Elektromobilität

Brennstoffzellen: Wie funktioniert Elektrolyse in Elektroautos?

von Sabrina Lieb

Brennstoffzellen sind umweltfreundlich, zuverlässig und effizient. Doch wie funktioniert die Brennstoffzelle – und wie soll sie bald Elektroautos antreiben?

Eine Brennstoffzelle im Hyundai Nexo.
Die Brennstoffzelle könnte die Zukunft der Elektroautos darstellen. Foto: Shutterstock / Grzegorz Czapski

Das erfahren Sie gleich:

  • Wasserstoff plus Sauerstoff: Der Ursprung der Brennstoffzelle
  • Wie Brennstoffzellen funktionieren
  • Wie die Technologie in Elektroautos zum Einsatz kommen kann
  • Warum die Brennstoffzelle die Energieversorgung von Morgen sein könnte

William Robert Grove und Christian Friedrich Schönbein gelten als Väter der Brennstoffzelle. Der britische Physiker und der deutsch-schweizerische Chemiker beschäftigten sich etwa zur gleichen Zeit um 1830 mit Elektrizität und den Vorgängen, die sich bei der Elektrolyse abspielten.

Doch erst rund 150 Jahre nach der Erfindung der Brennstoffzelle wurde auch ihre kommerzielle Anwendung in Betracht gezogen. Heute gelten Brennstoffzellen als Effizienz-Technologie der Zukunft – und der Elektromobilität.

Brennstoffzellen – Wasserstoff plus Sauerstoff

Bei der Elektrolyse wird Wasser durch elektrischen Strom in die beiden Stoffe Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Grove stellte 1839 fest, dass sich dieser chemische Vorgang auch umkehren lässt: Er tauchte zwei Platin-Elektroden in Schwefelsäure und umspülte eine davon mit reinem Wasserstoff, die andere mit Sauerstoff. Dabei konnte Grove einen geringen Stromfluss durch einen außen angelegten Stromkreis feststellen. Die galvanische Gas-Batterie war erfunden und damit auch die erste Brennstoffzelle.

Bereits ein Jahr zuvor hatte Schönbein eine ähnliche Erfindung gemacht: Er erstellte eine einfache Brennstoffzelle, indem er zwei Platindrähte in Salzsäure mit Wasserstoff bzw. Sauerstoff umspülte und zwischen den Drähten eine elektrische Spannung bemerkte.

Der Strom, den die damaligen Brennstoffzellen lieferten, waren jedoch noch viel zu schwach, um ihn praktisch nutzen zu können. Es dauerte Jahrzehnte, bis die Brennstoffzelle von nachfolgenden Wissenschaftlern so weit verbessert wurde, dass sie sich als ernstzunehmende Energiequelle nutzen ließ. Erst in den 80er Jahren wurde auch die kommerzielle Anwendung für die Brennstoffzelle in Betracht gezogen.

So funktioniert eine Brennstoffzelle

Der Aufbau einer Brennstoffzelle ist einfach erklärt und vergleichbar mit dem einer Batterie: Beide bestehen aus zwei Elektroden - einer Anode (positiver Pol) und einer Kathode (negativer Pol). Die beiden Elektroden werden von einem Elektrolyt voneinander getrennt. Elektrolyte sind feste, flüssige oder aber auch gelartige, chemische Substanzen, die elektrischen Strom leiten können. Sie sind zuständig für den Ionen-Transport zwischen Anode und Kathode.

Was in der Brennstoffzelle nun passiert, lässt sich ebenfalls mit dem Prinzip einer Batterie vergleichen:

  • Durch eine chemische Reaktion zwischen den beiden Elektroden entsteht Energie
  • Dabei reagiert in der Zelle ein kontinuierlich zugeführter Brennstoff – in dem Fall Wasserstoff – mit einem Oxidationsmittel, zum Beispiel Sauerstoff aus der Luft
  • Es entstehen Wasser, Strom und Wärme

Im Unterschied zur Verbrennung, bei der chemische Energie in thermische Energie umgewandelt wird, wird diese elektrochemische Reaktion auch als "kalte Verbrennung" bezeichnet. Die Brennstoffzellen erzeugen hierbei neben elektrischer Energie auch Wärmeenergie. Weil sie ihre Energie direkt umwandeln – daher auch ihre Bezeichnung Energiewandler – nutzen sie nahezu den kompletten Energiegehalt ihres eingesetzten Brennstoffs.

Brennstoffzellen sind dabei nicht nur energieeffizient sondern auch umweltfreundlich: Da sie nur Wasserdampf produzieren, arbeiten sie praktisch schadstofffrei. Lediglich das Beheizen des Reformers, der für die Gewinnung von Wasserstoff aus dem Erdgas zuständig ist, verursacht Kohlenstoffdioxid-Emissionen. Deshalb kommt sie mittlerweile auch in der Mobilitätsbranche zum Einsatz: In Wasserstoff-Zügen etwa oder künftig sogar bei Kreuzfahrtschiffen.

Brennstoffzellentechnologie in Elektroautos

Und wie steht's um die Entwicklung von Brennstoffzellenfahrzeugen? Zuletzt wurde den Autos mit Brennstoffzellen kaum eine Chance zugeschrieben. Brennstoffzellenfahrzeuge, die Strom aus Wasserstoff gewinnen, punkten zwar mit hohen Reichweiten und kurzen Betankungszeiten. Allerdings schreitet die Entwicklung von Akkus und Ladeinfrastruktur rasant voran – bei Brennstoffzellen geht es langsamer voran. Auch kämpft die Branche mit fehlenden Wasserstoff-Tankstellen und den hohen Produktionskosten.

Ein Tankdeckel mit dem Vermerk "H2 Gas".
Angetrieben mit Wasserstoff: Die Brennstoffzelle in modernen, emissionsarmen Autos. Foto: picture alliance/KEYSTONE

Dass jedoch dem elektrischen Antrieb nicht die alleinige Zukunft der Mobilität gehört, setzt Automobilhersteller noch einmal mehr an einen Tisch. Das jüngste Beispiel kommt aus den Riegen von Hyundai und Audi. Die beiden Automobilhersteller wollen in Zukunft bei der Weiterentwicklung der Brennstoffzellen-Technologie in Elektroautos zusammenarbeiten. Geplant sei dabei unter anderem ein Austausch von Patenten und nicht wettbewerbsrelevanten Bauteilen.

Als weltweit erstes Unternehmen führt Hyundai seit 2017 ein integriertes Produktionssystem für Kernkomponenten von Brennstoffzellen-Elektroautos. Im Werk in Chungju (Südkorea) lassen sich pro Jahr 3000 Brennstoffzellen-Antriebseinheiten produzieren – darunter Antriebsmotoren, Brennstoffzellen, Leistungselektronik-Komponenten und Bauteile zur Wasserstoffversorgung. Nach Angaben des Unternehmens soll das Werk, je nach Marktnachfrage, auch mehrere zehntausend dieser Antriebseinheiten pro Jahr produzieren können.

Brennstoffzellen – Energieversorgung von Morgen

Grundsätzlich können Brennstoffzellen überall dort zum Einsatz kommen, wo Energie in Form von elektrischem Strom notwendig ist. Weil sie unabhängig vom Stromnetz Elektrizität bereitstellen, sind sie besonders für die Strom- und Wärmebereitstellung entlegener Orte interessant – die sich nicht an ein konventionelles Versorgungsnetz anschließen lassen.

So gehören Brennstoffzellenheizungen etwa zu den großen Neuerungen in der Heizungsbranche, was sie aber auch zu den teuersten Heizungsarten macht. Zwischen 30.000 und 35.000 Euro kostet die Einrichtung einer Brennstoffzellenheizung (reine Anschaffungskosten rund 20.000 Euro zuzüglich Montagekosten).

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Gute Nachrichten gibt es jedoch aus der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW): Bis zu 40 Prozent der Investitionskosten einer Brennstoffzellenheizung werden über das Programm "Energieeffizient Bauen und Sanieren – Zuschuss Brennstoffzelle (433)" der KfW erstattet. Das Programm ist Bestandteil des "Anreizprogramm Energieeffizienz" des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie und soll die vergleichsweise hohen Investitionen für effizientes Heizen unterstützen.

Eine weitere Lösung für Hausbesitzer, die Anschaffungskosten einer Brennstoffzellenheizung zumindest rückwirkend zu reduzieren, ist die gewinnbringende Einspeisung von überschüssig produziertem Strom in das öffentliche Stromnetz.

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