Safety first
Sind Brennstoffzellenfahrzeuge ebenso sicher wie Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren? Was passiert beispielsweise, wenn das Fahrzeug im kalten Skandinavien unterwegs ist oder in der Hitze Südeuropas? Oder wenn der Wasserstofftank mit Hochgeschwindigkeits projektilen beschossen wird? Eine Betrachtung am Beispiel des Toyota Mirai.
Brennstoffzellenfahrzeuge wie der Toyota Mirai sind Herstellern zufolge genau so sicher wie Autos mit herkömmlichen Antrieben. Bilder: Toyota
Im Lauf der vergangenen zehn Jahre testete Toyota Brennstoffzellen-Hybridfahrzeuge in zahlreichen Fahrversuchen. Hierbei mussten sich die Fahrzeuge unter verschiedensten klimatischen Bedingungen bewähren und wurden auch mit Hochgeschwindigkeitsprojektilen beschos sen. Nach Angaben von Toyota hat der Mirai diese Prüfungen bestanden. Das Fahrzeug sei damit genauso sicher wie andere Fahrzeuge des japanischen Herstellers.
Wasserstofftanks
Der Wasserstoff zum Antrieb des Mirai wird unter hohem Druck von bis zu 700 bar in zwei kompakten und widerstandsfähigen Tanks gespeichert. Um solchen Druckbelastungen standzuhalten, basiert die Außenschale auf einer Kohlefaserkonstruktion. Über dieser Schale befindet sich noch eine weitere Schicht aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK). Diese Außenschale hat eine weitere Funktion: Sollte das Fahrzeug in einen Unfall verwickelt werden, ist jede Beschädigung eindeutig an dieser Außenschicht zu erkennen. Die GFK-Schutzhülle trägt jedoch nicht zur strukturellen Festigkeit der Tanks bei, sondern gestattet es lediglich, ihren einwandfreien Zustand zweifelsfrei zu erkennen. Der gesamte Tank ist innen mit Kunststoff ausgekleidet, um ihn gegen den Wasserstoff abzudichten.
Wie erwähnt, wurden die Tanks im Rahmen von Testverfahren geprüft. Sie sind darauf ausgelegt, einem Druck von bis zu 225 Prozent (GTR-Standard) ihres Betriebsdrucks zu widerstehen. Sollte es dennoch zu einem Leck kommen, erkennen empfindliche Sensoren auch kleinste Mengen austretenden Wasserstoffs. Stellen die Sensoren ein Leck im Kraftstoffraum fest, schließen die Sicherheitsventile sofort und das Fahrzeug wird abgeschaltet.
Als dritte Sicherheitsebene ist der Innenraum komplett vom Wasserstoffsystem abgeschottet, um zu verhindern, dass Wasserstoff in den Innenraum eintritt. Das Gas würde sich im Fall eines Lecks vielmehr nach und nach in der Atmosphäre verteilen.
Betankung
Die Betankung ist ein kritischer Vorgang. Denn daran sind Menschen beteiligt. Und dies birgt aufgrund menschlicher Fehler immer Risiken – wie beispielsweise, wenn der Fahrer versehentlich anfährt, während der Tankschlauch noch mit dem Fahrzeug verbunden ist oder wenn die Zapfpistole nicht korrekt an den Tankstutzen angekoppelt wurde. Solchen Risiken wirken mehrere Sicherheitsmaßnahmen entgegen. So weist die Düse am Ende des flexiblen Schlauchs der Wasserstoff-Zapfsäule einen mechanischen Kopplungsmechanismus auf, um eine optimale Verbindung zum Einfüllstutzen des Mirai zu gewährleisten. Der Tankvorgang kann nicht begonnen werden, bis diese Vorrichtung ordnungsgemäß eingerastet ist.
Anschließend testet das System durch einen Druckimpuls, ob Lecks im System zwischen der Tankstelle und dem Auto vorhanden sind. Sollte ein Leck festgestellt werden, wird die Betankung abgebrochen. Als Drittes wird die Füllrate sorgfältig geregelt, um eine Überhitzung beim Wasserstofftransfer zu vermeiden. Temperatursensoren in den Wasserstofftanks des Mirai, in der Betankungsdüse und der Pumpe sind per Infrarotverbindung vernetzt und regeln die Durchflussrate entsprechend.
Die international gültigen Normen SAE J2601, SAE J2799 und ISO 17268 beinhalten Sicherheitsgrenzwerte und technische Vorgaben für Wasserstoff- Zapfsäulen. Diese Kriterien umfassen die maximale Kraftstofftemperatur an der Einfülldüse, die maximal zulässige Füll rate und einen oberen Grenzwert der Drucksteigerungsrate.
Außerdem: Das Anfahren mit einem Mirai bei noch verbundenem Betankungsschlauch ist unmöglich. Denn die Zündung des Fahrzeugs wird automatisch unterbrochen, bis die Düse wieder in ihre Aufhängung eingehängt ist und der Einfüllstutzen des Autos verschlossen wurde. Für größtmögliche Sicherheit ist ein zweites, unabhängiges Sicherheitssystem in den Füllschlauch integriert, das die Zapfsäule abschaltet, falls während der Betankung zu hohe Zugkräfte auf den Schlauch einwirken.
Leichtestes Element
Gasförmiger Wasserstoff ist die Substanz mit der geringsten Dichte überhaupt. Sie ist um den Faktor 14 kleiner als die Dichte der Luft. Entsprechend steigt freigesetzter Wasserstoff sofort mit hoher Geschwindigkeit in die Atmosphäre auf, falls es tatsächlich zu einem Leck kommen sollte. Zugleich handelt es sich beim Wasserstoffmolekül um das kleinste aller Moleküle, weshalb gasförmiger Wasserstoff sich schneller in der Atmosphäre verteilt als jedes andere Gas.
Die letzte Sicherheitsebene des Kraftstoffsystems im Mirai bildet daher ein Überdruckventil, über das der Wasserstoff auch im Fall eines ungewöhnlichen Temperaturanstiegs wie etwa bei einem Brand nach und nach ins Freie abgelassen wird. Dadurch lässt sich das Auftreten eines überhöhten Betriebsdrucks ebenso vermeiden wie ein Explosionsrisiko und nach einem etwaigen Brand bleibt ein großer Teil des Autos unbeschädigt.
Energieträger Wasserstoff
Wasserstoff ist genauso sicher wie jeder andere Kraftstoff, betont Toyota. Er wird seit Jahrzehnten als Energieträger eingesetzt und sowohl Toyota als auch andere Hersteller verfügen über entsprechendes Know-how und Erfahrung im Umgang mit dem Element. Darüber hinaus bildet Wasserstoff eine CO2-freie und unschädliche Energiequelle, die sich aus zahlreichen erneuerbaren Ressourcen gewinnen lässt und bei der Verwendung als Kraftstoff ebenfalls keine Treibhausgase freisetzt.
Wissen
So funktioniert eine Brennstoffzelle
Die kleinste Untereinheit einer Brennstoffzelleneinheit, die einzelne Zelle, besteht aus einer Elektrolytmembran, einer negativen und einer positiven Elektrode sowie zwei Separatoren. Jede einzelne Zelle erzeugt nur eine geringe Spannung von einem Volt oder weniger. Doch die zum Betrieb eines Fahrzeugs erforderliche hohe Leistung lässt sich realisieren, indem man mehrere Hundert einzelner Zellen für eine Gesamtspannung in Reihe schaltet. Gemeinsam werden diese Zellen fachsprachlich als Brennstoffzelleneinheit (fuel cell stack) bezeichnet.
In einer Brennstoffzelle wird Elektrizität aus der chemischen Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff gewonnen. Der Wasserstoff wird zur negativen Elektrode geleitet und dort auf einem Katalysator aktiviert, wobei Elektronen freigesetzt werden. Diese Elektronen aus dem Wasserstoff wandern von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode. Es entsteht ein elektrischer Strom. Die Wasserstoff atome haben sich durch die Abgabe der Elektronen in Wasserstoffionen verwandelt, die jetzt durch die Polymer-Elektrolytmembran zur negativen Seite wandern. An der negativen Elektrode reagieren dann Sauerstoff, Wasserstoff ionen und Elektronen chemisch zu Wasser.
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