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Brennstoffzellen für die Automobilindustrie



Keine Abgase, umweltfreundliche Energie für den Straßenverkehr – Sir William Robert Grove (1811 bis 1896) hatte diese Schlagworte wohl kaum im Sinn, als er 1839 bei Arbeiten zu nicht wiederaufladbaren Batterien das Brennstoffzellenprinzip entwickelte. Nach mehr als 100 Jahren Dornröschenschlaf wurde erst Anfang der fünfziger Jahre wieder verstärkt auf dem Gebiet der Brennstoffzellen geforscht. Neue Anwendungsgebiete in der Raumfahrt und innovative Materialien wie leistungsfähige Membranen und korrosionsbeständige Werkstoffe waren die entscheidenden Schrittmacher. Zu Beginn der neunziger Jahre bekamen die Aktivitäten neuen Auftrieb: Die Wissenschaftler hatten erkannt, daß nur ein radikaler Wechsel vom Benzinmotor hin zum Elektroantrieb die Umwelt entscheidend vom Schadstoffausstoß entlasten kann. Aber herkömmliche Batterien, auch neuester Bauart, sind zu schwer, zu teuer und bringen wegen ihrer geringen Energiedichte nur wenig Reichweite.

Brennstoffzellen lösen diese Probleme. Sie verwandeln die Energie einer chemischen Reaktion direkt in elektrische Energie. Der sonst übliche thermische Zwischenschritt (in der Abfolgekette Verbrennung, Dampfbildung, Turbine, Generator) entfällt dabei völlig. So wird ein effizienteres Nutzen der Energieträger möglich. Bevorzugte Ausgangsstoffe für die chemische Reaktion sind Wasserstoff – bei Hochtemperaturbrennstoffzellen auch Erdgas – und Sauerstoff.

Eine Einzelzelle erzeugt im Leerlauf Spannungen zwischen 1 und 1,1 Volt. Bei Belastung, das heißt bei fließendem Strom, sinken die Werte ab; typische Betriebsspannungen liegen zwischen 0,6 und 0,8 Volt. Das entspricht beim Umsetzen von chemischer in elektrische Energie immerhin einem Wirkungsgrad zwischen 48 und 65 Prozent bei Stromdichten zwischen 0,3 und 1 Ampere je Quadratzentimeter Elektrodenfläche.

Um technisch verwertbare Spannungen und Leistungen zu erhalten, werden Einzelzellen mit einer Fläche von bis zu 1200 Quadratzentimetern zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefaßt. Durch Reihenschaltung mehrerer Stapel kamen schon Spannungen bis über 700 Volt und Leistungen von mehr als 300 Kilowatt zustande. Damit sind die für Kraftfahrzeuge erforderlichen 40 bis 70 Kilowatt bereits in greifbare Nähe gerückt.

Besonders attraktiv ist die Polymer-Elektrolyt-Membran(PEM-)Brennstoffzelle. Sie arbeitet bevorzugt bei Temperaturen zwischen 60 und 80 Grad Celsius und verspricht vielfältige Anwendungen, wie zum Beispiel netzunabhängige Strom- und Wärmeversorgung von Gebäuden oder elektrische Antriebe. Hier öffnet sich ein vielversprechender Weg zu schadstofffreien Straßenfahrzeugen. Warum sich gerade PEM-Brennstoffzellen für den Straßenverkehr besonders gut eignen, zeigen die für den Betrieb der Stapel notwendigen Bedingungen und ihr Verhalten: Die Zellen können bei Umgebungstemperatur hochgefahren werden und besitzen eine niedrige Betriebstemperatur von maximal 80 Grad Celsius. Sie lassen sich zudem schnell ein- und ausschalten und reagieren sehr schnell auf Lastwechsel. Siemens entwickelt für Spezialanwendungen bei Unterseebooten derzeit Wasserstoff-Sauerstoff-Aggregate der Leistungsklasse 30 bis 40 Kilowatt.

Doch der Kraftfahrzeugmarkt läßt sich mit dieser Technologie nicht ohne weiteres erschließen. Sie arbeitet nämlich nur mit reinem Sauerstoff optimal. Die Automobilbauer fordern jedoch, Luft anstelle von reinem Sauerstoff zu verwenden, weil dies sicherer und praktikabler ist. Den Weg zum Massenmarkt geht Siemens deshalb über Zwischenstufen. Zunächst wurde ein Gabelstapler mit einer 10- bis 12-Kilowatt-PEM-Brennstoffzelle (250 Ampere bei 48 Volt Nettoleistung) ausgerüstet. Er verrichtet seinen Dienst bereits seit August 1997 auf dem Gelände der Solar-Wasserstoff-Bayern GmbH in München. Bei diesem Gabelstapler ist bereits ein Betrieb mit Luft nahe Atmosphärendruck verwirklicht. In einer zweiten Stufe soll noch in diesem Jahr ein 12 Meter langer Standard-Linienbus mit 120 Kilowatt-Brennstoffzellen-Antrieb zum Einsatz kommen. Wo dieser fahren wird, steht noch nicht fest. Eine Wasserstoff-Tankstelle sollte jedoch möglichst in der Nähe sein.

Für den konventionellen Einsatz müssen aber die Fertigungskosten für den Brennstoffzellenstapel von derzeit mehr als 50000 Mark je Kilowatt auf unter 50 Mark je Kilowatt gesenkt werden. Gefragt sind daher neue Entwicklungskonzepte, die auf weniger Edelmetall-Katalysatoren, alternative dünne Membranelektrolyte und den Einsatz gängiger Konstruktionsmaterialien abzielen.

Auch bei der Zellenkonstruktion gibt es noch einiges zu tun. Gebraucht werden möglichst einfache, gut handhabbare Bauteile für die hochautomatisierte Produktion. Entsprechende Konzepte liegen bereits vor und werden derzeit im Rahmen des von der Europäischen Union geförderten JOULE-Projektes überprüft. Können die Pläne umgesetzt werden, sind Fertigungskosten der Stapel von unter 50 Mark pro Kilowatt durchaus vorstellbar. Kostengünstige Brennstoffzellen für die Automobilindustrie sind also nur eine Frage der Zeit. Offen und kontrovers wird aber noch die Frage des richtigen Treibstoffs diskutiert. Am besten geeignet für die Brennstoffzelle wäre Wasserstoff. Techniken zum gefahrlosen Umgang stehen bereit, doch es fehlt ein flächendeckendes Tankstellennetz. Vorzuziehen ist daher ein flüssiger Treibstoff, der über die vorhandenen Zapfsäulen getankt werden kann. Die Forscher arbeiten deshalb daran, Benzin oder Methanol direkt im Fahrzeug in ein wasserstoffreiches Gasgemisch zu spalten. Vorher aber müssen noch die hierfür notwendigen Reformer an die Brennstoffzelle angepaßt werden. Und nicht zuletzt warten die Automobilbauer auf einen Antrieb, der ihren hohen Ansprüchen in Sachen Komfort, Geschwindigkeit und Kilometerleistung gerecht wird. Sind diese Probleme gelöst, steht einer umweltverträglichen Mobilität nur noch wenig entgegen.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 2 / 1999, Seite 944
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
2 / 1999

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 2 / 1999

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