Brennstoffzellen im Auto

Experimente:
Versuch: Betrieb von Brennstoffzellen


Brennstoffzellen (BRZ) sind elektrochemische Elemente, bei denen unter Vermittlung katalytisch wirkender Elektroden die Energie chemischer Redoxreaktionen zwischen Brennstoffen und Sauerstoff direkt in elektrische Energie umgewandelt wird. Dabei wird der Brennstoff aus einem Tankvorrat laufend nachgeliefert. Sauerstoff steht mit der Luft ausreichend zur Verfügung. Anders als bei Batterien oder Akkus hört deshalb der stromliefernde Prozess wegen Verbrauchs der Redoxreaktions-Partner nicht auf (-> Versuch).

Das Prinzip der BRZ wurde bereits 1839 anhand der Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff entwickelt ("Knallgaszelle"). Bis auf wenige Anwendungen dämmerte das technische Wunder vor sich hin und war nur von akademischem Interesse: In Schulen und Universitäten diente die BRZ als Demonstrationsobjekt für Systeme mit hohem Wirkungsgrad und zur Verdeutlichung der Prinzipien des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik. Wirklich genutzt wurde das galvanische Element eigentlich nur vom Militär wie z. B. bei der Weltraumfahrt.

Heute treibt man mit der BRZ Autos und Busse an, so dass die Zelle damit aus dem Versuchsstadium heraus ist. Der ab 1994 entwickelte Necar ("New Electric Car" oder vielleicht besser: "No Emission Car") von Daimler-Chrysler hat eine Leistung von 75 PS, die analoge Entwicklung von Ford 100 PS. Dabei erwies sich als besonders vorteilhaft, dass diese Autos anders als akkubetriebene Elektroautos nicht "Elektronen tanken" müssen, sondern flüssigen Treibstoff und deshalb in wenigen Minuten nachgetankt werden können. Mit einer Tankfüllung kann mehrere hundert Kilometer gefahren werden.
Obwohl die Technologie auf Wasserstoffoxidation angelegt ist, kann man auch Methanol, Methan oder Benzin tanken. Ein Konverter crackt diese Kohlenstoffverbindungen oxidativ und überführt sie in CO2 und Wasserstoff, der dann als Brennstoff dient.
Was Fahrer besonders schätzen: Die Autos mit BRZ-Antrieb spurten beim "Gasgeben" kräftig los, da Elektromotoren ein stärkeres Anzugsmoment haben als klassische Motoren. Außerdem sprechen die Motoren sofort an, so dass ein Batteriepuffer zwischen Stromquelle und Motor nicht nötig ist.
Die Leistungswerte sind mit denen normaler Autos nicht ohne weiteres zu vergleichen. Denn die Brennstoffzelle verfügt über einen Wirkungsgrad von 60 %. Klassische Motoren erreichen unter optimalen Bedingungen im Laborbetrieb nicht einmal 40 %. Deshalb ist der spezifische Kraftstoff-Verbrauch für die BRZ-Autos besser.

Da Brennstoffzelle und Elektromotoren relativ einfach aufgebaut sind, liegen sie langfristig preislich günstiger als die aus vielen beweglichen, unter der Motorhitze und Reibung leidenden Einzelteilen zusammengesetzten klassischen Motoren.

Der Vorteil gegenüber normalen Batterien bzw. Akkumulatoren liegt auf der Hand: Wenn die Energielieferung aufhört, muss wie beim Zink-Brom-Element nicht umständlich aufgeladen werden, sondern nur Wasserstoff getankt werden. Auch entfällt die lästige Vorheizung wie bei dem Natrium-Schwefel-Akkumulator. Dazu beträgt die Masse der Brennstoffzelle nur ein Drittel der bislang üblichen Akkumulatoren. Als Wirkungsgrad erhielt man bislang » 65 %, also viel mehr, als bei anderen Batterien.

Der Wasserstoff kann (zusammen mit Sauerstoff) durch Elektrolyse von Wasser mit Hilfe von Solarstrom gewonnen werden. Der einzige Nachteil: Der apparative Aufbau ist momentan noch sehr groß, vor allem wegen der Kühlvorrichtungen für den Wasserstoff. Allerdings gibt es hier eine moderne Technologie: Der Wasserstoff ist im Auto direkt vor der elektrochemischen "Verbrennung" durch katalytisches Cracken von Methanol herstellbar:

Mittlerweile gibt es moderne Technologien zur Erhöhung des Wirkungsgrads von Brennstoffzellen.

Genaues zu den wissenschaftlichen Hintergründen der BRZ entnimmst du am besten der Webseite Das Prinzip der Brennstoffzellen. Umfassende Informationen zur BRZ gibt unser Webbereich Brennstoffzelle, in dem vor allem das moderne Membranverfahren im Mittelpunkt steht.


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Letzte Überarbeitung: 08. Februar 2012, Dagmar Wiechoczek