Funktionsweise des Brennstoffzellenantriebs
Für den Antrieb in wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen sorgt eine Brennstoffzelle. Ihr „Treibstoff“ ist gasförmiger Wasserstoff. In einem chemischen Prozess reagiert er mit Sauerstoff. Dabei wird die im Wasserstoff gespeicherte Energie als Strom freigegeben, der dann einen Elektromotor antreibt. Ein Brennstoffzellenfahrzeug ist daher ein Elektrofahrzeug, das keine schädlichen Emissionen erzeugt. Beim Fahren wird als „Abgas“ lediglich etwas Wasserdampf freigesetzt. Es gibt bereits leistungsfähige Brennstoffzellenfahrzeuge, die Reichweiten von bis zu 700 Kilometern ermöglichen.
Die Brennstoffzelle ist ein sehr effizienter Antrieb. Ihr elektrischer Wirkungsgrad liegt bei über 60 Prozent. Zum Vergleich: Ein Benzinmotor erreicht nur einen Wirkungsgrad von 25 bis 35 Prozent. Insgesamt liegt der Gesamtwirkungsgrad eines Brennstoffzellenfahrzeugs heute schon über dem eines herkömmlichen Pkw, trotz des Energieaufwands für die Produktion des Wasserstoffs.
Technik der Brennstoffzelle
Eine Brennstoffzelle erzeugt als galvanische Zelle elektrische Energie direkt aus chemischer Energie – ähnlich wie eine Batterie. Allerdings ist der „Brennstoff” nicht wie bei der Batterie fest eingebaut. Im Betrieb gelangt er kontinuierlich von außen (aus dem Tank) zur Anode. Gleichzeitig wird Sauerstoff oder Luft als Oxidationsmittel der Kathode zugeführt. Da der Wasserstoff von sich aus mit dem Sauerstoff zu Wasser reagieren will, braucht es keine Energie von außen; deshalb sprechen Fachleute von „kalter Verbrennung“. Dabei wird Strom erzeugt und als „Abgas“ bleibt Wasserdampf.
Vorteil bei der kalten Verbrennung: Es entstehen keine Stickoxide oder andere unerwünschte Verbrennungsprodukte. Zurzeit kommen fast nur Niedertemperatur-Brennstoffzellen infrage, die typischerweise bei Temperaturen zwischen 0 und 100 Grad Celsius arbeiten. Bei der Fahrt sind Brennstoffzellenfahrzeuge nahezu lautlos.
Für den Einsatz in Autos ist die Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (kurz: PEMFC, englisch: „polymer electrolyte membrane fuel cell") am weitesten entwickelt. Ebenfalls gut entwickelt ist die alkalische Brennstoffzelle (AFC).
Die Reaktion in der Brennstoffzelle
Das Herz der Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden: der Anode und der Kathode. Sie sind durch einen Elektrolyten voneinander getrennt. Dieser ist für Gase undurchlässig. Jede der Elektroden ist mit einem Katalysator, beispielsweise aus Nickel oder Platin, beschichtet. So funktioniert die Zelle am Beispiel der Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle: Der Anode wird Wasserstoff (H₂) zugeführt, der Kathode Sauerstoff (O₂). Auf der Anodenseite wird der Wasserstoff unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert. Die Elektronen fließen von der Anode über einen äußeren Kreislauf zur Kathode. Es fließt Strom. Die Protonen diffundieren durch den Elektrolyten zur Kathode. An dieser entsteht aus den Protonen und Elektronen zusammen mit dem zugeführten Sauerstoff Wasser (H₂O). Eine Brennstoffzelle produziert also fortlaufend elektrische Energie, Wärmeenergie und Wasser.
Im Vergleich zur Batterie hat die Brennstoffzelle den Vorzug, dass ein kontinuierlicher Betrieb über sehr lange Zeit ohne zwischenzeitliches elektrisches Aufladen möglich ist. Fahrzeuge mit Brennstoffzelle können große Mengen Wasserstoff mitführen, ohne dass sich ihr Gewicht stark erhöht.