Booster für den Stromer

Eine neuartige Brennstoffzelle auf Benzinbasis soll die Reichweite von Elektrofahrzeugen klimaschonend erhöhen.

Wer ein Elektroauto auf der Langstrecke benutzen möchte, benötigt entweder einen Benzin-Zusatzmotor oder einen von einem Benzinmotor angetriebenen Generator, wie er beispielsweise im Chevrolet Volt verbaut ist. Das Problem: Effizient ist die Technik nicht, zumal man dann auch noch den schweren Akkusatz spazieren fährt.

Forscher an der University of Maryland (UM) haben deshalb nun eine Brennstoffzelle entwickelt, die wirtschaftlicher laufen soll als ein regulärer Benzinmotor. Dabei wird der Strom durch eine chemische Reaktion erzeugt und nicht durch die direkte Verbrennung eines Treibstoffs. Das kann eine Wirkungsgradverdoppelung gegenüber einem Generator bedeuten, der von einem Verbrennungsmotor angetrieben wird.

Der neue Energiespender der UM-Wissenschaftler ist eine stark verbesserte Version eines Brennstoffzellentyps, der auf Basis eines festen keramischen Elektrolytmaterials arbeitet. Im Gegensatz zu den Wasserstoff-Brennstoffzellen, die bislang schon in Autos verbaut werden, können Festoxidbrennstoffzellen (SOFC) mit diversen Brennstoffen arbeiten, darunter Diesel, Benzin und Erdgas. Sie werden normalerweise zur Stromerzeugung in Gebäuden verwendet. In Autos galten sie bislang als nicht nutzbar, weil sie zu groß sind und mit sehr hohen Temperaturen arbeiten – typischerweise um die 900 Grad Celsius.

Durch die Entwicklung eines verbesserten Elektrolytmaterials und weiterer Designveränderungen konnten die Forscher nun eine kompaktere Brennstoffzelle bauen, die, gerechnet auf die Größe, bis zu zehnmal mehr Strom erzeugt als konventionelle SOFCs. In der Endausführung könnte eine solche Zelle kleiner sein als ein Benzinmotor, dabei aber mindestens genauso viel Leistung erzeugen.

Auch die Temperatur, mit der die Zelle arbeitet, wurde um mehrere Hundert Grad gesenkt, was es möglich macht, billigere Komponenten zu verbauen. "Das macht bei den Kosten enorm viel aus", sagt Eric Wachsman, Direktor des University of Maryland Energy Research Center, der das Projekt leitete. Und dabei soll es nicht bleiben: Die Forscher glauben, dass sich mit wenig Aufwand der Energie-Output noch weiter erhöhen und die Temperatur weiter senken lässt. Erste Ansätze existierten bereits im Labor, so Wachsman. Das könnte die Kosten so weit senken, dass man mit Benzinmotoren gleichziehe. Entsprechend viel Hoffnung hegen die Forscher in Sachen Kommerzialisierung: Wachsman ist derzeit dabei, die Gründung einer Firma vorzubereiten.

Die aktuellen Prototypmodelle laufen mit 650 Grad Celsius, Ziel ist es, diese Temperatur auf 350 Grad herunterzubringen. Die Isolierung der Zellen ist unproblematisch, weil sie klein sind: Ein Stapel, der groß genug ist, um ein reguläres Auto zu versorgen, wäre an den Seiten nur zehn Zentimeter hoch. Die hohen Temperaturen sind ein größeres Problem, weil sie es notwendig machen, teure, hitzeresistente Materialien in den Zellen zu verbauen. Zudem dauert es eine Weile, bis die Zellen Betriebstemperatur haben. Wenn diese insgesamt geringer ausfällt, startet die Zelle auch schneller.

Doch selbst dann würde sich das System nicht bei jedem Anlassen des Autos aktivieren. Das Aus- und Einschalten für jede kurze Fahrt stellt eine zu große Belastung für die Technik dar, weshalb man sie vermutlich mit einem Akkusatz kombinieren würde, wie man es vom Verbrennungsmotor des Volt kennt. Die Brennstoffzelle läuft also dauernd und sorgt dafür, dass die Batterie aufgeladen bleibt. "Für mehr Vortrieb nutzen wir sie nicht", sagt Wachsman.

Die Forscher erreichten ihr Ziel vor allem durch Veränderungen des festen Elektrolytmaterials im Kern der Festoxidbrennstoffzelle. In einer konventionellen Brennstoffzelle muss es dick genug sein, um die Struktur der Zelle aufrecht zu halten. Doch diese Dicke schränkt die Stromerzeugung ein. In den letzten Jahren haben Forscher deshalb Varianten entwickelt, bei denen das Elektrolytmaterial die Zelle nicht strukturell unterstützen muss. Es lässt sich so dünner herstellen und ist damit leistungsfähiger bei geringeren Temperaturen. Die UM-Forscher gingen noch einen Schritt weiter und entwickelten ein Mehrschicht-Elektrolytmaterial, das die Energieausbeute noch weiter erhöhte.

Die Forschungsarbeiten sind Teil der Gesamtstrategie des US-Energieministeriums, das bereits seit zehn Jahren versucht, SOFCs für Transportsysteme nutzbar zu machen. Die ersten Früchte dieser Bemühungen werden allerdings vermutlich nicht in Autos landen. Wachsman hat bislang nur recht kleine Zellen gebaut und es wird noch einige Zeit dauern, bis sie einen Benzinmotor ersetzen können. Die ersten Anwendungen in Fahrzeugen dürften deshalb vermutlich Langstrecken-Lkw sein, deren Fahrerhaus als Schlafkabine dient.

Ausrüster wie Delphi oder Cummins arbeiten hierfür an Brennstoffzellen, die die dort verbauten Klimaanlagen, Fernseher und Mikrowellen antreiben. Das würde den Spritverbrauch um bis zu 85 Prozent reduzieren – bislang muss der Motor im Leerlauf vor sich hin dieseln. Das Delphi-System nutzt ebenfalls ein dünneres Elektrolytmaterial, arbeitet aber mit höheren Temperaturen als die Technik von Wachsman und seinem Team. Die Brennstoffzelle ließe sich am Montag zu Arbeitsbeginn aktivieren und die ganze Woche über laufen lassen – trotzdem ergäbe sich die genannte Spritersparnis. Delphi hat bereits ein Prototypsystem gebaut und will einen entsprechend umgebauten Lkw im nächsten Jahr vorführen. (bsc)