Definition Wie funktioniert eine Wasserstoff-Brennstoffzelle?

Von Thomas Günnel

Wasserstoff-Brennstoffzellen sind eine Alternative zur batterieelektrischen Mobilität. Wie sind sie aufgebaut, wie funktioniert die Technik?

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Aufbau und Funktionisweise einer Wasserstoff-Brennstoffzelle.
Aufbau und Funktionisweise einer Wasserstoff-Brennstoffzelle.
(Bild: Daimler)

Brennstoffzellenfahrzeuge beziehen fast ihren gesamten Fahrstrom aus einer Brennstoffzelle. In der Automobilindustrie ist die Wasserstoff-Brennstoffzelle etabliert. Sie nutzt dabei Wasserstoff als Brennstoff – in einer elektrochemischen Reaktion wird er in elektrischen Strom gewandelt. Der Kern der Brennstoffzelle ist die Membran. Sie trennt als sogenannter Elektrolyt Sauerstoff und Wasserstoff voneinander. Die Membran besteht aus einer dünnen Folie und ist beschichtet mit einer dünnen Katalysatorschicht und gasdurchlässigen Elektroden: der Anode und der Kathode. Die Membran ist eingefasst von zwei Bipolarplatten mit eingefrästen Gaskanälen.

So funktioniert die Wasserstoff-Brennstoffzelle

Durch die Gaskanäle strömen die Reaktionsgase zur Katalysatorschicht: Sauerstoff auf der Anodenseite und Wasserstoff auf der Kathodenseite. Dabei wird der Wasserstoff vom Katalysator gespalten in Protonen und Elektronen. Die Protonen können die Membran durchdringen und zur Anode strömen, die Elektronen jedoch nicht – in der Folge baut sich zwischen den Elektroden eine Spannung auf. Werden beide Elektroden verbunden fließt Gleichstrom. Die Wasserstoffprotonen gelangen durch die Membran zur Kathode. Dort reagieren sie mit dem zugeführten Sauerstoff zu Wasser. In der als „kalte Verbrennung“ bezeichneten elektrochemischen Reaktion entsteht außerdem nur noch Wärme.

Aufbau und Funktionisweise einer Wasserstoff-Brennstoffzelle.
Aufbau und Funktionisweise einer Wasserstoff-Brennstoffzelle.
(Bild: Daimler)

Die Membran mit den Elektroden bildet die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA, Membrane Electrode Assembly). Membran, Elektroden und die Bipolarplatten bildet die Brennstoffzelle. Mehrere dieser Brennstoffzellen ergeben den Brennstoffzellen-Stack. In automobilen Anwendungen hat sich die „Protonen-Austausch-Membran“ (PEM, Polymer Electrolyt Membrane) durchgesetzt. Ein Quadratzentimeter der Membran kann rund ein Watt Energie liefern. Der Wirkungsgrad von Wasserstoff-Brennstoffzellen liegt bei über 60 Prozent.

In einem Brennstoffzellen-Fahrzeug sind zwischen 300 und 400 Membran-Elektroden-Einheiten verbaut. Als Katalysatormaterial auf der Membran dient meist Platin. In aktuellen Brennstoffzellen sind etwa 0,3 g Platin pro Kilowatt elektrischer Leistung notwendig. Zum Vergleich: Im Abgasreinigungssystem eines heutigen Diesel-Pkws befinden sich circa 0,1 g Platin pro Kilowatt Motorleistung.

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Der Energieträger Wasserstoff

Der für die Reaktion notwendige Wasserstoff hat einen Energiegehalt von 33,3 Kilowattstunden pro Kilogramm. In den bislang wenigen verfügbaren Brennstoffzellenfahrzeugen lagert wer in meist etwa fünf Liter großen, zylinderförmigen Drucktanks bei rund 700 Bar. Das reicht für etwa 500 Kilometer elektrische Reichweite. Der Druck ist notwendig, um ausreichende Energiemengen speichern zu können. Das Betanken dauert nur wenige Minuten und funktioniert ähnlich der Zapfpistole bei Fahrzeugen mit fossilen Kraftstoffen. Das aktuelle Netz für Wasserstoff-Tankstellen in Deutschland ist auf H2 Live hinterlegt.

Die Funktionsweise von Brennstoffzelle und Elektrolyse in einer Animation

Weitere 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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