Antrieb für die Zelle 1

LANDSBERG (sp). Elektromobilität ist in aller Munde. Neben den reinen Stromautos blüht auch das alte Thema Brennstoffzelle wieder auf. Werkstoffentwickler arbeiten an kostengünstigeren Varianten: Neue Membranen und optimierte Katalysatoren sollen die Markteinführung vorantreiben.
Vielleicht sollten die Autobauer eine Bildungsreise in den Norden Deutschlands unternehmen. Das Motto: „Antrieb der Zukunft“. Denn die Hamburger Hochbahn AG transportierte bereits mehr als eine Million Fahrgäste per Brennstoffzellen-Busse durch die Hansestadt. Für den Einsatz im Massenmarkt Auto sind die Mini-Kraftwerke aber noch zu teuer – und ihre Lebensdauer ist zu kurz. OEMs und ihre Partner suchen deshalb nach belastbareren und billigeren Werkstoffen für die Brennstoffzelle. Dabei setzen die meisten Autobauer auf die so genannte PEM (Polymer-Elektrolyt-Membran oder Proton Exchange Membrane) und auf Wasserstoff als Treibstoff.

Kosten
Die exakten Mehrkosten durch die Brennstoffzelle will derzeit kein Autobauer beziffern. Schätzungen reichen von 500 bis 5.000 Euro pro Kilowatt Leistung. Laut Umweltbundesamt werden die Zusatzkosten für ein Brennstoffzellenfahrzeug erst im Jahr 2020 unter 10.000 Euro sinken. Denn jede PEM-Komponente ist eine technische Herausforderung: Die Elektrolytmembran – sie trennt Wasserstoff und Sauerstoff in der Zelle voneinander – ebenso wie die Elektroden in der Zelle. Und auch die so genannte Bipolarplatte, durch die die Zu- und Abgase einer Brennstoffzelle wie in der Lunge strömen, ist technisch aufwändig. Diese Platten schalten schließlich mehrere hundert Einzelzellen in einem Stack zu 100kW-Aggregaten elektrisch in Serie.

Platin als Elektrodenkatalysator
Größter Kostentreiber ist Platin. Als Elektrodenkatalysator hilft das Edelmetall, Gasmoleküle chemisch zu spalten. Die etwa 60 Gramm Platin, die derzeit für einen Brennstoffzellen-Antrieb benötigt werden, kosten rund 3.000 Euro, rechnete die Wirtschaftswoche kürzlich vor. Um den Platineinsatz zu reduzieren, kommen so genannte Core-Shell-Katalysatoren zum Einsatz: Die einzelnen Katalysatorpartikel bestehen nicht mehr komplett aus Platin, sondern nur ihre äußere Hülle. Entsprechend fein verteilt bietet das Edelmetall so trotz der geringen Menge eine große, aktive Oberfläche.

CellEra Technologies
Indes hat das israelische Technologieunternehmen „CellEra Technologies“ den ersten massenmarkttauglichen Prototyp einer platinfreien Brennstoffzelle (PEM-FC) entwickelt – und will damit den Preis um 70 Prozent senken. Anstelle von Platin nutzt „CellEra“ Metalle wie Eisen, Kobalt oder Silber als Katalysator. 2015 will das Unternehmen die erste Serie Hybridautos bauen. Aber: „Platinfreie Katalysatoren müssen ihre Langzeitstabilität jedoch erst noch unter Beweis stellen“, sagt Jürgen Mergel vom Institut für Energieforschung, Abteilung Brennstoffzellen am Forschungszentrum Jülich.

Eintritt in die Massenproduktion
Derweil wartet Dr. Wolfgang Deger, Head of Production and Technology von SolviCore, einem Joint Venture der belgischen Materialtechnik-Gruppe Umicore mit dem internationalen Chemieunternehmen Solvay, nur noch auf das „Go“ der Automobilindustrie: „Wir bereiten uns intensiv auf den Eintritt in die Massenproduktion vor“, sagt Deger. SolviCore beforscht, entwickelt, produziert und verkauft die Herzstücke einer Brennstoffzelle: die Membranelektroden-Einheiten (MEA, engl. Membrane Electrode Assembly).

Gefahr der Hot Spot-Bildung
Membran und Elektroden haben einen entscheidenden Einfluss auf die Zuverlässigkeit und Leistungsdichte einer Brennstoffzelle. Sie müssen optimal aufeinander abgestimmt sein. Bei ungleichmäßiger Stromdichteverteilung besteht zum Beispiel die Gefahr, dass sich im Polymermembranverbund so genannte Hot Spots bilden. Die Folge: Beim kleinsten Leck ist der komplette Stack unbrauchbar. Bisher hält ein Brennstoffzellenstapel laut Mergel zuverlässig etwa 2.500 Betriebsstunden. Und damit gerade die Hälfte der Zeitspanne, die das Energieministerium der Vereinigten Staaten für den breiten Einsatz fordert.

Herausforderung Membrandicke
War die Polymermembran vor zehn Jahren noch etwa 50 bis 80 Mikrometer dick, so sind die Hersteller heute bei etwa 20 Mikrometer angelangt. „Die optimale Membrandicke ist ein Kompromiss zwischen Langzeitstabilität, mechanischer Festigkeit und Leitfähigkeit“, erklärt Dr. Bernd Bauer, Geschäftsführer des Membranherstellers FuMA-Tech. „Je dünner die Membran, desto besser ist ihre Leitfähigkeit – insbesondere im Betrieb mit unbefeuchteter Luft.“ Um mit ihrer Membran bessere Leitfähigkeiten zu erzielen, modifiziert FuMA-Tech die perfluorierten Membranen auf chemischem Weg, eliminiert weichmachende Segmente am Polymer und versucht, den Wasserverlust der Membran zu verringern.

PEM-Brennstoffzelle
Die derzeit am häufigsten verwendete Membran ist ein teflonartiges Polymer, dessen spezielle Molekülstruktur die Wasserstoff-Protonen von einer Seite zur anderen wandern lässt – allerdings nur, wenn die Membran auch feucht genug ist. Weil Wasser aber bei Temperaturen von mehr als 100 Grad Celsius verdampft, liegt die Arbeitstemperatur einer PEM-Brennstoffzelle zwischen 80 und etwa 100 Grad Celsius. „Die Differenz zur Umgebungsluft ist daher nur sehr gering“, sagt Mergel. Die Konsequenz: Ein aufwendiges, meist teures und voluminöses Kühlsystem muss die Temperatur regulieren. Gefragt sind also Materialien, die ohne zusätzliche Luftbefeuchtung auskommen und bei Temperaturen über 100 Grad eine hohe Protonen-Leitfähigkeit besitzen.
Die dritte wesentliche Brennstoffzellen-Komponente, die Bipolarplatte, besteht je nach Hersteller derzeit aus Graphit oder Metall. Damit graphitische Platten mechanisch stabil genug sind, müssen sie dicker als metallische Platten sein. Letztere erreichen wesentlich dünner die geforderten Leistungsdichten pro Brennstoffzellenstapel – sind aber auch zugleich teurer. Die Lösung: Günstigere Stahlbleche sollen mit geeigneten Metallen so dicht beschichtet werden, dass sie nicht korrodieren.

Belastbare Dichtungen
Damit die gesamte Brennstoffzelle nach außen abgeschlossen ist und keine Energie verloren geht, müssen auch die Dichtungen entsprechend belastbar sein. Sie müssen gegen reinen Sauerstoff, Feuchtigkeit, saure Medien, Kühlmittel und Wasserstoff beständig sein. Besonders wichtig: das Verarbeitungsverhalten. Deshalb setzt man meist auf niedrigviskose Silikonwerkstoffe (LSR). Daran arbeitet beispielsweise auch Freudenberg. Das Unternehmen hat jetzt einen Werkstoff mit dem Kürzel „35 FC-PO 100“ entwickelt, der die guten Verarbeitungseigenschaften des Silikons mit der Brennstoffzellen-Beständigkeit der Polyolefine verbindet.

Sicherheit ist kein Problem
Sicherheitstechnisch betrachtet ist die Brennstoffzelle allerdings schon marktfreif: „Abgesehen von der Tatsache, dass Wasserstoff als Treibstoff für Fahrzeuge eine grundsätzliche Herausforderung darstellt sehen wir bei den Brennstoffzellen an sich, im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien keine zusätzlichen sicherheitstechnischen Probleme“, sagt Karim Kortländer, beim TÜV Süd zuständig für Umwelt und Antriebstechnik – Alternative Antriebssysteme und Emissionen.

B-Klasse F-Cell
Der erste von Mercedes-Benz unter Serienbedingungen gefertigte Brennstoffzellen-Pkw, der B-Klasse F-Cell, rollt derweil schon über die Straßen und schafft bereits rund 400 Kilometer bis zum Tankstopp. Und Mercedes-Entwicklungsvorstand Thomas Weber erwartet bis zum Jahr 2020 marktfähige Preise. Der Süddeutschen Zeitung sagte er kürzlich: „Wenn wir mehr als hunderttausend Stück bauen, wird die Brennstoffzelle nicht mehr kosten als ein Hightechdiesel mit Elektrohybrid.“

Brennstoff für die Zelle

Statt reinem Wasserstoff können Brennstoffzellen-Fahrzeuge auch ein wasserstoffreiches Gasgemisch tanken, das aus Erdgas, Flüssiggas oder Benzin und Diesel erzeugt wird. Die dafür erforderliche Treibstoff-Umwandlung, die so genannte Reformierung, findet direkt im Auto statt. Die Methode wird als Übergangslösung favorisiert, bis eine flächendeckende Wasserstoff-Infrastruktur installiert ist. Diese will die Industrie-Initiative „H2 Mobility“ weiter vorantreiben. Mit dabei sind Firmen wie Daimler und Linde, aber auch OMV, EnBW, Shell, Total und Vattenfall.