Brennstoffzellen für eine emissionsfreie Mobilität

Langer Atem

Die Technologie steht noch am Anfang. Und doch können Elektrofahrzeuge mit Brennstoffzelle in Zukunft zu einer emissionsfreien Mobilität beitragen. Damit der Energieträger Wasserstoff möglichst effizient in Strom verwandelt werden kann, will Dr. Volker Banhardt von Freudenberg Performance Materials eine ganz besondere Komponente in die Brennstoffzelle bringen.

Hell scheint die tiefstehende Sonne durch die Laborfenster. In einem Raum im Industriepark Weinheim hält Volker Banhardt ein kleines, schwarzes Vliesmuster ins Licht, so dünn und leicht wie Papier. „Die eine Seite besteht aus Karbonfasern. Sehen Sie die feine Faserstruktur?“, fragt er, während er das Vlies hin und her wendet. „Die andere Seite ist mit leitfähigen Kohlenstoffen wie Ruß und Graphit beschichtet. Bindende Fluorpolymere sorgen wie bei einer Teflon-Pfanne dafür, dass Flüssigkeit abperlt und das Vlies sich nicht mit Wasser vollsaugt.“ Das unscheinbare, schwarze Vlies nennt sich in der Fachsprache „Gasdiffusionslage“, ist wichtiger Bestandteil jeder Brennstoffzelle und wird seit Anfang 2018 in einer Produktionshalle gleich nebenan industriell gefertigt. Nach Ansicht des promovierten Materialforschers, der den Vertrieb der Brennstoffzellenprodukte bei Freudenberg Performance Materials leitet, wird sie in einigen Jahren dazu beitragen, dass Brennstoffzellen in Elektrofahrzeugen zum Baustein einer CO2-freien Mobilität werden können.

Dr. Volker Banhardt  (rechts) mit einer Probe einer „Gasdiffusionslage“: Die eine Seite besteht aus Karbonfasern, die andere Seite ist mit leitfähigen Kohlenstoffen wie Ruß und Graphit beschichtet.

Die Brennstoffzelle als Alternative zur Batterie

Grundsätzlich haben alle Fahrzeuge mit alternativem Antrieb das Potenzial, Menschen in Zukunft klimafreundlich von A nach B zu bringen. Doch werden sie mit Batterien betrieben, sind noch zahlreiche Herausforderungen zu lösen. Schon bei der Herstellung der Batterien entsteht beim heutigen Strommix viel CO2, weil dabei elektrische Energie benötigt wird. Die Reichweiten batterieelektrischer Autos sind derzeit noch nicht wirklich alltagstauglich, es gibt zu wenig Ladepunkte und der Ladevorgang an sich dauert zu lange. Gerade für schwerere Elektrofahrzeuge, die lange Strecken zurücklegen, bietet sich deswegen die Brennstoffzelle als Alternative zur Batterie an. Sie produziert den Strom, den der Elektromotor zum Antrieb benötigt, direkt an Bord.

Dazu wird das Auto zunächst mit Wasserstoff betankt, der aus CO2-neutral erzeugtem Strom gewonnen werden kann. Im Fahrzeug wandelt die Brennstoffzelle den Wasserstoff in Strom um. Das Prinzip: Die positiv geladenen Wasserstoff-Protonen wandern von der Anode aus durch eine Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) zur Kathode und reagieren dort mit Luftsauerstoff zu Wasser. An der Anode entsteht ein Überschuss an negativ geladenen Wasserstoff-Elektronen. Werden diese über einen separaten Stromkreis mit der Kathode verbunden, wandern sie dorthin: es fließt elektrischer Strom. Als „Abfallprodukte“ entstehen Wasserdampf und Wärme. Da es sich um einen Oxidationsprozess ohne Flamme handelt, wird er auch als kalte Verbrennung bezeichnet.

Bei der kalten Verbrennung soll möglichst viel Energie aus dem Wasserstoff in Strom umgewandelt werden – und nicht in Wärme, die im Fahrzeug weitgehend ungenutzt bliebe. Und genau hier kommt das schwarze Vlies ins Spiel. „Die Gasdiffusionslage befindet sich direkt an der katalytisch beschichteten Membran und hat die Aufgabe, den Wasserstoff und den Luftsauerstoff möglichst optimal verteilt dem Reaktionsprozess zuzuführen“, erklärt Banhardt. Je homogener die Gase verteilt werden und je gleichmäßiger der gesamte Querschnitt angeströmt wird, umso mehr Strom wird bei der kalten Verbrennung produziert. Außerdem hat die Gasdiffusionslage die Aufgabe, die Abwärme und den Wasserdampf abzutransportieren. Genau deswegen ist sie ähnlich wie bei einer Teflonpfanne beschichtet: Der Wasserdampf perlt an ihr entlang in ein Kanalsystem, über das er abgeführt wird.

Nach Ansicht des promovierten Materialforschers, der den Vertrieb der Brennstoffzellenprodukte bei Freudenberg Performance Materials leitet, wird sie in einigen Jahren dazu beitragen, dass Brennstoffzellen in Elektrofahrzeugen zum Baustein einer CO2-freien Mobilität werden können.

„Bis zu einer Serieneinführung mit großen Stückzahlen ist noch einiges zu tun“

Die Brennstoffzelle wird in Zukunft also batterieelektrisch angetriebene Fahrzeuge ergänzen? „Bis zu einer Serieneinführung mit großen Stückzahlen ist noch einiges zu tun“, sagt Banhardt. Weil es zu wenig Wasserstoff-Tankstellen gibt, werden Brennstoffzellen derzeit vor allem stationär zur Erzeugung von Hausenergie und für Sonderfahrzeuge wie Gabelstapler eingesetzt. Die können dann in Gebäuden emissionsfrei fahren und zugleich viel schneller als batteriebetriebene Gabelstapler auf der werkseigenen Wasserstofftankstelle mit Energie versorgt werden. Aber auch in anderen Bereichen wird am Brennstoffzellen-Antrieb geforscht.

So stellte Renault auf der UN-Klimakonferenz 2017 in Paris elektrische Lastwagen mit Brennstoffzelle vor, für den emissionsfreien Hafenbetrieb sind Schiffe mit Brennstoffzelle in der Erprobung und Flugzeuge sollen über eine brennstoffzellenbetriebene Hilfsturbine am Flughafen emissionsfrei mit Strom versorgt werden. In Shanghai, aber auch in Hamburg und Köln fahren erste Brennstoffzellenbusse im Nahverkehr, um die Luftverschmutzung in Städten zu reduzieren. Bei den Pkw haben Toyota, Honda und Hyundai erste Serienfahrzeuge entwickelt; Mercedes-Benz will 2018 einen Brennstoffzellen-SUV der GLC-Klasse im Markt einführen.

„Die Brennstoffzelle wird für viele Mobilitätsformen kommen“, ist Banhardt überzeugt. „Auch wenn die Technologie nicht vor 2025 in der Breite spürbar sein wird.“ Mit dem Ausbau der Produktion in Weinheim rüstet sich Freudenberg für diese zukünftigen Anforderungen. „Wir haben einen langen Atem und sind langfristig ausgerichtet“, sagt Banhardt.