Funktion und Wartung einer Brennstoffzelle

Das Prinzip der Brennstoffzelle entdeckte 1838 der deutsch-schweizerische Physiker Christian Friedrich Schönbein. Er umspülte zwei Platindrähte in Schwefelsäure (Elektrolyt) mit Wasserstoff und Sauerstoff und konnte eine elektrische Spannung zwischen den Drähten feststellen. Mit an Bord war auch der britische Physiker Sir William Grove. Schon damals postulierten zahlreiche Wissenschaftler, dass Wasser die Kohle der Zukunft sein könnte. Doch natürlich benötigte man zur Herstellung von Wasserstoff auch damals schon Strom. Heute sprechen wir im Optimalfall von grünem Wasserstoff, hergestellt aus Strom aus erneuerbaren Energien.

Eine Brennstoffzelle ist ein Energiewandler. Die chemische Reaktionsenergie von Wasserstoff und Sauerstoff wird in elektrische und thermische Energie umgewandelt. Die Oxidation des Wasserstoffs und die Reduktion des Sauerstoffs geschieht durch die räumliche Trennung mit Hilfe eines Elektrolyten. Die heftige Reaktion der bekannten „Knallgasprobe“, beziehungsweise die freiwerdende Energie, bei der Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser reagieren, kann genutzt werden.
Es existiert eine Vielzahl von Brennstoffzellentypen, die beispielsweise Erdgas oder Methanol als Brennstoff sowie andere Elektrolyte oder Oxidationsmittel verwenden. Der gängigste Typ für die Anwendung im Pkw/Lkw ist jedoch die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle, zum Beispiel die Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzelle (Protonen-Austausch-Membran-, Proton-Exchance-Membrane-Fuel-Cell, PEMFC).

Herzstück der PEM-Brennstoffzelle ist das Stack. In den Stacks befinden sich eine Vielzahl von in Reihe angeordneten Protonen-Austausch-Membranen, die für Protonen durchlässig sind, während der Transport von Wasserstoff und Sauerstoff verhindert wird. Die einzelne Membran (Feststoff-Elektrolyt) besteht aus einer zentralen Folie, auf die wechselseitig die Elektroden (Anode (-) / Kathode (+), inklusive einem Katalysator, aufgebracht ist. Umhüllt wird die PEM mit einer gasoffenen Diffussionslage.

Um die Elektroden-Membran-Einheiten im Stack sind jeweils sogenannte Bipolarplatten angeordnet. Mit „Bipolar“ ist also einmal die wasserstoffführende Anodenplatte sowie eine sauerstoffführende Kathodenplatte gemeint. Die Bipolarplatten dienen der homogenen Verteilung von Wasserstoff und Sauerstoff, der Abdichtung nach Außen sowie der Kühlung der Brennstoffzelle und der elektrischen Verbindung der Zellen. Sie sind durch komplexe Kanäle gekennzeichnet und regelfällig aus Graphit, Metall oder Komposit-Materialien ausgeführt.

In der Mitte der PEM-Brennstoffzelle befindet sich die Membran in rechteckiger Plattenform, eingepackt in die Bipolarplatten. Die Anode wird mit Wasserstoff versorgt, die Kathode mit Sauerstoff. Beide Elektroden sind miteinander verbunden. Der Katalysator aus Edelmetall sorgt für die Aufspaltung der Gasmoleküle. Die Wasserstoffmoleküle (H2) werden in zwei Protonen aufgespalten. Dabei gibt jedes Wasserstoffatom sein Elektron ab. Jetzt wandern die Protonen durch die semipermeable Membran zur gegenüberliegenden, positiv geladenen Kathode, die Elektronen nehmen den Umweg über die Verbindungsleitung zwischen Anode und Kathode. Treffen die Protonen und die Elektronen des Wasserstoffs auf der Kathodenseite ein, erzeugt der dort befindliche Sauerstoff in einer Reaktion Wasser.  Als Nebenprodukt dieser chemischen Reaktion entsteht neben Wärme auch elektrische Energie. An den Endplatten, beziehungsweise am Zusammenschluss von Anode und Kathode kann eine Spannung abgegriffen werden kann.

Beispielsweise schützen spezielle Luftfilter auch vor kleinsten Partikeln. Um schädliche Gase aus der Luft zu adsorbieren, wird der Filter zusätzlich mit Aktivkohlelagen oder weiteren Adsorbermedien ausgestattet. Diese binden Schadgase und sorgen für den Schutz der Brennstoffzelle. Die Anforderungen an die Luftfiltration sind bei der Brennstoffzelle deutlich höher als bei Verbrennungsmotoren.

Zu trockene Luft lässt die Membran im Brennstoffzellen-Stack austrocknen. Das kann die mechanische Festigkeit der Membran, die für den Protonentransport verantwortlich ist, mindern. Über einen Befeuchter kann das Reaktionsprodukt Wasser von der Abluft, der feuchten Seite, auf die Zuluft, die trockene Seite der Brennstoffzelle, übertragen werden.

Ist die Feuchte der Luft jedoch zu hoch, kann sie zu Wassertröpfchen kondensieren. Diese können die feinen Strukturen der Gasdiffusionsschicht oder der mikroporösen Lage blockieren. Ebenso wirken sich Wassertropfen, die auf der Turbinenseite des elektrischen Kompressors auftreffen, negativ auf die Dauerhaltbarkeit der Brennstoffzelle aus. Aus diesem Grund kommen zusätzlich Wasserabscheider zum Einsatz.

Interessant ist das Thema Akustik bei einer Brennstoffzelle, haben wir es doch nicht mit mechanischen Komponenten wie bei einem Verbrennungsmotor zutun. Tatsächlich können störende Geräusche beim elektrischen Kompressor beziehungsweise als Strömungsgeräusche in den Leitungen auftreten. Entsprechende Resonatoren dämpfen die unerwünschten Geräusche.

Der Brennstoffzellen-Stack selbst benötigt (theoretisch) keinen Service und ist als Baugruppe für eine hohe Anzahl an Betriebsstunden ausgelegt. In regelmäßigen Abständen müssen jedoch die Filterelemente getauscht werden. Ebenfalls systemspezifisch ist das Granulat im Ionentauscher, das die Leitfähigkeit des Kühlmittels im richtigen Bereich sicherstellt. Dieses muss ebenfalls in festgelegten Intervallen gewechselt werden. Dasselbe gilt für den Kathodenluftfilter. Er muss ebenfalls regelmäßig gewechselt werden. Hinzu kommt der Kühlkreislauf. Hier befinden sich weitere servicerelevante Komponenten: der Ionentauscher-Filter und der Kühlmittelpartikelfilter. Die Arbeit dürfte also den Pkw- und Lkw-Werkstätten auch bei der Wartung von Fahrzeugen mit Brennstoffzelle nicht ausgehen.

Brennstoffzellen-Fahrzeuge, speziell Lkws, spielen dort Ihre Stärken aus, wo große Reichweiten (wie bei der Langstrecke) und schnelle Betankungszeiten notwendig sind. Sie können in wenigen Minuten betankt werden. Zieht man die sogenannte Well2Wheel-Betrachtung hinzu (von der Erzeugung des Wasserstoffs bis hin zur Antriebsenergie), erreicht die Brennstoffzelle Experten zufolge einen Wirkungsgrad von 30 bis 40 Prozent. Synthetische Kraftstoffe (ebenfalls auf Basis von grünem Wasserstoff) liegen im Bereich von rund 20 bis 40 Prozent Wirkungsgrad. Batterieelektrische Fahrzeuge zeigen hier mit 60 bis 70 Prozent zwar deutlich höhere Werte, unterliegen aber aktuell noch der Limitierung bei der Ladezeit und der Reichweite. Grundsätzlich hängen die Werte jedoch stark von der jeweiligen Technologie, den Standortbedingungen, der Energiequelle sowie anderen Faktoren ab. Die rasch voranschreitenden, technologischen Fortschritte können den Wirkungsgrad jeder der drei Technologien in Zukunft weiter stark beeinflussen.
Wasserstoff als Treibstoff stellt jedoch eine hochinteressante Möglichkeit dar, die Erzeugung von grünem Wasserstoff und die Verwendung sowohl örtlich als auch zeitlich zu entkoppeln und damit effiziente und umweltfreundliche Antriebssysteme anbieten zu können. Die Brennstoffzelle ist also eine hochinteressante Option im Antriebsmix der Zukunft.