Ein komplettes Brennstoffzellensystem setzt sich aus zahlreichen Komponenten zusammen. Die folgende Abbildung zeigt ein solches System am Beispiel eines Fahrzeugantriebs. Für stationäre Anwendungen gilt im Prinzip ähnliches, nur wird dort in den meisten Fällen Erdgas statt Methanol reformiert.
Neben dem eigentlichen Brennstoffzellenmodul (Stack, Zellstapel) besteht ein Brennstoffzellensystem aus Komponenten zur Brenngaserzeugung, Luftversorgung, Kühlung, Steuerung und Regelung. Bei einem mobilen System muss der Energieträger (Wasserstoff, Methanol) in einem Tank mitgeführt werden. Der aus der Brennstoffzelle kommende Gleichstrom schließlich wird durch einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt und dem elektrischen Verbraucher (Motor, Leitungsnetz) zugeführt.
PKW-Brennstoffzellensystem (Quelle: Forschungszentrum Jülich)
Der Gesamtwirkungsgrad eines Brennstoffzellensystems wird durch die Vielzahl der eingebauten Komponenten bestimmt.
Der Wirkungsgrad des eigentlichen Stacks liegt im Vergleich zur Wärmekraftmaschine deutlich höher. So werden für den Stack elektrische Wirkungsgrade von 50 bis 60 % erreicht. Aufgrund der besseren Reaktionskinetik bei höheren Temperaturen liegt der Wirkungsgrad von SOFC im allgemeinen höher als bei PEFC (beim thermodynamische Wirkungsgrad hingegen ist die Relation umgekehrt). Der Wirkungsgrad von Stacks bleibt über einen hohen Lastbereich annähernd konstant. Die konventionellen Wärmekraftmaschinen arbeiten effektiver bei Volllast, mit einem stärkeren Leistungsabfall im Teillastbetrieb.
Ein Teil der vom Stack erzeugten Energie wird bereits innerhalb des Systems benötigt (Reformer, Steuerung, Regelung). Der Elektromotor setzt sodann nur einen Teil der im zugeführten Energie in mechanische Energie um.
Die folgende Abbildung zeigt die sogenannte "well-to-wheel-efficiency" (Bohrloch-Rad-Wirkungsgrad) für verschiedene Fahrzeugszenarien. Dieser Abbildung ist zu entnehmen, dass mit Brennstoffzellenantrieben im Vergleich zum konventionellen Antrieb ein Wirkungsgradsvorteil von 10-20 Prozentpunkten erreicht werden kann. Damit verbunden ist eine entsprechende Abnahme der Emission von CO2.
(Quelle: U.S. Department of Energy)
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