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Alles rund um Brennstoffzellen

Fuel Cell Stake Autos gelten aktuell als die Zukunft der Autoindustrie. Dennoch sind sie höchst umstritten. Der Grund: Obwohl die Fahrt mit den Brennstoffzellenfahrzeugen lokal emissionsfrei ist, entstehen Treibhausgase bei der Produktionsweise des benötigten Wasserstoffs.

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Mittlerweile wird aber auch hier daran gearbeitet, grüne Energie zur Herstellung zu verwenden. Ob das klappt und ob sich das lohnt, hängt davon ab, inwieweit sich die Technik unter den Verbrauchern durchsetzt. Bei einem durchschnittlichen Anschaffungspreis eines Autos mit Brennstoffzellen von derzeit circa 75 000 Euro scheint das noch Zukunftsmusik.

Dennoch: Es lohnt ein Blick in die Materie. Nach diesem Artikel weißt Du alles Wichtige rund um die Funktionsweise von Brennstoffzellen, wie sie im Auto für Antrieb sorgt und darüber, wie der Wasserstoff gewonnen wird. Damit Du mitreden kannst, gibt es außerdem eine aktuelle Liste über die in Serie gegangenen Brennstoffzellenfahrzeuge im Personenwagensektor.

Wie funktioniert ein Brennstoffzellenfahrzeug

Zuerst betrachten wir die Funktionsweise einer Brennstoffzelle. Der darin ablaufende chemische Prozess ist derselbe wie der in einer galvanischen Zelle. Vielleicht kennst Du den noch aus dem Schulunterricht? Chemische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt.

Kurz: Anstatt durch eine Verbrennung Wärme zu erzeugen, mit der eine Wärmekraftmaschine betrieben wird, um die Wärmeenergie in Bewegungsenergie umzuwandeln und danach diese Bewegungsenergie mithilfe eine Induktionsspule in elektrische Energie umzuwandeln, wird die elektrische Energie direkt aus der chemischen Reaktion gewonnen.

In Brennstoffzellenfahrzeugen befinden sich unterhalb des Fahrerhauses Brennstoffzellen. Sie sind gestapelt. Daher stammt auch der Name Fuel Cell Stake. Eine einzelne Brennstoffzelle würde gerade einmal ein Volt liefern. Um ein Auto mit ausreichend Leistung zu versorgen werden aber mindestens 300 bis 400 Volt benötigt.

Schauen wir uns den Aufbau der Brennstoffzellen an:

Es handelt sich um eine schmale, längliche Zelle. Außen befinden sich jeweils eine Kathode und eine Anode. Beides sind Bipolare Platten. Innerhalb der Platten gibt es kleine Kanäle. Durch sie wird später entweder Sauerstoff oder Wasserstoff geleitet.
Damit sich die beiden Platten und damit die Gase nicht berühren, befindet sich dazwischen eine Protonen Austausch Membran.
Warum dürfen sich Wasserstoff und Sauerstoff nicht begegnen? Sie ergeben ein Knallgasgemisch und wären dann explosiv.
Die gesamten Brennstoffzellen sind zusammengeschlossen und als Ganzes an dem Elektromotor angeschlossen, den sie speisen.

Anmerkung: Brennstoffzellenfahrzeuge verfügen außerdem über eine Pufferbatterie. Dort wird ein Teil der erzeugten Energie gespeichert. Ansonsten wird der Wagen mit dem selbst erzeugten Strom angetrieben. Zudem hat dieses Fahrzeug die Fähigkeit, Energie zurückzugewinnen, etwa Bremsenergie. Hier soll es allerdings ausschließlich um die Funktionsweise der Brennstoffzelle gehen

So funktioniert die Gewinnung von Strom in Brennstoffzellenfahrzeugen:

a) Der Motor saugt bei der Fahrt Umgebungsluft an. Diese Luft enthält Sauerstoff. Im Tank – der übrigens unter sehr hohem Druck steht – befindet sich Wasserstoff.

b) In der Kathode wird der Sauerstoff verteilt.

c) Wird der Wagen jetzt beschleunigt, dringt der Wasserstoff in die Kanäle der Anode.

d) Die Anode entzieht dem Wasserstoffatom sein Elektron. Dadurch ist es positiv geladen und wird ein Proton. Dieses Proton kann die Membran durchdringen und gelangt zu den Sauerstoffatomen.

Die zwei Elektronen, die der Wasserstoff verloren hat (von h2 zu 2 h+), gelangen währenddessen auf die andere Seite und reduzieren o2 zu (o2-); entziehen ihm also die Protonen. Dieser reduzierte Stoff bindet sich dann also mit dem neu durch die Membran schlüpfenden h+ zu Wasser.
Wasser ist das Nebenprodukt dieser chemischen Reaktion und damit das einzige, was ein Brennstoffzellenfahrzeug ausstößt.

Wie wird nun Strom erzeugt? Die Elektronen, die vom Wasserstoff gelöst werden, werden abgeleitet. Strom ist entstanden. Der wird direkt zum Motor geleitet und treibt ihn an.

Vor- und Nachteile

Die Vorteile der Brennstoffzellenfahrzeuge sind zukunftsweisend:
1. Es werden keine schädlichen Emissionen freigesetzt.
2. Der Wirkungsgrad ist höher als in einem Elektrofahrzeug.

Wissenswert: Beim Beschleunigen wird die Luft am Kompressor vorbeigedrückt, wobei ein mechanisches Geräusch entsteht, das Dir das Gefühl gibt, in einem normalen Verbrennungsfahrzeug zu sitzen.

Ebenfalls genial: Im Gegensatz zu Elektroautos verliert ein Auto mit Wasserbrennstoffzellen im Winter nicht durch die Kälte an Leistung.

3. Zudem ist ein Verzicht auf Klimaanlage oder andere Endverbraucher nicht notwendig.
4. Damit können größere Reichweiten erzielt werden.
5. Im Vergleich zur Ladezeit von Elektroautos, geht das Tanken schnell.

Das Tanken dauert wie beim herkömmlichen Verbrennungsmotor nur wenige Minuten.

Halt: Hier liegt das große Problem.

Die Herstellung von Wasserstoff kann durch Dampfreduktion oder via Elektrolyse passieren. Bei der momentan noch vorherrschenden Dampfreduktion wird mehr Energie benötigt, als beim Verbrennen herauskommt.

Zum jetzigen Zeitpunkt ist das Tankstellennetz für Wasserstoff in Deutschland mit circa 21 Stellen nur sehr dürftig ausgebaut.

Leider besteht der dort zu erhaltende Wasserstoff auch nur zu 40 % aus erneuerbarer Energie.

Info: Grüner Wasserstoff wird beispielsweise durch Strom aus Solarkollektoren oder Windkrafträdern für die Elektrolyse hergestellt.
Bei der Dampfreduktion werden fossile Brennstoffe zur Herstellung verwendet, wobei Kohlenstoffdioxide anfallen.

Nachteile von Brennstoffzellenfahrzeugen:
1. An erster Stelle muss die Emission von Treibhausgasen bei der Herstellung genannt werden. Weil die Brennstoffzellen größer sind als übliche Batterien in Elektroautos, fällt bei ihrer Herstellung mehr Kohlenstoffdioxid an.
2. Es gibt in Deutschland kaum Wasserstofftankstellen.
3. Von der Effizienz des gesamten Prozesses ist aktuell ein Elektroauto vorne, ausgegangen davon, dass kein grüner Wasserstoff in ausreichender Menge vorhanden ist.
4. Die Anschaffung ist wahnsinnig teuer.

Allgemeines: Brennstoffzellenfahrzeuge sind nicht per se Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge. Es gibt auch andere Brennstoffzellen, die sich vor allem im Verbrennungsmaterial, der Beschaffenheit der Elektroden und dem Membranverfahren unterscheiden.

Automodelle mit Brennstoffzelle

Pionier in Serienproduktion ist Honda mit seinem FCX Clairity. Seine Markteinführung war bereits 2008. Bereits damals schaffte er 650 km Reichweite mit 60 PS bei einem Verbrauch von 0,87 kg auf 100 km.

Information: Eine 400 km lange Strecke kostet mit einem effizienten Brennstoffzellenfahrzeug wie dem Toyota Mirai über 40 Euro, während ein Diesel mit circa 25 Euro hinkommt.

Der Toyota Mirai ist seit 2014 erhältlich und überzeugt mit einer nennenswerten Produktionsstückzahl von 3300 im letzten Jahr.
Sein Verbrauch ist geringer, jedoch schafft er nur eine Reichweite von 500 km.

Seit 2018 auf dem Markt, macht der Hyundai Nexo mit einer beachtlichen Reichweite von 756 km Konkurrenz. Mit einer satten Leistung von 120 kW macht das Fahren in dem umweltfreundlichen SUV wahrlich Freude.

Der Honda Clairity Fuel Cell von 2016 ist die zweite Generation und misst die gleichen Parameter wie sein Vorgänger, jedoch sind die gröbsten Kinderfehler behoben.

Übrigens hat auch Hyundai bereits 2013 im Wettlauf um die Zukunftstechnik mitgespielt. Sein ix35 FCEV schafft aber bei den Parametern Leistung, Reichweite und Verbrauch nicht annähernd das, was der Nexo nun kann. Hier hat sich was getan.

Nun zeigt sich auch [strong]Mercedes Benz mit seinem GLC F-Cell auf dem Parkett der Umweltpioniere. Aus dem Motorsport ist die beachtliche Ingenieursleistung schon lange bekannt, nun kommt sie auch auf die Straße. Leider soll das Modell nur eine Leistung von 437 km Reichweite aus Wasserstoffverbrauch haben. Die weitere Strecke, 49 km, wird durch Batterieleistung zurückgelegt. Mit 200 PS ist für sportliches Fahren zwar gesorgt, bei einem Verbrauch von fast einem Kilo Wasserstoff auf 100 km ist der Benz aber alles andere als sparsam.

    Hersteller und Modelle im Überblick:

Mercedes Benz GLC F-Cell
Hyundai Nexo
Renault Kangoo Z.E.H2
Honda Clarity Fuel Cell
Toyota Mirai
Hyundai ix35 FCEV

Wird sich die Brennstoffzellentechnologie durchsetzen? Das lässt sich schwer sagen. Vor allem aber, weil die Henne-Ei-Problematik im Wege steht. Günstiger würden die Autos nur werden, würden sie mehr verkauft. Sie würden aber auch nur besser verkauft werden, wären sie preiswerter. Gleiches gilt für die umweltfreundliche Wasserstoffherstellung und den Ausbau des Tankstellennetzes. Was ist Deine Meinung?

Bildquelle:

  • alles-rund-um-brennstoffzellen_beitragsbild_dieautowelt: ©malp - stock.adobe.com
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