Emissionsfreier Antrieb soll dadurch kleiner und effizienter werden

Als Autoantrieb der Zukunft wird generell die Brennstoffzelle gehandelt. Sie gewinnt die für den Vortrieb nötige Energie aus Wasserstoff und dem Sauerstoff der Luft. Das System gilt als besonders umweltfreundlich, denn hier entstehen außer normalem Wasser keine Abgase. Doch bis zur Serienreife der Technik wird wohl noch etliche Zeit vergehen. Mit dem Umschwenken auf ein neues Funktionsprinzip will VW nun diese Spanne verkürzen. Bisher favorisierten die Wolfsburger die so genannte Niedrigtemperatur-Brennstoffzelle. Nun aber verspricht man sich vom Hochtemperatur-Prinzip mehr.

NT-Zellen mit großem Kühlaufwand
Der Unterschied zwischen den beiden Verfahren ist natürlich die Betriebstemperatur. Die Niedrigtemperatur-Brennstoffzelle (NT-Brennstoffzelle) wird bei einer Membrantemperatur von rund 80 Grad Celsius betrieben. Steigt die Temperatur deutlich über diesen Wert, bricht die Brennstoffzellenleistung ein und die Zelle nimmt irreparablen Schaden. Deshalb besitzen Fahrzeuge mit NT-Brennstoffzellen ein extrem aufwendiges und teures Kühlsystem. Allein die Kühlerfläche ist etwa dreimal so groß wie bei Dieselmotoren. Zudem müssen in einem NT-System die zugeführten Gase Wasserstoff und Luft permanent befeuchtet werden, da ansonsten ebenfalls die Energieproduktion einbricht und die Brennstoffzelle dauerhaft beschädigt wird. Auch diese Befeuchtung der in der Membran eingelagerten Wassermoleküle bringt unerwünschtes Zusatzgewicht und verschlingt Raum plus Geld.

HT-System kleiner, leichter und billiger
Die von Volkswagen entwickelte Hochtemperaturmembran kann dagegen in Verbindung mit neu konzipierten Elektroden – ohne Leistungsverlust – bei Temperaturen von 120 Grad dauerhaft betrieben werden, und zwar ohne Befeuchtung. Dies ist möglich durch die Verwendung von Phosphorsäure als Elektrolyt, also als Betriebsflüssigkeit für die Brennstoffzelle. Hintergrund: In der Brennstoffzelle trennen sich der positiv geladene Wasserstoff-Kern und das negativ geladene Elektron des Wasserstoffs. Dann müssen sich die Wasserstoff-Kerne (Protonen) durch den Elektrolyten bewegen. Die bei der HT-Brennstoffzelle verwendete Phosphorsäure hat ähnlich gute elektrolytische Eigenschaften wie Wasser, weist allerdings einen höheren Siedepunkt auf. Deshalb reicht hier ein einfacheres Kühlsystem, als es für eine NT-Zelle nötig ist. Und das reduziert das Gewicht und die Kosten signifikant. Darüber hinaus verringert sich der Raumbedarf um mehr als 30 Prozent.

Bisheriges Problem: Produktwasser
Allerdings gab es hier ein bislang nicht gelöstes Problem: Es entstand, wie bei der Niedrigtemperaturmembran, so genanntes Produktwasser. Das Wasser drang in die Membran ein und wusch die Phosphorsäure aus. Folge: Es kam zur Unterbrechung des Stromflusses. An dieser Stelle scheiterten bislang alle Versuche, eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle auf Basis bekannter Materialien für Fahrzeuge nutzbar zu machen. Volkswagen kam deshalb zu dem Ergebnis, dass neben einer neuen Membran spezielle Modifikationen der Elektroden nötig sind, die das Eindringen des Produktwassers in die Membranen verhindern können.

Mit Paste beschichtetes Kohlenstoffvlies
Die Lösung: Auf einer speziellen Siebdruckmaschine, wie sie in der Halbleitertechnik verwendet wird, beschichteten die Forscher mehrere Vlies-Elemente aus Kohlenstoff mit einer neuartigen Paste. Die so neu entstandenen Elektroden wurden schließlich in Brennstoffzellen-Stapeln (Stacks) umfangreichen Tests unterzogen. Eindeutiges Ergebnis: Das Produktwasser kann nicht mehr in die Membran eindringen und die Phosphorsäure verdünnen. Damit ist die HT-Technologie für den nächsten Forschungsschritt einsatzfähig.

Erste Serienautos ab 2020
Leistungsstärkere Nachfahren der jetzt vorgestellten Brennstoffzelle sollen nach der Zukunftsvision von VW im Jahr 2010 die ersten Forschungsfahrzeuge antreiben. Um 2020 könnte es den ersten Volkswagen mit einem alltagstauglichen und bezahlbaren Brennstoffzellen-Antrieb geben.
(sl)

Forschungs-Durchbruch