Phase der Ausreifung

In Flottentests haben DaimlerChrysler und Ford derzeit insgesamt rund 120 Brennstoffzellenfahrzeuge. Die Entwickler arbeiten an verschiedenen Fronten. So verlangen Wasserhaushalt, Befeuchtung und Betriebstemperatur heute noch aufwändige Lösungen.

10. Januar 2006

Mit Wirkungsgraden von 38 % im Fahrzyklus, nutzen Brennstoffzellenfahrzeuge die im Kraftstoff enthaltene Energie heute schon etwa doppelt so effizient wie Benzin-Fahrzeuge. Etwa zehn Jahre nach der Vorstellung des Necar 1, dem ersten Brennstoffzellenfahrzeug von DaimlerChrysler, das eher die Bezeichnung ‚rollendes Labor’ verdiente, haben Brennstoffzellenfahrzeuge den Prototypenstatus verlassen und sind in die Phase der Flottenerprobung eingetreten.

Heutige Brennstoffzellenantriebe sind, bezogen auf ihr Ansprechverhalten und ihre Dynamik, mit Antrieben konventioneller Fahrzeuge vergleichbar geworden. Sie lassen sich ohne Verlust von Fahrgast- und Gepäckraum in existierende Fahrzeugplattformen integrieren.

In ausgiebigen Flottentests haben über 120 Brennstoffzellen-Pkws, -Transporter und -Busse von DaimlerChrysler und Ford im Alltagsbetrieb 1,7 Mio. km zurückgelegt. Obwohl Brennstoffzellenantriebe in diesen Tests ihre Alltagstauglichkeit bewiesen haben, müssen automobile Reife- und Qualitätsstandards für eine erfolgreiche Markteinführung erreicht werden.

Um dies zu erfüllen, durchlaufen Brennstoffzellensysteme für Fahrzeuganwendungen ab der jetzigen Generation den kompletten automobilen Entwicklungszyklus und werden mehrere tausend Stunden strengsten automobilspezifischen Tests unterzogen. Dazu gehören neben Klima-, Vibrations- und Crashtests auch die Überprüfung der elektromagnetischen Verträglichkeit und sogar Spritzwasser- und Immissionstests, um die reibungslose Durchfahrt einer Waschstraße zu gewährleisten.

Der Eintritt in diese neue Entwicklungsphase spiegelt sich auch in der Struktur der Brennstoffzellenallianz zwischen Ballard Power Systems, DaimlerChrysler und Ford Motor Company wider. Im Zuge ihres steigenden Engagements haben DaimlerChrysler und Ford das Brennstoffzellensystemgeschäft von Ballard übernommen und halten jeweils 50 % der Anteile des neu gegründeten Joint Ventures NuCellSys.

Die NuCellSys GmbH wird weiterhin Brennstoffzellensysteme entwickeln und herstellen. Ballard wird sich auf die Entwicklung und Herstellung von Brennstoffzellenstacks konzentrieren. Die Unternehmen DaimlerChrysler und Ford werden sich mit der Integration des kompletten Brennstoffzellenantriebsstrangs inklusive Stromwandler, Elektromotor und Wasserstoffspeicherung in ihre Fahrzeuge befassen.

Mit der neuen Rollenverteilung konzentrieren sich die Allianzpartner auf ihre jeweiligen Kernkompetenzen. NuCellSys wird dabei weiterhin Brennstoffzellensysteme an andere Automobilkunden zur Integration in deren Fahrzeuge liefern.

Ein Brennstoffzellensystem regelt die Versorgung des Brennstoffzellenstacks mit Wasserstoff und Sauerstoff in der richtigen Dosierung, mit dem geeigneten Druck und Feuchtigkeit. Das System ist hochdynamisch - es kann die Leistung in weniger als einer Sekunde auf 90 % steigern.

Aufwandsminimierung künftig im Vordergrund

Die von NuCellSys hergestellte Lösung ist also als vollwertige Stromquelle für Elektro-Pkws entwickelt worden. Sie kann aber auch in hybride Konfigurationen integriert werden, um ein optimales Energiemanagement zu gewährleisten. In Kombination mit einem Stromspeicher können zwei dieser Brennstoffzellensysteme auch schwere Fahrzeuge wie Busse antreiben.

Bei der weiteren Entwicklung werden die Eigenschaften der Brennstoffzelle eine entscheidende Rolle spielen. Selbstverständlich muss diese kostengünstig, effizient, leistungsstark und langlebig sein. Sie muss aber auch eine Minimierung des Aufwandes seitens der anderen Komponenten des Antriebsstranges hinsichtlich Kosten, Packaging, Komplexität der Betriebsführung, parasitäre Leistungen, Kühlung, Geräuschverhalten und Sicherheitstechnik ermöglichen.

Eine hohe Befeuchtung der Membran zum Beispiel erfordert nicht nur einen großen Kathodenbefeuchter. Zur Wasseraustragung ist dann ebenfalls ein Kompressor mit hohem Druck und entsprechend hoher parasitärer Leistung nötig, was wiederum zu einem hohen Geräuschdämmungsaufwand führt.

Sobald im Stack flüssiges Wasser auftritt, sind weitere Systemkomponenten wie Abscheider und Ventile nötig. Auch die Betriebsführung um einen Freeze-Start zu ermöglichen wird extrem aufwändig.

Die optimale Betriebstemperatur der meisten PEM-Membranen liegt derzeit unter 90 °C. Die Konsequenzen dieser Entwicklung sind sehr große Kühler, Kühlergebläse und Kühlwasserpumpen, um die Abwärme trotz des geringen Temperaturunterschiedes zur Außenwelt hin abführen zu können. Im Extremfall kann dies zu einer Begrenzung der Leistung bezüglich der Überlast oder an heißen Tagen führen. Hinzu kommt eine eingeschränkte Heizleistung im Winter.

Bei Wasserhaushalt, Befeuchtung und Betriebstemperatur verlangt der Stand der Technik noch aufwändige Lösungen. Obwohl aus System- und Fahrzeugherstellersicht die Verringerung der Befeuchtungsanforderung und die Erhöhung der Betriebstemperatur sicherlich wünschenswert sind, darf die Einführung dieser Stack-Eigenschaften keinesfalls auf Kosten der Lebensdauer, Leistungsfähigkeit und -dichte, der Qualität oder der Herstellkosten geschehen.

Die Ausreifung der heutigen Brennstoffzellentechnologie wird den erweiterten Einsatz in Flottenanwendungen im Bereich der Jahre 2010 bis 2012 ermöglichen. Weitere technische Innovationen und Kostenersparnisse durch Massenproduktion werden es Brennstoffzellenantrieben erlauben, auf dem Massenmarkt völlig konkurrenzfähig zu sein.

ÜberblickTreiber für hohe Aufwendungen im Antriebsstrang

Wasserhaushalt der MEA: Sobald im Stack flüssiges Wasser auftritt, sind weitere Systemkomponenten und hohe Druckdifferenzen zum Wasseraustrag notwendig.

Limitierte Betriebstemperatur: Konsequenzen sind große Kühler, Gebläse und Kühlwasserpumpen, eingeschränkte Heizleistung im Winter und verringerte Stromdichten.

Großes Modulvolumen: fahrzeugspezifische Anpassung des Stacks sowie aufwändige Maßnahmen für Crash-Sicherheit sind erforderlich.

Erschienen in Ausgabe: 04/2005