Die Brennstoffzelle

Elektromotoren haben einen deutlich besseren Wirkungsgrad als Verbrennungsmotoren und erzeugen weniger Geräusche- und annähernd keine gefährlichen Abgase. Natürlich hinterlassen die Herstellung von Elektrofahrzeugen, von Batterien und vor allem die Stromerzeugung (je nach Art) ökologische Fußabdrücke. Hier müssen weiterhin Lösungen gefunden werden, ohne an dieser Stelle näher auf die Thematik einzugehen.

Es ist nicht nur denkbar, sondern sehr wahrscheinlich, dass in einigen Jahren fast ausschließlich elektrisch getriebene Fahrzeuge auf den Straßen – zumal im urbanen Umfeld – unterwegs sind.

Eine technische Hürde ist nach wie vor die Speicherung der Energie. Momentan am Markt befindliche Elektrofahrzeuge erreichen unter optimalen Bedingungen Reichweiten bis zu 500 km. In der Realität und im realistischen Fahrbetrieb sieht es oftmals anders aus. Ein Ladevorgang kann darüber hinaus bis zu mehrere Stunden dauern. Die Ladeinfrastruktur muss weiter ausgebaut, der Ladevorgang muss vereinheitlicht werden.

Die Brennstoffzelle ist hier eine hochinteressante Alternative, fährt man doch elektrisch, tankt aber ‚klassisch‘.

Brennstoffzellenblock des Toyota Mirai. Der Verkauf des weltweit ersten in Serie gebauten Brennstoffzellenfahrzeugs begann am 15. Dezember 2014 in Japan. Bild: Georg Blenk

Wasserstoff lässt sich ähnlich wie Benzin tanken. Er wird gasförmig mit bis zu 700 bar Druck zugeführt. In Deutschland existierten 2017 rund 40 Wasserstofftankstellen – nicht alle sind öffentlich zugänglich oder gerade in Betrieb. Bild: Hyundai

Ein Brennstoffzellen-Fahrzeug erzeugt die elektrische Energie zum Antrieb des Elektromotors mit Hilfe einer galvanischen Zelle. Sie wandelt die chemische Reaktionsenergie des zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie um. Die Brennstoffzelle benötigt zum Beispiel Wasserstoff. Er kann ähnlich wie herkömmlicher Kraftstoff in wenigen Minuten nachgetankt werden.

Somit erübrigt sich das Speicherproblem, da die Energie nicht in einer großen Hochvolt-Batterie sondern in Wasserstofftanks gespeichert wird. Im weiteren Verlauf soll auf die Funktion der Brennstoffzelle und den Aufbau des Hochvolt-­Systems mit Brennstoffzelle eingegangen werden.

Der Aufbau einer Brennstoffzelle

Brennstoffzellen sind in der Lage, aus Sauerstoff und Wasserstoff elektrische Energie zu erzeugen. Der Sauerstoff wird der Umgebungsluft entnommen, Wasserstoff wird der Zelle zugeführt. Als Verbrennungsprodukt entsteht Wasser beziehungsweise Wasserdampf. Somit sind die Emissionen frei von jeglichen Kohlenstoffverbindungen (HC, CO, CO2).

Grundsätzlich besteht eine Brennstoffzelle aus einer Anode, einer Kathode und einem Elektrolyten. Anode und Kathode sind mit einem Katalysator versehen. Der Katalysator besteht häufig aus einer Platinschicht, ein Grund dafür, warum Brennstoffzellen (noch) so kostspielig sind. Der Elektrolyt ist ausschließlich für Ionen durchlässig.

Gase können ihn nicht durchdringen. Als Elektrolyt werden sowohl Feststoffmembrane als auch Flüssigkeiten verwendet. Die verschiedenen Elektrolyte unterscheiden sich im Wesentlichen in der Betriebstemperatur.

Die Funktion einer Brennstoffzelle

Wasserstoff strömt auf die Anode und oxidiert dort mit Hilfe des Katalysators. Es entstehen Wasserstoff-Ionen und freie Elektronen. Die Ionen ‚wandern‘ in den Elektrolyten. Die Elektronen fließen über die Anode zur Kathode (sofern ein geschlossener Stromkreis vorliegt). Die Kathode wird von der Umgebungsluft umströmt. Hier reagieren nun vorhandene Sauerstoffmoleküle mit den Elektronen an der Kathode. Es entstehen Anionen, also negativ geladene Ionen. Diese wiederum verbinden sich mit den Wasserstoff-Ionen. Es entsteht Wasser beziehungsweise Wasserdampf.

Brennstoffzellen erreichen Wirkungsgrade zwischen 60 und 70 Prozent. Der Rest wird in Wärme umgewandelt. Somit ist der Wirkungsgrad in Kombination mit einem Elektromotor deutlich höher, als bei einem Antrieb mit Verbrennungsmotor (Hier liegt der Wirkungsgrad (Otto- und Dieselmotor) zwischen 35 und 40 Prozent).

Theoretisch erzeugt eine mit Wasserstoff versorgte Brennstoffzelle eine Spannung von 1,23 V (bei 25 °C). In der Realität wird die Spannung immer etwas niedriger sein und liegt zwischen 0,5 V und 1 V. Aus diesem Grund werden die Zellen genauso wie Batteriezellen in Reihe geschaltet. Die Reihenschaltung der Zellen nennt man Stack. Ein Brennstoffzellenblock kann aus einem oder auch aus mehreren Stacks bestehen.

Beim Hyundai ix35 Fuel-Cell besteht der Brennstoffzellenblock aus 433 Brennstoffzellen, die insgesamt eine Spannung von bis zu 450 V erzeugen können.

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.

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.

Fazit

Wasserstoff gilt als Energieträger der Zukunft. Die Vorteile von Wasserstoff in Verbindung mit einer Brennstoffzelle liegen auf der Hand. Der Einsatz von schweren, aufwendig produzierten und teuren Batterien fällt weg.

Auch die Verwendung von Wasserstoff als Kraftstoff bei Verbrennungsmotoren gilt als Option. Der Hydrogen 7 (auf Basis des BMW 7er (E68) mit 12-Zylinder-Maschine ist nur ein Beispiel. Dabei werden ebenfalls weitaus weniger schädliche Abgase frei als bei klassischen Otto- oder Dieselmotoren.

Ein weiterer Vorteil: Wasserstoff ist nahezu unbegrenzt verfügbar, er lässt sich quasi überall mit Hilfe regenerativer Energien (Wasser, Wind, Sonne) durch Elektrolyse herstellen und kann über weite Strecken transportiert werden. Und sollte tatsächlich einmal ein Wasserstofftanker havarieren, besteht nicht die Gefahr des Austritts von Millionen Tonnen von Rohöl.