Brennstoffzelle: Toyota sitzt in der ersten Reihe

Der Serienstart eines Fahrzeugs mit Brennstoffzellenantrieb steht unmittelbar bevor. Toyota wird mit seinen Partnern Nissan und Hyundai das erste Fahrzeug ab 2015 in Skandinavien auf den Markt bringen. Der Aufbau einer Infrastruktur für Wasserstofftankstellen zwischen 2014 und 2017 ist bereits in Vorbereitung. Auch das erste Modell steht fest. Die Entscheidung fiel auf die Serienversion der Toyota-Studie „FCV-R“, eine viertürige Stufenhecklimousine der Mittelklasse.

Bis die revolutionäre Antriebstechnik sich weltweit auf breiter Basis durchsetzen wird, muss die gesamte Autoindustrie noch einen gewaltigen Kraftakt stemmen, denn selbst die größten Hersteller können eine so komplexe Technik nicht im Alleingang zur Marktreife bringen. Dass sich gerade Toyota den Platz in der ersten Reihe der Brennstoffzellen-Technik für Automobile erarbeitet hat, ist – wie bereits beim Hybridantrieb – der langfristig ausgerichteten Unternehmensstrategie geschuldet. Einmal mehr wird sich auch das Durchhaltevermögen bei der Hybridtechnik für die Japaner auszahlen, denn ohne Hybridtechnik funktioniert der Brennstoffzellenantrieb im Auto nicht.

Die Brennstoffzelle ist eine sogenannte „galvanische Zelle“. Der Begriff bezeichnet eine Vorrichtung, die chemische in elektrische Energie umwandelt. Die Brennstoffzelle erzeugt elektrischen Strom durch die Umwandlung von Sauerstoff und Wasserstoff in Wasser. Das Prinzip entdeckte der englische Physiker Sir William Robert Graves bereits 1839. Brennstoffzellen arbeiten als Energielieferant schon seit langer Zeit in Unterseebooten oder in der bemannten Raumfahrt, also in Bereichen, wo die Kosten für den Bau von Antrieben, beziehungsweise für die Energieerzeugung keine Rolle spielen

Ihre Funktionsweise entdeckte der deutsch-schweizerische Chemiker Christian Friedrich von Schönbein. Der Entdecker des Ozon (O3) und der Schießbaumwolle stellte fest, dass sich zwischen zwei Drähten eine Spannung aufbaute, als er zwei in Schwefelsäure getauchte Platindrähte mit Sauerstoff, beziehungsweise Wasserstoff umspülte. Diese Innovation ging als sogenannten „galvanische Gasbatterie“ in die Geschichte ein, geriet als Stromquelle allerdings in Vergessenheit, nachdem Werner von Siemens 1866 den Generator erfunden hatte.

Erst die Forschung für die bemannte Raumfahrt in den 1950er Jahren konzentrierte sich wieder auf die Technik. Als lautloser Antrieb rückte die Zelle auch in den Brennpunkt von U-Boot-Bauern. Eine Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden. Sie sind durch eine Membran oder ein Elektrolyt getrennt. Diese Trennmedien fungieren als Ionenleiter. Ein Brennstoff wie Wasserstoff umspült die Anode. Der Wasserstoff oxidiert an dieser Elektrode katalytisch und trennt seine Elektronen und Photonen. Diese Photonen gelangen durch die Photonenaustauschmembrane (PEM = Proton Exchange Membrane) in die Kammer mit der Kathode. Die Elektronen fließen zu den Verbrauchern. Im Fahrzeug beispielsweise zu einem Generator, der den in der Brennstoffzelle erzeugten Strom in die für den Antrieb erforderliche Drehbewegung umsetzt. Auf ihrer Wanderschaft im Kreislauf 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 Photonen zu Wasser. Am Ende des Energiegewinnungsprozesses in der Brennstoffzelle bleiben nur Wasser und Luft.

Um die für den Autoantrieb erforderliche Leistung zu erzeugen, müssen zahlreiche einzelne Brennstoffzellen zu einem sogenannten „Stack“ zusammengefasst werden. Die jüngste Generation der Stacks fassen bis zu 200 einzelne Zellen zusammen. Nicht nur die umweltfreundliche Arbeitsweise spricht für die Brennstoffzelle als künftiger Antrieb für Autos. Der „thermische Wirkungsgrad“ liegt bei bis zu 80 Prozent. Für die effiziente Nutzung im Auto muss eine Brennstoffzelle zwingend als Hybridantrieb angelegt sein.

Zwei Jahrzehnte umfasst die Geschichte der Brennstoffzellenforschung von Toyota. 1997 war das erste Fahrzeug auf Basis des RAV4 fahrbereit. Ab 2001 integrierten die Entwickler den Antrieb in den SUV „Highlander“. Eine Kleinserie mit 90 kW/122 PS entstand ab 2003 für Feldversuche in Japan und Kalifornien. Seit 2008 fahren die Versuchsträger mit einem Drucktank, der den Wasserstoff bei 700 Bar lagert. Bei einem Verbrauch von 0,8 Kilo Wasserstoff auf 100 Kilometer Wegstrecke, liegt die Reichweite bei rund 800 Kilometer pro Tankfüllung.

Während die ersten Brennstoffzellen für Autos noch einen siebenstelligen Betrag für die Herstellung erforderten, beziffert Toyota aktuell die Kosten für einen Kleinwagen mit Brennstoffzelle auf 100 000 Euro. Das ist natürlich immer noch kein wettbewerbsfähiger Preis, doch lassen sich die Kosten bei einer Großserienfertigung weiter wirksam senken. Dafür ist jedoch erforderlich, dass möglichst viele Hersteller einen Platz im Brennstoffzellen-Boot buchen und ihre Entwicklungen bündeln. Schon heute lassen Ingenieure großer asiatischer Autokonzerne die Köpfe gemeinsam mit Kollegen von Mercedes oder BMW qualmen. Die Zelle selbst funktioniert zwar schon einwandfrei und zuverlässig, doch die Massenfertigung, die Infrastruktur des extrem flüchtigen Wasserstoffs, der Transport, die Bevorratung in Tankstellen, der Tank im Fahrzeug selbst weist noch jede Menge ungelöste Fragen auf. Der Wasserstoff fließt beispielsweise nicht aus dem Hahn im Haushalt, er entsteht mit hohem Energieeinsatz aus Wasser.

Vor ähnlichen umfassenden Problemen stand jedoch auch das Automobil mit Verbrennungsmotor nach seiner Erfindung vor 126 Jahren. Es fand noch nicht einmal ein Straßennetz vor. Innovative Unternehmen und Zulieferer haben all diese Probleme in wenigen Jahrzehnten gelöst. Die Brennstoffzelle stellt sicher, dass Toyota und Co. auch in 20 oder 30 Jahren noch als profitable wirtschaften können.