So funktioniert die Brennstoffzelle

Wasserstoff tanken, elektrisch fahren

Foto: Toyota

Toyota Mirai, Hyundai Nexo, Mercedes GLC: Die ersten Brennstoffzellenautos sind auf dem Markt. firmenauto erklärt, wie die Technik funktioniert.

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 von Elektroautos 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. Derzeit gibt es in Deutschland allerdings nur zwei Modelle zu kaufen: Toyota Mirai und Hyundai Nexo. Ende 2018 bringt Mercedes den GLC F-Cell auf die Straße.

Die Brennstoffzelle 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.

Toyota Mirai Firmenauto Fuel Cell Tour Brennstoffzelle Foto: bob
Toyota gilt ja als Vorreiter in Sachen Brennstoffzelle. Mit dem Mirai ist firmenauto bereits quer durch Skandinavien gefahren. Doch im Moment bieten die Japaner nur ein Serienmodell an...

Elektronen arbeiten auf dem Weg von Elektrode zu Elektrode

In einer Brennstoffzelle wird Elektrizität aus der chemischen Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff gewonnen. Die kleinste Untereinheit einer Brennstoffzellen-Einheit, die einzelne Zelle, besteht aus einer Elektrolyt-Membran, einer negativen und einer positiven Elektrode sowie zwei Separatoren. Der Wasserstoff wird zur negativen Elektrode geleitet und dort auf einem Katalysator aktiviert, wobei Elektronen freigesetzt werden. Diese wandern von der negativen zur positiven Elektrode – ein elektrischer Strom entsteht. Die Wasserstoff-Atome haben sich durch die Abgabe der Elektronen in Wasserstoff-Ionen verwandelt, die jetzt durch die Polymer-Elektrolyt-Membran zur negativen Seite wandern. An der negativen Elektrode reagieren dann Sauerstoff, Wasserstoff-Ionen und Elektronen chemisch zur einzigen Emission: Wasser.

Jede einzelne Zelle erzeugt nur eine geringe Spannung von einem Volt oder weniger. Die Brennstoffzelle eines Autos besteht aus hunderten solcher in reihe geschalteten Mini-Kraftwerke, die eine hohe Gesamt-Spannung liefern.

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. Wie's genau funktioniert, zeigt das Video am Beispiel des Toyota Mirai.

Hyundai Nexo 2018 Brennstoffzelle, Fuel Cell, Tankstelle, tanken Foto: Hyundai
...während Hyundai mit dem Nexo bereits das zweite F-Cell-Modell auf die Straße gebracht hat.

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.

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Mercedes bringt Ende 2018 den GLC in einer F-Cell-Version. Wie alle Autos mit Brennstoffzellenantrieb tankt er reinen Wasserstoff. Das funktioniert ähnlich wie bei Diesel und Benzin und dauert auch nicht länger.

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. Zumal es für Flottenbetreiber teilweise günstige Leasingangebote gibt. Hyundai beispielsweise bietet den brandneuen SUV Nexo derzeit im Full-Service-Leasing für 666 Euro pro Monat an.

Größter Vorteil von Brennstoffzellenautos: Sie tanken ihre Energie in wenigen Minuten an der Zapfsäule, während ein batteriebetriebenes Elektroauto derzeit noch lange an der Steckdose hängen muss, bis die Akkus voll sind. Nachteil: Stand August 2018 gibt es in Deutschland nur 45 Wasserstofftankstellen. Bis Ende 2019 soll das Netz auf 100 Stationen wachsen.

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