Wie funktioniert die Brennstoffzelle?

Die Brennstoffzelle gilt in der Elektromobilität neben der Batterie als weitere Möglichkeit, Energie für den Elektroantrieb zu speichern. Im Gegensatz zur Batteriespeicher wird das Fahrzeug dabei nicht mit elektrischer Energie betankt, sondern mit Wasserstoff. Das wiederum führt oft zu einem Missverständnis darüber, wie die Brennstoffzelle funktioniert – mit einer mutmaßlichen Verbrennung hat die Brennstoffzelle nämlich wenig zu tun.

Die Treibstoffe

Beim für gewöhnlich in Autos eingesetzten Brennstoffzellenantrieb gibt es grundsätzlich zwei Elemente, die miteinander in der Brennstoffzelle reagieren – die genannten Elemente Wasserstoff und Sauerstoff. Bei der Reaktion dieser beiden Stoffe entsteht Wasser.

Der besondere Charme des Brennstoffzellenantriebes ist, dass ein Teil der Reaktion nicht mitgeführt werden muss, nämlich der Sauerstoff. Der befindet sich nämlich in ausreichender Konzentration in der normalen Luft und kann während des Einsatzes des Brennstoffzellenantriebes von dort entnommen werden. Ein weiterer Vorteil sind die „Abfälle“ des Brennstoffzellenantriebes, denn diese sind ganz normales Wasser als Endprodukt der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff.

Ein Fahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb muss also nur den Wasserstoff mitführen, der unter hohem Druck in flüssiger Form an einer Wasserstofftankstelle getankt und in einem Vorratstank im Auto gelagert wird.

Knallgasexplosion versus Reaktion in der Brennstoffzelle

Nun weiß jeder, der im Chemieunterricht gut aufgepasst hat, dass Wasserstoff und Sauerstoff miteinander sehr intensiv und anschaulich reagieren, nämlich mit einer Knallgasexplosion. Diese Knallgasexplosion ist das Ergebnis der Freisetzung der überschüssigen Reaktionsenergie. Genau diese Reaktionsenergie führt zu einem häufigen Missverständnis, in dem geglaubt wird, dass diese Explosion an sich die Antriebsenergie darstellt, ähnlich wie in einem Verbrennungsmotor. Das ist allerdings nicht so.

Schematische Reaktion in einer BrennstoffzelleTatsächlich findet zwar in einer Brennstoffzelle ebenfalls eine Reaktion statt, allerdings keine Knallgasexplosion. Die Skizze rechts verdeutlicht die Reaktion in drei Schaubildern:

  1. Mit elektrischem Strom werden in der Brennstoffzelle an einer positiv geladenen Anode den Wasserstoffatomen (die paarweise als Wasserstoffmolekül vorhanden sind) zunächst deren einziges Elektron entzogen – das Wasserstoffatom besteht danach nur noch aus dem positiv geladenen Proton. Getrennt voneinander fließen dann das negativ geladene Elektron zum Verbraucher und das positiv geladene Wasserstoffproton über die Elektrolysemembran (die als Trenner zwischen den Reaktionsbereichen von Anode und Kathode fungiert) in Richtung Kathode.
  2. Nachdem die Elektronen den elektrischen Verbraucher passiert haben und dort ihr elektrisches Potential abgegeben haben, fließen sie zur Kathode der Brennstoffzelle. Dort reagieren sie mit Sauerstoffatomen, die ebenfalls an die Kathode geleitet werden (und ebenfalls paarweise als ein stabiles Sauerstoffmolekül existieren). Der Elektronenüberschuss an der Kathode bewirkt, dass die Elektronen mit den Sauerstoffmolekülen reagieren: Das Sauerstoffmolekül trennt sich in zwei Sauerstoffatome, die jeweils ein zusätzliches Elektron erhalten; das Sauerstoffatom wird durch das zusätzliche Elektron negativ geladen und ist somit ein Sauerstoff-Anion.
  3. In der nun folgenden Reaktion zwischen dem in der Zwischenzeit durch die Elektrolytmembran gewanderte, positiv geladenen Wasserstoffproton und zwei negativ geladenen Sauerstoff-Anionen entsteht nun ein elektrisch wieder ausgeglichenes Wassermolekül, bestehend aus einem Wasserstoffatom und zwei Sauerstoffatomen. Das Reaktionsergebnis ist also so, wie bei einer Knallgasexplosion, nur verläuft die Reaktion in der Brennstoffzelle langsamer und kontrollierbarer.

Das bedeutet in Sachen Sicherheit: So lange die Brennstoffzelle intakt und so lange der Wasserstoffvorrat im Fahrzeug dicht ist, ist der Brennstoffzellenantrieb auch soweit beherrschbar. Und da es in einer Brennstoffzelle auch nicht zu einer Explosion kommt, sind Brennstoffzellen auch ausgesprochen leise.

Energie durch Verbrennungsmotoren und durch Brennstoffzellen

Bei herkömmlichen Autos mit Verbrennungsmotoren finden insgesamt drei Energieumwandlungen statt: In den Brennkammern gezündeter Kraftstoff treibt eine Wärmekraftmaschine an. Das heißt, dass aus der chemischen Energie durch die Verbrennung thermische Energie entsteht, die wiederum in mechanische Arbeit gewandelt wird. Diese wiederum treibt dann entweder das Auto direkt an oder – wenn das Auto elektrisch angetrieben wird, einen Generator zur Stromerzeugung.

Das Problem bei diesem herkömmlichen Antrieb ist, dass er durch die Energieumwandlungen verhältnismäßig ineffizient ist – der Wirkungsgrad beträgt gerade einmal bis zu 40 % bei Otto- und 50 % bei Dieselmotoren. Der Rest der freigewordenen Energie bleibt ungenutzt, größtenteils in Form von Abwärme.

Die Brennstoffzelle geht keine Umwege, sondern erzeugt direkt aus der chemischen Energie elektrische Energie, die dann beim Übergang der Elektronen von der Anode zur Kathode zur Verfügung steht und zum Beispiel einen Elektromotor antreiben kann. Je nach Aufbau der Brennstoffzelle lassen sich so Wirkungsgrade von 40 bis 60 % erzielen.

Um so nochmal auf die Eingangsfrage zurückzukommen: Die Brennstoffzelle ist „sehr elektrisch“, weil sie den für Elektromotoren benötigten Strom direkt selbst erzeugt und keinen nachgeschalteten Generator wie bei einem Verbrennungsmotor braucht.

Der Vorteil der Brennstoffzelle gegenüber dem Batteriespeicher

Zum einen: Fahrzeuge mit Brennstoffzelle haben ebenfalls eine Batterie an Bord. Im Gegensatz zu Elektroautos mit reinem Batteriespeicher wird die Batterie in einem Brennstofzellenfahrzeug während der Fahrt nicht nur via Rekuperation geladen, sondern auch und vor allem durch die Brennstoffzelle.

Wasserstoff als mitzuführender Treibstoff hat wiederum den Vorteil, dass er erheblich schneller getankt ist, als eine Batterie an einer Steckdose aufgeladen; prinzipiell dauert eine Wasserstoff-Betankung aufgrund der notwendigen Gasdichtigkeit der Tankverbindung nur kurzfristig länger, als eine normale Benzinbetankung eines herkömmlichen Autos.

Der Wasserstoff selbst wiederum lässt sich durch Elektrolyse aus normalem Wasser durchaus auch vor Ort an einer Wasserstofftankstelle produzieren und zwischenspeichern, da zur Elektrolyse neben Wasser nur noch Elektrizität notwendig ist. Wird dieser Strom auch noch umweltfreundlich produziert, wirkt sich dies direkt positiv auf den Wirkungsgrad des Brennstoffzellenantriebs aus.

Zudem wäre eine groß angelegte Wasserstoffproduktion auch ein ideales Mittel, um ein spezielles Problem der Energiewende zu lösen, nämlich die schwankende Stromerzeugungsquote bei der Produktion von Wind- und Solarstrom bei entsprechend wind- bzw. sonnenscheinstarken Witterungen. Tagsüber ließe sich so überschüssiger Solarstrom dazu nutzen, emissionsarm Wasserstoff zu produzieren, der im großen Stil einfacher und effizienter gespeichert werden kann, als Strom.

5 Gedanken zu “Wie funktioniert die Brennstoffzelle?

  1. Ich bin der Meinung, dass die Methode, sein eigenes „Kraftwerk“ vor Ort zu haben die beste Lösung in Bezug auf Elektromobilität ist. Noch dazu, wenn die Emission dieses Kraftwerks nur Wasserdampf ist. Leider ist die Herstellung von Wasserstoff sehr aufwändig. Hast Du hierzu mehr Infos?

    • Elektrolyseure gibt es durchaus, in vielen Chemielaboren stehen entsprechende Geräte, um vor Ort Wasserstoff und/oder Sauerstoff zu produzieren. Es gibt auch Gerätschaften zum Experimentieren, die kosten ca. 200 – 300 Euro, sind aber nicht ganz ungefährlich, weil Wasserstoff mit Sauerstoff nun mal ereignisreich reagieren kann. Ob sich ein Elektrolyseur als lokales Kraftwerk bzw. als Energiespeicher lohnt, ist fraglich. Der Aufwand, selbsterzeugten Strom so zu speichern, anstatt schlicht ins Netz einzuspeisen, dürfte gewaltig höher sein, zumal man dann auch noch bedeutende Mengen an Wasserstoff zu Hause speichern müsste. Wollte ich jetzt eher nicht, wenn sich das vermeiden ließe ..

      Denkbar wäre aber, dass eben eine lokale Wasserstofftankstelle eben nur regenerative Energie zur dann größeren Elektrolyse verwendet. Das ließe dann auch Raum für kommunale oder genossenschaftliche Wasserstoffproduktion und wäre allemal eine ernsthafte Konkurrenz gegen die großen Energiekonzerne.

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