Hochtemperatur-Brennstoffzelle: Volkswagen-Entwicklung ist praxisnäher

02.11.2006

Getankt werden muss weiterhin: Auch ein Brennstoffzellenfahrzeug braucht Treibstoff

Eine in dieser Form weltweit einzigartige, von der Volkswagenforschung entwickelte Hochtemperatur-Brennstoffzelle eliminiert zahlreiche Nachteile der bisher bekannten Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen.

Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen werden bei einer Membran-Temperatur von rund 80 Grad Celsius betrieben. Steigt die Temperatur deutlich über diesen Wert, bricht die Brennstoffzellenleistung ein und die Brennstoffzelle nimmt irreparablen Schaden. Deshalb stellen NT-Brennstoffzellen Fahrzeug-Prototypen - sollen sie einem Verbrennungsmotor ähnliche Fahrzyklen absolvieren - sehr hohe Anforderungen an das Kühlsystem, das dadurch sehr teuer ist. Zudem müssen in einem NT-System die zugeführten Gase Wasserstoff und Luft permanent befeuchtet werden, da ansonsten ebenfalls die Energieproduktion einbricht, die Brennstoffzelle dauerhaft beschädigt wird und der anzutreibende Elektromotor zum Stillstand kommt. Auch diese Befeuchtung kostet Raum, Gewicht und Geld.

Die von Volkswagen entwickelte Hochtemperatur-Membran kann in Verbindung mit neu konzipierten Elektroden bei gleicher Leistungsausbeute bei Temperaturen von bis zu 160 Grad "gefahren" werden. Für den Fahrzeugbetrieb ist eine mittlere Betriebstemperatur von 120°C vorgesehen, und zwar ohne zusätzliche Befeuchtung. Hierbei reicht ein deutlich einfacheres Kühlsystem und Wassermanagement aus. Dadurch reduzieren sich Raumbedarf, Gewicht und Kosten deutlich!

Um die Vorteile der Hochtemperatur-Brennstoffzelle genauer einordnen zu können, bedarf es einer Betrachtung der generellen Funktionsweise von Brennstoffzellen. Das zentrale Element jeder einzelnen Brennstoffzelle – von der mehrere zu einem Block (Stapel/Stack) zusammengefasst werden – ist eine protonenleitende Membran. Sie befindet sich jeweils zwischen der Anode und Kathode. Auf der Seite der Anode strömt Wasserstoff, auf der Seite der Kathode Luft in die Zelle. Viele dieser Zellen im Verbund erzeugen ausreichend Energie, um ein Fahrzeug anzutreiben. In jeder Zelle reagieren Wasserstoff und Sauerstoff und verbinden sich auf der Seite der Kathode zu Wasser. Bei diesem Vorgang wird Energie frei. Die Brennstoffzelle setzt demnach die chemische Energie eines Oxidationsprozesses, einer sogenannten "kalten" Verbrennung, direkt in elektrische Energie um. Als "Abgas" entsteht nichts anderes als sauberer Wasserdampf.

Gespeist wird die Brennstoffzelle über den Wasserstofftank und eine externe Luftzufuhr. Ihre erzeugte elektrische Energie – die Leistung – gibt die Brennstoffzelle über einen Wandler und einen nachgeschalteten Bordnetzumrichter an einen oder auch mehrere Elektromotoren ab. Der Wagen wird somit nahezu lautlos, auf jeden Fall aber emissionslos angetrieben. An der Anode wird der Wasserstoff in Elektronen und Protonen gespalten. Die positiv geladenen Protonen wandern durch die Membran zur anderen Elektrode, der Kathode. Die negativ geladenen Elektronen fließen über den äußeren Stromkreis zur Kathode. Dieser Stromfluss treibt den Elektromotor des Autos an. An der Kathode reagieren die Protonen mit dem einströmenden Sauerstoff und den Elektronen zu so genanntem Produktwasser, das zum größten Teil über den Auspuff entweicht. Etwa sechzig Prozent der in Form von Wasserstoff eingesetzten Energie wird dabei in Strom verwandelt.

Die Produktion erinnert an die Reinräume der Chip-Herstellung

Bei den bislang vorwiegend eingesetzten Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen erfolgt der Transport der Protonen von der Anode zur Kathode in der Membran über eine kurzzeitige Verbindung der Protonen mit in der Membran befindlichem Wasser. Damit die Membran nicht austrocknet, müssen die Reaktionsgase Wasserstoff und Luft daher angefeuchtet werden. Dabei ergeben sich zwei entscheidende Nachteile: Die Membran darf sich, wie skizziert, nicht höher als auf 80 Grad Celsius erwärmen. Folge: eine sehr geringe Temperaturdifferenz zwischen Kühlmedium und Umgebungsluft. Dauerhafte Bergfahrten und Anhängerbetrieb sind nahezu unmöglich. Um dennoch eine ausreichende Kühlleistung zu erreichen, ist bei den NT-Brennstoffzellen-Systemen – sollen sie in einem normalen Pkw im alltäglichen Betrieb eingesetzt werden – eine gegenüber Dieselmotoren etwa dreimal so große Kühlerfläche notwendig (!). Situationen wie Bergauffahrten und die damit verbundenen notwendigen höheren Kühlleistungen sind dabei noch nicht berücksichtigt.

Automobile mit klassischen Verbrennungsmotoren produzieren mehr Abwärme, als Fahrzeuge mit Brennstoffzellen-Elektromotorantrieb. Diese Abwärme können Verbrennungsmotoren über die Motorkühlung und die Abgase an die Umwelt abgeben. Die Brennstoffzelle hat diese Möglichkeit nicht. Infolge der vergleichsweise niedrigen Betriebstemperatur wird die Wärme fast ausschließlich über das Kühlsystem, nicht über das Abgassystem, abgegeben. Die Folge: Bei gleicher Antriebsleistung muss demnach mehr als die doppelte Wärmemenge über den Fahrzeugkühler abgeführt werden. Und dies gilt trotz des deutlichen Wirkungsgradvorteils der Brennstoffzelle.

Ein weiteres Problem ist die notwendige Befeuchtung: Die einströmenden Gase Wasserstoff und Luft trocknen den Elektrolyt – die in der Membran eingelagerten Wassermoleküle – aus. Und das unterbricht den Stromfluss ebenfalls. Ein spezielles Aggregat befeuchtet daher die einströmenden Gase. Neben der eigentlichen Brennstoffzelle muss aus diesen Gründen weitere aufwendige Technik in das Fahrzeug integriert werden. Das Gesamtsystem wird schwerer, die Effizienz sinkt.

Genau diese Probleme kennt die von Volkswagen entwickelte Brennstoffzelle mit Hochtemperatur-Membran nicht. Denn bei ihr findet die Protonenleitung über andere Flüssigelektrolyte wie z.B. Phosphorsäure statt. Die Säure hat ähnlich gute elektrolytische Eigenschaften wie Wasser, weist allerdings einen höheren Siedepunkt auf. Der Vorteil ist, dass keine zusätzliche Befeuchtung notwendig ist. Auf diese Weise ist eine Erhöhung der maximalen Betriebstemperatur auf bis zu 160 Grad Celsius ohne Leistungsverlust möglich. Die von Volkswagen entwickelte Hochtemperatur-Brennstoffzelle trägt so entscheidend dazu bei, das System leichter, kleiner und preiswerter zu machen.

Zur Herstellung von Hochtemperatur-Membranen wird – vereinfacht dargestellt – eine Folie in ein Bad aus Phosphorsäure getaucht. Innerhalb weniger Minuten hat die Phosphorsäure die Folie durchdrungen. Die Membran wird dann in einen Brennstoffzellen-Stapel integriert. Dabei wird zunächst eine Platte aus gepresstem Kohlenstoff auf bereits fertig konfigurierte Zellen gelegt. Durch die Rillen in dieser Platte strömt später die Luft. Als nächster Schritt folgt das Einbringen einer Dichtung. Anschließend folgt ein Vlies aus Kohlenstoff, das mit einer katalytisch aktiven Platinpaste bezogen ist, der Gasdiffusionselektrode. Sie dient gleichzeitig als Gasverteilungsschicht und Kathode. Über die Kathode wird die mit Phosphorsäure getränkte Membran ausgebreitet. Es folgt wieder eine Dichtung und eine vliesförmige Gegenelektrode, die diesmal als Anode verwendet wird. Durch die Rillen der letzten Platte strömt der Wasserstoff. Auf der Rückseite der Platten erfolgt die Kühlung mit Wasser. Schließlich werden alle Zellen unter Druck zusammengepresst und zu einem Brennstoffzellen-Stapel verspannt. Allerdings gab es hier bislang ein Problem: An der Kathode entstand, wie bei der Niedrigtemperatur-Membran, Produktwasser. Das Wasser drang in die Membran ein und wusch die Phosphorsäure aus. Es kam wiederum zur Unterbrechung des Stromflusses. An dieser Stelle scheiterten bislang alle Versuche, eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle auf Basis bekannter Materialien für Fahrzeuge nutzbar zu machen. Die intensive Volkswagen Grundlagenforschung kam zu dem Ergebnis, dass neben einer neuen Membran spezielle Modifikationen der Elektroden nötig sind, die das Eindringen des Produktwassers in die Membranen verhindern können.

Die Lösung des Problems liefert ein neues Elektronendesign. Auf einer speziellen Siebdruckmaschine, wie sie im Bereich der Halbleitertechnik verwendet werden, beschichteten die Forscher im Volkswagen Technologiezentrum Vlies-Elemente aus Kohlenstoff mit neuartiger Paste. Die damit neu entstandenen Elektroden wurden schließlich in Brennstoffzellen-Stapeln (Stacks) umfangreichen Tests unterzogen. Das eindeutige Ergebnis: Das Produktwasser kann die Phosphorsäure nicht mehr auswaschen. Damit ist die HT-Technologie einsatzfähig. Die neuen Zellen arbeiten jetzt in einem wesentlich breiteren Temperaturfenster als die bisher bekannten Brennstoffzellen. Durch die höheren Temperaturen ist die Membran zudem unempfindlicher gegen Luftverunreinigungen. Bei der von Volkswagen entwickelten Hochtemperatur-Brennstoffzelle kann auf etwa ein Drittel der Komponenten des Gesamtsystems verzichtet werden. Dies macht das HT-System leichter, preiswerter und fahrzeugtauglicher.

Trotzdem ist ein alltagstaugliches und erschwingliches Brennstoffzellenfahrzeug immer noch 10 Jahre entfernt.

(Text: dr /Volkswagen AG )
(Fotos: Volkswagen AG )

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