Membran, Katalysator oder Elektroden? Was Brennstoffzellen heute noch teuer macht

Brennstoffzellen sind noch immer um ein Vielfaches teurer als Verbrennungsmotoren oder Batterien. Doch was macht diese Systeme so teuer? Sind die Membranen so kostspielig, die Elektroden oder das für die Katalysatoren verwendete Platin? Wissenschaftler des Zentrums für Sonnenenergie und Wasserstoffforschung (ZSW) in Ulm haben einmal analysiert, wie sich die Kosten eines Brennstoffzellensystems zusammensetzen.

Ein Brennstoffzellenstack mit einem Kilowatt Nutzleistung, wie ihn die Fachleute im ZSW bereits entwickelt und gebaut haben, besteht ursprünglich aus 50 Einzelzellen. Jeder Stack ist aus einer ganzen Reihe von Bauteilen aufgebaut: je eine Stromsammelplatte und eine Endplatte auf der Kathoden- und Anodenseite, dazu die Einzelzellen, die ihrerseits aus einer Gasverteilerplatte und einer Gasdiffusionslage auf der Anodenseite bestehen, gefolgt von einer MEA, wie die Einheit aus den beiden Elektroden und der Membran genannt wird, und schließlich wieder eine Gasdiffusionslage und eine Gasverteilerplatte auf der Kathodenseite. Zwischen jeder dieser Lagen befindet sich noch jeweils eine Dichtung. Hinzu kommen bei einem ganzen Stack noch Komponenten wie die Gasanschlüsse. Insgesamt kostet ein solcher aus frei am Markt erhältlichen Komponenten zusammengebauter Brennstoffzellenstack rund 20.000 Euro, ergaben die Berechnungen von Ludwig Jörissen vom ZSW.

Rund 30 Prozent davon, also rund 6.000 Euro, entfallen auf die MEAs. Von diesem Preis macht die Summe der reinen Materialkosten nur einen Teil von rund 850 Euro aus: Mit 194 Euro schlagen dabei die Katalysatoren zu Buche. Für ein Kilowatt Leistung werden derzeit ungefähr 1,94 Gramm Platin benötigt – bei den gängigen Marktpreisen für das Edelmetall ergibt dies zwar nur Kosten von 39 Euro, doch verarbeitet als Katalysator kostet das Material etwa das fünffache des reinen Edelmetallwerts. Etwas höher ist der Materialwert der Membran, die mit 356 Euro zu Buche schlägt – ein Quadratmeter des Standardmaterials Nafion kostet 640 Euro. 256 Euro entfallen schließlich auf die Materialkosten für die Gasdiffusionslagen und sonstige Materialien zur Elektrodenherstellung. Die genannten Kosten und Preise beziehen sich dabei auf Produkte und Mengen, wie sie heute im „Feinchemikalienhandel“ verlangt werden. In jüngster Zeit wurden für fertig konfektionierte MEAs infolge gestiegener Produktionsvolumina und günstigerer Wechselkurse Preissenkungen bis etwa 50 Prozent möglich.

Größter Kostenfaktor des Stacks sind die Bipolarplatten und deren mechanische Bearbeitung, für die sich Kosten von rund 7.400 Euro ergeben. Die Gasdiffusionslagen kommen auf etwa 600 Euro, die zahlreichen benötigten Dichtungen schlagen derzeit mit 1.000 Euro zu Buche und die Endplatten und Stromsammler kommen auf 1.200 Euro. Für die Materialbeschaffung und Montage kalkuliert Jörissen rund 2.600 Euro, für die Qualitätssicherung – beispielsweise das Überprüfen der Komponenten und Ausmessen der Leistungsdaten des Systems und die Überprüfung der Komponenten – schließlich eine Summe von 1.200 Euro.

Insgesamt macht also der reine Materialwert nur einen vergleichsweise geringen Anteil an den Kosten aus. Teuer wird erst die heute überwiegend handwerkliche Verarbeitung zu den fertigen Systemkomponenten. Hier könnte eine Produktion in größeren Stückzahlen Einsparungen bringen – welche, haben Jörissen und seine Kollegen ebenfalls hochgerechnet: Die Kosten für ein solches System könnten bei Stückzahlen bereits von wenigen tausend von 20.000 Euro auf rund 3.100 Euro sinken. Möglich werde dies vor allem durch eine günstigere Produktion beispielsweise der Bipolarplatten, der MEAs und der Gasdiffusionslagen. Durch weitere technische Leistungssteigerungen und eine wirkliche Massenproduktion seien zusätzliche Kosteneinsparungen möglich, so Jörissen. Damit könnten Brennstoffzellen auch in größeren Märkten zu einer wirtschaftlichen Alternative werden.