Kennlinie und Leistungskurve sind wichtige Charakteristika für stromerzeugende Systeme. Mit der Kennlinie wird die Spannung des Systems in Abhängigkeit von der abgenommenen Menge elektrischer Energie dargestellt. Die Leistungskurve zeigt an, welche Leistung ein System bei Abnahme eines bestimmten Stromes erbringt.

Die Kennlinie
Entnimmt man einer Brennstoffzelle Strom, sinkt die Klemmenspannung deutlich ab. Dieses Phänomen kann in einem Strom-Spannungs-Diagramm dargestellt werden. Hierzu wird der Zelle in bestimmtem Umfang elektrische Energie entnommen (beispielsweise über einen regelbaren Widerstand) und gleichzeitig die Spannung gemessen. In einem Diagramm werden dann die Stromstärke auf der x-Achse und die zugehörige Spannung auf der y-Achse eingetragen. Die Messpunkte ergeben die sog. Kennlinie. Schematisch zeigt sie etwa folgenden Verlauf:

Die Kennlinie ermöglicht differenzierte Aussagen über das Leistungsverhalten der einzelnen Zelle:

1. Der Ausgangspunkt der Kurve (bei I = 0) gibt die Klemmenspannung der Zelle im Ruhezustand wieder (Ruhespannung). Nach erfolgter Belastung und damit sinkender Betriebsspannung wird sich die Zelle im Ruhezustand bis zu diesem Spannungswert regenerieren.
2. Im Bereich der niedrigen Stromstärken (Bereich A) nimmt die Klemmenspannung zunächst mit steigender Stromstärke stark ab. Im Gegensatz zu einer Batterie, bei der die Spannung bei Belastung nur unwesentlich sinkt, ist dieser Spannungsabfall für Brennstoffzellen charakteristisch.
3. Bei weiterer Belastung nimmt die Kurve nun einen flacheren Verlauf (Bereich B). In diesem Bereich nimmt die Zellspannung bei weiterer Belastung nur wenig ab. Dieser Bereich kann für den Betrieb der Zelle genutzt werden (Betriebsspannung). Die Zelle sollte bei unterschiedlicher Belastung eine möglichst konstante Spannung liefern, um eventuelle Verbraucher zu versorgen.
4. Wird die Brennstoffzelle über den Betriebsbereich (B) hinaus belastet, erfolgt ein deutlicher Abfall der Spannung, die schnell bis fast zum Nullpunkt sinkt (Bereich C). Hier wird das System überlastet; die Zellspannung bricht zusammen, da der Brennstoff und das Oxidationsmittel nicht mehr schnell genug nachgeliefert werden können (kinetische Hemmung).

Eine gut funktionierende Brennstoffzelle ergibt eine Kennlinie, die folgenden Kriterien genügt:

a) Die Ruhespannung liegt hoch bzw. nahe der berechneten EMK (beim Wasserstoff/Sauerstoff-Element ist die theoretische EMK 1,23 V).
b) Der Spannungsabfall zum Betriebsbereich (B) ist gering.
c) Der Betriebsbereich (B) erstreckt sich über einen großen Stromstärkebereich, und die Spannung fällt dabei nur geringfügig ab.

Die Leistungskurve
Nach der Gleichung P = U · I ergibt sich die Leistung der Brennstoffzelle als das Produkt der Spannung und Stromstärke in der Einheit Watt.
Um die Leistungskurve zu erhalten, multipliziert man die jeweiligen Messwerte der Stromstärke mit der zugehörigen Spannung. Es ergibt sich die Leistung P, die in Abhängigkeit von der Stromstärke in das Diagramm (zusätzlich zur Kennlinie) eingetragen wird.
Die Leistungskurve zeigt folgenden Verlauf:

Im Ruhezustand liegt der Wert für P bei Null, da die Zelle nicht arbeitet. Mit Abnahme von Strom steigt die Leistung zunächst stark, dann schwächer an und erreicht einen Höchstwert, nachdem sie wieder, nun steiler, abfällt. Aus der Kombination von Kennlinie und Leistungskurve lässt sich nun erkennen, dass das Leistungsmaximum der Zelle im Bereich der Stromstärken liegt, mit denen die Zelle nicht mehr belastet werden kann, da die Zellspannung bei Belastung zu stark sinkt (im Diagramm im Abschnitt C). Für den Betrieb der Zelle empfiehlt es sich also, sie unterhalb ihrer Maximalleistung zu fahren.

Die folgenden Versuchsauswertungen sind mit diesem Verfahren durchgeführt worden.

[Einkammer-Brennstoffzelle]
[Brennstoffzelle im Zweikammersystem]
[Brennstoffzelle im Dreikammersystem]

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