Elektroautos mit Brennstoffzellen an Bord sind rollende Kraftwerke, denn sie erzeugen den notwendigen Fahrstrom selbst. Wie das funktioniert, zeigt ein Blick auf die Technik.
Elektroautos sind eine emissionsfreie Alternative zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren wie Dieseln oder Benzinern. Sie haben aber auch Nachteile, wie geringe Reichweiten und lange Ladezeiten. Kurz tanken, dann weiterfahren – das verbinden Autofahrer bislang vor allem mit „herkömmlichen“ Antrieben. Das erste serienmäßige Brennstoffzellenauto brachte Toyota mit dem Mirai auf den Markt. Brennstoffzellenautos sind Elektrofahrzeuge – allerdings produzieren sie ihren Strom während der Fahrt selbst. Den dafür notwendigen Wasserstoff tanken sie an der Zapfsäule und betreiben damit die Brennstoffzellen, die wiederum den Strom für den Motor erzeugen. Ladezeiten entfallen, die Reichweite liegt, ähnlich wie bei konventionellen Benzinern, bei rund 550 Kilometern – und als „Abgas“ stößt der Mirai lediglich Wasserdampf aus. Das eingebaute „Kraftwerk“ bringt also viele Vorteile. Doch wie funktioniert die Brennstoffzelle?
Aus chemisch wird elektrisch wird mechanisch
Das Prinzip ist simpel: Brennstoffzellen wandeln chemische Energie in Strom um. Sie führen Wasserstoff und Sauerstoff zusammen, die sich mithilfe einer speziellen, protonenleitenden Membran zu Wasser verbinden. Bei der Reaktion wird elektrische Energie frei, die entweder in einer Batterie zwischengespeichert wird oder direkt zum Elektromotor fließt. Der Motor wandelt den Strom anschließend in mechanische Energie um und setzt das Auto so in Bewegung.
Für den Autofahrer ist das Brennstoffzellenfahrzeug ähnlich komfortabel wie ein Benziner: Der Tankvorgang beispielsweise dauert nur etwa fünf Minuten. An der Zapfsäule wird der gasförmige Wasserstoff durch einen Schlauch in die Drucktanks des Autos gepresst. Der Treibstoff ist zudem nicht teurer als Benzin: Ein Kilogramm kostet etwa acht Euro und reicht für rund 100 Kilometer. Wegen ihrer zahlreichen Vorteile ist die Brennstoffzelle bei vielen Herstellern im Trend: Mercedes, Audi, VW, Hyundai oder Honda haben bereits Wasserstoffautos präsentiert.
Hohe Kosten
Trotzdem hat sich das emissionsfreie Fahrzeug bislang nicht breit durchgesetzt. Grund dafür sind vor allem die hohen Kosten: In Brennstoffzellen wird viel Platin verbaut, eines der teuersten Edelmetalle der Welt. Deshalb kostet der Mirai beispielsweise ab stolzen 63.900 Euro. Zudem sind Wasserstoffgewinnung und -versorgung noch nicht ideal: Die Produktion ist sehr energieintensiv und verlustreich. Außerdem werden häufig fossile Energieträger verwendet, weshalb auch durch den vermeintlich „grünen“ Treibstoff viel CO₂ freigesetzt wird. Darüber hinaus gibt es noch sehr wenige Wasserstofftankstellen in Deutschland. Die Infrastruktur soll zwar in den kommenden Jahren ausgebaut werden – bis das Brennstoffzellenauto auf deutschen Straßen Alltag ist, wird aber noch einige Zeit vergehen.
In Brennstoffzellenfahrzeugen gibt es in der Regel mehrere in Reihe geschaltete Zellen, sogenannte Stacks, die wie Sandwiches angeordnet sind. Jede Zelle besitzt eine Anode, durch die Wasserstoff aus dem Tank ins Innere strömt, sowie eine Kathode mit Sauerstoff. Der Wasserstoff wird an der Anode zunächst in positive und negative Teilchen (Protonen und Elektronen) aufgespalten. Die Protonen wandern anschließend durch eine halbdurchlässige Elektrolyt-Membran zur Kathode. Die Elektronen können die Membran nicht durchdringen und sammeln sich deshalb an der Anode. Um das Positiv-Negativ-Verhältnis wieder auszugleichen, müssen die Elektronen über einen äußeren Kreislauf zur Kathode wandern. Auf diese Weise entsteht Strom. Mit dem zuströmenden Sauerstoff reagieren die Protonen und Elektronen außerdem zu Wasserdampf – das einzige Abfallprodukt des Brennstoffzellenautos.
