Seite 2: Funktion einer Brennstoffzelle im Auto

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Die Brennstoffzelle ist ein Energiewandler, der die im Wasserstoff gespeicherte Energie ausnutzt und daraus Strom erzeugt, mit der ein Elektromotor angetrieben wird. Einer der Vorzüge ist, dass die Brennstoffzelle aus der chemisch im Wasserstoff gespeicherten Energie direkt Strom erzeugen kann. Demgegenüber sind im Verbrennungsmotor insgesamt drei Schritte notwendig, um aus dem Kraftstoff für das Fahrzeug nutzbare Bewegungsenergie zu machen. Da jede Energieumwandlung aus physikalischen Gründen auch mit Energieverlusten verbunden ist, führt dies unweigerlich zu erheblichen Wirkungsgradeinbußen bei Verbrennungsmotoren, deren Effizienz mit rund 20 Prozent nur etwa halb so groß ist, wie die von Brennstoffzellen.

Wird einer Brennstoffzelle, in aller Regel eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEM), reiner Wasserstoff zugeführt, reagiert dieser mit dem Luftsauerstoff. Dafür ist keinerlei Energiezufuhr, kein Zündfunke oder dergleichen erforderlich, da Wasserstoff von sich aus bestrebt ist, zusammen mit Sauerstoff zu Wasser zu reagieren. Da beide Gase durch eine Membran, den Elektrolyt, voneinander getrennt sind, reagieren sie nur indirekt miteinander. Es gibt deswegen keine sichtbare Oxidation mit offener Flamme, weshalb man bei diesem Vorgang auch von einer "kalten Verbrennung" bei einer Reaktionstemperatur von ca. 80 °C spricht.

Teildurchlässige Membran

Das Herz einer PEM-Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden, der Anode (Pluspol) und der Kathode (Minuspol), die durch eine ionendurchlässige Polymermembran voneinander getrennt sind. Dieser Elektrolyt ähnelt einer Folie für Overhead-Projektoren. Die Membran ist gasdicht, damit Wasserstoff und Sauerstoff nicht direkt miteinander reagieren können. Außerdem ist sie für Elektronen nicht passierbar. Sie ist also elektrisch isolierend, aber für Protonen durchlässig, sodass Wasserstoff-Ionen hindurch gelangen.

Die Elektroden sind mit einer dünnen, katalytisch wirkenden Edelmetallschicht (Platin oder Platinlegierungen) überzogen. Der an der Anode zugeführte Wasserstoff teilt sich mithilfe dieses Katalysators in Elektronen (negative Ladungsträger) und Protonen (positive Wasserstoff-Ionen). Die Protonen diffundieren durch die Elektrolytmembran zur Kathode. Die freien Elektronen, die nicht durch die elektrisch isolierende Membran hindurch kommen, werden außen um die Membran herumgeleitet und können auf diese Weise als elektrischer Strom den Elektromotor antreiben.

Auf der anderen Seite – an der Kathode, wo ebenfalls katalytisch der Sauerstoff aus der Luft aufgespalten wurde – vereinigen sich die dort erzeugten O₂-Ionen, die Elektronen aus dem Stromkreislauf sowie die H₂-Protonen und erzeugen unter Wärmeentwicklung Wasserdampf.Zugeführt werden die Gase durch Bipolarplatten, die mit feinen Gängen, dem sogenannten Flow-field, versehen sind. Sie übernehmen zudem die Ableitung des Reaktionsproduktes Wasser und leiten sowohl die Wärme als auch den Strom aus dem Brennstoffzellenstapel ab.

Am Ende: Strom und Wasserdampf

Die Endprodukte dieses elektrochemischen Vorgangs in einer Brennstoffzelle sind Gleichstrom, Wärme und Wasser beziehungsweise Wasserdampf. Jede einzelne Brennstoffzelle erzeugt je nach Bauart unter Last etwa 0,7 Volt, die maximale Spannung liegt bei etwa 1,2 Volt. Erst viele in Reihe geschaltete Zellen, die gemeinsam als Stacks bezeichnet werden, liefern eine ausreichend hohe Leistung für den Betrieb eines Elektromotors. Ein Stack kann bis zu 200 dicht aneinander liegende Brennstoffzellen enthalten. Während die Größe des Brennstoffzellen-Stacks die Leistung bestimmt, wird die Betriebsdauer über die Größe des Energiespeichers bestimmt.

Da der erzeugte Gleichstrom über eine relativ niedrige Spannung verfügt, muss er für die Nutzung in Wechselstrom höherer Spannung umgewandelt werden. Dies geschieht durch einen Wechselrichter ähnlich wie bei einer Photovoltaikanlage.

Trotz dieser verschiedenen Einzelprozesse ist der Geräuschpegel von Brennstoffzellen sehr niedrig, da sie über keinerlei bewegliche Teile verfügen. Lediglich Nebenaggregate wie Pumpen und Gebläse geben Geräusche von sich. Hinzu kommt, dass keine Reibungsverluste und auch keine Verschleißerscheinungen auftreten, zudem entfällt eine aufwendige Ölschmierung wie bei Verbrennungsmotoren. Anstelle eines Auspuffs verfügt ein H₂-Auto lediglich über einen Auslass für Wasserdampf.