Brennstoffzelle im Detail

Elektrischer Strom aus Wasserstoff

Foto: Kilian J. Kessler

Eine Brennstoffzelle gewinnt Strom aus der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser. Dabei räumt sie einige der Nachteile der batterieelektrischen Fortbewegung aus, arbeitet aber filigran.

Die möglichst emissionsfreie Fortbewegung ist ein wichtiger Punkt auf der Agenda von Politik und Fahrzeugherstellern, der batterieelektrische Antrieb aktuell der bestimmende Weg dorthin. Die Nachteile liegen aber auf der Hand: Reichweite, Ladedauer, Preis. Batterien sind jedoch nicht die einzige Möglichkeit, um einen mobilen Elektromotor anzutreiben. Eine alternative Spielart ist die Brennstoffzelle.

Diese macht sich die enormen Energiemengen zu Nutze, die in Wasserstoff und Sauerstoff stecken. Normalerweise reagieren die beiden Stoffe in einer Explosion zu Wasser. Dabei verpufft die Energie. Um statt bloßer Wärme Strom zu gewinnen, braucht es einen kontrollierten Aufbau.

Elektronen arbeiten auf dem Weg von Elektrode zu Elektrode

Im Inneren jeder Zelle stecken zwei mit einem Katalysator beschichtete Elektroden: die negativ geladene Anode sowie die positiv geladene Kathode – dazwischen eine Membran, die nur bestimmte Teile der Reaktionspartner durchlässt. An der Anode bringt der Katalysator die Wasserstoffatome dazu, ihre Elektronen abzugeben. Diese fließen über ein Kabel zur Kathode. Als positiv geladenes Ion wandert der verbliebene Wasserstoffkern durch die Membran. An der Kathode treffen die Wasserstoffelektronen auf Sauerstoff und lagern sich an. Dadurch werden die Sauerstoffatome zu negativ geladenen Ionen. Treffen sie auf die positiven Wasserstoffionen, reagieren sie ohne Explosion, aber dennoch mit einer leichten Wärmeentwicklung zu Wasser. Auf ihrem Weg zwischen den Elektroden nehmen die Elektronen einen gewaltigen Umweg. Zunächst landen sie in einer Pufferbatterie, treiben dann den Elektromotor im Fahrzeug an und erreichen schließlich nach getaner Arbeit den Sauerstoff.

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Wasserstoff im Fokus

Jede Zelle für sich erzeugt rund ein Volt Spannung. Um ein Fahrzeug anzutreiben, ist das deutlich zu wenig. Darum werden gleich mehrere dieser Zellen in Reihe geschaltet und als sogenannte Stacks (Stapel) verbaut. Mittlerweile ist die Technik so kompakt, dass zum Beispiel beim Mercedes-Benz Sprinter die für den Antrieb nötigen Stacks samt Luftbefeuchter, Turbolader und Elektronik in denselben Bauraum wie der konventionelle Dieselmotor passen.

Vorteil Brennstoffzelle: "Laden" an der Zapfsäule

Betanken lässt sich ein Brennstoffzellen-Fahrzeug ähnlich schnell wie ein Dieselauto. Rund 700 bar Druck wirken auf die in Brennstoffzellenfahrzeugen in der Regel aus Kompositmaterial gefertigten Wasserstofftanks. Für die Ingenieure ist dies allerdings im ganzen Umfeld des Systems eines der kleinsten Probleme. Schließlich verhält sich die Brennstoffzelle im Betrieb geradezu kapriziös.

Für die chemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser müssen die Gase möglichst rein in die Brennstoffzelle gelangen. Beim getankten Wasserstoff ist das noch relativ einfach. Die angesaugte Luft muss jedoch aufwändig vorkonditioniert werden. Ein entsprechender Filter von Mahle vereint gleich mehrere Systeme in sich. Auf einer Trägerstruktur scheidet ein Partikelfilter zunächst Kochsalz ab, eine Molekularschicht hält Ammoniak ab, Aktivkohleschichten filtern Stickoxide, Kohlenwasserstoffe, Schwefeldioxid und Schwefelwasserstoff heraus, die eine Zelle teilweise irreversibel schädigen könnten. Ein Luftbefeuchter stellt wiederum sicher, dass die Luftfeuchte stets 60 Prozent beträgt, damit die Membran weder zu trocken noch zu feucht ist. Dazu darf auf keinen Fall Öl in die Zelle gelangen, was die Schmierung des elektrischen Kompressors oder Turboladers erschwert. Das Kühlmittel wiederum sollte möglichst deionisiert sein, also kaum leitfähig, um im Schadensfall keinen unerwünschten Stromfluss zuzulassen.

Aufwändiges Kühlsystem

Die Kühlung einer Brennstoffzelle ist ohnehin ein schwieriges Kapitel. Anders als beim Verbrenner sind gleich mehrere separate Kühlkreisläufe nötig. Sowohl der Stack als auch die Batterie samt Elektronik und der Elektromotor erzeugen unterschiedlich viel Wärme und brauchen daher ihren eigenen Kreislauf. Der gesamte Kühlbedarf ist also relativ hoch – etwa 50 Prozent höher als bei einem Verbrennungsmotor. Gleichzeitig ist die Temperaturdifferenz zur Außentemperatur recht gering, da die „Verbrennung“ von Wasserstoff und Sauerstoff, rein chemisch gesehen, kalt abläuft. Deshalb ist mehr Kühlmittel nötig als beim Verbrenner, und das Fahrzeug braucht größere Kühlerflächen.

Trotz der im Vergleich zum Batterie- oder Dieselantrieb aktuell noch wesentlich höheren Anschaffungskosten der Brennstoffzelle wirkt sich der Mehrpreis auf die gesamte Lebensdauer kaum aus. Wichtiger sind die Kosten für den Wasserstoff und Vorteile bei den Maut- und Emissionsregularien. Hier kann der Gesetzgeber die Brennstoffzelle schnell zur günstigen Diesel-Alternative adeln, vorausgesetzt, das Tankstellennetz für Wasserstoff hält bis dahin Schritt. Gerade im Nutzfahrzeug könnte der Wechsel vom heißen zum kalten Verbrenner dann relativ schnell vollzogen sein.

Dieser Artikel stammt aus diesem Heft
Lao 09 2018 Titel
lastauto omnibus 09 / 2018
11. August 2018
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