Fahrzeugtechnik: So funktioniert das Brennstoffzellenauto

Seit mittlerweile mehreren Jahrzehnten wird von der Autoindustrie immer wieder die Hoffnung geschürt, dass das Wasserstoff- beziehungsweise Brennstoffzellenauto bald seinen Siegeszug antreten wird. Doch der große Durchbruch blieb der Technik bislang verwehrt. Zwar wurden einige wenige Modelle in überschaubaren Stückzahlen in Serie produziert und in Deutschland sogar ein grobmaschiges Wasserstofftankstellennetz errichtet. Dennoch sieht es derzeit eher so aus, als würden die batterieelektrischen Stromer das Rennen um die saubere Autozukunft machen. Gründe für das vorläufige Scheitern des Wasserstoffautos gibt es viele. An dem im Kern genialen Prinzip der Antriebstechnik ändert dies jedoch nichts.

Für viele klingt der Begriff Brennstoffzelle noch immer nach Hi-Tech und Zukunft, doch eigentlich sind Prinzip und Funktionsweise einfach und außerdem schon lange bekannt. Entdeckt wurde die Brennstoffzelle 1838 von Christian Friedrich Schönbein. Das Grundprinzip ist nichts anderes als die Umkehrung der Elektrolyse. Bei dieser lassen sich mit Hilfe von Strom, der durch eine Flüssigkeit geleitet wird, verschiedene Stoffe wie Natronlauge, Chlorgas oder Wasserstoff herstellen. In der Brennstoffzelle geschieht das Gegenteil, denn in ihr lässt sich mit verschiedenen Ausgangsstoffen Strom erzeugen. Damit ist die Brennstoffzelle nicht ein Energiespeicher, sondern ein Energiewandler.

Mit der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff entstehen Strom und Wasser

Geeignet für die Umwandlung sind unter anderem Methanol, Butan oder Erdgas. In der Regel aber wird Wasserstoff verwendet – in diesem Fall müsste präziser von einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle die Rede sein; ohne Sauerstoff funktioniert der Prozess nämlich auch nicht. Im Inneren der Brennstoffzelle gibt es zwei gasdurchlässige Elektroden (Anode und Kathode), die mit einem Katalysator (in der Regel Platin) beschichtet und durch eine sogenannten Elektrolytmembran voneinander getrennt sind. Der Anode wird beim Betrieb gasförmiger Wasserstoff zugeführt, der Kathode Sauerstoff. Beides reagiert miteinander und durch die Potenzialdifferenz der beiden Elektronen entsteht eine elektrische Spannung. Die chemische Reaktion dahinter ist deutlich komplexer, Fakt aber ist, dass mit der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff Strom entsteht – und Wasser. Letzteres wird dann wie die Verbrennungsabgase aus einem Auspuff einfach in die Umwelt abgeführt.

Damit ein Brennstoffzellenauto fährt, braucht es noch einen Elektromotor, der dann mit dem in der Brennstoffzelle erzeugten Strom betrieben wird. Der Vorteil gegenüber herkömmlichen Akku-Autos: Über 500 Kilometer Reichweite sind mit Wasserstoff kein Problem und das Tanken dauert nur ein paar Minuten. Ganz auf Akkutechnik verzichten Brennstoffzellenautos allerdings nicht. Sie dienen als Puffer, der dann der Brennstoffzelle und dem elektrischen Antriebssystem zwischengeschaltet ist. Unter anderem dient die Hochvoltbatterie dazu, eine verlässliche Versorgung mit Fahrstrom in jeder Fahrsituation zu gewährleisten oder durch Rekuperation erzeugte Energie zu speichern.

Wie grün die Technik wirklich ist, steht auf einem anderen Blatt. In Hinblick auf die im Fahrzeug entstehenden Emissionen ist das Brennstoffzellenauto jedenfalls sauber. Entscheidender ist jedoch die Frage, wie der vom Brennstoffzellenauto verbrauchte Wasserstoff erzeugt wurde. Per Elektrolyse aus Wasser und idealerweise mit Strom aus Solar- oder Windenergie? Dann entsteht grüner Wasserstoff, dessen Öko-Bilanz gut ausfällt. Oft wird der Wasserstoff allerdings aus Erdgas gewonnen, was den grünen Lack abblättern lässt.