Vergleich von Wasserstoff-Brennstoffzellen-Antriebssystemen und Wasserstoff-Verbrennungsmotoren

Das Grundprinzip von Wasserstoff-Brennstoffzellen besteht darin, die im Brennstoff enthaltene chemische Energie durch elektrochemische Reaktionen in elektrische Energie umzuwandeln. Das Funktionsprinzip einer Wasserstoff-Brennstoffzelle besteht darin, dass Wasserstoff durch einen Katalysator (Platin) in der Anode der Brennstoffzelle in Elektronen und Wasserstoffionen (Protonen) zerlegt wird. Protonen gelangen durch die Protonenaustauschmembran zur Kathode, wo sie mit Sauerstoff reagieren und Wasser und Wärme bilden. Die entsprechenden Elektronen fließen durch einen externen Stromkreis von der Anode zur Kathode und erzeugen dabei elektrische Energie. Die Struktur von Wasserstoff-Brennstoffzellenstapeln besteht hauptsächlich aus Bipolarplatten, Membranelektroden (mit einer Katalysatorschicht beschichtete Protonenaustauschmembran), Gasdiffusionsschichten, Isolierplatten usw. Anschließend werden, basierend auf dem Stapel, zusätzliche Systeme wie das Luftsystem, das Wasserstoffsystem, das elektronische und elektrische System sowie das Wasser-Wärme-Managementsystem integriert, um ein Wasserstoff-Brennstoffzellen-Antriebssystem zu bilden, das im Wesentlichen einem Wasserstoff-Brennstoffzellenmotor entspricht.

Wasserstoff-Verbrennungsmotoren erzeugen ihre Energie durch die Verbrennung von Wasserstoff. Wie konventionelle Kraftstoffmotoren arbeitet dieser Motortyp mit vier Takten: Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen, wobei Wasserstoff konventionelle Kraftstoffe ersetzt. Am Beispiel des Cummins-Motors ähnelt sein Aufbau im Wesentlichen dem eines Erdgasmotors und umfasst Komponenten wie Zylinderblock, Kurbelwelle, Zylinderkopf, Zündsystem und Befestigungsteile. Teile von Wasserstoff-Verbrennungsmotoren und Dieselmotoren sind zudem teilweise austauschbar, wie beispielsweise Zylinderblöcke, Kurbelwellen, Stützen, Schwungradgehäuse und andere Befestigungskomponenten. Die hohe Ähnlichkeit und Austauschbarkeit dieser Komponenten kann die wirtschaftlichen Vorteile der Cummins-Wasserstoff-Verbrennungsmotoren nutzen, die Zuverlässigkeit der Anlagen verbessern und die Umstellung der Branche auf kohlenstoffarme Verfahren entscheidend unterstützen.

Beide sind sich ähnlich: Für die Reaktion sind Wasserstoff und Sauerstoff erforderlich. Es werden alle erforderlichen Kraftstoffspeicher und Wasserstofftanks benötigt, um das Fahrzeug anzutreiben. Der Unterschied besteht darin, dass beide Brennstoffzellenfahrzeuge auf unterschiedliche Weise Energie erzeugen, was auch zu einem erheblichen Unterschied in der Effizienz führt. Brennstoffzellenfahrzeuge haben daher bei gleichem Wasserstoffverbrauch eine höhere Reichweite. Auch die Bauweise der Motoren ist völlig unterschiedlich. Brennstoffzellen sind umweltfreundlicher als Wasserstoffverbrennungsmotoren. Darüber hinaus gibt es keinen Unterschied in der Geschwindigkeit der Energiefreisetzung, und sowohl Verbrennungsmotoren als auch Brennstoffzellen können kurzfristig hohe Leistungen erbringen.
Im Vergleich zu den beiden Routen sind die Vorteile von Wasserstoff-Brennstoffzellen sind ein hoher Umwandlungswirkungsgrad, geringe Schadstoffemissionen und ein hoher Grad an kommerzieller Anwendung. Insbesondere im Hinblick auf den Umwandlungswirkungsgrad ist es schwierig, den thermischen Wirkungsgrad von Wasserstoffbrennstoffmotoren über 45 % zu erreichen, während der Umwandlungswirkungsgrad von Wasserstoffbrennstoffzellen über 60 % erreichen kann.
Die Vorteile von Wasserstoffmotoren liegen in den niedrigen Kosten (etwa 10 % der Brennstoffzellen), den geringen Anforderungen an die Wasserstoffreinheit und der Möglichkeit, bestehende Verbrennungsmotoren nachzurüsten. Darüber hinaus eignen sich Wasserstoff-Verbrennungsmotoren aufgrund ihrer höheren Leistungseffizienz unter Hochlastbedingungen besser für den Einsatz in Nutzfahrzeugen wie mittelschweren und schweren Lkw.