Hochvoltkompetenz
Hintergründe zur Hochvolttechnik
von Elektro- und Hybridfahrzeugen

Hintergrund: So funktioniert die Brennstoffzelle

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Arbeitsweise einer Brennstoffzelle. Bild: Toyota
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Die Grafik zeigt ebenfalls die Funktion der einzelnen Brennstoffzelle und zusätzliche den Aufbau des Stacks. Bild: Honda

Die Brennstoffzelle wandelt Wasserstoff in elektrische Energie um. Wasserstoff ist kein Primärkraftstoff, sondern muss erst aus Wasser per Elektrolyse erzeugt werden. Um diesen Vorgang einzuleiten ist die Zuführung von elektrischem Strom notwendig.

Bei der Elektrolyse spaltet sich das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff auf. Wenn man so will, wird in der Brennstoffzelle dieser Prozess durch eine chemische Reaktion umgekehrt. Wasserstoff wird unter Zuführung von Sauerstoff zu Wasser umgewandelt. Es lässt sich aber auch so ausdrücken: Die Brennstoffzelle wandelt die im Wasserstoff gespeicherte Energie in Elektrizität um. Als Abgas/Abfallprodukt wird Wasser(-dampf) emittiert.

Beim Umwandeln von Wasserstoff in Elektrizität und Wasser entsteht Wärme. Aus diesem Grund sind Brennstoffzellen mit einem Kühlsystem gekoppelt. Im Grunde so, wie es von Verbrennungsmotoren bekannt ist. Außerdem wissenswert: Die elektrolytische Membran in der Brennstoffzelle muss aus Funktionsgründen permanent befeuchtet werden. Dies erfolgt über die Wasser- und Sauerstoffzufuhr. Dazu wird ein Teil des Nebenprodukts Wassers wiederverwendet. Die Problematik des Kaltstarts von Brennstoffzellen bei tiefen Temperaturen haben die Hersteller inzwischen im Griff. So sollen die Zellen je nach Autobauer bis -20 °C oder gar -30 °C funktionstüchtig und startbereit sein.


Die Arbeitsweise der Brennstoffzelle in drei Schritten:

1) Um Gleichstrom zu gewinnen, wird der Wasserstoff in der Brennstoffzelle zur Wasserstoffelektrode geleitet. Hier spalten sich die Wasserstoffatome durch elektrolytische Reaktion mit der Edelmetallbeschichtung (Platin) der Elektrode in Ionen (Protone) und Elektronen auf.
2) Die Elektronen gelangen aufgrund ihrer Beschaffenheit nicht durch der elektrolytische Membran. Vielmehr fließen sie als Gleichstrom über die Elektrodenschicht in einen externen Stromkreis ab. In Fahrzeugen dient dieser Strom zum Laden der Batterie und zum Antrieb der E-Maschine (in den Grafiken als Glühlampe dargestellt).
3) Im Gegensatz zu den Elektronen ist die elektrolytische Membran für die Inonen durchlässig, sodass diese zur Sauerstoffelektrode gelangen. Hier verbinden sie sich mit jeweils einem Sauerstoffteilchen und einem Elektron, das aus einem externen Stromkreis kommt. Durch die Anlagerung von zwei Elektronen am O2-Molekühl entsteht aus Sauerstoff Wasser (H2O).

 

Dieses Video zeigt gut verständlich den Aufbau und die Funktion einer Brennstoffzelle. Sobald es auch auf Deutsch zur Verfügung steht, werden wir den Link aktualisieren.