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Die Brennstoffzelle auf dem Weg zur Marktreife
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INSIDE hat sich in den vergangenen Jahren wiederholt zu Elektroantrieben geäussert. Während in der stationären, wie auch schienengebundenen Anwendung der Elektro- motor derzeit und zukünftig die Spitzenposition hält, sind Elektrofahrzeuge ohne direkte Verbindung zum Netz nach wie vor mit dem Nachteil mangelnder Reichweite behaftet. Die Ursache liegt in der geringen Speicherdichte selbst moderner Akku- mulatoren. Das bedeutet gewaltiges totes Gewicht im Fahrzeug und Entsorgungs- probleme, wenn ein Batteriesatz nach einigen Jahren ausgedient hat; ganz abgesehen von den damit verbundenen hohen Kosten. Die geschilderten Nachteile soll die sich seit Jahren in Entwicklung befindende Brennstoffzelle weitgehend beheben. Ein rein chemisch-physikalischer Prozess liefert Strom, sozusagen frisch von der Quelle, in der vom Fahrzeugmotor gerade benötigten Stärke. Als Emission fällt lediglich Wasser an. |
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Funktionsprinzip: Die Grundidee der Brennstoffzelle
liegt in der Zusammenführung von Wasserstoff und Sauerstoff
in einer «kalten» Verbrennung. Das dabei entstehende
Wasser wäre weit billiger zu haben, doch als «Nebenprodukt»
wird auch elektrische Energie erzeugt, bei beachtlichem Wirkungsgrad.
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Der Weg zur Praxisreife Während der von der Brennstoffzelle benötigte Sauerstoff überall in der Luft frei verfügbar ist, haften dem Wasserstoff zwei schwerwiegende Nachteile an. Seine Gewinnung aus Wasser mittels Elektrolyse bedingt den etwa doppelt so hohen Energieeinsatz, wie nachher im Wasser- stoff enthalten. Ausserdem sind Transport, Lagerung und Betankung eines Gases viel auf- wendiger und ineffizienter als die Verteilung flüssiger Treibstoffe. Mit einigen Kunstgriffen wollen die Entwickler diese Hürde meistern. Aus Erdgas (solange Vorrat!) wird das wasserstoffträchtige Methanol (CH3OH) gewonnen, ein flüssiger Energieträger, welcher in die vorhandene Infrastruktur heute gängiger Treibstoffe passt. Da aber die Brennstoffzelle kein Methanol verträgt, muss letzteres in einem sogenannten Reformer von den unbenötigten Anhängseln befreit werden. Das unerwünschte Kohlenstoffatom (C) taucht in der Endabrechnung als Kohlendioxyd (CO2) auf, allerdings in weit geringerer Menge als bei einem Verbrennungs- motor, betrieben mit Benzin oder Dieselöl. Der gesamte Wirkungsgrad liegt bei einem Fahrzeug mit Brennstoffzelle um etwa ein Fünftel höher als bei einem dieselbetriebenen (ca. 29%, bzw. 24%). |
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Kosten In der Anfangszeit der Versuche kosteten Brennstoffzellen astronomische Summen. Ihr Ent- stehen verdanken sie Anwendungsgebieten, die eine leichtgewichtige mobile Stromversorgung erfordern, etwa in der Raumfahrt oder bei Rüstungsmaterial. In solchen Fällen rangiert die Machbarkeit vor den Kosten. Führend in der Entwicklung kostengünstiger Brennstoffzellen(engl. Fuel Cells) ist derzeit die kanadische Firma Ballard in Burnaby, nahe Vancouver. Beispielsweise konnte sie die Kosten der Polymer-Membrane von bisher U$S 750.-- auf US$ 5.-- pro Quadratfuss senken. Das Interesse der Automobilindustrie an dieser Entwick- lung ist gross: Daimler-Benz ist zu 25 Prozent an Ballard beteiligt, Ford mit 15 Prozent. Und alle grossen Automobilhersteller haben Entwicklungsprojekte mit solchen Antrieben laufen. Noch vor wenigen Jahren war ein Brennstoffzellen-Antrieb etwa 100mal teurer als einer mit Verbrennungsmotor. Heute ist es «nur» noch das Zehnfache - mit weiter fallender Tendenz. Ballard hat sich zum Ziel gesetzt, bis 2003 die Brennstoffzelle preislich einigermassen konkurrenzfähig zu heutigen Antrieben zu machen. Seit längerem sind mehrere Versuchsfahrzeuge unterwegs. Daimler-Benz testet mit einem Minibus, angetrieben von einem 33 kW Elektromotor, der das Fahrzeug hervorragend be- schleunigt. Die Spitze liegt bei 110 km/h, als derzeitige Reichweite werden 250 km angegeben. Ferner absolvieren einige Busse ihre Tests im Linienverkehr in Chicago. |
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Nach
heutigem Stand der Technik trennt eine dünne Polymerfolie,
die beidseitig mit Platin und gasdurchlässigen Elektroden
beschichtet ist, die beiden Gase. Der Wasserstoff wird durch
Katalysator- material ionisiert. Die positiven Wasser- stoff-Ionen
(Protonen) wandern durch die Folie (Membrane), während die
negativen Elektronen auf der Wasserstoffseite bleiben. Die durch
die Membrane ge- schlüpften Wasserstoff-Ionen reagieren
mit dem dort angetroffenen Sauerstoff. Nun besteht ein Elektronenüberschuss
auf der Wasserstoffseite und ein ebensolcher Mangel auf der Sauerstoffseite,
woduch ein Spannungsgefälle entsteht, das als Stromfluss
an den Elektroden abgenommen werden kann. Die Stärke des
Stromflusses lässt sich mittels Dosierung der zugeführten
Gasmenge unmittelbar regulieren.