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Kurz gesagt: In der Brennstoffzelle reagieren Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser. Die Reaktion läuft aber nicht als Verbrennung ab, sondern räumlich getrennt: Die Elektronen müssen den Umweg über einen äußeren Stromkreis nehmen — und dieser Elektronenfluss ist der nutzbare Strom.
Was an den Elektroden passiert
Anode. Wasserstoff strömt zu und wird an einem Katalysator, meist Platin, in Protonen und Elektronen zerlegt.
Membran. Zwischen den Elektroden sitzt eine protonenleitende Membran. Sie lässt die positiv geladenen Protonen durch, hält die Elektronen aber zurück.
Äußerer Stromkreis. Die Elektronen nehmen den einzigen Weg, der ihnen bleibt — durch den Verbraucher. Das ist der elektrische Strom.
Kathode. Dort treffen Protonen, Elektronen und Sauerstoff aus der Luft zusammen und bilden Wasser.
Die Bilanz: Wasserstoff plus Sauerstoff ergibt Wasser, Strom und Wärme. Mehr entsteht nicht — kein Kohlendioxid, keine Stickoxide, kein Feinstaub.
Die Zellspannung
Eine einzelne Zelle liefert nur etwa 0,7 Volt unter Last. Für brauchbare Spannungen werden hunderte Zellen in Reihe geschaltet — dieses Paket heißt Stack.
Die Bauarten
PEM-Brennstoffzelle. Arbeitet bei 60 bis 80 Grad, startet schnell, reagiert gut auf Lastwechsel. Deshalb die Bauart für Fahrzeuge. Sie braucht sehr reinen Wasserstoff, weil der Platinkatalysator empfindlich ist.
Festoxid-Brennstoffzelle. Arbeitet bei 600 bis 1.000 Grad, erreicht höhere Wirkungsgrade und kommt auch mit Erdgas zurecht. Sie startet langsam und eignet sich für den Dauerbetrieb — etwa zur Strom- und Wärmeversorgung von Gebäuden.
Direktmethanol-Zelle. Nutzt flüssiges Methanol, liefert wenig Leistung, dafür lange — für netzferne Anwendungen.
Der Wirkungsgrad
Elektrisch erreichen Brennstoffzellen 40 bis 60 Prozent. Wird die anfallende Wärme mitgenutzt, kommt man in Kraft-Wärme-Kopplung auf über 80 Prozent Gesamtnutzungsgrad.
Anders als bei einem Verbrennungsmotor begrenzt kein Carnot-Wirkungsgrad das Ergebnis, weil keine Wärmekraftmaschine dazwischensteht.
Die offene Frage: der Wasserstoff
Die Zelle selbst ist sauber. Entscheidend ist, woher der Wasserstoff kommt. Wird er per Elektrolyse aus erneuerbarem Strom gewonnen, ist die Kette emissionsarm. Stammt er aus Erdgas, entsteht das Kohlendioxid eben vorher.
Hinzu kommen die Verluste der Kette: Elektrolyse, Verdichtung, Transport und Rückverstromung summieren sich. Für den Pkw ist der direkte Batterieantrieb deshalb effizienter — im Schwerlastverkehr, in der Schifffahrt und in der Industrie sieht die Rechnung anders aus.
Der Unterschied zur Batterie
Eine Batterie speichert Energie in ihren Elektroden und ist leer, wenn die Reaktionspartner verbraucht sind. Eine Brennstoffzelle speichert nichts, sondern wandelt laufend zugeführten Brennstoff um. Sie arbeitet, solange Wasserstoff und Sauerstoff nachströmen.
Damit ähnelt sie eher einem Motor als einem Akku. Der Tank bestimmt die Reichweite, die Zelle die Leistung. Beide lassen sich unabhängig voneinander auslegen.
Genau darin liegt der Vorteil bei schweren Fahrzeugen und langen Strecken: Ein größerer Tank wiegt kaum mehr, ein größerer Akku dagegen erheblich. Deshalb wird die Technik vor allem für Lastwagen, Busse und Züge diskutiert. Bei Pkw hat sich der Akku durchgesetzt.
Wo Brennstoffzellen heute eingesetzt werden
Im Verkehr gibt es Busse, Lastwagen und einzelne Zugstrecken mit Brennstoffzellenantrieb, in Deutschland unter anderem im Regionalverkehr. Daneben werden sie als Notstromversorgung für Funkmasten und Rechenzentren genutzt. Auch Gabelstapler in Logistikzentren fahren damit.
In Gebäuden kommen Geräte zum Einsatz, die gleichzeitig Strom und Wärme liefern. Diese Kraft-Wärme-Kopplung erreicht rechnerisch hohe Gesamtwirkungsgrade. Wirtschaftlich sind sie nur bei hohem Wärmebedarf.
Die Raumfahrt war das erste große Anwendungsfeld: Die Apollo-Missionen nutzten Brennstoffzellen für Strom und gewannen das entstehende Wasser als Trinkwasser. Das zeigt das Grundprinzip anschaulich. Als Abgas entsteht nur Wasser.
Wie Wasserstoff hergestellt wird
Der weitaus größte Teil des heute genutzten Wasserstoffs stammt aus Erdgas, hergestellt durch Dampfreformierung. Dabei entsteht Kohlendioxid, weshalb dieser Wasserstoff als grau bezeichnet wird. Klimavorteile bringt er nicht.
Grüner Wasserstoff entsteht durch Elektrolyse mit Strom aus erneuerbaren Quellen. Dabei geht ein erheblicher Teil der eingesetzten Energie verloren, bei der Rückverstromung ein weiterer. Über die gesamte Kette bleibt deutlich weniger übrig als beim direkten Einsatz von Strom.
Genau das ist der Kern der Debatte: Wasserstoff lohnt sich dort, wo eine direkte Elektrifizierung schwierig ist, etwa in der Stahl- und Chemieindustrie. Für Heizungen und Pkw gilt er unter Fachleuten überwiegend als ineffizient. Die Bundesregierung verfolgt dazu eine eigene Strategie.
Wie Wasserstoff gespeichert wird
Gespeichert wird er meist gasförmig unter hohem Druck, bei Fahrzeugen üblicherweise bei 700 bar. Alternativ ist die Speicherung als tiefkalte Flüssigkeit möglich, die aber ständige Kühlung erfordert. Beides ist technisch aufwendig.
Wasserstoff hat je Kilogramm einen sehr hohen Energieinhalt, je Liter aber einen sehr niedrigen. Deshalb sind die Tanks groß. Für Schiffe und Flugzeuge wird deshalb an flüssigen Trägerstoffen geforscht.
Sicherheitstechnisch ist Wasserstoff beherrschbar, verlangt aber andere Vorkehrungen als Benzin: Er ist leichter als Luft und verflüchtigt sich schnell, entzündet sich dafür in einem weiten Mischungsbereich. Tankstellen und Werkstätten haben dafür eigene Vorschriften. Sie sind in technischen Regeln festgelegt.
Was eine Brennstoffzelle kostet
Der Preis wird bislang vor allem durch die eingesetzten Edelmetalle und die Fertigung in kleinen Stückzahlen bestimmt. Forschung zielt deshalb darauf, den Platinbedarf zu senken oder zu ersetzen. Fortschritte gibt es, marktreif sind sie nur teilweise.
Hinzu kommen die Kosten für Tank, Sicherheitstechnik und Infrastruktur. Öffentliche Wasserstofftankstellen sind in Deutschland an weniger als hundert Standorten verfügbar. Das begrenzt die Alltagstauglichkeit erheblich.
Wo verlässliche Informationen stehen
Zum Stand der Technik veröffentlichen Fraunhofer-Institute, die Nationale Organisation Wasserstoff und Fachverbände regelmäßig Berichte. Sie nennen Zahlen mit Quelle und Stichtag. Der Zugriff ist kostenfrei.
Herstellerangaben und politische Ankündigungen sollten davon getrennt gelesen werden. Sie beschreiben Ziele, nicht den Bestand. Ein Abgleich lohnt sich immer.
Was die Zelle begrenzt
Die Membran verträgt nur einen engen Temperaturbereich und muss dauerhaft feucht bleiben. Trocknet sie aus, sinkt die Leistung, bei zu viel Wasser blockiert es die Gaszufuhr. Das Wassermanagement ist deshalb eine zentrale Aufgabe der Steuerung.
Verunreinigungen im Wasserstoff, etwa Kohlenmonoxid, vergiften den Katalysator. Deshalb ist die Reinheit des Brennstoffs genormt. Diese Anforderung verteuert die Bereitstellung zusätzlich.
Häufige Fragen
Was entsteht als Abgas?
Wasser und Wärme.
Wie hoch ist die Spannung einer Zelle?
Etwa 0,7 Volt unter Last.
Warum braucht sie Platin?
Als Katalysator bei niedrigen Temperaturen.
Ist die Brennstoffzelle klimaneutral?
Nur so weit wie der eingesetzte Wasserstoff.
Wo lohnt sie sich?
Im Schwerlastverkehr, in der Schifffahrt und in der Industrie.
Quellen
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