Brennstoffzelle

Brennstoffzellenstapel

Im Brennstoffzellenblock wird der Wasserstoff in Protonen gespalten. Der Elektronenfluss, der in der Brennstoffzelle entsteht, liefert Energie, während die Protonen mit den Sauerstoffmolekülen aus der Luft reagieren und dabei Hitze sowie Wasser erzeugen. Mit der elektrischen Energie wird im Brennstoffzellenverbund eine Spannung von 400 V aufgebaut, die über den Wechselrichter zum antreibenden Motor geführt.

Vorteile der bereits 1839 erfundenen Brennstoffzelle ist die Sauberkeit und Geräuscharmut. Gegenüber Verbrennungsmotoren sind die Brennstoffzellen kleiner und haben einen wesentlich höheren Wirkungsgrad.

 

Der Aufbau einer Wasserstoffbrennzelle

Das Herz eines Wasserstoffautos bildet eine Brennstoffzelle, in diesem Beispiel eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle - kurz PEMFC. Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle und besteht aus Elektroden (Anode und Kathode) und einer Elektrolytmembran. Die Elektrodenplatten bestehen meist aus Metall oder Kohlenstoff und sind mit einem Katalysator (Hilfsmittel für die Reaktion), wie zum Beispiel Platin beschichtet. Die Elektrolytmembran sorgt dafür, dass nur bestimmte Ionen durch sie hindurch können.

Wie treibt Wasserstoff ein Auto voran?

1. Der Wasserstoff, auch Brennstoff genannt, wird an der Anode katalytisch (mit Hilfsmitteln) zu H⁺-Ionen oxidiert, das bedeutet das H₂- Molekül wird zu H⁺-Ionen "aufgespalten" und gibt dabei Elektronen ab. Dieser Vorgang nennt sich Oxidation oder auch Elektronenabgabe.


H₂ → 2 H⁺ + 2e⁻

Die hierbei entstandenen Elektronen wandern von der Anode durch den Stromkreislauf über den Verbraucher (Elektromotor) zur Kathode. Die H⁺-Ionen wandern durch die Elektrolytmembran ("Trennwand", die nur bestimmte Ionen, in dem Fall H⁺-Ionen, durchlässt) ebenfalls zur Kathode.

2. An der Kathode wird der Sauerstoff (O₂) aus der Luft mit den Elektronen, die von der Anode kommen reduziert. Das bedeutet das O₂-Molekül wird zu O²⁻-Ionen "aufgespalten" und nimmt dabei Elektronen auf. Dieser Vorgang nennt sich Reduktion oder auch Elektronenaufnahme.

O₂ + 4e⁻ → 2 O²⁻

3. Durch die wandernden Elektronen wird eine Spannung erzeugt, die den Elektromotor antreibt.

4. Die H⁺- und die ⁻-Ionen reagieren unmittelbar zu dem harmlosen Beiprodukt Wasser (H₂O). Bei diesem Prozess wird Wärme freigesetzt.

2H⁺ + O²⁻H₂O

Vergleich mit konventionellen Verbrennungsmotoren?

Auf den ersten Blick hat ein Wasserstoffauto von der Antriebsart nichts mehr mit Verbrennungsmotoren zu tun. Schauen wir uns die Brennstoffzellen (PEMFC) genauer an, fallen Parallelen auf.

Ein "Verbrenner" bevorzugt kein Motorstarten, erst recht nicht im kalten Winter. Ähnlich scheint auf derartige Prozesse die PEMFC zu reagieren, auch wenn sie die robusteste Form der Brennstoffzellen aktuell auf dem Markt zu sein scheint.

Während einer Autofahrt wäre es dem Verbrennungsmotor am liebsten, wenn immer - sehr ähnlich wie bei einem Blockheizkraftwerk - mit gleichbleibender Drehzahl gefahren werden würde. Das Herauf- und Herunterfahren von Energiegewinnung bevorzugt der Brennstoffzellenblock auch nicht, weswegen die Autohersteller über einen Zwischenspeicher, einem Akkumodulator, einen Teil der Beschleunigungsenergie beiliefern. Die genannten Einflüsse haben, meines Wissens, ähnliche Einflüsse wie Kurz- und Langstrecken bei den konventionellen Autos.

Vorteile der bereits 1839 erfundenen Brennstoffzelle ist die Sauberkeit und Geräuscharmut. Gegenüber Verbrennungsmotoren sind die Brennstoffzellen kleiner und haben einen wesentlich höheren Wirkungsgrad.

Wasser gefriert bei 0° C. Dies geschieht auch bei dem auf den Brennstoffzellenmembranen haftende Wasser, was die Membranen schädigen würde. Aus dem Grunde pustet beim Hyundai ix35 FC ein Ventilator die Brennstoffzellen ab 4° C und darunter frei. Beim Hyundai Nexo nimmt der Ventilator bereits ab 15° C seine Arbeit auf. Dies bietet gerade bei längerem Fahrzeugabstellen in der Übergangszeit mehr Sicherheit gegen eingefrorene Membranen.