Wie funktioniert eigentlich eine Brennstoffzelle?

Auch wenn der Lithium-Ionen-Akku als Antriebsform bei Elektroautos auf dem Vormarsch ist, es ist bei Weitem nicht die einzige Art ein E-Fahrzeug anzutreiben. Eine weitere Technologie ist die Wasserstoffbrennstoffzelle. Wie aber funktioniert die Brennstoffzelle?

Es gibt zwei Möglichkeiten, um mit Wasserstoff und Sauerstoff ein Fahrzeug anzutreiben. Die erste ist der Wasserstoffverbrennungsmotor. Dieses Prinzip ist ähnlich zum Otto- oder Dieselmotor und der Wasserstoff wird hierbei im Kolben verbrannt. Die zweite Form ist die sogenannte kalte Verbrennung in einer Brennstoffzelle.

Aus Wasserstoff und Sauerstoff mach Strom

Eine Brennstoffzelle ist im Prinzip eine galvanische Zelle, die chemische Energie in elektrische Energie (Strom) umwandelt.

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Dazu werden ein Brennstoff und ein Oxidationsstoff benötigt, im Fall der Brennstoffzelle sind das Wasserstoff und Sauerstoff. Oder, ganz einfach gesagt:

Wasserstoff + Sauerstoff = Strom.

Ganz so einfach ist es in der Umsetzung dann aber doch nicht. Denn wenn ihr Wasserstoff und Luft zusammenbringt und das Ganze anzündet, kommt kein Strom heraus, sondern zunächst Wärme. Diese Wärme, oder thermische Energie, muss dann zunächst mit einer Wärmekraftmaschine in mechanische Energie umgewandelt werden. Koppelt man das dann weiter an einen Generator, entsteht Strom.

Das sind recht viele Umwege, um Strom zu erzeugen. Und viele Schritte bedeuten auch immer hohe Energieverluste. Für ein Elektrofahrzeug ist das nicht ideal. Hier kommt die Brennstoffzelle ins Spiel. Ihr Vorteil: Hier werden Wasserstoff und Sauerstoff direkt zu Strom umgewandelt, ohne Zwischenschritte. Das funktioniert durch die chemische Reaktion zwischen den beiden Stoffen.

Nerd-Alert: Der chemische Ablauf

Bevor es jedoch zur gewünschten chemischen Reaktion kommen kann, müssen Wasserstoff und Sauerstoff ganz herzlos voneinander getrennt werden. Ansonsten gibt es Knallgas.

Auftritt galvanische Zelle.

Links ist die negative Anode, hier befindet sich der Wasserstoff. Rechts ist die positive Kathode, hier ist der Sauerstoff. Diese Enden sind in ein Lösungsmittel getaucht. Damit die Stoffe sich nicht vermischen, ist dazwischen eine Membran, oder Elektrolyt. Diese lässt weder Sauerstoff-Atome noch Wasserstoffatome durch, aber – und hier wird es spannend – Protonen.

Wasserstoffatome bestehen aus einem Elektron und einem Proton. Das Elektron bleibt somit in dieser Grafik auf der linken Seite, das Proton (H+) geht durch die Membran hindurch – und trifft jetzt erst auf den Sauerstoff (O2). Hier verbinden sie sich zu Wasser: Das ist das Abfallprodukt, das in Form von Wasserdampf beim Auto aus dem Auspuff kommt.

Die Elektronen wiederum werden von der Kathode angezogen und erzeugen dadurch Strom.

Voilà Elektroantrieb durch Brennstoffzelle!

Welche Vorteile hat die Brennstoffzelle?

Die Brennstoffzelle ist eine leise und zuverlässige Form der Stromgewinnung mit einem guten Wirkungsgrad.

Diese Form des Antriebs erzeugt lokal keine Emissionen. Im Vergleich zu Lithium-Ionen-Akkus erreicht die Brennstoffzelle viel bessere Reichweiten, locker um die 500 Kilometer und mehr. Darüber hinaus können die Fahrzeuge in wenigen Minuten betankt werden. Dadurch eignet sich die Brennstoffzelle auch gut für große Fahrzeuge wie LKWs oder Busse.

Was sind die Nachteile?

Wasserstoff liegt nicht einfach so herum. Er muss gewonnen werden, im Idealfall aus Industrieabfällen. Ansonsten aber muss er hergestellt werden. Das kostet Rohstoffe und verbraucht natürlich ebenfalls Energie. Aktuell handelt es sich dabei mehrheitlich um fossile Energie. Ganz so emissionsfrei sind also auch die Brennstoffzellen-Autos nicht.

Außerdem ist die Technologie weiterhin recht teuer. Das erklärt vielleicht, warum es so wenige Modelle gibt. So sind es bisher vorwiegend japanische Hersteller, die die Entwicklung von Fahrzeugen mit Wasserstoffbrennstoffzellen vorantreiben. Als Beispiel sind hier der Toyota Mirai, der Hyundai ix35 Fuel Cel sowie der Honda Clarity zu nennen. Mercedes hat angekündigt, im kommenden Jahr einen Brennstoff-Stromer auf den Markt zu bringen.

Ein weiterer Punkt, der gegen die Brennstoffzelle spricht, ist die Infrastruktur. Eine Wasserstofftankstelle aufzustellen ist aufwendig, weshalb das Tankstellennetz noch sehr spärlich ist. In Deutschland gibt es aktuell rund 50 Wasserstoff-Tankstellen.

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