Wirkungsgrad der einzelnen Brennstoffzelle

Der energetische Umsetzungsgrad in einer Brennstoffzelle (BZ) ist durch die Beziehung

gegeben. Der Wert H stellt die entsprechende Enthalpieänderung der Verbrennungsreaktion dar. Allerdings im Unterschied zur normalen thermischen Verbrennung, bei der die gesamte Reaktionsenthalpie H in Wärme umgesetzt wird, erfolgt in der Brennstoffzelle nur die direkte Umsetzung des energetischen Anteils G (freie Reaktionsenthalpie) in Elektrizität, d.h. der maximale theoretische Wirkungsgrad ist durch die Formel

gegeben, wobei G_T der Wert der freien Reaktionsenthalpie bei der Zellarbeitstemperatur T_Z und H⁰ der Standardwert der Reaktionsenthalpie ist. Zwischen G und H gilt die bekannte Beziehung

G = H - T S

Hieraus ergibt sich der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle als

Der Wirkungsgrad kann je nach Vorzeichen der Reaktionsenthropie S kleiner, gleich groß bzw. sogar größer sein als 100%. Im letzteren Fall wird der Umgebung die Wärme entzogen. Die Brennstoffzelle liefert unmittelbar elektrischen Strom mit der theoretischen Gleichspannung (E_rev)

Damit erhält man theoretische Wirkungsgrade von über 80 %. 

Bei einem Druck von 1 bar und einer Temperatur von 25°C beträgt die entsprechende Gleichspannung für diese Reaktion 1,23 Volt. Diese Spannung ist eine Funktion der Temperatur, d.h. dasselbe gilt auch für den Wirkungsgrad. Bereits im Stack kommt es durch Ohmsche Verluste und Überspannungen (Verluste durch Stofftransport) bereits zur Wirkungsgradabsenkung. Im Betrieb einer Brennstoffzelle erhält man die Stromdichte-Potential-Kurven, die wie folgt ausschauen:

Quelle: Ledjeff/Hey

In der Praxis erhälnt man also eine Klemmenspannung der Einzelzelle von 0,7 V. Benötigt man höhere Spannungen, so werden mehrere Zellen in Reihe geschaltet und man erhält einen Brennstoffzellenstapel (Stack). So lassen sich theoretisch beliebig größe Spannungen erzielen. Dem sind jedoch durch Kühlungsprobleme und Strömungsverluste bei der Zuführung der Reaktionsgase Grenzen gesetzt.

Je nach Brennstoffzellentyp erhält man Zellwirkungsgrade von bis zu 70 %. Aufgrund der besseren Reaktionskinetik bei höheren Temperaturen liegt der Wirkungsgrad von SOFC im allgemeinen höher als bei PEMFC (beim thermodynamische Wirkungsgrad hingegen ist die Relation umgekehrt). Hinzukommt, dass der Wirkungsgrad von Stacks über einen hohen Lastbereich annähernd konstant bleibt.

Die konventionellen Wärmekraftmaschinen arbeiten effektiver  bei Volllast, mit einem stärkeren Leistungsabfall im Teillastbetrieb. Hierin sind auch die großen Vorteile der Brennstoffzelle beim Einsatz in Fahrzeugen zu sehen. Der Dieselmotor hat seinen höchsten Wirkungsgrad bei hohen Leistungen. In der Regel fährt man jedoch im Teillastbetrieb.

Wirkungsgrad des Brennstoffzellengesamtsystems

Ein komplettes Brennstoffzellensystem setzt sich aus zahlreichen Komponenten zusammen. Neben dem eigentlichen Brennstoffzellenmodul (Stack, Zellstapel) besteht ein Brennstoffzellensystem aus Komponenten zur Brenngaserzeugung, Luftversorgung, Kühlung und Steuerung. Bei einem mobilen System muss der Energieträger (Wasserstoff, Methanol) in Tanks mitgeführt werden. Der aus der Brennstoffzelle kommende Gleichstrom schließlich wird durch einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt und dem elektrischen Verbraucher (Motor, Leitungsnetz) zugeführt. Die folgende Abbildung zeigt ein solches System am Beispiel des Fahrzeugantriebs.

Bei einem stationären System gilt ähnliches. Hier muss allerdings in den meisten Fällen (Hausenergieversorgung) der benötigte Wasserstoff zunächst über die Reformierung von Erdgas erzeugt werden (siehe folgende Abbildung):

  Quelle: ZBT Duisburg

Betrachtet man das gesamte Brennstoffzellensystem, so erkennt man leicht, dass der Gesamtwirkungsgrad durch die Vielzahl der eingebauten Komponenten bestimmt wird.

Ein Teil der vom Stack erzeugten Energie wird schon bereits innerhalb des Systems verbraucht (Reformer, Steuerung). Auch der Elektromotor setzt nur einen Teil der zugeführten Energie in mechanische Energie um. Die folgende Abbildung zeigt den Vergleich der Wirkungsgrade von Brennstoffzellenstack, Brennstoffzellensystem und Dieselmotor.

Unter Berücksichtigung all dieser Verluste gelangt man schließlich zu Systemwirkungsgraden um die 45 %, der Dieselmotor liegt deutlich darunter. Betrachtet man die zusätzliche Möglichkeit der Wärmenutzung, speziell bei den Hochtemperatursystemen, so kommt man auf einen Systemwirkungsgrad von bis zu 65 %.