Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich haben ein Fahrzeug konstruiert, das es in sich hat – im wahrsten Sinne des Wortes: kommerzielles Elektrofahrzeug mit einer Brennstoffzelle ausgerüstet, die das Gefährt über einen Elektromotor antreibt. Der Clou dabei: Die eingebaute Brennstoffzelle ist eine Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC), die – im Gegensatz zu vielen anderen Brennstoffzellen-Typen – keinen gasförmigen Wasserstoff braucht, sondern flüssiges Methanol in Strom umwandelt.
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Der Vorteil liegt auf der Hand: Flüssiges Methanol ist leichter zu handhaben und zu lagern als gasförmiger Wasserstoff; das Fahrzeug wird betankt, wie wir es gewöhnt sind. „Die größte Herausforderung bestand darin, das gesamte System bestehend aus der Brennstoffzelle sowie allen zum Betrieb erforderlichen Komponenten so auszulegen, dass es in das Fahrzeug passt. Das Fahrzeug selbst sollte sich dabei äußerlich kaum verändern – und das haben wir auch erreicht“, beschreibt Prof. Detlef Stolten, Leiter des Instituts für Energieverfahrenstechnik (IWV-3), die Leistung seines Teams. „Dieses ‚Engineering‘ ist ein unverzichtbarer Bestandteil moderner Brennstoffzellenforschung.“
Reichweite erheblich höher
Statt mit drei herkömmlichen Bleiakkumulatoren, wie der Hersteller sie eingebaut hat, fährt das Fahrzeug nun mit einem Hybridantrieb aus Brennstoffzelle und Lithum-Ionen-Akkumulator. Im regulären Betrieb treibt die Brennstoffzelle den Elektromotor des Fahrzeugs an. Die Batterie kommt bei besonderer Belastung ins Spiel, also beim Anfahren oder beim Bergauffahren. Die Brennstoffzelle lädt den Akku dann immer wieder auf. Mit einer Tankfüllung hat das Fahrzeug eine etwa doppelt so hohe Reichweite von geschätzten 120 Kilometern, außerdem entfällt das „Auftanken“ an der Steckdose: Das Fahrzeug ist jederzeit einsatzbereit.
Viel Entwicklungsarbeit im Detail ist in dieses Projekt geflossen: So hat der eingebaute Brennstoffzellen-Stapel („Stack“) eine Leistung von
1,3 Kilowatt und besteht aus 100 einzelnen Zellen. Das Kernstück jeder Zelle ist die Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly). Solche MEAs werden am IWV-3 inzwischen maschinell – und nicht mehr von Hand – hergestellt. So können die Wissenschaftler die Herstelltechnik von Brennstoffzellen weiter voran treiben und Komponenten industrienah, kostengünstig und mit hoher Qualität fertigen.
Platin als Katalysator
Die Elektroden der Brennstoffzellen enthalten Platin als Katalysator.
Das Edelmetall ermöglicht einerseits die chemische Reaktion, aus der Strom gewonnen wird, andererseits ist es sehr teuer. Den Forschern ist es gelungen, das Platin sehr sparsam in den Elektroden zu platzieren und so die Menge auf die Hälfte im Vergleich zum bisherigen Stand der Technik zu reduzieren. Zudem haben sie für die Zellbauteile einen speziellen Graphit anstelle von metallischen Werkstoffen verwendet. So wird der Stack leichter und preiswerter.
Schließlich wurden viele Funktionen – etwa die Versorgung mit Methanol – in den Stack integriert. Das neue Design spart Platz und hat „Folgen“ für die umgebenden System-Komponenten. So ist es beispielsweise nicht mehr nötig die Luft – den Reaktionspartner des Methanols – vorzuwärmen oder zu befeuchten.
Alles in allem haben die Wissenschaftler das komplette System dabei um den Faktor drei bis vier „geschrumpft“ und so für das Elektrofahrzeug passend gemacht.
Erste Fahrtests hat das Jülicher Demonstrationsfahrzeug inzwischen erfolgreich bestanden. Nun wird es auf Herz und Nieren geprüft. Und im Oktober geht es auf große Tournee: Beim „Fuel Cell Seminar 2004“ in San Antonio, Texas, wird das Elektromobil Anfang November etwa 2000 Konferenzteilnehmern vorgestellt. „Mit unserem Demonstrationsfahrzeug wollen wir aber auch potenzielle Industriepartner ansprechen, um das System gemeinsam mit ihnen weiterzuentwickeln“, blickt Detlef Stolten in die Zukunft.
(FZ Jülich, 04.10.2004 – NPO)
