niemals wirtschaftlich sein werden. ⓘ

Im Jahr 2012 veröffentlichte Lux Research, Inc. einen Bericht, in dem es heißt: "Der Traum von einer Wasserstoffwirtschaft ... ist nicht näher gerückt". Der Bericht kam zu dem Schluss, dass "die Kapitalkosten ... die Einführung bis 2030 auf lediglich 5,9 GW begrenzen werden", was "ein fast unüberwindbares Hindernis für die Einführung darstellt, außer in Nischenanwendungen". Die Analyse kam zu dem Schluss, dass der stationäre PEM-Markt bis 2030 ein Volumen von 1 Milliarde Dollar erreichen wird, während der Fahrzeugmarkt, einschließlich Gabelstapler, ein Volumen von 2 Milliarden Dollar erreichen wird. In anderen Analysen wird das Fehlen einer umfassenden Wasserstoffinfrastruktur in den USA als anhaltende Herausforderung für die Kommerzialisierung von Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen genannt. ⓘ

Im Jahr 2014 sagte Joseph Romm, der Autor von The Hype About Hydrogen (2005), dass die FCVs die hohen Betankungskosten, die fehlende Infrastruktur für die Kraftstoffversorgung und die Umweltverschmutzung bei der Herstellung von Wasserstoff noch nicht überwunden hätten. "Es bedürfte mehrerer Wunder, um all diese Probleme in den kommenden Jahrzehnten gleichzeitig zu überwinden". Er kam zu dem Schluss, dass erneuerbare Energien nicht wirtschaftlich genutzt werden können, um Wasserstoff für eine FCV-Flotte herzustellen, "weder jetzt noch in Zukunft". Der Analyst von Greentech Media kam 2014 zu ähnlichen Schlussfolgerungen. Im Jahr 2015 listete Clean Technica einige der Nachteile von Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen auf. Das tat auch Car Throttle. ⓘ

In einem Video von Real Engineering aus dem Jahr 2019 wird darauf hingewiesen, dass trotz der Einführung von wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen die Verwendung von Wasserstoff als Kraftstoff für Autos nicht zur Verringerung der Kohlenstoffemissionen im Verkehr beiträgt. Die 95 % des Wasserstoffs, die immer noch aus fossilen Brennstoffen hergestellt werden, setzen Kohlendioxid frei, und die Herstellung von Wasserstoff aus Wasser ist ein energieaufwändiger Prozess. Die Speicherung von Wasserstoff erfordert mehr Energie, entweder um ihn auf den flüssigen Zustand abzukühlen oder um ihn in Tanks unter hohem Druck zu lagern, und die Lieferung des Wasserstoffs zu den Tankstellen erfordert mehr Energie und setzt möglicherweise mehr Kohlenstoff frei. Der Wasserstoff, der benötigt wird, um ein FCV einen Kilometer weit zu bewegen, kostet etwa achtmal so viel wie der Strom, der benötigt wird, um ein BEV die gleiche Strecke zu bewegen. Eine Bewertung für das Jahr 2020 kam zu dem Schluss, dass Wasserstofffahrzeuge nur zu 38 % effizient sind, während batteriebetriebene Elektrofahrzeuge zu 80 % effizient sind. ⓘ

Busse

Toyota FCHV-BUS auf der Expo 2005 ⓘ

Im August 2011 waren weltweit etwa 100 Brennstoffzellenbusse im Einsatz. Die meisten von ihnen wurden von UTC Power, Toyota, Ballard, Hydrogenics und Proton Motor hergestellt. Die Busse von UTC hatten bis 2011 mehr als 970.000 km zurückgelegt. Brennstoffzellenbusse haben einen um 39 % bis 141 % höheren Kraftstoffverbrauch als Diesel- und Erdgasbusse. ⓘ

Ab 2019 prüft das NREL mehrere laufende und geplante Brennstoffzellenbusprojekte in den USA. ⓘ

Schienenverkehr

Der französische Bahnhersteller Alstom gab am 24. September 2014 auf der Innotrans in Berlin bekannt, dass ab 2018 Züge des Typs Coradia mit Brennstoffzellenantrieb zunächst in Niedersachsen getestet und später in Hessen, Nordrhein-Westfalen und Baden-Württemberg eingesetzt werden. Die Verträge über die Lieferung von 14 Brennstoffzellen-Zügen sowie für ihre 30-jährige Instandhaltung und Energieversorgung wurden am 9. November 2017 unterzeichnet. Zwei der Züge haben im September 2018 den Pilotbetrieb im EVB-Netz zwischen Cuxhaven, Bremerhaven, Bremervörde und Buxtehude aufgenommen. In Hessen startete am 13. April 2018 ein Coradia-iLint-Brennstoffzellenzug zu einer Demonstrationsfahrt. ⓘ

Im Juli 2019 zog Alstom nach mehr als 100.000 gefahrenen Kilometern eine positive Bilanz und kündigte an, bis 2021 insgesamt 14 Brennstoffzellenzüge zu betreiben. ⓘ

Lastkraftwagen

Im Dezember 2020 gaben Toyota und Hino Motors zusammen mit Seven-Eleven (Japan), FamilyMart und Lawson bekannt, dass sie gemeinsam die Einführung von Brennstoffzellen-Elektro-Lkw für leichte Nutzfahrzeuge (Light-Duty FCETs) in Erwägung ziehen wollen. Lawson begann Ende Juli 2021 in Tokio mit Tests für die Auslieferung bei niedrigen Temperaturen mit einem Hino Dutro, in den die Toyota Mirai-Brennstoffzelle eingebaut ist. FamilyMart begann mit Tests in der Stadt Okazaki. ⓘ

Im August 2021 kündigte Toyota an, in seinem Automobilwerk in Kentucky Brennstoffzellenmodule für den Einsatz in emissionsfreien großen Lastkraftwagen und schweren Nutzfahrzeugen herzustellen. Das Unternehmen will 2023 mit der Montage der elektrochemischen Geräte beginnen. ⓘ

Im Oktober 2021 erhielt der brennstoffzellenbetriebene Lkw von Daimler Truck von den deutschen Behörden die Zulassung für den öffentlichen Straßenverkehr. ⓘ

Gabelstapler

Gabelstapler, motorisierte Hubwagen und andere Flurförderzeuge werden oft in Lager- oder Fabrikhallen und damit in Innenräumen eingesetzt, wo keine mit Benzin oder Diesel betriebene Verbrennungsmotoren verwendet werden dürfen. Daher sind sie oft elektrisch angetrieben, zumeist mit einem Akkumulator als Energiespeicher. Wenn die Gabelstapler nur tagsüber im Einsatz sind, ist die nächtliche Ruhezeit lang genug um ihre Akkumulatoren zu laden. Sollen Flurfördergeräte aber im Schichtbetrieb rund um die Uhr oder zumindest mit begrenzten Pausenzeiten genutzt werden, erfordern akkubasierte Systeme einen Laderaum mit Wechselakkus. In solchen Fällen werden zunehmend mit Brennstoffzellen betriebene Gabelstapler und Hubwagen verwendet, da diese sich in wenigen Minuten mit Wasserstoff betanken lassen und so mit kleinerem Betriebsaufwand und geringerem Platzbedarf fast ununterbrochen zur Verfügung stehen. Dieser Trend ist vor allem in den USA verbreitet, wo die Einführung von Brennstoffzellen staatlich gefördert wurde, z. B. mit Steuergutschriften, beschleunigter Abschreibung oder mittels Subventionen. Daher werden in den USA eine zunehmende Zahl von Flurförderzeugen mit Brennstoffzellen betrieben: Im Juni 2011 waren in den USA mehr als 1500 Gabelstapler damit ausgestattet, im Oktober 2013 mehr als 4000, im Dezember 2014 (einschließlich bestellter Geräte) mehr als 8200, im Dezember 2015 mehr als 7500 (davon allein bei Walmart 2800), im November 2016 mehr als 11.000 und im April 2017 mehr als 16.500 Transportmittel (einschließlich bereits bestellter). In Europa sind es noch wenige, z. B. waren im August 2016 in Europa 140 Geräte im Flotteneinsatz. Weltweit sind mehr als 20.000 Flurfördergeräte mit Brennstoffzellen ausgestattet. Die Logistikbranche ist damit ein wichtiger Markt für Brennstoffzellen, auch wenn der Marktanteil, gemessen an den jährlichen Verkaufszahlen von Gabelstaplern, die eine Million Geräte übersteigen, bisher noch klein ist. Aufgrund der Investitionskosten für eine Wasserstofftankstelle (Gastanks, Leitungen, Zapfstelle) amortisiert sich eine wasserstoffbetriebene Gabelstaplerflotte erst ab einer Größe von 50 Fahrzeugen. Im August 2016 waren in Nordamerika brennstoffbetriebene Flotten im Schnitt 130 Fahrzeuge groß. ⓘ

Ein Brennstoffzellen-Gabelstapler (auch Brennstoffzellen-Stapler genannt) ist ein brennstoffzellenbetriebener Industriegabelstapler, der zum Heben und Transportieren von Materialien eingesetzt wird. Im Jahr 2013 wurden in den USA über 4.000 Brennstoffzellen-Gabelstapler im Materialtransport eingesetzt, von denen 500 vom DOE (2012) gefördert wurden. Brennstoffzellenflotten werden von verschiedenen Unternehmen betrieben, darunter Sysco Foods, FedEx Freight, GENCO (bei Wegmans, Coca-Cola, Kimberly Clark und Whole Foods) und H-E-B Grocers. In Europa wurden mit Hylift 30 Brennstoffzellenstapler demonstriert und mit HyLIFT-EUROPE auf 200 Einheiten erweitert, mit weiteren Projekten in Frankreich und Österreich. Pike Research prognostizierte 2011, dass brennstoffzellenbetriebene Gabelstapler bis 2020 den größten Anteil an der Nachfrage nach Wasserstoff als Kraftstoff haben werden. ⓘ

Die meisten Unternehmen in Europa und den USA verwenden keine erdölbetriebenen Gabelstapler, da diese Fahrzeuge in geschlossenen Räumen arbeiten, wo die Emissionen kontrolliert werden müssen, und setzen stattdessen Elektrostapler ein. Brennstoffzellen-Gabelstapler bieten gegenüber batteriebetriebenen Gabelstaplern Vorteile, da sie innerhalb von 3 Minuten aufgetankt werden können und in Kühllagern eingesetzt werden können, wo ihre Leistung durch niedrigere Temperaturen nicht beeinträchtigt wird. Die BZ-Geräte sind oft als Drop-in-Ersatz konzipiert. ⓘ

Motorräder und Fahrräder

Im Jahr 2005 hat der britische Hersteller von wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellen, Intelligent Energy (IE), das erste funktionierende wasserstoffbetriebene Motorrad namens ENV (Emission Neutral Vehicle) hergestellt. Der Kraftstoffvorrat des Motorrads reicht aus, um vier Stunden lang zu fahren und in einem städtischen Gebiet 160 km mit einer Höchstgeschwindigkeit von 80 km/h zurückzulegen. Im Jahr 2004 entwickelte Honda ein Motorrad mit Brennstoffzelle, das den Honda FC Stack nutzte. ⓘ

Weitere Beispiele für Motorräder und Fahrräder, die Wasserstoff-Brennstoffzellen nutzen, sind der Roller des taiwanesischen Unternehmens APFCT, der das Betankungssystem der italienischen Acta SpA nutzt, und der Suzuki Burgman-Roller mit einer IE-Brennstoffzelle, der 2011 die EU-Typgenehmigung für Gesamtfahrzeuge erhielt. Suzuki Motor Corp. und IE haben ein Joint Venture angekündigt, um die Kommerzialisierung von emissionsfreien Fahrzeugen zu beschleunigen. ⓘ

Flugzeuge

Im Jahr 2003 wurde das weltweit erste Flugzeug mit Propellerantrieb geflogen, das vollständig von einer Brennstoffzelle angetrieben wurde. Bei der Brennstoffzelle handelte es sich um ein Stack-Design, bei dem die Brennstoffzelle in die aerodynamischen Oberflächen des Flugzeugs integriert wurde. Zu den brennstoffzellenbetriebenen unbemannten Luftfahrzeugen (UAV) gehört ein Horizon-Brennstoffzellen-UAV, das 2007 die Rekordflugstrecke für ein kleines UAV aufstellte. Boeing-Forscher und Industriepartner in ganz Europa führten im Februar 2008 experimentelle Flugtests mit einem bemannten Flugzeug durch, das nur durch eine Brennstoffzelle und leichte Batterien angetrieben wird. Das so genannte Brennstoffzellen-Demonstrationsflugzeug nutzte ein Hybridsystem aus Protonenaustauschmembran (PEM)-Brennstoffzelle und Lithium-Ionen-Batterie, um einen Elektromotor anzutreiben, der mit einem herkömmlichen Propeller gekoppelt war. ⓘ

Im Jahr 2009 nutzte der Ion Tiger des Naval Research Laboratory (NRL) eine wasserstoffbetriebene Brennstoffzelle und flog 23 Stunden und 17 Minuten lang. Brennstoffzellen werden auch als Hilfsstromquelle für Flugzeuge getestet und in Erwägung gezogen, um Generatoren mit fossilen Brennstoffen zu ersetzen, die bisher zum Anlassen der Motoren und zur Stromversorgung an Bord verwendet wurden, und gleichzeitig die Kohlenstoffemissionen zu verringern. Im Jahr 2016 absolvierte eine Raptor E1-Drohne einen erfolgreichen Testflug mit einer Brennstoffzelle, die leichter war als die Lithium-Ionen-Batterie, die sie ersetzte. Der Flug dauerte 10 Minuten in einer Höhe von 80 Metern, obwohl die Brennstoffzelle Berichten zufolge genug Treibstoff für einen zweistündigen Flug hatte. Der Treibstoff befand sich in etwa 100 festen, 1 Quadratzentimeter großen Pellets, die aus einer patentrechtlich geschützten Chemikalie in einer drucklosen Patrone bestanden. Die Pellets sind physikalisch robust und funktionieren bei Temperaturen von bis zu 50 °C (122 °F). Die Zelle stammt von Arcola Energy. ⓘ

Der Stalker von Lockheed Martin Skunk Works ist eine elektrische Drohne, die mit einer Festoxid-Brennstoffzelle betrieben wird. ⓘ

Seit Mitte 2005 sind Brennstoffzellen auch in der Luftfahrt anzutreffen. Eine erste Drohne, deren Elektromotoren von einer Brennstoffzelle angetrieben werden, startete in Yuma, Arizona. Das DLR arbeitete an der Integration der Brennstoffzellentechnik in das unbemannte Forschungsflugzeug HyFish, das im März 2007 in der Nähe von Bern erfolgreich seinen Erstflug absolvierte. ⓘ

Auch an anderer Stelle sind Forschungsaktivitäten in der Luftfahrt im Gange. Zu Beginn des Jahres 2008 wurde in einem Testflug ein umgebauter Airbus A320 mit einer Brennstoffzelle als Backup-System für die Energieversorgung an Bord getestet. Als positiver Nebeneffekt kann das erzeugte Wasser für die Bordversorgung eingesetzt werden, was das Abfluggewicht senkt. ⓘ

Eine Lange Antares 20E des DLR, in der die elektrische Energie mittels Wasserstoff über eine Brennstoffzelle erzeugt wird ⓘ

Der erste (öffentliche) vollständige Flug (Start – Platzrunde – Landung) eines pilotengesteuerten und ausschließlich mit Energie aus Brennstoffzellen angetriebenen Flugzeuges fand am 7. Juli 2009 in Hamburg statt. Bei dem Flugzeug handelte es sich um den Motorsegler Antares DLR-H2, mit 20 Metern Spannweite, der vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) sowie den Projektpartnern Lange Aviation, BASF Fuel Cells und Serenergy (Dänemark) sowie in enger Zusammenarbeit mit Airbus in 15 Monaten entwickelt und hergestellt wurde. ⓘ

Boote

Das erste zertifizierte Brennstoffzellenboot der Welt (HYDRA), in Leipzig/Deutschland ⓘ

Das erste Brennstoffzellenboot der Welt, HYDRA, verwendete ein AFC-System mit 6,5 kW Nettoleistung. In Amsterdam wurden brennstoffzellenbetriebene Boote eingeführt, die Menschen auf den Kanälen der Stadt befördern. ⓘ

U-Boote

Die U-Boote des Typs 212 der deutschen und italienischen Marine nutzen Brennstoffzellen, um wochenlang unter Wasser bleiben zu können, ohne auftauchen zu müssen. ⓘ

Das U212A ist ein nicht-nukleares U-Boot, das von den Howaldtswerken Deutsche Werft entwickelt wurde. Das System besteht aus neun PEM-Brennstoffzellen, die jeweils zwischen 30 kW und 50 kW leisten. Das Schiff ist geräuschlos, was ihm einen Vorteil bei der Entdeckung anderer U-Boote verschafft. In einem Papier der Marine wird die Möglichkeit eines Hybridsystems aus Kernkraftwerk und Brennstoffzelle erörtert, bei dem die Brennstoffzelle verwendet wird, wenn ein geräuschloser Betrieb erforderlich ist, und dann aus dem Kernreaktor (und Wasser) nachgeladen wird. ⓘ

Tragbare Stromversorgungssysteme

Tragbare Brennstoffzellensysteme werden im Allgemeinen als Systeme mit einem Gewicht von weniger als 10 kg und einer Leistung von weniger als 5 kW eingestuft. Der potenzielle Markt für kleinere Brennstoffzellen ist recht groß, mit einer potenziellen Wachstumsrate von bis zu 40 % pro Jahr und einem Marktvolumen von etwa 10 Mrd. $, was dazu geführt hat, dass ein großer Teil der Forschung der Entwicklung tragbarer Stromversorgungssysteme gewidmet wird. Innerhalb dieses Marktes wurden zwei Gruppen identifiziert. Die erste ist der Markt für Mikrobrennstoffzellen im Leistungsbereich von 1-50 W für kleinere elektronische Geräte. Die zweite Gruppe sind Generatoren im Bereich von 1-5 kW für die Stromerzeugung in größerem Maßstab (z. B. militärische Außenposten, abgelegene Ölfelder). ⓘ

Mikrobrennstoffzellen zielen in erster Linie darauf ab, in den Markt für Telefone und Laptops einzudringen. Dies ist in erster Linie auf die vorteilhafte Energiedichte zurückzuführen, die Brennstoffzellen im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien für das gesamte System bieten. Bei einer Batterie umfasst dieses System sowohl das Ladegerät als auch die Batterie selbst. Bei der Brennstoffzelle würde dieses System die Zelle, den notwendigen Brennstoff und die peripheren Anbauteile umfassen. Unter Berücksichtigung des Gesamtsystems liefern Brennstoffzellen nachweislich 530Wh/kg im Vergleich zu 44 Wh/kg bei Lithium-Ionen-Batterien. Während ein Batteriesystem in der Regel etwa 1,20 $ pro Wh kostet, kosten Brennstoffzellensysteme etwa 5 $ pro Wh und sind damit deutlich im Nachteil. ⓘ

Da der Energiebedarf von Mobiltelefonen zunimmt, könnten Brennstoffzellen als Option für eine größere Energieerzeugung sehr viel attraktiver werden. Die Forderung nach einer längeren Betriebszeit von Telefonen und Computern wird von den Verbrauchern häufig gestellt, so dass Brennstoffzellen auf dem Laptop- und Mobiltelefonmarkt Fuß fassen könnten. Der Preis wird weiter sinken, da sich die Entwicklung von Brennstoffzellen weiter beschleunigt. Aktuelle Strategien zur Verbesserung von Mikrobrennstoffzellen sind die Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhren. Girishkumar et al. haben gezeigt, dass die Ablagerung von Nanoröhrchen auf der Elektrodenoberfläche eine wesentlich größere Oberfläche ermöglicht, wodurch die Sauerstoffreduktionsrate erhöht wird. ⓘ

Auch Brennstoffzellen für den Einsatz in größerem Maßstab sind vielversprechend. Tragbare Stromversorgungssysteme mit Brennstoffzellen können im Freizeitbereich (z. B. Wohnmobile, Hütten, Schiffe), im industriellen Bereich (z. B. Stromversorgung für abgelegene Standorte wie Gas- und Ölquellen, Kommunikationstürme, Sicherheitsanlagen, Wetterstationen) und im militärischen Bereich eingesetzt werden. SFC Energy ist ein deutscher Hersteller von Direktmethanol-Brennstoffzellen für eine Vielzahl von tragbaren Stromversorgungssystemen. Ensol Systems Inc. ist ein Integrator von portablen Stromversorgungssystemen, die die DMFC von SFC Energy nutzen. Der Hauptvorteil von Brennstoffzellen in diesem Markt ist die hohe Stromerzeugung pro Gewicht. Brennstoffzellen können zwar teuer sein, aber für abgelegene Standorte, die zuverlässige Energie benötigen, bieten Brennstoffzellen eine große Leistung. Bei einer 72-stündigen Exkursion ist der Gewichtsvergleich beträchtlich: Eine Brennstoffzelle wiegt nur 15 Pfund im Vergleich zu 29 Pfund Batterien, die für die gleiche Energie benötigt werden. ⓘ

Andere Anwendungen

• Energieversorgung von Basisstationen oder Mobilfunkstandorten
• Verteilte Stromerzeugung
• Notstromsysteme sind eine Art von Brennstoffzellensystemen, die Beleuchtung, Generatoren und andere Geräte umfassen können, um in einer Krise oder bei einem Ausfall der regulären Systeme Reservestrom zu liefern. Sie kommen in einer Vielzahl von Bereichen zum Einsatz, von Wohnhäusern bis hin zu Krankenhäusern, wissenschaftlichen Labors und Datenzentren,
• Telekommunikationseinrichtungen und moderne Marineschiffe.
• Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) bietet eine Notstromversorgung und, je nach Topologie, auch eine Netzregelung für angeschlossene Geräte, indem sie Strom aus einer separaten Quelle liefert, wenn die Versorgungsspannung nicht verfügbar ist. Im Gegensatz zu einem Notstromgenerator kann sie einen sofortigen Schutz vor einer kurzzeitigen Stromunterbrechung bieten.
• Grundlastkraftwerke
• Hybridfahrzeuge, bei denen die Brennstoffzelle entweder mit einem Verbrennungsmotor oder einer Batterie kombiniert wird.
• Notebook-Computer für Anwendungen, bei denen eine Aufladung mit Wechselstrom nicht ohne Weiteres möglich ist.
• Tragbare Ladestationen für kleine elektronische Geräte (z. B. ein Gürtelclip, der ein Handy oder einen PDA auflädt).
• Smartphones, Laptops und Tablets.
• Kleine Heizgeräte
• Lebensmittelkonservierung durch Sauerstoffabsaugung und automatische Aufrechterhaltung der Sauerstoffabsaugung in einem Transportbehälter, der z. B. frischen Fisch enthält.
• Atemalkoholmessgeräte, bei denen die von einer Brennstoffzelle erzeugte Spannung zur Bestimmung der Konzentration von Brennstoff (Alkohol) in der Probe verwendet wird.
• Kohlenmonoxiddetektor, elektrochemischer Sensor. ⓘ

Tankstellen

Wasserstoff-Tankstelle. ⓘ

Laut FuelCellsWorks, einer Industriegruppe, waren Ende 2019 weltweit 330 Wasserstofftankstellen für die Öffentlichkeit zugänglich. Im Juni 2020 waren in Asien 178 öffentlich zugängliche Wasserstofftankstellen in Betrieb. 114 davon befanden sich in Japan. In Europa gab es mindestens 177 Stationen, etwa die Hälfte davon in Deutschland. In den USA gab es 44 öffentlich zugängliche Tankstellen, davon 42 in Kalifornien. ⓘ

Der Bau einer Wasserstofftankstelle kostet zwischen 1 Million und 4 Millionen Dollar. ⓘ

Stationärer Einsatz

Heizsystem Vitovalor 300-P von Viessmann mit Brennstoffzelle von Panasonic zur kombinierten Strom- und Wärmegewinnung ⓘ

Für stationäre Anlagen zur stromgewinnenden Heizung ⓘ

Der stationäre Einsatzbereich eines Brennstoffzellensystems erstreckt sich über einen weiten Leistungsbereich, angefangen bei kleinen Systemen mit einer Leistung von zwei bis fünf Kilowatt elektrischer Leistung – beispielsweise als Hausenergieversorgung – bis hin zu Systemen im niedrigen Megawattbereich. Größere Systeme werden in Krankenhäusern, Schwimmbädern oder für die Versorgung von kleinen Kommunen eingesetzt. Europas größtes Brennstoffzellenkraftwerk hatte mit Stand September 2016 eine Leistung von 1,4 MW. ⓘ

Eine stromerzeugende brennstoffzellenbasierte HyO-Heizanlage („Hy“ = Hydrogenium = Wasserstoff und „O“ = Oxygenium = Sauerstoff; Mini-Blockheizkraftwerk = Mini-BHKW) besteht aus mehreren Komponenten. Im Idealfall des Bezugs von – möglichst klimaneutral erzeugtem – Wasserstoff wird eine mit geringem Aufwand herstellbare PEM-BZ (Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle) eingesetzt. Solange noch kein (Bio-)Wasserstoff als Brennstoff zur Verfügung steht, sondern stattdessen fossiles oder biogenes Methan (Erdgas oder gar „BioErdgas“), ist eine aufwändige und störungsanfällige Reformer-Einheit erforderlich. Diese verwandelt das Methan in Wasserstoff zum direkten Betrieb der brennstoffzellenbasierten HyO-Anlage und in CO₂ als Abgas. Die zweite Komponente ist die Brennstoffzelle (BZ), die für den chemischen Prozess (Oxidation des zugeführten Wasserstoffs) mit der Folge der Erzeugung von Strom und Wärme Sauerstoff aus der Umgebungsluft verwendet. Hinzu kommen noch die elektrische Leistungselektronik und die dazugehörige Regelung der Betriebsführung. Zur Deckung von thermischen Lastspitzen sind meist zusätzliche herkömmliche erdgasbetriebene Wärmeerzeuger installiert. ⓘ

Für den stationären Anwendungsbereich kommen alle Typen von Brennstoffzellen in Betracht. Aktuelle Entwicklungen beschränken sich auf die SOFC, die MCFC und die PEMFC. Die SOFC und die MCFC haben den Vorteil, dass – bedingt durch die hohen Temperaturen – Erdgas direkt als Brenngas eingesetzt werden kann. Der Entzug von Wasserstoff (H₂) aus dem Methan (CH₄) des Gasleitungsnetzes („Reformierungsprozess“) verläuft dabei innerhalb der Hochtemperaturbrennstoffzelle (HT-BZ), was beim Einsatz von Methan einen separaten Reformer überflüssig macht. Die im Niedertemperaturbereich arbeitende PEM-Brennstoffzelle hingegen benötigt bei Methan-Einsatz für die Erzeugung von Wasserstoff eine separate Reformer-Einheit mit einer aufwändigen Gasreinigungsstufe, weil das Reformat weitgehend von Kohlenstoffmonoxid (CO) befreit werden muss. CO entsteht bei jeder Reformierung von Kohlenwasserstoffen. CO ist bei diesem BZ-Typ ein Katalysatorgift und würde sowohl die Leistung als auch die Lebensdauer der Brennstoffzelle deutlich verringern. ⓘ

Beim Betrieb der Hochtemperaturzellen SOFC und MCFC kann die heiße Abluft zur Sterilisation von Gegenständen genutzt werden. Als Notstromerzeuger sind sie wegen der längeren Anfahrphase ungeeignet. Ein Niedertemperatur-PEMFC-System hingegen kann sich bei plötzlichem Notstrombedarf innerhalb von Sekundenbruchteilen selbsttätig in Betrieb setzen. ⓘ

Das Digitalfunknetz der Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (BOS) in Deutschland nutzt unter anderem auch Brennstoffzellen zur Notstromversorgung und damit zur Sicherstellung des Betriebs bei Stromausfällen. Die Betriebsdauer mit Notstromversorgung der Digitalfunkstandorte ist dabei auf mindestens 72 Stunden ausgelegt. In Bayern kommen vorwiegend Brennstoffzellen zur Härtung aller rund 900 Digitalfunkstandorte (Vollhärtung) zum Einsatz. Hierfür wurde ein Haushaltsbudget von 110 Millionen Euro veranschlagt. ⓘ

Betriebsweise

Bei der stationären BZ-Anwendung steht derzeit die Wärmeproduktion gegenüber der Stromproduktion im Vordergrund. Diese Systeme werden deshalb meist wärmebedarfsgeführt betrieben. Das bedeutet, dass die Systemleistung nach der benötigten Wärmemenge geregelt wird, wobei der erzeugte elektrische Strom in das öffentliche Stromnetz eingespeist wird. Stationäre BZ-Systeme werden am besten mit einer geringen Leistungsmodulation betrieben. Idealerweise wird der Wärmegrundlastbedarf komplett über das BZ-BHKW gedeckt. (Wärme-)Lastspitzen werden über konventionelle Heizgeräte abgedeckt. Auf diese Weise arbeitet das stationäre BZ-System bei lediglich einem einzigen konstanten Lastpunkt. Dadurch kann das System auf den maximalen Wirkungsgrad hin ausgelegt werden. Die Lebensdauer einer BZ ist in erster Annäherung durch die Anzahl der Start-Stopp-Zyklen bestimmt, da diese die ungünstigste Auswirkung auf die Katalysatoren im Inneren zeigen. ⓘ

Für eine PEM-Brennstoffzelle mit geschlossener Kathode gilt, dass sie in ausgeschaltetem Zustand beidseitig – also auch sauerstoffseitig – abgedichtet werden sollte. Das vereinfacht einen erneuten Start, da die für den Betrieb notwendige Feuchtigkeit beibehalten wird, und sich keine schädlichen Gase ansammeln können. Sofern die Lagerung bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt erfolgen soll, muss die Brennstoffzelle komplett ausgetrocknet werden, um Schäden durch Eisbildung zu verhindern. ⓘ

Mobiler Einsatz

Raumfahrt

Brennstoffzellen werden seit langem als Energiewandler in der Raumfahrt (Gemini, Apollo, Space Shuttle) verwendet. ⓘ

Die amerikanischen Space Shuttles verwendeten Brennstoffzellen mit einer maximalen Dauerleistung von 3 × 7 kW für die Stromversorgung des Orbiters. Das bei den Brennstoffzellen anfallende Wasser konnte im Lebenserhaltungssystem verwendet werden. ⓘ

Fehlgeschlagene Markteinführungsversuche für mobile Elektronik oder Elektrogeräte

Im Zuge der zunehmenden weltweiten Verbreitung von mobiler Elektronik (einschließlich Handys, Personal Digital Assistants, Smartphones und Tabletcomputern) spielt die möglichst lange Laufzeit von Akkus eine herausragende Rolle. Allerdings ist diese je nach Grad der Nutzung auf wenige Stunden bis Tage begrenzt. Besonders Vielreisende sind oft gezwungen, zwischendurch ihr Gerät aufzuladen. Um die Abhängigkeit von der Steckdose zu verringern, wurden verschiedene kleine, tragbare Brennstoffzellensysteme und die dazugehörigen Brennstoffkartuschen entwickelt. Dabei wurden entweder Wasserstoff oder Butan oder Methanol als Brennstoffe verwendet. Obwohl viele Firmen funktionsfähige Prototypen vorgeführt und eine baldige Markteinführung angekündigt hatten, kamen diese Systeme nur selten auf den Markt oder verschwanden bald wieder, z. B. bei den Direktmethanolbrennstoffzellen. Der Hauptgrund dafür ist im schnellen Preisverfall von Lithium-Ionen-Akkumulatoren zu sehen: im Vergleich zu einer damit bestückten Powerbank sind Brennstoffzellen deutlich teurer. ⓘ

Beispielsweise entwickelte das Unternehmen Lilliputian Systems tragbare Brennstoffzellen, mit deren Hilfe sich Smartphones auch unterwegs und ohne Nutzung einer Steckdose mehrere Male aufladen lassen. Die Markteinführung war für 2012 geplant. Die tragbaren Brennstoffzellen verfügen über einen USB-Anschluss und einen Tank mit Butangas, das die notwendige Energie liefert. Im Juli 2014 meldete das Unternehmen aus Wilmington, Massachusetts, Insolvenz an. ⓘ

Die Firma Intelligent Energy bot seit Anfang 2015 eine Wasserstoff-Brennstoffzelle namens Upp zum Aufladen von Smartphones an. Mit einer Wasserstoffkartusche sollen drei bis fünf Ladevorgänge eines iPhones 6 möglich sein, bis die Kartusche gewechselt oder vom Hersteller wieder aufgefüllt werden muss. 2017 wurde das Unternehmen mit Hinweis auf kaum vorhandene Werte verkauft. ⓘ

Die Firma eZelleron wollte mit der Brennstoffzelle Kraftwerk auf Basis von Butangas Energie für das elfmalige Laden eines Smartphones zur Verfügung stellen. Die Markteinführung via Crowdfunding war für Anfang 2016 geplant und wurde erst auf Januar 2017, dann auf August 2017 verschoben. Ende 2017 wurde von weiteren Verzögerungen berichtet, und im März 2018 begann ein Prozess wegen des Vorwurfs der Insolvenzverschleppung. ⓘ

Die Schweizerischen Bundesbahnen (SBB) führten ab Frühjahr 2014 versuchsweise in den rollenden Minibars mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzellen ein, um unterwegs genug Energievorrat für die eingebaute Espressomaschine zu haben. Die bisher verwendeten üblichen Akkumulatoren wären für diese energieaufwendige Aufgabe zu schwer gewesen. Es wurden zwölf Stück in Betrieb gesetzt, jedoch bereits 2016 wieder eingestellt. Der Versuch sei gescheitert. ⓘ

Märkte und Wirtschaft

Im Jahr 2012 überstieg der Umsatz der Brennstoffzellenindustrie weltweit den Marktwert von 1 Milliarde Dollar, wobei mehr als 3/4 der Brennstoffzellensysteme weltweit in den asiatisch-pazifischen Ländern verkauft wurden. Im Januar 2014 hatte jedoch noch kein börsennotiertes Unternehmen der Branche die Gewinnzone erreicht. Im Jahr 2010 wurden weltweit 140.000 Brennstoffzellenstacks ausgeliefert, gegenüber 11.000 Lieferungen im Jahr 2007, und von 2011 bis 2012 verzeichneten die weltweiten Brennstoffzellenlieferungen eine jährliche Wachstumsrate von 85 %. Tanaka Kikinzoku hat 2011 seine Produktionsanlagen erweitert. Etwa 50 % der Brennstoffzellenlieferungen im Jahr 2010 waren stationäre Brennstoffzellen, gegenüber etwa einem Drittel im Jahr 2009, und die vier dominierenden Hersteller in der Brennstoffzellenindustrie waren die Vereinigten Staaten, Deutschland, Japan und Südkorea. Die Solid State Energy Conversion Alliance des Energieministeriums stellte fest, dass stationäre Brennstoffzellen im Januar 2011 Strom zu einem Preis von etwa 724 bis 775 US-Dollar pro installiertem Kilowatt erzeugten. Bloom Energy, ein großer Brennstoffzellenlieferant, gab 2011 an, dass seine Brennstoffzellen Strom für 9 bis 11 Cent pro Kilowattstunde erzeugen, einschließlich der Kosten für Brennstoff, Wartung und Hardware. ⓘ

Branchenverbände gehen davon aus, dass es genügend Platinressourcen für die künftige Nachfrage gibt, und 2007 schlugen Forschungsarbeiten am Brookhaven National Laboratory vor, dass Platin durch eine Gold-Palladium-Beschichtung ersetzt werden könnte, die weniger anfällig für Vergiftungen ist und dadurch die Lebensdauer der Brennstoffzelle verlängert. Eine andere Methode würde Eisen und Schwefel anstelle von Platin verwenden. Dies würde die Kosten einer Brennstoffzelle senken (da das Platin in einer herkömmlichen Brennstoffzelle etwa 1.500 US-Dollar kostet, während die gleiche Menge Eisen nur etwa 1,50 US-Dollar kostet). Das Konzept wurde von einer Koalition aus dem John Innes Centre und der Universität Mailand-Bicocca entwickelt. PEDOT-Kathoden sind immun gegen Monoxidvergiftungen. ⓘ

Im Jahr 2016 hat Samsung "beschlossen, Projekte im Zusammenhang mit Brennstoffzellen aufzugeben, da die Aussichten auf dem Markt nicht gut sind". ⓘ

Forschung und Entwicklung

• 2005: Forscher des Georgia Institute of Technology setzten Triazol ein, um die Betriebstemperatur von PEM-Brennstoffzellen von unter 100 °C auf über 125 °C zu erhöhen und behaupteten, dass dadurch weniger Kohlenmonoxid-Reinigung des Wasserstoffs erforderlich sei.
• 2008: Die Monash University in Melbourne verwendet PEDOT als Kathode.
• 2009: Forscher an der University of Dayton in Ohio zeigten, dass Arrays aus vertikal gewachsenen Kohlenstoffnanoröhren als Katalysator in Brennstoffzellen verwendet werden können. Im selben Jahr wurde ein Katalysator auf Nickelbisdiphosphinbasis für Brennstoffzellen vorgestellt.
• 2013: Das britische Unternehmen ACAL Energy entwickelte eine Brennstoffzelle, die nach eigenen Angaben unter simulierten Fahrbedingungen 10.000 Stunden lang betrieben werden kann. Es behauptet, dass die Kosten für den Bau von Brennstoffzellen auf 40 $/kW (etwa 9.000 $ für 300 PS) gesenkt werden können.
• 2014: Forscher des Imperial College London entwickelten eine neue Methode zur Regeneration von mit Schwefelwasserstoff kontaminierten PEFCs. Sie konnten 95-100 % der ursprünglichen Leistung einer mit Schwefelwasserstoff kontaminierten PEFC wiederherstellen. Auch eine SO₂-kontaminierte PEFC wurde erfolgreich regeneriert. Diese Regenerationsmethode ist auf mehrere Zellstapel anwendbar. ⓘ

Besondere Ereignisse

1959 wurde der erste Prototyp eines größeren brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeuges vorgestellt (ein brennstoffzellenbetriebener Traktor von Allis-Chalmers). Die ersten produktiven Einsätze hatte die Brennstoffzelle in der US-amerikanischen Raumfahrttechnik der 1960er Jahre. In den Apollo-Mondmissionen diente sie als meist zuverlässiger Energielieferant. Als aber am 11. April 1970 die Rakete der Apollo-13-Mission mit drei Mann Besatzung nach problemlosem Start das All erreichte, explodierte einer der beiden Sauerstofftanks im Servicemodul der „Odyssey“ und beschädigte dabei die Sauerstoffleitung des anderen Sauerstofftanks, so dass alle drei Brennstoffzellen abgeschaltet werden mussten. ⓘ

Aufbau

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

Weitere Brennstoffzellentypen in der Forschung

Alternative Brennstoffe

Theoretisch können fast alle Brennstoffe auch in Brennstoffzellen genutzt werden. Versuche dazu gab es vor allem mit verschiedenen Alkoholen, insbesondere auch mit den Alkoholen Ethanol (Direktethanolbrennstoffzelle), Propanol, und Glycerin da diese im Vergleich zum oben genannten Methanol deutlich weniger giftig sind. Auch mit Aldehyden (namentlich Formaldehyd, einschließlich Paraformaldehyd,) Ketonen und mit verschiedenen Kohlenwasserstoffen wurde experimentiert, außerdem mit Diethylether und Ethylenglycol. Gut erforscht und weit entwickelt ist auch die Verwendung von Ameisensäure (Methansäure) in der Ameisensäure-Brennstoffzelle. Mit Glucose in Form des körpereigenen Blutzuckers betriebene Brennstoffzellen könnten medizinische Implantate mit Strom versorgen, siehe Bio-Brennstoffzelle. ⓘ

Auch die Verwendung von Kohlenstoff – im Gegensatz zu den bisher behandelten festen, flüssigen oder gelösten Brennstoffen ein unlöslicher Feststoff – in Brennstoffzellen ist möglich und wird intensiv erforscht, siehe Kohlenstoff-Brennstoffzelle. Die Verwendung von Kohle oder Koks als Primärenergiequelle wäre aufgrund ihrer leichten Verfügbarkeit vorteilhaft, aber die praktische Umsetzung hat sich als schwierig erwiesen. ⓘ

Auch kohlenstofffreie Verbindungen, vor allem Ammoniak (Ammoniak-Brennstoffzelle) oder Hydrazin (Hydrazin-Brennstoffzelle), aber auch Natriumborhydrid, können als Energielieferanten für Brennstoffzellen dienen. ⓘ

Alternative Oxidationsmittel

Die meisten Brennstoffzellen nutzen den Luftsauerstoff als Oxidationsmittel. In der Raumfahrt und in U-Booten wird reiner Sauerstoff aus Drucktanks verwendet. Für Sonderanwendungen, z. B. für militärische Zwecke, könnten statt Sauerstoff auch Oxidationsmittel wie Wasserstoffperoxid oder Salpetersäure verwendet werden. Auch mit Halogenen, insbesondere mit Chlor, wurde experimentiert. Mit den genannten alternativen Oxidationsmitteln sind pro Zelle besonders hohe Spannungen möglich. ⓘ

Reversible Brennstoffzelle

Bei der Reversiblen Brennstoffzelle (en. reversible oder regenerative fuel cell, RFC) wird der Prozess der Stromerzeugung so umgekehrt, dass durch einen von außen aufgezwungenen Strom der Brennstoff wieder zurückgewonnen wird. Sie besteht im einfachen Fall aus einer Wasserstoff-Brennstoffzelle, die auch als Elektrolyseur betrieben werden kann. Wenn Brennstoffzellen- und Elektrolyseprozess in einer Zelle ablaufen können, wird Gewicht gespart und Komplexität vermindert. Damit eignet sich eine Kombination aus reversibler Brennstoffzelle und Brennstofftank als Energiespeicher und als Ersatz von Akkumulator-Systemen. ⓘ

Mikrobielle Brennstoffzelle

Mikroorganismen, insbesondere Bakterien, können organische Verbindungen unter Abgabe elektrischer Energie umsetzen und erlauben so den Aufbau einer mikrobiellen Brennstoffzelle (microbial fuel cell, MFC), einem bioelektrischen System. ⓘ

Chemische Reaktionen

Die Gesamtreaktion einer Brennstoffzelle entspricht der Verbrennungsreaktion des Brennstoffes. Daher nennt man die Umsetzung in einer Brennstoffzelle auch „kalte Verbrennung“, wobei direkt (d. h. ohne Umweg über Wärmeenergie) elektrische Energie erhalten wird. ⓘ

Andere Brennstoffzellen

Für die Reaktionsgleichungen der Direktmethanolbrennstoffzelle siehe hier, für die der Direktethanolbrennstoffzelle hier und für die Ammoniak-Brennstoffzelle hier. ⓘ

Elektrischer Wirkungsgrad, Kosten, Lebensdauer

Am Institut für Energieforschung am Forschungszentrum Jülich wurden im Jahr 2003 für Brennstoffzellensysteme folgende Testergebnisse erzielt:

Typ	Betriebsparameter	Leistung	El. Wirkungsgrad	Einsatzbereitschaft KWK	Kosten ⓘ
Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEFC)	70 °C, Polymerelektrolyt	250 kW	35 %	Feldtest (seit 2009 Serie)	< 10.000 €/kW
Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC)	250 °C	200 kW	38 %	Serie	> 5.000 €/kW
Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC)	650 °C, stationäre Anwendung	280 kW	48 %	Feldtest	< 8.000 €/kW
Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC)	900 °C, stationäre Anwendung	100 kW	47 %	Feldtest	20.000 €/kW
Reversible Solid Oxide Cell (rSOC)	800 °C, stationäre Anwendung	5 kW	62 %	Laborbetrieb	offen

Kosten und Wirkungsgrad des Gesamtsystems sind auch von den Nebenaggregaten abhängig, bei einem Brennstoffzellen-Fahrzeug z. B. von der Antriebsbatterie, dem Elektroantrieb und dem Aufwand zur Bereitstellung des Brennstoffzellen-Brennstoffes. Zum Vergleich werden daher umfassende Betrachtungen der Wirk-Ketten vorgenommen, bei Kraftfahrzeugen auf der Basis Well-to-Wheel. ⓘ

Verschiedene konventionelle Techniken zur Erzeugung mechanischer Energie besitzen etwa folgende Wirkungsgrade und Kosten:

Typ	Leistung	Wirkungsgrad	Kosten ⓘ
Kraft-Wärme-Kopplung1	bis 100 kW	34 % (el.)1	1000 €/kW
Kraft-Wärme-Kopplung1	ab 1000 kW	41 % (el.)1	< 500 €/kW
Stadtbus (Dieselmotor)	300 kW	45–50 %	< 275 €/kW
LKW, Reisebus (Dieselmotor)	500 kW	45–50 %	< 100 €/kW
PKW (Ottomotor)	100 kW	35–38 %	50 €/kW
Gasturbinen	1 kW–300 MW	25–46 %	2200 €/kW
Anmerkung: 1 Hier wird der Großteil der Abwärme ebenfalls genutzt und die Gesamtwirkungsgrade erreichen bis zu 90 %.

Die Lebensdauer einer PAFC-Brennstoffzelle liegt zwischen 80.000 Betriebsstunden für stationäre und 6.500 Betriebsstunden für mobile Systeme (80.000 Betriebsstunden entsprechen 3333 Dauerbetriebstagen oder 9,1 Dauerbetriebsjahren). ⓘ

Hochtemperaturbrennstoffzellen können zur Erhöhung des Wirkungsgrades mit einer Mikrogasturbine gekoppelt werden, sodass sie kombiniert Wirkungsgrade von über 60 % erreichen. ⓘ