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.

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.

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.