FC = Fuel Cell (deutsch: Brennstoffzelle)

Der Brennstoffzellen-Antrieb wird von vielen Automobil-Herstellern als Antrieb der Zukunft bezeichnet, wenn nämlich die Kosten für die Herstellung von herkömmlichen Kraftstoffen (Benzin, Diesel, Gas) vor allem aufgrund der schwindenden Rohstoff-Vorräte exorbitant steigen werden. Grund dafür ist, daß der Kraftstoff für automobilgeeignete Brennstoffzellen, der Wasserstoff, das am häufigsten auf der Erde vorkommende chemische Element ist und daher nicht so schnell "ausgehen" sollte.

Ein Fahrzeug mit Brennstoffzellen-Antrieb besitzt wie ein Elektroauto stets einen Elektromotor als Antriebsaggregat und verfügt daher automatisch über dessen Vorteile wie leiser Lauf, keine Abgase, hohes Drehmoment ab der ersten Umdrehung, konstante Leistungsabgabe schon bei niedrigen Drehzahlen, weniger mechanische Teile, keine Kupplung, kein Getriebe. Zusätzlich werden beim Brennstoffzellen-Antrieb keine teueren, schweren und Reichweiten begrenzenden Batterien zur Speicherung der elektrischen Energie wie beim Elektroauto benötigt, da aus Wasserstoff die Energie zum Zeitpunkt des Verbrauchs hergestellt wird. Allerdings sind Brennstoffzellen und vor allem die Technik drumherum hoch komplex. Das sorgt etwa für einen Raumbedarf, der dem Dreifachen des Raumbedarfs eines Verbrennungsmotors entspricht. Ähnlich verhält es sich mit dem Gewicht. Außerdem hat es sich als sinnvoll erwiesen, Energie für die Situationen zwischen zu speichern, in denen viel davon benötigt wird, z. B. beim Beschleunigen, denn dann kann die Kapazität der Brennstoffzelle kleiner ausgelegt werden. Deshalb können grundsätzlich zwei Konzepte des Brennstoffzellen-Antriebs unterschieden werden, der Direktbetrieb und der Assistenzbetrieb. General Motors und Opel favorisieren den Direktbetrieb, während alle übrigen Hersteller Assistenzbetriebe erproben, wobei Honda als Energiespeicher den eigenen Ultra-Capacitor nutzt, während DaimlerChrysler, Ford und Toyota mit leistungsfähigen Akkumulatoren arbeiten. Der Prototyp einer FCX Limousine, der im Jahre 2005 auf der Tokyo Motor Show vorgestellt wurde, besaß aus Gründen der Gewichts- und Raum-Ersparnis allerdings wieder einen Lithium-Ionen-Akkumulator.


Brennstoffzellen sind elektro-chemische Stromerzeuger: Ohne den Umweg über Wärme wird Elektrizität direkt aus einer chemischen Reaktion erzeugt. Benötigt wird dafür neben dem Wasserstoff als Kraftstoff der Sauerstoff aus der Luft. Vorteil: Als "Abgas" entstehen lediglich Wasserdampf und Wärme.

Bereits 1839 demonstrierte der Engländer William Robert Grove im Labor die Funktionsweise einer Brennstoffzelle. Die mangelnde Stabilität der seinerzeit verwendeten Materialien führte zu technischen Problemen, die wiederum diese Erfindung in Vergessenheit geraten ließen. Erst als die Raumfahrt kleine und leichte Stromerzeuger benötigte, wurde die Brennstoffzelle wieder entdeckt.

Im Gegensatz zur Batterie verbraucht sich die Brennstoffzelle theoretisch nicht und muß auch nicht geladen werden. Außerdem ist die Dauer ihrer Leistungsabgabe nur von der Vorratsmenge des Brennstoffs abhängig.


Aufbau einer Brennstoffzelle ...

Eine Brennstoffzelle besteht prinzipiell aus zwei Elektroden (Anode und Kathode), die mit Wasserstoff bzw. Sauerstoff versorgt werden, sowie einer dazwischenliegenden Trennschicht - dem Elektrolyten. Der verwendete Elektrolyt bestimmt wesentlich die übrige Technik und die Anwendungsmöglichkeiten der Brennstoffzelle, da er z. B. über die Systemtemperatur, bei der überhaupt Energie abgegeben werden kann, und das Kaltstartverhalten (= Dauer bis zum Erreichen der Systemtemperatur) entscheidet.

Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle - (c) Energie-Verlag, Heidelberg ... und ihre Funktionsweise

An der Anode werden die Brennstoffmoleküle (hier Wasserstoff) in Ionen zerlegt: in positiv geladene Protonen und negativ geladene Elektronen. Außerdem entsteht Wärme.

Die Protonen wandern durch den nur für Protonen durchlässigen Elektrolyten zur Kathode und damit zum dort in Ionen aufgespaltenen Sauerstoff, mit dem sie sich zu Wasser als "Abgas" verbinden können, wenn die Elektronen hinzu kommen.

Da die abgespaltenen Elektronen an der Anode verbleiben, entsteht dort ein Elektronenüberschuss und an der Kathode entsprechend ein Elektronenmangel.

Werden nun die beiden Elektroden miteinander verbunden, fließt aufgrund des Spannungsunterschiedes von etwa 0,6 bis 1,0 Volt elektrischer Strom, der als Antriebsenergie für einen Verbraucher - beim Brennstoffzellen-Auto ein Elektromotor - verwendet wird.

Natürlich ist die Arbeitsspannung einer Brennstoffzelle für den Betrieb eines Elektromotors für ein Auto viel zu gering. Deshalb werden eine Vielzahl von Brennstoffzellen zu einem Stapel (englisch: stack) zusammengefaßt und in Reihe hintereinander geschaltet. Dadurch summieren sich die Spannungen, so daß auch ein Automobil-Elektromotor betrieben werden kann.


Arten von Brennstoffzellen und ihre Anwendungsbereiche
Brennstoffzellen für Automobile müssen
  • möglichst klein,
  • möglichst leicht,
  • möglichst leistungsfähig,
  • möglichst einfach und
  • möglichst preiswert sein.

Diese Bedingungen erfüllt die Brennstoffzelle mit einer Polymer-Membran (PEMFC) am besten.

Sie besitzt darüber hinaus einen doppelt so hohen Wirkungsgrad wie ein optimal laufender Diesel-Motor, ein relativ gutes Kaltstartverhalten und die Fähigkeit zu schnellen Lastwechseln.

Trotzdem gibt es eine Reihe von mehr oder weniger ungelösten Problemen.

Art Elektrolyt Brennstoff Temperatur
AFC Kalilauge Wasserstoff bis 80 °C
PEMFC Polymer-Membran Wasserstoff
Methanol
bis 120 °C
PAFC Phosphorsäure Wasserstoff
Methan
200 °C
MCFC Alkalikarbonatschmelzen Wasserstoff
Methan
Kohlegas
600 bis
700 °C
SOFC keramischer Festelektrolyt Wasserstoff
Methan
Kohlegas
800 bis
1000 °C
aus: Henrik Colell: Brennstoffzellen, Energie-Verlag GmbH, Heidelberg 1998
Erläuterungen:
AFC = Alkaline Fuel Cell
PEMFC = Proton Exchange Membrane Fuel Cell
PAFC = Phosphoric Acid Fuel Cell
MCFC = Molten Carbonate Fuel Cell
SOFC = Solid Oxid Fuel Cell

Problem: Systemtemperatur

Brennstoffzellen funktionieren unterhalb des Gefrierpunkts für Wasser nicht, weil als "Abgas" Wasser entsteht, das sich beim Gefrieren ausdehnt und damit den Brennstoffzellen-Stack zerstören könnte. Andererseits darf die Temperatur von Brennstoffzellen für Automobile rund 120 °C nicht überschreiten. Das erfordert eine gegenüber einem Verbrennungsmotor erheblich intensivere Kühlung. Diese kann nur erreicht werden, wenn der Kühler im Vergleich zu dem eines Verbrennungsmotors erheblich vergrößert wird.


Problem: Gewicht und Volumen der Antriebseinheit

Wie bei allen technischen Innovationen hatte der Brennstoffzellen-Antrieb (zunächst) mit seinem übermäßigen Gewicht und seinem hohen Platzbedarf zu kämpfen. Der erste, in einem Automobil erprobte Brennstoffzellen-Antrieb, konnte von General Motors deshalb nicht wie ursprünglich geplant in einen Chevrolet Corvair eingebaut werden, sondern benötigte den Raum und die Tragfähigkeit eines GMC Handivan. Als nämlich 1966 der Electrovan getaufte ursprüngliche 6-Sitzer mit nur zwei Personen an Bord zu seiner einzigen Probefahrt aufbrach, wog seine Antriebseinheit mehr als das Vierfache eines konventionellen Antriebs (1.660 kg statt nur ca. 400 kg).

Schnittzeichnung GM Electrovan - (c) General Motors, USA

Honda half mit, den Brennstoffzellen-Antrieb im Hinblick auf den Platzbedarf und das Gewicht weiterzuentwickeln, wie an der Reihe der Versuchsträger dokumentiert werden kann. Dabei wurde kein Element des Gesamtsystems ausgelassen. Der in dieser Hinsicht erzielte Fortschritt beim Brennstoffzellen-Stack selbst wird allein beim Vergleich der von Honda entwickelten Stacks deutlich.

Entwicklung Honda FC-Stacks - (c) Honda, Europa

Hondas erster Brennstoffzellen-Stack (im obigen Bild ganz rechts) aus dem Jahre 1999 ist erheblich größer (133 ltr.) und schwerer (202 kg) als der ab dem Jahre 2004 in das (Klein-) Serienmodell eingebaute Stack (im obigen Bild in Bildmitte), der nur noch 96 kg wog, und das obwohl seine Leistung von 60 kW auf 86 kW anstieg.

Den Durchbruch bei der Verkleinerung (auf nur noch 54 ltr.) und Gewichtsreduktion (auf 67 kg) des Brennstoffzellen-Stacks (bei einer Leistung von 100 kW) erzielte Honda jedoch erst im Jahre 2005 durch ein ebenso radikales wie genial einfaches neues Konzept der technischen Gestaltung des Stacks (im obigen Bild ganz links). Dieses V Flow genannte Konzept (von vertical flow, auf deutsch "vertikaler Fluß") stellt einen Brennstoffzellen-Stack auf den Kopf. Während herkömmliche Brennstoffzellen-Stacks einen horizontalen Fluß der Brennstoffe (Wasserstoff und Sauerstoff) und des "Abwassers" realisierten, nutzt Honda bei diesem Stack die Schwerkraft aus und läßt Brennstoffe und "Abwasser" von oben nach unten fließen.


Problem: Speicherung des Brennstoffs

Entwicklung des Fahrzeug-Tanks
für flüssigen Wasserstoff
Brennstoffzellen benötigen Wasserstoff und Sauerstoff zur Erzeugung von elektrischer Energie.

Der Sauerstoff kann der Luft entnommen werden und stellt deshalb kein technisches Problem für die Entwicklung einer Brennstoffzelle dar.

Wasserstoff ist ein Gas, das entweder unter hohem Druck in Gasflaschen gefüllt werden muß, oder bei minus 253 °C verflüssigt wird. Beide Verfahren der Speicherung von Wasserstoff sind zwar technisch handhabbar, aber für Fahrzeuge teuer und voluminös.

Teuerere Autos mit geringerem Platzangebot oder geringerer Reichweite gegenüber dem gewohnten Auto mit Benzin- bzw. Dieselmotor schmälern die Akzeptanz der alternativen Antriebsenergie wie die Erfahrungen mit batteriebetriebenen Elektroautos beweisen.

Wasserstoff bindendes Material wie Metallhydride sind eine Alternative für die Speicherung.

Wasserstofftank 1979 - (c) BMW, Deutschland
1979
Wasserstofftank 1984 - (c) BMW, Deutschland
1984
Wasserstofftank 1990 - (c) BMW, Deutschland
1990
Wasserstofftank 1996 - (c) BMW, Deutschland
1996

Problem: Erzeugung von Wasserstoff

Methanol-Wasserstoff-Reformer - (c) Argonne National Laboratory, USA
Methanol-Wasserstoff-Reformer
Wasserstoff kann auch durch Reformierung aus z. B. Methanol, Erdgas, Benzin und Diesel gewonnen und danach der Brennstoffzelle als Kraftstoff zugeführt werden. Methanol ist wesentlich leichter speicherbar als Wasserstoff und würde selbst beim Tanken keine bedeutende Umstellung der Autofahrer erfordern.

Eigentlich scheiden diese Energieträger für die Reformierung aus, da ja gerade sie durch einen anderen Kraftstoff ersetzt werden sollen. Methanol fällt jedoch als Abfallprodukt der Rohöl-Förderung in großen Mengen an und wird deshalb - zumindest vorübergehend - als Alternative akzeptiert. Ein Methanol-Wasser-Gemisch wird durch Reformierung in den benötigten Wasserstoff, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid aufgespalten. Kohlenmonoxid schädigt eine PEMFC und wird deshalb durch eine chemische Reaktion so weit wie möglich in Kohlendioxid umgewandelt. Kohlendioxid wird aus Gründen des Umweltschutzes weitgehend reduziert.

Trotz der Probleme bei der Speicherung von Wasserstoff im Auto und der relativ einfachen Möglichkeit der Reformierung von Methanol, haben sich alle Automobil-Hersteller, die auf dem Gebiet der Brennstoffzellen-Technik forschen, letztlich für Wasserstoff als Kraftstoff entschieden, da nur er langfristig die gewünschte ausreichende Verfügbarkeit garantieren kann.

Hondas mit Solar-Energie betriebene Wasserstoff-Tankstelle in Torrence, Honda USA Andererseits ist eine energieaufwendige Erzeugung von Wasserstoff nicht akzeptabel. Deshalb entwickelt Honda eine umweltfreundliche Möglichkeit zur Gewinnung von Wasserstoff aus Wasser. Dazu setzen die Honda Ingenieure Solar-Technik ein, die sie etwa beim Prototyp Dream bereits erfolgreich anwendeten. Allerdings ist das reinste Zukunftsmusik: Eine Testanlage hatte Honda 2003 auf dem Gelände des Forschungs- und Entwicklungszentrums in Torrence, Kalifornien in Betrieb genommen. Hier können jährlich bis zu 5.700 Liter Wasserstoff durch reine Sonnenenergie hergestellt werden. Das ist viel zu wenig für den Betrieb eines Brennstoffzellen-Autos, denn dann könnte z. B. der erste Serien-FCX aus dem Jahre 2002 nur alle zehn Tage voll getankt werden. Wird der Testanlage elektrischer Strom "aus der Steckdose" zugeführt, dann erweitert sich ihre Kapazität auf rund 26.000 Liter oder etwa 73 Liter Wasserstoff täglich. Das entspricht genau einer halben Tankfüllung des FCX.

Damit ergibt sich für die umweltfreundliche Herstellung des Kraftstoffs für die Brennstoffzelle eine ähnliche Zwickmühle wie für die Herstellung von Alternativen zum Diesel: Es gibt sie, aber die mögliche Produktionsmenge reicht bei weitem nicht aus, die Nachfrage nach einem vollständigen Umstieg zu befriedigen. Deshalb experimentiert Honda parallel mit einer Heim-Energie-Station (HES), mit deren Hilfe aus Erdgas der Wasserstoff für die autarke Herstellung von Strom und Heiz-Energie eines kompletten Hauses sowie für das Tanken des Brennstoffzellen-Autos erzeugt wird.