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 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.
Wasserstoff ist zwar ein natürliches Element, seine Herstellung ist jedoch nur mit Energie möglich. Um Emissionen zu verringern, sollten dafür regenerative Energiequellen genutzt werden. Als Energieträger ist Wasserstoff für den Antrieb von Fahrzeugen gut geeignet. So ist er einer der wichtigsten Energieträger die Zukunft.
In einem Auto mit Brennstoffzelle befinden sich drei spezielle Wasserstoff-Tanks außen im Unterboden des Fahrzeuges. 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 Elektrizität für den elektrischen Antrieb des Autos. Eine Hochvolt-Batterie speichert zusätzlich Bremsenergie und setzt diese Energie bei Überholmanövern ein.
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.
Die Tanks befinden sich in einer T-Anordnung im Unterboden. Zwei der drei Tanks sind im Bereich der Hinterachse platziert und ein Tank im Unterbodentunnel, 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.
Während des Tankvorgangs sorgen intelligente Schutzmaßnahmen für die nötige Sicherheit. Das Zapfventil am Schlauch 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 wird nach möglichen Lecks im System zwischen Zapfsäule und Auto geprüft. Bei einer Störung stoppt der Tankvorgang sofort.
Infrarot-Sensoren in den Wasserstofftanks sowie an Zapfventil und Pumpe kontrollieren beim Tanken die Temperatur. Dadurch ist die optimale Steuerung der Füllmenge bei der Zufuhr von Wasserstoff möglich. Steckt der Schlauch zum Betanken noch im Fahrzeug, bewegt sich das Brennstoffzellenauto keinen Meter vorwärts.
Die Brennstoffzellen-Technologie ist ein Wendepunkt für den Automobilbau und unsere Umwelt. Der Toyota Mirai ist das weltweit erste Brennstoffzellenauto in Großserie. Das Brennstoffzellen-Fahrzeug ging 2014 nach fast 20 Jahren Forschung in Serie.
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 134 kW und 182 PS starken Elektromotor. Auf Leistung und Komfort müssen Autofahrer dabei nicht verzichten. Wasserstoffautos verfügen über eine Reichweite von bis zu 650 Kilometern*. Sie sind daher keineswegs nur für den Stadtverkehr geeignet und können mit Benzinern einwandfrei mithalten. Der Tankvorgang dauert zudem nur wenige Minuten. Mittlerweile gibt es in Deutschland bereits über 90 Wasserstoff-Tankstellen.
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.
Eine Option der Wasserstoffherstellung ist grüner Wasserstoff. Er stammt aus regenerativen Energiequellen. Mit grünem Wasserstoff befüllt, fährt der Toyota Mirai ganz ohne CO2-Emissionen auf den Straßen.
Wir bei Toyota realisieren Projekte, die sich an der Zukunft orientieren, um das wegweisende Unternehmensziel „Null Emissionen“ zu erreichen. Dabei schauen wir nicht nur auf den Fahrzeugsektor, sondern setzen auch bei den Standorten unserer Produktion und Händler auf energieeffiziente Maßnahmen.
In der Environmental Challenge 2050 platzieren wir diese hohen Ziele selbst, fördern die Entwicklung von alternativen Kraftstoffen für Autos und wollen die Vision von emissionsfreien Antrieben verwirklichen. Unsere Brennstoffzellen-Technik spielt dafür eine wichtige Rolle. Um das Ziel zu erreichen, haben wir anderen Fahrzeugherstellern und Branchen 5.600 Brennstoffzellen-Patente zur Verfügung gestellt.
Lautlos unterwegs mit keinen lokalen CO2-Emissionen. Diese Vision wird mit dem Toyota Mirai Realität. Denn seine Brennstoffzelle erzeugt Strom aus getanktem Wasserstoff und Sauerstoff aus der Umgebung, mit der der Mirai eine Reichweite von bis zu 650 km erreicht.*
Informieren Sie sich über weitere interessante Aspekte rund um den Energieträger der Zukunft.
Wasserstoff ist sauber, sicher und nahezu unbegrenzt verfügbar. Toyota ist einer der Pioniere bei der Wasserstoff-Technik in der Automobilität.
Das Tanken von Wasserstoff funktioniert fast wie normales Tanken, dauert nur wenige Minuten und ist absolut sicher.