Die verschiedenen Komponenten eines Brennstoffzellensystems haben die Aufgabe, mit Brennstoff, Luft, Kühlwasser und Strom umzugehen, um elektrische Energie zu erzeugen. Hier liegt der Fokus auf dem Herzstück eines Brennstoffzellensystems, dem Brennstoffzellenstack, insbesondere bei Polymerelektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PEMFC).
Der Brennstoffzellenstack ist aus einer Vielzahl von Zellen aufgebaut, die hauptsächlich aus so genannten Bipolarplatten und einer Membran bestehen. Sie erzeugen eine Spannung von unter 1 V. Die Stapelung dieser Zellen führt zu einer höheren nutzbaren Spannung dieser Einheit. Stacks können aus 335 Zellen bestehen, was zu einer Ausgangsspannung von 201 V führt. Das Wichtigste ist, dass die Brennstoffzellenstacks Gleichstrom erzeugen.
Generell wird in jeder Brennstoffzelle ein Wasserstoffmolekül an der Anode in seine Protonen und Elektronen zerlegt. Die Protonen nehmen den direkten Weg zur Kathode durch die Membran, die den Elektrolyten darstellt. Die Elektronen nutzen den Umweg über die Membran und erzeugen eine Spannung und einen Strom. An der Kathode treffen sich das Wasserstoffproton, die Elektronen und der in der Luft enthaltene Sauerstoff und bilden in einer Sauerstoffreduktionsreaktion reines Wasser.
Diese Reaktion ist vergleichbar mit der Verbrennung von Wasserstoff, jedoch ohne Flamme. Ein Unterschied besteht darin, dass bei der reinen Verbrennung von Wasserstoff Wasser und Wärme als Reaktionsprodukte entstehen, während bei der Oxidation in der Brennstoffzelle etwa 50 % der im Wasserstoff enthaltenen Energie in Strom umgewandelt werden. Die anderen 50 % sind immer noch Wärme, die von den Brennstoffzellen weggekühlt werden muss.
Auf dem Markt finden sich verschiedene Typen von Brennstoffzellen. Die Polymerelektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEMFC) ist der Typ, der für verschiedene Anwendungen wie Autos, Bahnmotoren und Schiffe hauptsächlich verwendet wird. Der Vorteil dieses Brennstoffzellenprinzips liegt in der Einfachheit des Gesamtsystems. Ein vergleichbares praktisches Prinzip ist die Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC) mit Methanol als Brennstoff. Das optimale Prinzip ist jedoch von der Anwendung abhängig.
Wenn man den Brennstoffzellenstack als Black Box betrachtet, könnten man annehmen, dass er Wasserstoff, Kühlung und Luft braucht und dann läuft. Aber es steckt mehr dahinter. Die meisten PEMFCs benötigen einen Wasserstoffdruck von weniger als 3 bar(a). Wenn man sich nun anschaut, dass diese Membran eine Dicke von etwa 20 Mikrometern hat, ist klar, dass es eine Grenze für die maximale Druckdifferenz gibt, die die Membran aushalten kann. Das erfordert eine hohe Qualität der Druckregelung von Wasserstoff und Luft in der Brennstoffzelle. Betrachtet man nun eine Fahrt von Boulder, Colorado (1.655m) auf den Pikes Peak (ca. 4.300m), um ein Extremszenario zu nehmen, so sehen die Luftkompressoren einen Eingangsdruck von 835hPa bis 606,3hPa, was nur etwa 60 % des Drucks auf Meereshöhe entspricht. Daraus ergibt sich eine hohe Anforderung an den Kompressor, um mit variierenden Umgebungsbedingungen umzugehen, da das Druckverhältnis, das der Luftkompressor sieht, typischerweise maximal 3 beträgt, sich aber auch bis zu 5 entwickeln kann. Es wird deutlich, dass eine Flexibilität in der Steuerung von Wasserstoff gegenüber Luft erforderlich ist, um die Leistung des Systems zu erhalten.
Ein weiterer Aspekt ist die Luftqualität. PEMFCs mögen kein Kohlenmonoxid oder Schwefelwasserstoff (H2S). Wenn ein Brennstoffzellenfahrzeug (FCEV) zum Beispiel ständig in der Nähe eines gedüngten Feldes geparkt wird, ist es wahrscheinlich, dass der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems sinkt. Kohlenmonoxid ist nicht so sehr ein Problem der Luftzufuhr. Es ist eher eine Frage des unsauberen Kraftstoffs, des verunreinigten Wasserstoffs. Deshalb verwenden alle Wasserstofftankstellen einen sehr hochwertigen Wasserstoff (min. 99,97%), um eine konstante Leistung der Brennstoffzellen zu gewährleisten.
Ein wichtiger Punkt ist die Kühlung der Brennstoffzelle. Da etwa 50 % der im System erzeugten Energie Wärme ist, wird ein Kühlsystem benötigt, das nicht nur unter allen Umgebungsbedingungen funktioniert, sondern auch die Brennstoffzelle auf etwa 70 °C hält. Außerdem muss die Kühlflüssigkeit isolierend sein, da sie sehr nah an der Elektrizität ist. Heute wird ein demineralisiertes Wasser/Glykol-Gemisch verwendet, um sicherzustellen, dass die Kühlflüssigkeit nicht einfriert und die Leitfähigkeit sehr niedrig ist.
Und nicht zuletzt spielt die Luftfeuchtigkeit eine entscheidende Rolle für die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle, insbesondere der Membran. Die Luft, die in der Kathode der Brennstoffzelle verwendet wird, muss eine relative Luftfeuchtigkeit von mehr als 70 % haben. Im Betrieb kann das von der Brennstoffzelle produzierte Wasser zur Befeuchtung der Umgebungsluft genutzt werden. Doch eine Fahrt durch die namibische Wüste mit einer relativen Luftfeuchtigkeit von weniger als 20 % und bei 50°C stellt hohe Anforderungen an das Feuchtemanagement des Brennstoffzellensystems. Aber auch ein nebliger Tag ist keine einfache Bedingung, da zu viel Feuchtigkeit die aktive Fläche der Brennstoffzelle bedeckt und die Leistung verringert. Am Ende muss also eine große Anzahl von Parametern kontrolliert werden, um eine hohe Leistung und Lebensdauer eines Brennstoffzellenstacks zu gewährleisten.