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Kurz erklärt Was ist eine Brennstoffzelle?

| Autor: Thomas Günnel

Brennstoffzellen sind eine Alternative zur batterieelektrischen Mobilität, vor allem für lange Strecken. Welche Rolle spielt hierbei Wasserstoff? Wie funktioniert die Technik im Detail?

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Elektromobilität anders gedacht: Brennstoffzellen nutzen eine elektrochemische Reaktion aus Wasserstoff und Sauerstoff – und liefern so elektrischen Strom. Im Bild: Schnittmodell eines Hyundai Nexo mit Wasserstoff-Brennstoffzellenantrieb.
Elektromobilität anders gedacht: Brennstoffzellen nutzen eine elektrochemische Reaktion aus Wasserstoff und Sauerstoff – und liefern so elektrischen Strom. Im Bild: Schnittmodell eines Hyundai Nexo mit Wasserstoff-Brennstoffzellenantrieb.
(Bild: Virtual Surgery/Hyundai)

Elektrische Fahrzeuge eignen sich nur bedingt für lange Strecken, zu gering ist noch die Energiedichte ihrer Akkus, zu hoch sind die Ladezeiten. Eine Alternative ist die Brennstoffzelle; konkret die Wasserstoff-Brennstoffzelle. Sie nutzt Wasserstoff als Brennstoff – eine elektrochemische Reaktion liefert den elektrischen Strom für die E-Motoren des Fahrzeugs.

Der Kern der Brennstoffzelle ist die Membran. Sie trennt als Elektrolyt den Wasserstoff vom Sauerstoff und ist durchlässig für Protonen. In automobilen Anwendungen hat sich die „Protonen-Austausch-Membran“ (PEM, Polymer Electrolyt Membrane) durchgesetzt. Gründe dafür sind die hohe Leistungsdichte, ein hoher Wirkungsgrad und ihre Arbeitstemperatur von rund 80 Grad Celsius.

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Auf ihren beiden Seiten hat die Membran zwei Elektroden: Kathode und Anode. Außerdem je eine Bipolarplatte mit Gaskanälen für Wasserstoff und Sauerstoff. Dieses System ist die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA, Membrane Electrode Assembly). In einem Brennstoffzellen-Fahrzeug sind zwischen 300 und 400 MEAs verbaut.

Edelmetall als Katalysator

Die Elektroden der Membrane sind mit einem Katalysator beschichtet, meist Platin. In der als „kalte Verbrennung“ bezeichneten elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff entstehen zunächst Wärme und Wasser. Die elektrische Energie resultiert aus der sogenannten Potenzialdifferenz zwischen den Elektroden, die während der Reaktion erzeugt wird – diese lässt sich in elektrische Energie umwandeln. Ein Quadratzentimeter der Membran kann rund ein Watt Energie liefern. Das Platin ermöglicht als Katalysator die Reaktion der beiden Gase.

Heutige Brennstoffzellen benötigen deutlich weniger des Edelmetalls, verglichen mit den ersten Brennstoffzellen-Generationen: etwa 0,3 g Platin pro Kilowatt elektrischer Leistung. Das Ziel ist, eine ähnliche Größenordnung wie bei Abgaskatalysatoren zu erreichen – derzeit sind das bei einem Diesel-Pkw mit Abgasreinigung circa 0,1 g Platin pro Kilowatt Motorleistung.

Der Energieträger Wasserstoff

Der für die Reaktion notwendige Wasserstoff lagert in Fahrzeugen in etwa fünf Liter großen Drucktanks. Bei rund 700 Bar lässt sich in den zylinderförmigen Tanks so viel des Brennstoffes speichern, um damit ein Mittelklasseauto für rund 500 Kilometer mit Strom zu versorgen. Der Druck ist notwendig, um ausreichende Energiemengen speichern zu können, pro Kilogramm stecken 33,3 Kilowattstunden im Wasserstoff. Das Betanken dauert nur wenige Minuten und funktioniert ähnlich der Zapfpistole bei Fahrzeugen mit fossilen Kraftstoffen. Derzeit gibt es in Deutschland 82 öffentliche Wasserstoff-Tankstellen.

Herausfordernd: Die Produktion

Herausfordernd ist derzeit noch die Produktion der Brennstoffzelle, vor allem der Membran, in für die Großserie tauglichen Mengen. Hier forschen aber mehrere Institute und Industrieunternehmen an geeigneten Konzepten – vor allem, weil die teure Produktion der Brennstoffzelle ihre Industrialisierung bremst – und damit auch den Ausbau der Tankstellen-Infrastruktur.

Typen von Brennstoffzellen

Grundsätzlich ist jede Brennstoffzelle eine so genannte galvanische Zelle, in der ein Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) und ein Oxidationsmittel (zum Beispiel Sauerstoff) miteinander reagieren. Ihre Reaktionsenergie lässt sich in elektrische Energie wandeln. Andere mögliche Brennstoffe sind zum Beispiel:

  • Erdgas,
  • Methan,
  • Butan.

Alternative Oxidationsmittel können zum Beispiel Chlor oder Salpetersäure sein. Je nach ihrer Arbeitstemperatur werden die Zellen unterschieden in Niedertemperatur-Brennstoffzellen und Hochtemperatur-Brennstoffzellen – das Temperaturfenster reicht dabei von zehn Grad Celsius bis hin zu 1.000 Grad Celsius bei Festoxid-Brennstoffzellen.

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Über den Autor

 Thomas Günnel

Thomas Günnel

Redakteur/Fachjournalist, Redaktion AUTOMOBIL INDUSTRIE