Brennstoffzellenantrieb: Autoantrieb ohne Abgase

Brennstoffzellenantrieb: Autoantrieb ohne Abgase

 

Brennstoffzellen sind elektrochemische Stromerzeuger, welche die chemische Energie eines Brennstoffes und eines Oxidationsmittels direkt, ohne den Umweg einer Wärmeerzeugung, in elektrische Energie umwandeln. Die Technologie der Brennstoffzelle geht auf die Entdeckungen von William Robert Grove im Jahre 1835 zurück; erste Anwendungen fanden in den 1960er- und 70er-Jahren durch die Entwicklungen in der Raumfahrt statt.

 

 Funktionsweise

 

Die Funktionsweise der Brennstoffzelle beruht auf der Umkehrung der Elektrolyse von Wasser. Während bei der Elekrolyse aus Wasser durch elektrischen Strom die Gase Wasserstoff und Sauerstoff hergestellt werden, wird die Reaktion bei der Brennstoffzelle umgedreht. Um die Aufspaltung des Wassers zu erreichen, besteht eine Brennstoffzelle aus der Dreierschicht Anode/Elektrolyt/Kathode, wobei die zwei Elektroden (Anode und Kathode) durch den Elektrolyten miteinander verbunden werden. Die Anode wird dabei mit dem Brennstoff (Wasserstoff H₂) und die Kathode mit dem Oxidationsmittel (in Luft enthaltener Sauerstoff O₂) versorgt.

 

Die beiden Elektroden haben die Aufgabe, die »Verbindung« zwischen der Energie produzierenden chemischen Reaktion und der entstehenden Elektrizität herzustellen, d. h., an den Elektroden findet die Umwandlung der chemischen Energie (Brennstoff) in elektrische Energie statt. Der Wasserstoff oxidiert an der Anode und die gebildeten Protonen (2H⁺) übertragen die elektrische Ladung durch den Elektrolyten zur Kathode, wo durch die Reaktion mit dem Luftsauerstoff als Endprodukt Wasser (H₂O) entsteht. Der dabei produzierte Strom (2e^-) fließt über den äußeren Stromkreis und kann in ein Versorgungsnetz eingespeist werden.

 

 Hoher Wirkungsgrad

 

Grundsätzlich sind in einer Brennstoffzelle sämtliche oxidierbaren gasförmigen Brennstoffe einsetzbar. Heute wird hauptsächlich reiner Wasserstoff (H₂) verwendet. Die Gewinnung dieses Brenngases kann aber auch beispielsweise aus Erdgas, Methanol oder Biogas durch eine Reformierungsreaktion innerhalb oder außerhalb der Brennstoffzelle erfolgen.

 

Die Zellen zeichnen sich durch einen wesentlich höheren Wirkungsgrad (40-65 %) als thermische Systeme (Ottomotor: etwa 25 %, Dieselmotor: etwa 33 %) aus und haben im Vergleich mit herkömmlichen Verbrennungsmotoren deutlich niedrigere Schadstoffemissionen, die, wie z. B. Kohlendioxid (CO₂), nur bei der Verwendung fossiler Brennstoffe (z. B. Erdgas) entstehen. Beim Betrieb mit Wasserstoff als primärem Brennstoff und Sauerstoff wird hingegen nur Wasser bzw. Wasserdampf produziert.

 

 Geringe Leistungsdichte

 

Aufgrund dieser Vorteile eignen sich Brennstoffzellen vor allem für die stationäre Stromerzeugung sowie als Energielieferant für Fahrzeuge. Bei Verkehrsmitteln ist für den Antrieb ein Motor wichtig, der mit einer gut speicherbaren Energiequelle arbeitet und eine kompakte, gewichtssparende Bauweise aufweist. Die größten Chancen werden dem Brennstoffzellentyp PEM eingeräumt, da dieser den Betrieb bei Umgebungstemperatur ermöglicht und keine zeitaufwendige Aufwärmphase auf eine höhere Betriebstemperatur (ca. 200 ºC) erforderlich macht. Wichtigstes Bauteil von PEM-Brennstoffzellen sind die Membran-Elektroden-Einheiten, die gegeneinander durch Bipolarplatten getrennt sind. Sie bestehen aus einer etwa 0,1 mm dicken Protonen leitenden Elektrolytfolie, zwei auf den Seiten der Folie aufgebrachten Edelmetallkatalysatoren (z. B. aus Platin) und den beiden Elektroden.

 

Zur Zeit können die mit Verbrennungsmotoren erreichbaren Leistungsdichten von Brennstoffzellen inklusive Elektromotor nicht realisiert werden. Dies schränkt die Anwendung der Zellen in Pkws zumindest mittelfristig ein. Lediglich im Omnibusbereich sind heute durch den großen Einbauraum Leistungswerte erreichbar, die mit konventionellen Verbrennungsmotoren konkurrieren können (Firma Ballard Power Systems, Kanada). Daneben laufen Versuche mit Brennstoffzellen in einem Kleintransporter (Mercedes-Benz 180 BZ), der mit einem Druckwasserstofftank aus faserverstärktem Verbundwerkstoff ausgerüstet ist.

 

 Wasserstoff aus Methanol als Treibstoff

 

Die verwendeten Antriebe mit Wasserstoffzellen ermöglichen ein abgasfreies Fahrzeug bei allerdings eingeschränkter Reichweite und fehlender Tankstelleninfrastruktur. Neben diesen Wasserstoffzellenantrieben ist insbesondere bei Individualfahrzeugen auch ein Brennstoffzellenantrieb mit Methanolreformer denkbar. Das Methanol wird aus Erdgas oder zukünftig aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt und im Fahrzeug zur Erzeugung des Wasserstoffs verwendet. Durch Methanol als Treibstoff lassen sich Reichweiten verwirklichen, die denjenigen von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor entsprechen.