Brennstoffzellen als Hoffnungsträger

Brennstoffzellen rücken zunehmend als Energiequelle in den Fokus. Denn beim Einsatz erneuerbarer Energien steht die Stromerzeugung und -nutzung im Mittelpunkt. Brennstoffzellen können aus dem Energiespeicher Wasserstoff für die unterschiedlichsten Anwendungen sauberen Strom erzeugen. Forscher weltweit arbeiten daran, die Brennstoffzellentechnologie tauglich für eine Massenproduktion zu machen und so die Kosten deutlich zu senken.

Beim „European Green Deal“ der Europäischen Kommission spielen Wasserstofftechnologien eine wesentliche Rolle. Sogenannter grüner Wasserstoff dient dabei als Speicher für durch regenerative Energien erzeugten Strom. Um den Wasserstoff dann wieder als Strom nutzbar zu machen, sind Brennstoffzellen erforderlich. Randy MacEwen, CEO von Ballard, einem der führenden Hersteller von Brennstoffzellen: „Regierungen auf der ganzen Welt betonen zunehmend die Bedeutung von grünem Wasserstoff auf dem Weg zum Net-Zero-CO₂-Ziel. Gleichzeitig wird zunehmend erkannt, dass mit emissionsfreien Brennstoffzellensystemen Antriebsanwendungen dekarbonisiert werden können. Bei denen in der Vergangenheit Emissionen nur schwer zu reduzieren waren. Dies gilt für Busse, kommerzielle Lkws, Züge und Wasserfahrzeugen, wo eine hohe Nutzlast, große Reichweite und schnelle Betankung erforderlich sind.“ Brennstoffzellen sollen darüber hinaus in Zukunft zunehmend auch in stationären Anwendungen eingesetzt werden. Zum Beispiel in Gebäuden, die sie mit Strom versorgen und mit ihrer Abwärme beheizen können.

Brennstoffzellen als saubere Mini-Kraftwerke 

Brennstoffzellen funktionieren wie Mini-Kraftwerke. Sie werden mit dem Energieträger Wasserstoff sowie mit Sauerstoff gespeist und erzeugen daraus in einer chemischen Reaktion Wasser, Strom und Wärme. Dafür wird Wasserstoff einer Elektrode zugeführt, wo er in positiv geladene Protonen und negativ geladene Elektronen aufgespalten wird. Die Elektronen fließen über die Elektrode ab und erzeugen außerhalb der Zelle elektrischen Strom. Die Protonen durchqueren eine nur für sie durchlässige Membran. Auf der anderen Seite reagieren sie an einer zweiten mit einem Katalysator beschichteten Elektrode mit Sauerstoff aus der Luft, wodurch Wasserdampf erzeugt wird. Dieser wird über den „Auspuff“ abgeführt.

Unterschiedliche Typen, verschiedene Einsatzgebiete

Auch wenn diese Prozesse bei allen Brennstoffzellen gleich sind, so gibt es doch verschiedene Bauweisen, die sich bezüglich ihrer Betriebstemperaturen und der verwendeten Elektrolyten unterscheiden. Welche Bauweise zum Einsatz kommt, hängt von der Anwendung ab: So sollen Brennstoffzellen, die im mobilen Bereich eingesetzt werden, eine möglichst hohe Leistungsdichte haben, also mit einem möglichst kleinen Gewicht möglichst viel Strom produzieren (aktuell liegt der Wert bei 0,5 bis 1 Kilogramm pro Kilowatt). Bei stationären Anlagen dagegen liegt der Fokus stärker auf der Standzeit – heute wird eine Lebensdauer von 50.000 Stunden gefordert (die Standzeit mobiler Brennstoffzellen liegt dagegen bei rund 5.000 Stunden).

Steuereinheiten für den effizienten Betrieb

Um die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzellen weiter zu steigern und die Kosten für die Brennstoffzellen zu senken, verfolgen Forscher verschiedene Ansätze. Ein Fokus liegt dabei auf der sogenannten „Balance of Plant“ oder (BoP). Diese peripheren Komponenten – Steuerungen, Sensoren, Leistungselektronik und andere Systeme – sind für das Funktionieren der Brennstoffzelle essentiell. Sie steuern das System, übernehmen das Wärmemanagement oder überwachen die Funktionen. Das EU-Projekt Inn-Balance zum Beispiel entwickelt neue Lösungen unter anderem für die Zufuhr von Wasser- und Sauerstoff in der Brennstoffzelle sowie für das Wärmemanagement und die Funktionsüberwachung des gesamten Brennstoffzellensystems. „Diese Komponenten erhöhen den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle und minimieren den Wasserstoffverlust“, so Consuelo Mora Gonzalez, Inn-Balance Koordinatorin bei Fundacion Ayesa. „Diese Fortschritte verbessern die Effizienz und Zuverlässigkeit von Brennstoffzellenfahrzeugen und ebnen den Weg für eine umweltfreundliche Wasserstoffmobilität.“

Auf dem Weg zur Massenproduktion

Ein weiterer wichtiger Ansatz bei der Optimierung der Brennstoffzellentechnologie ist die Herstellung der Zellen selbst. So haben sich zum Beispiel die Fraunhofer-Institute für Produktionstechnologie IPT, für Werkstoff- und Strahltechnik IWS und für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU zum Ziel gesetzt, dass Brennstoffzellensysteme in der Herstellung nicht länger deutlich teurer sein müssen als herkömmliche benzinbetriebene Antriebe. Die Produktion gängiger 100-Kilowatt-Brennstoffzellensysteme für Automobile würde dann nur noch rund 5.000 Euro kosten – weniger als zehn Prozent der bisherigen Kosten. Im Fokus sind dabei vor allem die Komponenten, die das Herz der Brennstoffzelle bilden. Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Einheiten. Aus ihnen setzt sich die Zelle zusammen, in der die chemischen Prozesse ablaufen. Mehrere hundert Einzelzellen wiederum bilden ein Stack. Während die Bleche der Bipolarplatten von 50 bis 100 Mikrometer Stärke zunächst mit geprägten Kanälen versehen, danach beschichtet und untereinander hochpräzise verschweißt werden, sind bei der Membranherstellung verschiedene Auftrags- und Heißpressprozesse erforderlich.

Durch den Einsatz neuer Materialien und effizienterer Fertigungsverfahren sollen hier die Kosten entscheidend gesenkt werden. Dr. Ulrike Beyer, Leiterin der Wasserstoff-Taskforce am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik: „Das schaffen wir nur, wenn wir vom bisherigen Manufakturbetrieb in die Massenproduktion vorstoßen – und zwar mit effektiven Technologien, die eine Fertigung von bis zu vier Brennstoffzellen-Stacks pro Minute erlauben.“