Brennstoffzelle für die Serie: 175 Jahre und kein bisschen greise

Als Pionier alternativer Antriebstechnologien für Automobile hat Toyota spätestens seit Einführung des Hybridantriebs 1997 Geschichte geschrieben. Jetzt legen die Japaner nach. Ab Dezember verkaufen sie auf dem heimischen Markt den Mirai. Die Limousine der Mittelklasse ist das erste Serienfahrzeug mit einer Brennstoffzelle als Antrieb. Die Technik ist eigentlich ein alter Hut. Das Prinzip der Energieumwandlung von chemischer in elektrische Energie ist bereits 175 Jahre alt. Im Auto steht die Brennstoffzelle jedoch noch am Anfang ihrer Entwicklung.

Praktisch unendliche Kraftstoffreserven

Älter als der Verbrennungsmotor

Paradoxerweise ist die Brennstoffzelle sogar mehr als drei Jahrzehnte älter als der Viertakt-Verbrennungsmotor mit Leuchtgas, den Nikolaus Otto 1877 zum Patent angemeldet hatte. Die Brennstoffzelle ist eine sogenannte „galvanische Zelle“. Dies bezeichnet eine Vorrichtung, die für eine spontane Umwandlung von chemischer in elektrische Energie sorgt.

Deutsche Entdeckung von 1938

Die Funktionsweise der Reaktion entdeckte der deutsch-schweizerische Chemiker Christian Friedrich von Schönbein bereits 1838 und beschrieb sie im folgenden Jahr. Der Entdecker des Ozon und der Schießbaumwolle stellte fest, wie sich zwischen zwei Drähten eine Spannung aufbaute, als er zwei in Schwefelsäure getauchte Platindrähte mit Sauerstoff, beziehungsweise Wasserstoff umspülte. 1839 setzte der englische Physiker Sir William Robert Graves das Prinzip in Gestalt einer Batterie praktisch um. Die Entwicklung einer leistungsfähigen Energiequelle aus dieser „Ur-Brennstoffzelle“ scheiterte im 19. Jahrhundert an den technischen Möglichkeiten der Zeit. Außerdem revolutionierte Werner von Siemens 1866 mit seiner Erfindung des elektrischen Generators die Elektrotechnik als praktisch unendlich leistungsfähiger Energiewandler.

Die Stunde der Brennstoffzelle - Zeitalter der Raumfahrt

Weniger spektakuläre Einsätze

Weniger spektakulär waren da Entwicklungen bei Batteriehersteller Varta. Auf dem Gelände seines Forschungs- und Entwicklungszentrums in Kelkheim fuhren schon in den 1970-ger Jahren Elektrotransporter mit Strom aus Brennstoffzellen. Hier arbeitet mit Prof. August Winsel einer der beiden Pioniere der Brennstoffzelle. Zuvor schon hatte Prof. Eduard Justi (1904 bis 1986) die Grundlagen für die Brennstoffzelle gelegt – auch für die heutige Solartechnik. Doch bei Varta spielte Geld eine Rolle. Und die Automobilindustrie wollte damals nichts wissen von der Elektromobilität. Kelkheim wurde geschlossen, was übrigens auch einen tiefen Einschnitt bei der Entwicklung der Lithiumionenbatterie in Deutschland bedeutete. Beide strategischen Themen gerieten hier ins Hintertreffen. Erst deutlich später rührte sich Mercedes-Benz 1993 mit einem MB 100 Transporter, der seinen Strom aus einem 800 Kilogramm schweren Brennstoffzellen-Stack bezog.

So funktioniert die Brennstoffzelle

Eine Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden. Dabei trennt eine Membrane die beiden Elektroden räumlich. Der „Brennstoff“ Wasserstoff umspült die Anode. Der Wasserstoff oxidiert an dieser Elektrode katalytisch. Dabei trennen sich Elektronen und Protonen. Um nun Spannung und einen Stromfluss zu erzeugen, dürfen nur die Protonen an die Kathode gelangen. Dies gewährleistet die sogenannte „Protonenaustauschmembrane“ (PEM = Proton Exchange Membrane). Auf ihrem Weg gelangen die Elektronen zur Kathode in der Nachbarkammer. Ein hoch reaktives Element wie Sauerstoff umspült die Kathode als Oxidationsmittel. Der Sauerstoff reduziert durch die Aufnahme der Elektronen zu Anionen und reagiert mit den durch die PEM gewanderten Protonen zu Wasser. Der in der Brennstoffzelle erzeugte Strom treibt schließlich einen Generator an, der die elektrische Energie in die für den Antrieb erforderliche Drehbewegung umsetzt.

Nicht (mehr) größer als ein normaler Motor

Um die notwendige Kraft für einen Fahrzeugantrieb zu liefern, sind zahlreiche einzelne Brennstoffzellen erforderlich. Sie sind in sogenannten „Stacks“ zusammengefasst. Die Stacks des Toyota Mirai sind die derzeit effizientesten. Pro Liter Bauvolumen erzeugen sie 3,1 kW Leistung. Insgesamt beträgt die Systemleistung 113 kW / 154 PS. Damit ist der komplette Antrieb nicht größer als ein Vierzylinder-Motor.

Sehr hoher Wirkungsgrad

Herstellung von Wasserstoff braucht viel Energie

Die Herstellung von Wasserstoff erfordert einen hohen Energieeinsatz. Somit gewährleistet nur Strom aus regenerativen Energiequellen eine sinnvolle Umweltbilanz. Und schließlich sind bei der Speicherung und dem Transport des Gases noch viele Probleme zu lösen. Wasserstoff ist so extrem flüchtig, dass er selbst durch massive Metallbehältern dringt und sich verflüchtigt. Toyota löst das Problem beim Mirai mit Tanks aus kohlefaserverstärkten Kunststoffen. Das Gas lässt sich dabei mit maximal 700 bar Druck speichern.

Allianz pro Wasserstoff

Auch ein so großer Autobauer wie Toyota wird es nicht schaffen, die Revolution einer neuen Antriebstechnik allein auf breiter Ebene durchzusetzen. Zusammen mit Daimler, Ford, GM, Honda, Hyundai und Renault-Nissan haben die Japaner Ende September eine Erklärung unterzeichnet, die Entwicklung und Markteinführung von Brennstoffzellenfahrzeugen gemeinsam zu stemmen. Bis schließlich ein flächendeckendes System an Wasserstoff-Tankstellen zur Verfügung steht, werden noch Jahrzehnte ins Land gehen.

Ab September am Markt

„Das Wasser ist die Kohle der Zukunft“ (Jules Verne)

Bis die breite Masse der Kunden sich beim Autokauf die Antwort auf die Frage „Diesel oder Benziner?“ sparen kann, weil die Brennstoffzelle zum Standard unter den Motorhauben gehört, ist also Geduld erforderlich. Und ein Optimismus für diese Technik, die fast so alt ist wie sie selbst. So schrieb der Visionär Jules Verne bereits 1870 über die Zukunft der Brennstoffzelle: „Das Wasser ist die Kohle der Zukunft. Die Energie von morgen ist Wasser, das durch elektrischen Strom zerlegt worden ist. Die so zerlegten Elemente des Wassers, Wasserstoff und Sauerstoff, werden auf unabsehbare Zeit hinaus die Energieversorgung der Erde sichern.“