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So funktioniert die Brennstoffzelle

08.06.2015 | 09:52 Uhr |

Meist ist von Elektroautos die Rede, wenn von der Zukunft des Automobils gesprochen wird. Doch es gibt noch eine andere - vielleicht sogar sinnvollere - Lösung: Brennstoffzellen-Fahrzeuge, die mit Wasserstoff fahren. Wie der Mirai von Toyota. Wir stellen die Brennstoffzellen-Technik vor.

Neben dem Mirai, den Toyota noch 2015 auf den Markt bringen will, haben auch andere Hersteller wie zum Beispiel Mercedes für 2017 ein Brennstoffzellen-betriebenes Fahrzeug angekündigt. Da diese Fahrzeuge über einen (mehr oder weniger) gewöhnlichen Tank verfügen, sind Sie damit im Gegensatz zu aktuellen Elektrofahrzeugen in der Lage große Distanzen zu überbrücken und an Wasserstofftankstellen in kurzer Zeit wieder vollzutanken.

Dennoch sind viele Auto-Fahrer immer noch skeptisch gegenüber der Brennstoffzelle, bei der es sich meist um eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle handelt. Manche haben Angst vor Explosionen und davor, dass sich der Brennstoff verflüchtigen könnte. Wir stellen die Technik der Brennstoffzellen-Fahrzeuge vor.

Deutschlands erste Wasserstoff-Tankstelle hat an der Autobahn eröffnet. Daimler, Linde und TOTAL schaffen ersten Knotenpunkt für H2-Mobilität.
Vergrößern Deutschlands erste Wasserstoff-Tankstelle hat an der Autobahn eröffnet. Daimler, Linde und TOTAL schaffen ersten Knotenpunkt für H2-Mobilität.
© © 2015 Daimler AG.

Was ist eine "Brennstoffzelle"?

Grundsätzlich ist eine Brennstoffzelle eine Apparatur, welche einen Brennstoff und ein Oxidationsmittel in elektrische Energie umwandelt. Sie ist also weder vergleichbar mit einem Energiespeicher, wie dem Akku beim Elektroauto, noch mit einem Ottomotor, welcher einen Kraftstoff direkt in mechanische Energie umwandelt. Bei Brennstoffzellenfahrzeugen handelt es sich beim Brennstoff um Wasserstoff und beim Oxidationsmittel um Sauerstoff, welche dann zu Wasser reagieren.

Somit ist die Brennstoffzelle eine saubere Energiequelle, vorausgesetzt die Elektrolyse zur Gewinnung des Brennstoffs erfolgt durch sauberen Strom. Allerdings gilt diese Voraussetzung auch für Elektroautos, wird aber gerne bei der Bewerbung der Elektro-Autos "vergessen".

Eine weitere Parallele zu Elektroautos ist die Form der Energie, die die Brennstoffzelle abgibt. Denn genau wie beim Akku entsteht durch eine Spannung elektrischer Gleichstrom.

Aufbau der Brennstoffzelle

Um die "Blackbox" Brennstoffzelle, mit Input Wasserstoff und Sauerstoff und Output Strom, noch weiter zu entschlüsseln, müssen wir genauer auf den Aufbau der Brennstoffzelle eingehen.

Die schematische Funktion einer Brennstoffzelle.
Vergrößern Die schematische Funktion einer Brennstoffzelle.

Die Brennstoffzelle besitzt zwei Kontakte, die Anode und die Kathode, welche mit einem Platin- oder Palladiumkatalysator überzogen sind und im Inneren durch eine Elektrolyt-Membran getrennt sind. Zudem ist die Brensstoffzelle mit einer Elektrolytlösung gefüllt (meist Lauge oder Säure).

Ein Stromfluss zwischen den Polen entsteht durch Zugabe von Wasserstoff (H2) auf der Anodenseite, welcher gespalten wird und dem jeweils ein Elektron entrissen wird (2 H+), diese Elektronen werden von der Kathode angezogen. An der Kathode wird Sauerstoff (O2) zugegeben, welcher die zur Kathode gewanderten Elektronen aufnimmt und dadurch ebenfalls gespalten wird (2 O- -). Diese geladenen Ionen (H+ und O- -) ziehen sich gegensitig an und reagieren zu Wasser (H2O).

Die "wandernden" Elektronen führen zu einem Stromfluss, welcher beispielsweise direkt von einem Elektromotor genutzt werden kann.

Vorteile der Brennstoffzelle

Vorteile gegenüber dem Elektromotor sind die Speicherung (die große Reichweite) und die schnelle Betankung. Der Wasserstoff muss zusätzlich hergestellt werden, was insofern in Vorteil ist, da kein für Grundbedürfnisse erforderlicher Strom benötigt wird und somit die Kosten dadurch nicht in die Höhe treibt.

Vorteile gegenüber herkömmlichen Kraftstoffmotoren sind die Umweltfreundlichkeit und die Verfügbarkeit. Da bei einer Herstellung von eigens dafür angefertigten Anlagen (auf die wir nachher genauer eingehen) keine Schadstoffe entstehen und als Produkt der Verbrennung ausschließlich Wasser entsteht.

Zukunft der Brennstoffzelle

Wenn das alles also für die Brennstoffzelle spricht fragen wir uns zurecht, warum nicht schon heute jeder mit einem Brennstoffzellen-Fahrzeug unterwegs ist. 

Antwort: Die Technologie weist Probleme auf. Diese beziehen sich vor allem auf die Herstellung von Wasserstoff und dessen Transport.

Für die Herstellung mit Hilfe von Sonnenenergie ist viel Platz und Sonneneinstrahlung notwendig. Eine Installation in Äquator-nahen Wüstenregionen würde dieses Problem lösen, doch würden sich die Anlagen dann in Krisenregionen befinden.

Der Toyota Mirai: Über 1500 Bestellungen im ersten Verkaufsmonat und ab September 2015 auch in Deutschland erhältlich.
Vergrößern Der Toyota Mirai: Über 1500 Bestellungen im ersten Verkaufsmonat und ab September 2015 auch in Deutschland erhältlich.
© Copyright© Toyota

Ein weiteres Problem würde aus dieser Äquator-Lösung entstehen: Nämlich der Transport. Da Wasserstoff einen hohen Druck benötigt um in flüssigem Aggregatszustand zu bleiben, müssten dafür riesige, massive Tanks gebaut werden. Aber auch dafür gibt es bereits durch glasfaserverstärkte Kunststofftanks (GFK/Fiberglas), mit Durchmessern von 35 Metern und Höhen bis zu 60 Meter, Möglichkeiten, einen sicheren Transport zu gewährleisten.

Es bleibt also nur noch abzuwarten, welches Unternehmen sich an die Umsetzung solcher Anlagen wagt und damit den Weg für ein flächendeckendes Brennstoffzellen-Netzwerk ebnet.

Dennoch bleiben auch Hindernisse für den Endverbraucher, da immer noch große Mengen Platin oder Palladium (im Wert von 45.000 Euro) als Katalysator innerhalb der Brennstoffzelle benötigt werden, weshalb derzeit noch nicht mit einem preisgünstigen Fahrzeug zu rechnen ist.

Trotzdem ist die Technologie schon jetzt weiter als es herkömmliche Kraftstoffmotoren oder Elektromotoren bei deren Markteinführung waren. Zudem forschen viele führende Fahrzeughersteller schon seit 20 Jahre an Brennstoffzellen. Darunter natürlich Toyota aber auch Daimler, VW, BMW, GM, Honda und viele andere Unternehmen. Zudem gibt es staatliche Förderungen seit 2008, welche die Forschung im Bereich der Brennstoffzellen-Technologie erheblich vorantreibt.

Prognose

Ob die Wasserstoff-Brennstoffzelle herkömmliche Verbrennungsmotoren und auch Elektromotoren ablösen wird, wird sich zeigen.

Vermutlich wird es zu einer Koexistenz verschiedener Antriebstechniken kommen, ähnlich wie es jetzt mit Ottokraftstoff und Diesel der Fall ist. Die eben erwähnten Kraftstoffe werden sich nicht von heute auf morgen aus dem Alltag verbannen lassen und deshalb zwangsläufig noch neben den Alternativ-Antriebstechniken weiterbestehen.

Vielleicht wird man sich ein Elektro-Auto für Kurzstreckenfahrten anschaffen und zusätzlich ein Wasserstoff-Langstreckenfahrzeug.

Klar ist nur, dass Erdöl knapp werden dürfte (sofern nicht durch Fracking immer neue Vorkommen erschlossen werden) und Elektro-Autos (noch) keine ausreichende Alternative zu Kraftstofffahrzeugen sind. Brennstoffzellen mit Wasserstoff erscheinen da als durchaus sinnvolle Alternative.

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