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Projektinfos  – Energieforschung konkret

Kurzcharakteristik lesen

Brennstoffzellenfahrzeug an einer Wasserstoff-Tankstelle. Ein Betankungsvorgang dauert etwa drei bis fünf Minuten.
© Volkswagen AG
Brennstoffzellenstack für Automobile
Projektinfo 12/2018

Übersicht: Das BZ-System im Fahrzeug
© Audi AG

Ergebnisse der Kostenstudie (Basis MEA: Greenerity (0,294 g Pt/kW), Platinpreis (2015): 33 Euro/g)
© Volkswagen AG
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Brennstoffzellen für Elektrofahrzeuge

Brennstoffzellen, die in Fahrzeugen eingesetzt werden sollen, müssen besonders hohe Anforderungen erfüllen. Sie sollen eine große Leistungsdichte erreichen sowie kompakt und widerstandsfähig gegen Erschütterungen, Vibration und Temperaturschwankungen sein. Außerdem sollen sie sehr zyklenfest, kaltstartfähig und langlebig sein. Forscher eines Fahrzeugherstellers und mehrerer Zulieferfirmen untersuchen, wie sie mobile Brennstoffzellen-Systeme günstiger produzieren und reif für den Massenmarkt machen können.

Mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzellen-Fahrzeuge fahren praktisch emissionsfrei, sie stoßen lediglich Wasserdampf aus. Sie sind schnell aufzutanken und haben hohe Reichweiten. Doch um gegenüber Verbrennungs- und Batterieantrieben wettbewerbsfähig zu werden, muss die Technologie sich bei den Kosten an diese annähern. Aufgabe der Forscher ist es deshalb, die Herstellungskosten von Brennstoffzellenstapeln zu reduzieren sowie Komponenten und Herstellungsverfahren an die Anforderungen industrieller Serienfertigung anzupassen. Für den Einbau in Fahrzeugen muss das gesamte System außerdem möglichst kompakt und leicht sein.

Die Zulieferer ElringKlinger, Greenerity, Freudenberg und Umicore entwickelten gemeinsam mit dem Automobilhersteller Volkswagen einen Brennstoff­zellenstapel mit metallischen Bipolarplatten für den Einsatz in Fahrzeugen. Ein Hauptziel des Projekts HyMotion5 war es, die Katalysatorschichten zu ­verbessern, den Platin-Einsatz deutlich zu verringern und die Degradationsstabilität zu optimieren.

Der Koordinator des Projekts, Dr. Gerold Hübner vom Bereich Forschung Antriebs- und Energiesysteme der Volkswagen AG, verdeutlicht: „Unser Ziel ist es, die ­eigene Entwicklungskompetenz für Brennstoffzellenstapel und -bauteile zu stärken und eine Fertigungskompetenz sowie eine deutsche Zulieferlandschaft aufzubauen.“ Er sieht dabei die ­Herausforderungen insbesondere darin, niedrige Edelmetallbeladungen mit hoher Stabilität und Dauerhaltbarkeit zu verbinden sowie die erforderliche externe Befeuchtung des Stacks zu reduzieren.

Beim BMWi-Statusseminar zur Brennstoffzellenforschung 2016 in Berlin äußerten Experten die Erwartung, dass die Brennstoffzelle ab 2025 / 2030 eine wichtige Rolle als Automobil-Antrieb spielen wird; sie schätzen, dass 2025 etwa 50.000 Fahrzeuge gebaut werden. Im Jahr 2016 waren es etwa 5.000. Vom Ausbau der Wasserstoff-Infrastruktur hängt ab, wie schnell sich die Brennstoffzellen-Technologie, ausgehend von einigen Metropolen, ausbreiten kann.

In der Startphase können Serienproduktion und Verbreitung der emissionsfreien Antriebe zum Beispiel durch den Einsatz lokal verkehrender Nutzfahrzeuge, Busse und Taxen mit Brennstoffzellen angekurbelt werden.

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Ein neuer Brennstoffzellenstapel für mobile Anwendung

Die Konstrukteure entwickelten einen auf den mobilen Einsatz zugeschnittenen Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzellen-Stack. Dieser hat ein ganzes Paket an Anforderungen zu erfüllen: Er muss besonders robust sein; zugleich sind aber auch geringes Gewicht und kom­pakte Abmessungen sowie Skalierbarkeit der Leistung gefordert.

Der Stack setzt sich aus einer dicht gepackten Folge von Funktionsschichten zusammen, die jeweils hohen wechselnden mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt sind. Mit dem Ziel, eine kontinuier­liche preisgünstige Großserienproduktion vorzubereiten, verbesserten die Projektpartner die Komponenten Membran-Elektroden-Einheit (MEA), Katalysator, Gasdiffusionsschicht (GDL Gas Diffusion Layer), Bipolarplatte und Dichtung und passten sie für eine optimale Funktion aufeinander an.

Höhere Leistungsdichte mit weniger Platin

Zu Projektbeginn wurden Referenz-MEAs mit einer ­Platinbeladung von 0,5 mg/cm2 eingesetzt. Diese entsprechen dem Stand der Technik für seriennahe Produkte. Im Laufe des Projektes konnte bei gleichzeitiger Steigerung der Leistungsdichte die Edelmetallbeladung der MEAs auf 0,2 mg/cm2 reduziert und somit mehr als  halbiert werden.

Die Entwickler verbesserten die Betriebsstabilität des Stacks im Fahrzeug, unter anderem indem sie die externe Befeuchtung der Zellen minimierten. Ziel war, bei der Anode eine konstante Feuchte, bei der Kathode maximal 30% Eingangsfeuchte zu erreichen.

Dafür gestalteten sie die Flussfeldauslegung und das Design der MEA neu. Nun reicht eine geringe Eingangsfeuchte aus. Das an der Kathode entstehende Wasser wird effizient intern auf die Anode überführt. Zu diesem Zweck setzten die Forscher auch dünnere Membranen mit besserem Wassertransportvermögen und höherer Leitfähigkeit ein. Durch den Einsatz der weiterentwickelten MEAs konnte bei gleichzeitiger Reduktion der Stackbefeuchtung die Leistung (Stromstärke) bei konstanter Spannung um bis zu 40% (von 0,95 A/cm2 auf 1,43 A/cm2) gesteigert werden.

Im Projektverlauf wurde auch das Dichtungskonzept für den Brennstoffzellen-Stapel optimiert. Um einen schnellen und reproduzierbaren Stapelaufbau zu ermöglichen, befindet sich die neue Dichtung auf dem Rand der MEA.

Merkzettel

Adressen

Projektleitung, Stapelentwicklung
Volkswagen AG

Entwicklung von Membran- Elektroden-Einheiten (MEAs)
Greenerity GmbH

Entwicklung von Elektro-Katalysatoren
Umicore AG & Co. KG

Gasdiffusionsmedien und Dichtungen für Brennstoffzellenstapel
Freudenberg Sealing Technologies GmbH & Co. KG

Abdichtungskonzept für die Bipoloarplatte
Elring Klinger AG

Charakterisierung von GDLs und Simulation der Flüssigwasserverteilung
ZSW Baden-Württemberg

Links

Erklärung Funktion Brennstoffzelle
CEP-Video

Wasserstoffvisionen von VW und Audi
Video der Deutschen Welle

Die Funktionsweise des Elektrofahrzeugs mit Brennstoffzelle
Video von NuCellsSys

Bundesförderung Wasserstoff und Brennstoffzelle (NIP)
Nationales Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie

CEP
Website der Clean Energy Partnership

ZSW
Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.