Die Brennstoffzellentechnologie wird häufig als modern wahrgenommen, doch ihre Ursprünge reichen bis zu den ersten Prototypen zurück, die von den Wissenschaftlern Sir Humphrey Davy und Sir William Grove im frühen 19. Jahrhundert gebaut wurden. In den 1960er Jahren wurden praktische Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologien entwickelt, um Schweißgeräte, landwirtschaftliche Traktoren und sogar Weltraummissionen mit Energie zu versorgen. Eine große Hürde für ihre weitere Entwicklung war es, eine langlebige Schnittstellentechnologie zu schaffen, um die Gase vom flüssigen Elektrolyt in der Zelle zu trennen. Die Schnittstelle musste gasdurchlässig, elektrisch leitfähig und sowohl gegen Elektrolytkorrosion als auch gegen die entstehende Wärme beständig sein. Heutzutage haben Konstruktionen mit Protonenaustauschmembranen (PEM) diese Probleme weitgehend gelöst, sodass gestapelte Brennstoffzellen eine praktikable Option für saubere, effiziente Energie in verschiedenen Sektoren wie dem Transportwesen und der Energieversorgung von Privathaushalten sind.
Abb. 1: Elektrolysezelle vs. Brennstoffzelle (Schema)
Brennstoffzellen werden im Transportwesen immer attraktiver, da sie eine Alternative zu fossilen Brennstoffen bieten und gleichzeitig zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen beitragen. Wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (FCEV) werden heute bereits von zahlreichen führenden Autoherstellern wie BMW, Toyota, Honda und Hyundai hergestellt. Brennstoffzellenfahrzeuge bieten gegenüber batterieelektrischen Fahrzeugen (BEV) gewisse Vorteile, insbesondere bei Langstreckenfahrten, da sie schneller betankt werden können und eine größere Reichweite aufweisen.
Wasserstofftankstellen funktionieren ähnlich wie herkömmliche Zapfsäulen, batterieelektrische Fahrzeuge (BEVs) oft längere Ladezeiten erfordern oder größere, schwerere Batterien benötigen. Dies macht Brennstoffzellen ideal für den Einsatz in Fernlastwagen, Bussen und anderen Schwerlasttransporten, bei denen schnelles Betanken, geringeres Gewicht und größere Reichweite entscheidend sind. Aus diesem Grund werden Brennstoffzellenfahrzeuge zunehmend für den Güterkraftverkehr und Schienenverkehr konzipiert, und in vielen städtischen Gebieten sind bereits saubere, mit Brennstoffzellen betriebene Busse und Straßenbahnen im Einsatz. Außerdem können kleine Brennstoffzelleneinheiten leicht in Kühlcontainern und -anhängern nachgerüstet werden, sodass keine ständig laufenden Dieselmotoren mehr erforderlich sind, um verderbliche Waren kühl zu halten.
Wasserstoff-Brennstoffzellen werden auch in stationären Stromversorgungssystemen eingesetzt, die Gebäude, Industrieanlagen und sogar ganze Gemeinden mit Strom versorgen. Brennstoffzellen sind von Natur aus skalierbar: Durch das Hinzufügen weiterer Zellen wird die Spannung erhöht, die Vergrößerung der Zelloberfläche steigert den Strom, und durch Parallelschaltung mehrerer Zellblöcke wird die Leistung erhöht. Da einzelne Zellen jedoch nur relativ geringe Spannungen (0,5–0,8 V) erzeugen, werden Brennstoffzellen in der Regel gestapelt, um nützliche Ausgangsspannungen von 200V–300V mit hohem Strom (Hunderte von Ampere) bereitzustellen, was den Aufbau vereinfacht (Abbildung 2).
Abb. 2: Aufbau eines Brennstoffzellenstapels
Tragbare Stromversorgungsanwendungen sind ein weiterer vielversprechender Einsatzbereich für Brennstoffzellen, insbesondere in den Bereichen Verteidigung, Medizin und Unterhaltungselektronik. Brennstoffzellen bieten längere Betriebszeiten als herkömmliche Batterien, was in abgelegenen, netzfernen oder Notfallsituationen von Vorteil ist. Die US-Verteidigung beispielsweise erforscht kleine Brennstoffzellen für den Antrieb von Feldausrüstung, um die Abhängigkeit der Soldaten von schweren Akkus zu verringern.
Trotz der jüngsten Fortschritte ist die Brennstoffzellenenergie nach wie vor mit technischen Herausforderungen konfrontiert, die einer breiten Einführung im Wege stehen. Die Bewältigung dieser Herausforderungen ist entscheidend, damit Wasserstoff-Brennstoffzellen eine zentrale Rolle bei der Energiewende übernehmen können.
Abb. 1: Elektrolysezelle vs. Brennstoffzelle (Schema)
Brennstoffzellen werden im Transportwesen immer attraktiver, da sie eine Alternative zu fossilen Brennstoffen bieten und gleichzeitig zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen beitragen. Wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (FCEV) werden heute bereits von zahlreichen führenden Autoherstellern wie BMW, Toyota, Honda und Hyundai hergestellt. Brennstoffzellenfahrzeuge bieten gegenüber batterieelektrischen Fahrzeugen (BEV) gewisse Vorteile, insbesondere bei Langstreckenfahrten, da sie schneller betankt werden können und eine größere Reichweite aufweisen.
Wasserstofftankstellen funktionieren ähnlich wie herkömmliche Zapfsäulen, batterieelektrische Fahrzeuge (BEVs) oft längere Ladezeiten erfordern oder größere, schwerere Batterien benötigen. Dies macht Brennstoffzellen ideal für den Einsatz in Fernlastwagen, Bussen und anderen Schwerlasttransporten, bei denen schnelles Betanken, geringeres Gewicht und größere Reichweite entscheidend sind. Aus diesem Grund werden Brennstoffzellenfahrzeuge zunehmend für den Güterkraftverkehr und Schienenverkehr konzipiert, und in vielen städtischen Gebieten sind bereits saubere, mit Brennstoffzellen betriebene Busse und Straßenbahnen im Einsatz. Außerdem können kleine Brennstoffzelleneinheiten leicht in Kühlcontainern und -anhängern nachgerüstet werden, sodass keine ständig laufenden Dieselmotoren mehr erforderlich sind, um verderbliche Waren kühl zu halten.
Wasserstoff-Brennstoffzellen werden auch in stationären Stromversorgungssystemen eingesetzt, die Gebäude, Industrieanlagen und sogar ganze Gemeinden mit Strom versorgen. Brennstoffzellen sind von Natur aus skalierbar: Durch das Hinzufügen weiterer Zellen wird die Spannung erhöht, die Vergrößerung der Zelloberfläche steigert den Strom, und durch Parallelschaltung mehrerer Zellblöcke wird die Leistung erhöht. Da einzelne Zellen jedoch nur relativ geringe Spannungen (0,5–0,8 V) erzeugen, werden Brennstoffzellen in der Regel gestapelt, um nützliche Ausgangsspannungen von 200V–300V mit hohem Strom (Hunderte von Ampere) bereitzustellen, was den Aufbau vereinfacht (Abbildung 2).
Abb. 2: Aufbau eines Brennstoffzellenstapels
Tragbare Stromversorgungsanwendungen sind ein weiterer vielversprechender Einsatzbereich für Brennstoffzellen, insbesondere in den Bereichen Verteidigung, Medizin und Unterhaltungselektronik. Brennstoffzellen bieten längere Betriebszeiten als herkömmliche Batterien, was in abgelegenen, netzfernen oder Notfallsituationen von Vorteil ist. Die US-Verteidigung beispielsweise erforscht kleine Brennstoffzellen für den Antrieb von Feldausrüstung, um die Abhängigkeit der Soldaten von schweren Akkus zu verringern.
Trotz der jüngsten Fortschritte ist die Brennstoffzellenenergie nach wie vor mit technischen Herausforderungen konfrontiert, die einer breiten Einführung im Wege stehen. Die Bewältigung dieser Herausforderungen ist entscheidend, damit Wasserstoff-Brennstoffzellen eine zentrale Rolle bei der Energiewende übernehmen können.
