Brennstoffzellenauto

das Auto der Zukunft

Wasserstoffautos sind ausgesprochen umweltfreundlich und perfekt geeignet für das alltägliche Leben. Das beweist auch der Mirai, der als erstes Fahrzeug von Toyota die Technologie der Brennstoffzelle nutzt und in Serie erhältlich ist.

Dieselgate und Klimawandel: Die Zeit der Brennstoffzelle ist gekommen.

Der Klimawandel ist für uns immer deutlicher zu spüren: In den Gebirgsketten schmelzen die Gletscher, in der Arktis und Antarktis die Eisflächen. Der Meeresspiegelt steigt langsam, Starkregen und Dürren treten immer häufiger auf und die Luftqualität verschlechtert sich zunehmend. Die Auswirkungen des Klimawandels sind verheerend.

Was können wir dagegen tun? Diese Frage wird für uns immer bedeutender. Die Diskussion um Diesel als Kraftstoff und überschrittene Grenzwerte für Stickoxide insbesondere in Städten sind aktuell wie nie. Die Suche nach alternativen Antrieben und umweltfreundlicheren Kraftstoffen nimmt zu. So legen Automobilhersteller den Fokus noch stärker auf die Entwicklung von ganzheitlichen und nachhaltigen Automobilkonzepten und schaffen Antriebe, die im besten Fall sogar ohne jegliche Emissionen von Schadstoffen auskommen: Für einen verbesserten Klimaschutz.

Ein Ansatz für umweltfreundliches Fahren sind Fahrzeuge, die mit Brennstoffzellen betrieben werden. Ihre einzige Emission ist Wasser, wodurch sie zum potenziellen Auto der Zukunft werden. Das funktioniert jedoch nur, wenn dafür grüner Wasserstoff genutzt wird – also Wasserstoff, der durch erneuerbare Energien wie Wind oder Sonne produziert wird. Denn nur dann ist er CO2-frei und tatsächlich neutral für das Klima.

Aufbau und Funktion einer Brennstoffzelle (Fuel Cell)

Die kleinste Untereinheit einer Brennstoffzellen-Einheit, die einzelne Zelle, besteht aus einer Elektrolyt-Membran, einer negativen und einer positiven Elektrode sowie zwei Separatoren. Brennstoffzellen gehören zu den galvanischen Zellen.

Eine einzige Brennstoffzelle erzeugt nur geringe elektrische Energie von einem Volt. Das reicht nicht aus, um ein Auto mit Brennstoffzellen-Antrieb zu bewegen. Deshalb sind für einen Fahrzeugantrieb mehrere Hundert von Brennstoffzellen notwendig. Sie bilden zusammen eine Brennstoffzellen-Einheit, den Fuel Cell Stack. Die Fuel Cell, auf Deutsch Brennstoffzelle, wird nicht nur in der Autoindustrie genutzt. Fuel Cells werden ebenso zum Lieferanten von elektrischer Energie für Gebäude, um sie mit Wärme und Strom zu versorgen.

Eine Brennstoffzelle erzeugt elektrische Energie durch ein chemisches Verfahren. Die Basiselemente dieses Prozesses sind Wasserstoff und Sauerstoff. Der Wasserstoff gelangt zur negativen Elektrode, wo er auf einem Katalysator aktiviert wird. Elektronen setzen sich frei und wandern zur positiven Elektrode. Dabei entsteht ein elektrischer Strom. Die Wasserstoff-Atome verwandeln sich durch die Abgabe der Elektronen in Wasserstoff-Ionen. Die Ionen fließen durch die Polymer-Elektrolyt-Membran zur negativen Elektrode. Dort entsteht aus Sauerstoff, Wasserstoff-Ionen und Elektronen durch eine chemische Reaktion schließlich Wasser.

Der Antrieb des Mirai besitzt neben der Brennstoffzellen-Einheit eine leistungsstarke Batterie. Der Mirai ist daher ein Hybridfahrzeug mit einem Antrieb, der eine Brennstoffzellen-Einheit und eine Batterie miteinander kombiniert. Die Batterie unterstützt beim Anfahren und Beschleunigen den Brennstoffzellen-Antrieb.

Funktion eines Brennstoffzellenautos

Wasserstoff ist kein natürliches Element. Seine Herstellung ist nur mit Energie möglich. Um die Umwelt zu schützen, sollten dafür regenerative Energiequellen genutzt werden. Als optimaler Energieträger ist Wasserstoff für den Anrieb von Fahrzeugen besonders gut geeignet. Zudem lässt sich Wasserstoff leicht speichern und transportieren. So ist er einer der wichtigsten Energieträger die Zukunft.

In einem Auto mit Brennstoffzelle befinden sich zwei spezielle Tanks außen im Unterboden des Fahrzeuges. Sie speichern den Wasserstoff. Über eine Leitung gelangt er in die Brennstoffzelle und reagiert dort mit Sauerstoff. Der Sauerstoff gelangt durch große Lufteinlässe in den Verdichter. Durch eine chemische Reaktion, eine „kalte Verbrennung“, entsteht an der Membran die nötige Elektrizität für den elektrischen Antrieb des Autos. Eine Hochvolt-Batterie speichert zusätzlich Bremsenergie und setzt diese Energie bei Überholmanövern ein.

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Sicher mit Brennstoffzellenautos unterwegs

Experten erprobten in unzähligen Fahrversuchen die Sicherheit der Fahrzeuge, bevor Autos mit Brennstoffzelle in Serie gingen. Sie legten dabei Millionen von Kilometern zurück. Auch der Mirai wurde über eine Vielzahl von Kilometern erfolgreich geprüft und ist genauso sicher wie jedes andere Fahrzeug von Toyota auch.

Wasserstoff ist ein gasförmiges Element mit speziellen Eigenschaften. Sowohl beim Tanken als auch beim Fahren besteht keine Gefahr. Das gilt auch bei Unfällen. Obwohl ein Leck im Tank sehr unwahrscheinlich ist, erkennen Sensoren den möglichen Austritt von Wasserstoff. Das Fahrzeug schaltet dann automatisch ab und sämtliche Sicherheitsventile schließen sich.

Als dritte Sicherheitsebene ist der Innenraum komplett vom Wasserstoff-System getrennt. Das verhindert den Eintritt des gasförmigen Elements in den Fahrgastraum. Freigesetzter Wasserstoff steigt aufgrund seiner geringen Dichte schneller als jedes andere Gas in die Atmosphäre auf. Ein Ventil für Überdruck bläst bei hohen Temperaturen, die durch einen Brand nach Unfall entstehen können, den Wasserstoff ins Freie.

Der Tank ist im Bereich der Hinterachse platziert und somit gut geschützt. Er besteht aus einer robusten Außenschale, die aus einem Kohlefaserverbundwerkstoff besteht. Darüber befindet sich ein aus Fasern verstärkter Kunststoff. So sind Beschädigungen sofort erkennbar. Der Tank ist einerseits gegen Druck von innen und außen sowie gegen Feuer widerstandsfähig.

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Intelligentes Sicherheitssystem beim Tanken

Beim Tanken von Benzin oder Diesel tropft unter Umständen etwas Kraftstoff daneben. Wie ist das beim Tanken von Wasserstoff? Während des Tankvorgangs sorgen Schutzmaßnahmen für die nötige Sicherheit. Das Zapfventil am Zapfsäulenschlauch verfügt über eine mechanische Sicherung. Sie garantiert eine optimale Kopplung mit dem Einfüllstutzen des Fahrzeugs. Der Tankvorgang beginnt erst, wenn die Sicherung ordnungsgemäß einrastet. Durch Druckimpulse lassen sich mögliche Lecks im System zwischen Zapfsäule und Brennstoffzellenauto identifizieren. Bei einer Störung stoppt der Tankvorgang sofort.

Infrarot-Sensoren in den Wasserstofftanks sowie an Zapfventil und Pumpe kontrollieren beim Tanken kontinuierlich die Temperatur. Dadurch ist die genaue Steuerung der Füllmenge bei der Zufuhr von Wasserstoff möglich. Steckt der Schlauch zum Betanken noch im Fahrzeug, bewegt sich das Brennstoffzellenauto keinen Meter vorwärts. Eine Weiterfahrt ist erst dann möglich, wenn der Fahrer das Zapfventil abnimmt und den Tankdeckel schließt.

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Umweltfreundlich und alltagstauglich: Der Toyota Mirai


Die Brennstoffzellen-Technologie ist ein Wendepunkt für den Automobilbau und unsere Umwelt. Der Toyota Mirai ist weltweit die erste serienmäßige Limousine mit Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellen-Fahrzeug ging 2014 nach fast 20 Jahren Forschung in Serie. Der Mirai hat den Weg in eine emissionsfreiere Zukunft geebnet.

Toyota legte vor über 20 Jahren den Grundstein dafür und führte in Japan den Prius mit Hybridantrieb ein. Inzwischen fahren fast 50 Prozent unserer privat neu zugelassenen Autos in Deutschland mit einem Hybridantrieb. Als weltweit größter Hersteller von Hybridfahrzeugen treiben wir diese Entwicklung bis heute voran. Der Toyota Mirai ist der Beginn eines neuen Zeitalters in der Automobilbranche: das Zeitalter des Wasserstoffautos.

Der Mirai unterscheidet sich im alltäglichen Gebrauch kaum von einem Auto mit Verbrennungsmotor. Er tankt lediglich Wasserstoff statt Benzin und besitzt keinen Verbrennungsmotor, sondern einen leistungsstarken Elektromotor. Die Brennstoffzelle benötigt Wasserstoff, um Energie für den Elektromotor herzustellen. Dabei entsteht als Emission lediglich Wasserdampf. Zwei speziell entwickelte Tanks außerhalb des Innenraums des Toyota Mirai speichern den Wasserstoff. Die Brennstoffzelle im Auto wandelt ihn dann in elektrischen Energie um.

Der Mirai garantiert in jeder Situation eine optimale Performance und nachhaltigen Fahrspaß. Basis dafür ist das Zusammenspiel der Brennstoffzelle mit dem 113 kW und 154 PS starken Elektromotor. Auf Leistung und Komfort müssen Autofahrer dabei nicht verzichten. Wasserstoffautos verfügen über eine Reichweite von 500 Kilometern1,2. Sie sind daher keineswegs nur für den Stadtverkehr geeignet und können mit Benzinern einwandfrei mithalten. Der Tankvorgang dauert zudem nur etwa drei Minuten. Mittlerweile gibt es in Deutschland bereits rund 90 Wasserstoff-Tankstellen und es werden immer mehr.



1 In Anlehnung an NEFZ; bei ökonomischer Fahrweise. Messung durch Toyota beim Auftanken an einer Wasserstofftankstelle mit 700 bar Abgabedruck nach Tankstandard SAE J2601 (Umgebungstemperatur 20 °C, Druck im Wasserstofftank 10 MPa). Bei Betankung an Wasserstofftankstellen mit abweichenden Vorgaben werden andere Wasserstoffmengen zugeführt; entsprechend variiert auch die Reichweite. Auch äußere Umstände (Wetter, Verkehr etc.), Fahrzeuggewicht und Fahrstil (schnelles Anfahren, Klimaanlage etc.) beeinflussen die Reichweite. Tankstellen müssen SAE J2601 entsprechen; Fahrzeuge sind mit 700 bar 70 MPa zu betanken.
2 Kraftstoffverbrauch Mirai (Wasserstoff) kombiniert: 0,76 kg/100 km, CO2-Emissionen kombiniert: 0 g/km.

Toyota Mirai

CO2-Bilanz eines Wasserstoffautos

Wir von Toyota sind vom langfristigen Erfolg der Brennstoffzelle überzeugt. Sie löst im Vergleich zu anderen alternativen Antrieben viele Herausforderungen der Zukunft.

Bevor der Wasserstoff im Tank landet, muss er produziert und transportiert werden. Wie bei allen anderen Kraftstoffarten kommt er deshalb nicht vollständig ohne CO2-Emissionen aus. Eine Ausnahme ist die Herstellung von Wasserstoff durch erneuerbare Energien. Unter Einbeziehung der Produktion des Kraftstoffes verursacht der Mirai lediglich Emissionen von 121 Gramm CO2 pro Kilometer. Ein vergleichbarer oberer Mittelklasse-Wagen mit Benzinmotor produziert 241 Gramm CO2 pro Kilometer. Deshalb erhielt der Toyota Mirai im ADAC EcoTest 2016 ganze fünf Sterne.

Die weitere Optimierung der Herstellung von Wasserstoff macht Brennstoffzellenautos noch umweltfreundlicher. Eine Option ist die Produktion von grünem Wasserstoff. Er stammt aus regenerativen Energiequellen. Seit 2015 fährt der Mirai bereits mit grünem Wasserstoff befüllt ganz ohne Emissionen auf den Straßen.

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Selbst wenn die Herstellung des Wasserstoffs berücksichtigt wird, verursacht der Toyota Mirai nach aktuellem Strommix nur 121 Gramm/km.
Mit Strom aus rein regenerativen Quellen wären die CO2-Emissionen gleich Null.

Toyotas Environmental Challenge 2050

Umweltschutz und Nachhaltigkeit sind für Toyota elementar und in ihrer Vision fest etabliert. Wir entwickeln innovative Technologien. Wir realisieren Projekte, die sich an der Zukunft orientieren, um das wegweisende Unternehmensziel „Null Emissionen“ zu erreichen. Dabei schauen wir nicht nur auf den Fahrzeugsektor. Auch bei den Standorten unserer Produktion und Händler setzen wir auf umweltfreundliche und energieeffiziente Maßnahmen.

In der Environmental Challenge 2050 platziert und definiert Toyota diese hohen Ziele selbst. Wir fördern die Entwicklung mit alternativen Kraftstoffen für umweltverträgliche Fahrzeuge und wollen die Vision von emissionsfreien Antrieben so bald wie möglich verwirklichen.

Technik mit Brennstoffzellen spielt für dieses Bestreben eine wichtige Rolle Um das Ziel zu erreichen, haben wir anderen Fahrzeugherstellern und Branchen 5.600 Brennstoffzellen-Patente zur Verfügung gestellt.

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