Wasserstoff-Brennstoffzelle

Die kleinste Untereinheit einer Brennstoffzelleneinheit, die einzelne Zelle, besteht aus einer Elektrolytmembran, einer negativen und einer positiven Elektrode sowie zwei Separatoren. Jede einzelne Zelle erzeugt nur eine geringe Spannung von einem Volt oder weniger. Doch die zum Betrieb eines Fahrzeugs erforderliche hohe Leistung lässt sich realisieren, indem man mehrere Hundert einzelner Zellen für eine Gesamtspannung im Reihe schaltet. Gemeinsam werden diese Zellen fachsprachlich als Brennstoffzelleneinheit (fuel cell stack) bezeichnet.

In einer Brennstoffzelle wird Elektrizität aus der chemischen Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff gewonnen. Der Wasserstoff wird zur negativen Elektrode geleitet und dort auf einem Katalysator aktiviert, wobei Elektronen freigesetzt werden. Diese Elektronen aus dem Wasserstoff wandern von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode. Es entsteht ein elektrischer Strom. Die Wasserstoffatome haben sich durch die Abgabe der Elektronen in Wasserstoffionen verwandelt, die jetzt durch die Polymer-Elektrolytmembran zur negativen Seite wandern. An der negativen Elektrode reagieren dann Sauerstoff, Wasserstoffionen und Elektronen chemisch zu Wasser.

Grundsätzlich kann eine Brennstoffzelle zwei Dinge. Wasserstoff in elektrische Energie umwandeln oder unter Zuführung von elektrischer Energie Wasserstoff zu erzeugen.

Letztere Anwendung kann beispielsweise dazu dienen, überflüssigen (Öko-)Strom nicht in Batterien speichern zu müssen, sondern aus Wasser und Sauerstoff Wasserstoff zu erzeugen. Auf diese Weise lässt sich überschüssige Energie speichern, um sie dann bei Bedarf wieder in elektrische Energie umzuwandeln. So wie es in Fahrzeugen mit Wasserstoff als Treibstoff passiert. Hier geht es natürlich nur darum, für den elektrischen Antrieb Strom aus Wasserstoff zu erzeugen – via Brennstoffzelle.

Brennstoffzelle: der Aufbau

Eine Brennstoffzelle (engl. Fuel Cell) besteht aus mehreren Zellen, die gemeinsam einen Stapel, den sogenannten Stack bilden. Aus diesem Grund ist häufig auch vom Brennstoffzellenstack die Rede. In den einzelnen Zellen des Stacks befindet sich eine Membran (meist aus Polymer-Kunststoff) und zwei seitliche Elektroden, die Anode und die Kathode. Diese sind in der Regel mit Platin beschichtet und haben eine katalytische Funktion.

Arbeitsweise der Brennstoffzelle

Um die im Wasserstoff gespeicherte Energie in elektrische Energie umzuwandeln, wird dieser über die Anode zugeführt und durch deren katalytische Funktion in Protonen und Elektronen zerlegt. Die positiv geladenen Wasserstoff-Protonen wandern dann durch eine katalytisch beschichtete Membran zur Kathode, wo sie mit dem Sauerstoff aus der Luft reagieren.

Dabei entsteht Wasserdampf, der über den ‚Auspuff’ abgeführt wird. Die aus dem zugeführten Wasserstoff abgespaltenen Elektronen wiederum liefern außerhalb des Stacks den elektrischen Strom. Auf www.incoming-mobility.com findet sich eine noch ausführlichere Beschreibung der Abläufe in der Brennstoffzelle.

Spannungsbereiche der Stacks in einer Brennstoffzelle

Je nach Lastpunkt beträgt die Einzelzellenspannung 0,6 bis 0,8 V. Die Gesamtspannung des Stacks ergibt sich demnach aus der Anzahl der Zellen, wobei hier Abweichungen in den Angaben existieren können.

Wichtige Nebenaggregate – elektrischer Turboverdichter

Ein elektrischer Turboverdichter dient dazu, den Zellen genügend Luft zuzuführen. Außerdem ist ein elektrisches Rezirkulationsgebläse vorhanden – es führt unverbrauchten Wasserstoff zurück zur Anode. Damit lässt sich die Effizienz steigern.

Da Brennstoffzellen in einem Temperaturfenster von etwa 80 °C arbeiten, ist eine Kühlmittelpumpe mit angeschlossenem Kühlsystem vorhanden. Wie die beiden anderen Nebenaggregate arbeitet die Pumpe elektrisch.

Hochvolt-System mit Brennstoffzelle

Eine Brennstoffzelle kann ein Fahrzeug nicht antreiben. Sie dient ausschließlich dazu, die im Wasserstoff vorhandene Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Zum Antrieb des Fahrzeugs wird ein Elektromotor benötigt. Somit ähnelt das System mit Brennstoffzelle des einen herkömmlichen Hochvolt-Systems, sei es nun ein Hybrid- oder ein reines Elektrofahrzeug.

Auch Brennstoffzellenfahrzeuge verfügen über eine Hochvoltbatterie. Sie kann aber deutlich kleiner ausfallen und dient als Zwischenspeicher bei der Energierückgewinnung also der Rekuperation.

Am ehesten lässt sich ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einem seriellen Hybrid vergleichen.

An Stelle des Verbrennungsmotors, der einen Generator zur Erzeugung der elektrischen Energie antreibt, übernimmt die Brennstoffzelle die Energie­­umwandlung und dies mit einem deutlich höheren Wirkungsgrad. Somit ist ein Brennstoffzellenfahrzeug also ein Vollhybrid beziehungsweise ein Plug-In-­Hybrid, sofern sich die vorhandene Hochvoltbatterie extern laden lässt.

In Betrieb erzeugt die Brennstoffzelle eine Gleichspannung. Diese Gleichspannung wird über die Leistungselektronik an die Hochvolt-Komponenten weitergeleitet, hoch- und runtergesetzt und zur Ansteuerung des Elektromotors in eine Drei-Phasen-Wechselspannung umgewandelt.

So funktioniert die Brennstoffzelle

Die Brennstoffzelle wandelt Wasserstoff in elektrische Energie um. Wasserstoff ist kein Primärkraftstoff, sondern muss erst aus Wasser per Elektrolyse erzeugt werden. Um diesen Vorgang einzuleiten ist die Zuführung von elektrischem Strom notwendig.

Bei der Elektrolyse spaltet sich das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff auf. Wenn man so will, wird in der Brennstoffzelle dieser Prozess durch eine chemische Reaktion umgekehrt. Wasserstoff wird unter Zuführung von Sauerstoff zu Wasser umgewandelt. Es lässt sich aber auch so ausdrücken: Die Brennstoffzelle wandelt die im Wasserstoff gespeicherte Energie in Elektrizität um. Als Abgas/Abfallprodukt wird Wasser(-dampf) emittiert.

Beim Umwandeln von Wasserstoff in Elektrizität und Wasser entsteht Wärme. Aus diesem Grund sind Brennstoffzellen mit einem Kühlsystem gekoppelt. Im Grunde so, wie es von Verbrennungsmotoren bekannt ist. Außerdem wissenswert: Die elektrolytische Membran in der Brennstoffzelle muss aus Funktionsgründen permanent befeuchtet werden. Dies erfolgt über die Wasser- und Sauerstoffzufuhr. Dazu wird ein Teil des Nebenprodukts Wassers wiederverwendet. Die Problematik des Kaltstarts von Brennstoffzellen bei tiefen Temperaturen haben die Hersteller inzwischen im Griff. So sollen die Zellen je nach Autobauer bis -20 °C oder gar -30 °C funktionstüchtig und startbereit sein.

Die Arbeitsweise der Brennstoffzelle in drei Schritten

Um Gleichstrom zu gewinnen, wird der Wasserstoff in der Brennstoffzelle zur Wasserstoffelektrode geleitet. Hier spalten sich die Wasserstoffatome durch elektrolytische Reaktion mit der Edelmetallbeschichtung (Platin) der Elektrode in Ionen (Protone) und Elektronen auf.

Die Elektronen gelangen aufgrund ihrer Beschaffenheit nicht durch der elektrolytische Membran. Vielmehr fließen sie als Gleichstrom über die Elektrodenschicht in einen externen Stromkreis ab. In Fahrzeugen dient dieser Strom zum Laden der Batterie und zum Antrieb der E-Maschine (in den Grafiken als Glühlampe dargestellt).

Im Gegensatz zu den Elektronen ist die elektrolytische Membran für die Inonen durchlässig, sodass diese zur Sauerstoffelektrode gelangen. Hier verbinden sie sich mit jeweils einem Sauerstoffteilchen und einem Elektron, das aus einem externen Stromkreis kommt. Durch die Anlagerung von zwei Elektronen am O2-Molekühl entsteht aus Sauerstoff Wasser (H2O).

Wasserstoff

Im Gegensatz zu Rohöl als Basis für Otto- oder Dieselkraftstoffe ist Wasserstoff nahezu unbegrenzt verfügbar. Durch Elektrolyse lässt sich Wasserstoff aus Wasser abspalten und ist somit überall dort wo Wasser vorhanden ist, produzierbar.
Bei chemischen Prozessen in der Industrie entsteht ebenfalls häufig Wasserstoff als Nebenprodukt, so dass auch in der Chemieindustrie schon Millionen Tonnen – quasi nebenbei – erzeugt werden.

Allerdings wird zur Elektrolyse und Herstellung von Wasserstoff elektrischer Strom benötigt. Wasserstoff als Energieträger ist also nur dann ökologisch sinnvoll, wenn der Strom aus regenerativen Quellen stammt. In diesem Fall lässt sich Energie im Übrigen gut speichern. Windkraftwerke müssen häufig nachts abgeschaltet werden, da sie sonst zu viel elektrische Energie erzeugen.

Mit Hilfe dieser überschüssigen Energie könnte stattdessen Wasserstoff erzeugt werden, der bei richtigem Umgang sehr gut gelagert und auch transportiert werden kann.

Wasserstoff im Fahrzeug

Wasserstoff wird gasförmig und mit ­Drücken bis zu 700 bar gelagert und auch getankt. Aus diesem Grund muss der Wasserstofftank im Fahrzeug extrem druckbeständig sein. Tritt jedoch Wasserstoff aus, ist er stark flüchtig und kann praktisch nicht explodieren. Diffusionseffekte sind ebenfalls zu vernachlässigen. Die Explosions- und Brandgefahr ist bei Benzin deutlich höher. Wasserstoff ist als weitaus sicherer einzustufen als Benzin.

Für den Fall, dass eine Leitung reißt, sorgt ein innenliegende Druckminderer für einen langsamen Austritt des Wasserstoffs, der dann mit fast unsichtbarer Flamme ohne nennenswerte Wärmestrahlung verbrennt (Quelle: H2-Mobility, www.h2-mobility.de).

Ein Wasserstofftank besteht aus einem metallischen Innenbehälter, der mit einem in Epoxidharz getränkten Karbon-Verbundstoff ummantelt ist. Dieser Mantel ist mehrere Zentimeter dick. Somit hält der Tank Drücke über 900 bar auch bei widrigen Umständen stand.