Vorne die Welt, hinten nur Wasserdampf

Fast jedes Wasserstoff-Auto fährt mit einer Brennstoffzelle. Wie das genau funktioniert, und wie eine Brennstoffzelle aufgebaut ist, erklären wir hier.

Fahren mit Brennstoffzelle

Brennstoffzellensysteme sind Energiewandler. Im Gegensatz zum Verbrennungsmotor, der auf einem thermodynamischen Prinzip basiert, also Wärme in Bewegung umsetzt, wandelt die Brennstoffzelle den Kraftstoff Wasserstoff direkt in elektrische Energie um, mit der dann ein Elektromotor betrieben werden kann.

Alle Brennstoffzellen-Fahrzeuge sind somit Elektrofahrzeuge – und höchst effizient: Sie weisen weit weniger Energieverluste auf als konventionelle Motoren und haben heute schon einen doppelt so hohen Wirkungsgrad wie Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. Ein Brennstoffzellenfahrzeug, das mit Wasserstoff betrieben wird, fährt außerdem lokal emissionsfrei, denn durch die kontrollierte Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff entstehen außer Strom lediglich Wärme und Wasser.

Das Prinzip der Brennstoffzelle

Das Prinzip einer Brennstoffzelle ähnelt dem eines Sandwichs:

Die Außenhülle bilden zwei Bipolarplatten aus Metall, die als Anode und Kathode dienen. Sie sind mit feinen Kanälen durchzogen, um den Sauerstoff und Wasserstoff im gasförmigen Zustand gleichmäßig in der Zelle zu verteilen.

Dazwischen befindet sich eine Protonen-Austausch-Membran (Proton Exchange Membran, PEM). Sie ist undurchlässig für den Sauerstoff, aber durchlässig für Wasserstoff-Protonen. Auf diese Membran ist beidseitig eine Katalysatorschicht aus Platin und Kohlenstoff aufgetragen. Dann folgt ebenfalls auf beiden Seiten eine Gasdiffusionsschicht (Gas Diffusion Layer, GDL), die für eine gleichmäßige Verteilung des gleichförmigen Wasserstoffs und Sauerstoffs auf der Oberfläche der Zelle sorgt. Die feinen Wasserkanäle in den Bipolarplatten dienen zur Kühlung.

Wasserstoff und Luft liefern den Zellen die Zutaten für eine kontinuierlich ablaufende Reaktion, die das Fahrzeug mit Energie versorgt. An der Anode wird der Wasserstoff zugeführt, an der Kathode die komprimierte Luft zur Sauerstoffversorgung. Von der Katalysatorschicht aus Platin und Kohlenstoff angeregt, oxidiert der Wasserstoff zu Wasserstoff-Protonen und Elektronen. Die Wasserstoff-Protonen wandern durch die Membran und reagieren mit dem Sauerstoff unter Elektronenaufnahme zu Wasser, die negativ geladenen Elektronen des Wasserstoffs wandern von der Anode zur Kathode und erzeugen dabei Gleichstrom. Diese Reaktion findet bei ca. 80 °C statt. Deshalb spricht man auch von einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle oder einer „kalten Verbrennung“.

Komponenten des Brennstoffzellen-Antriebsstrangs

Der Brennstoffzellen-Antriebsstrang von Wasserstoffautos ist modular aufgebaut. Durch dieses Prinzip können unterschiedliche Anordnungskonzepte im Fahrzeug umgesetzt und die Bauräume unterschiedlicher Fahrzeugmodelle berücksichtigt werden.

Die fünf Schlüsselkomponenten sind folgende:

  • Brennstoffzellen-Stack
  • System-Module
  • Wasserstofftanks
  • Batterie
  • und der Elektromotor

Der Brennstoffzellen-Stack

Der Brennstoffzellen-Stack bildet das Herzstück des Antriebssystems. Er ist ein hocheffizienter Energiewandler, der den benötigten Fahrstrom für den Betrieb des Elektromotors produziert. Da eine einzelne Brennstoffzelle nur rund zwei Millimeter dick ist und eine vergleichsweise geringe Spannung von weniger als einem Volt erzeugt, schaltet man mehrere hundert solcher Zellen zu einem so genannten Stack, also Stapel, hintereinander. In jeder einzelnen Brennstoffzelle reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff aus der Umgebungsluft und produziert so elektrischen Strom, der dann den Elektromotor speist. Mit der damit erreichten Systemspannung von über 200 Volt kann ein Fahrzeug angetrieben werden.

Die Brennstoffzellensystem-Module

Die Komponenten, die die Brennstoffzelle umgeben, bilden das Brennstoffzellensystem. Dieses regelt die Bedingungen für die Brennstoffzelle. Je nach Fahrbetrieb stellt es sicher, dass zum richtigen Zeitpunkt genügend Wasserstoff und Sauerstoff zur Verfügung stehen und mit dem passenden Druck zugeführt werden.

Außerdem werden mit seiner Hilfe die überschüssige Wärme über den Kühlkreislauf sowie der Wasserdampf aus dem Fahrzeug abgeführt.

Die Wasserstofftanks

In den Wasserstofftanks wird gasförmiger Wasserstoff mit bis zu 700 bar Druck gespeichert. Dafür werden meist Druckspeichertanks aus mehreren Schichten verwendet. Diese bestehen aus einer korrosionsbeständigen Metall- oder Kompositmaterial-Innenhülle sowie aus einer äußeren stabilitätsgebenden Schicht aus Glasfasern, Kohlefasern oder einer Glas-Kohlefaser-Kombination. Die Fasern werden in mehreren Schichten um die Innenhülle gewickelt und mit Harzen verklebt. Die Befüllung erfolgt an Wasserstoff-Tankstellen – ein Vorgang, der sich nicht wesentlich vom heutigen Tanken mit Benzin und Diesel unterscheidet.

Die Batterie

Fast alle bisherigen Brennstoffzellen-Fahrzeuge verfügen über eine Batterie, die sowohl die Dynamik des gesamten Antriebs unterstützt als auch den Gesamtwirkungsgrad durch die Rückgewinnung der Bremsenergie verbessert. In den aktuellen Fahrzeugen kommen moderne Lithium-Ionen-Akkus zum Einsatz. Sie sind der Schlüssel für die konsequente Elektrifizierung des Autos.

Die Lithium-Ionen-Batterie dient der Speicherung der elektrischen Energie aus dem Brennstoffzellensystem und aus zurückgewonnener Bewegungsenergie (Rekuperation). Außerdem unterstützt sie das Fahrzeug beim Beschleunigen. Die Vorteile der Lithium-Ionen-Batterie liegen in ihren kompakten Abmessungen, kombiniert mit einer deutlich höheren Leistungsfähigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Batterien. Weitere Vorteile sind die kurzen Ladezeiten und die lange Lebensdauer; zudem ist sie unfallsicher, recyclingfähig und arbeitet klimaunabhängig absolut zuverlässig.

Eine unter Großserienbedingungen kostengünstige Produktion dieser Batterien ist die Voraussetzung für eine breite Anwendung im Automobilbereich.

Der E-Motor

Die grundlegenden Eigenschaften eines Elektromotors – hoher Wirkungsgrad und volles Drehmoment von Drehzahl null an – wirken sich positiv auf die Fahrzeugdynamik und den Gesamtwirkungsgrad eines Brennstoffzellenfahrzeuges aus und machen ein klassisches Getriebe überflüssig. Der Elektromotor bezieht seine Energie aus dem Brennstoffzellen-Stack und der Batterie.

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