Hoffnungsträger Brennstoffzelle

Wer von Elektrofahrzeugen spricht, meint meist solche, die Batterien als Energiespeicher nutzen. Doch auch mit Wasserstoff betriebene Fahrzeuge haben einen Elektroantrieb, der von einer Brennstoffzelle an Bord des Fahrzeugs mit Strom versorgt wird. Bislang sieht es im Rennen dieser beiden E-Fahrzeugklassen nach einem klaren Sieger aus: Zumindest für Pkw fokussieren die meisten Automobilhersteller ihre Entwicklungsaktivitäten auf rein batterieelektrische Antriebe. Allerdings werden die damit möglichen technischen Lösungen nicht alle Anforderungen an den Transport von Personen und Waren erfüllen. Aufgrund der auch künftig noch relativ geringen Energiedichte von Lithium-Ionen-Traktionsbatterien müssen vor allem für Langstreckenfahrten und den Güterverkehr alternative Konzepte entwickelt werden, die die CO2-Emissionen senken und perspektivisch ganz vermeiden können. Dabei bietet sich Wasserstoff als Energieträger an, weil er im Elektrolyseverfahren durch Strom aus regenerativen Quellen wie zum Beispiel Sonnen- oder Windenergie gewonnen werden kann. Der Wasserstoff wird gasförmig unter Druck in einem Speichertank mitgeführt, die Brennstoffzelle wandelt das Gas dann in elektrischen Strom für den Elektroantrieb um. Als einzige Emission aus diesem Prozess wird Wasser freigesetzt.

In Abhängigkeit vom Einsatzzweck, dem verfügbaren Energieträger und der Arbeitstemperatur entwickelten die Ingenieure in der Vergangenheit eine Vielzahl unterschiedlicher Bauarten von Brennstoffzellen. Dabei hat sich die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle – oftmals auch nur mit dem Kürzel PEM bezeichnet – als diejenige Bauform herauskristallisiert, die sich am besten für Automobilanwendungen eignet. Wie der Name nahelegt, besteht der Elektrolyt in der Trennschicht einer PEM aus einer Kunststofffolie, einer sogenannten Polymermembran, die mit einer dünnen Lage Platin als Katalysator für die chemische Reaktion beschichtet wird. Abhängig von der Arbeitstemperatur der Brennstoffzelle unterscheidet man zwischen einem Niedertemperaturtyp (NT-PEM) mit 60 bis 80 Grad Celsius und einer Hochtemperaturzelle (HT-PEM), deren idealer Wärmegrad zwischen 150 und 180 Grad Celsius liegt.

Die wichtigsten Vorteile einer HT-PEM liegen im einfacheren Thermomanagement aufgrund eines höheren Temperaturgefälles zur Außenluft und in ihrer geringeren Empfindlichkeit gegenüber Verunreinigungen im Wasserstoff. Bei der Auswahl für Automobilanwendungen überwiegen jedoch ihre Nachteile gegenüber der NT-PEM: Neben einer wesentlich geringeren Leistungsdichte ist dies vor allem die lange Anspringzeit bei einem Kaltstart, die nicht alltagstauglich ist. In aktuellen Brennstoffzellenantrieben für mobile Anwendungen spielt die HT-PEM daher keine Rolle.

Daimler gilt als Pionier für Elektrofahrzeuge mit Brennstoffzelle. Schon 1994 stellte das Unternehmen den ersten Prototyp im Transporterformat vor, 1999 folgte eine kompakte A-Klasse mit Brennstoffzellenantrieb und Speichertank in einem Sandwichboden. Generell war die Forschung und Entwicklung der Automobilhersteller in den 1990er Jahren von einer gewissen Brennstoffzelleneuphorie geprägt. Allerdings haperte es bei der Industrialisierung und Überführung in die Großserie. Aktuell sind es vor allem Toyota und Hyundai, die Pkw mit Brennstoffzellenantrieb in größeren Stückzahlen fertigen.

Getrieben von umweltpolitischen Vorgaben könnte Deutschland in den nächsten Jahren in der Brennstoffzellentechnik speziell für das Nutzfahrzeugsegment wieder eine Vorreiterrolle übernehmen oder zumindest mit den asiatischen Herstellern gleichziehen. Das dabei verfolgte Konzept fußt auf einem Hybridsystem, bei dem die Brennstoffzelle den mittleren Leistungsbedarf des Fahrzeugs abdeckt und eine zusätzliche Batterie oder – technisch korrekter formuliert – ein zusätzlicher Akku die Leistungsspitzen übernimmt. In der Kombination spielen beide Komponenten ihre Vorteile aus. So kann die Batterie als Zwischenspeicher deutlich kleiner und leichter ausgelegt werden, als dies bei rein batterieelektrischen Fahrzeugen erforderlich wäre.

Gleichzeitig lässt sich die Brennstoffzelle stets im optimalen Lastbereich betreiben. „Die PEM-Brennstoffzelle stellt eine erstklassige Ergänzung zur Batterie dar und löst bei einer hohen Energiedichte das Reichweitenproblem“, beschreibt Mohsine Zahid, der die weltweite Batterie- und Brennstoffzellenentwicklung beim Zulieferer ElringKlinger verantwortet. Ähnlich äußert sich Nils Martens, Leiter der Division Batterien und Brennstoffzellsysteme bei Freudenberg Sealing Technologies: „Gerade in Bezug auf Langstrecken sehen wir, dass rein batterieelektrische Antriebe in Lkw oder Überlandbussen nicht in allen Fällen das richtige Konzept sein müssen. Da geht es nicht um ein Entweder-oder, sondern um das sinnvolle Zusammenbringen beider Ansätze in einem Gesamtsystem.“

Im Laufe der Zeit benötigte die Brennstoffzelle immer weniger Platz und lieferte mehr Reichweite. Bild: Daimler

Der Entwicklungsfokus liegt auch bei Bosch derzeit auf dem Einsatz in Nutzfahrzeugen. „Die Brennstoffzelle ist für solche Anforderungen gut geeignet“, meint Jürgen Gerhardt, der den Produktbereich für mobile Brennstoffzellensysteme leitet. „Daher erwarten wir im Nutzfahrzeugsegment erste relevante Projekte und Volumina. Unsere aktuellen Entwicklungsprojekte berücksichtigen dies.“ Mittelfristig gehen die Zulieferer aber auch von einem wachsenden Markt bei leichten Nutzfahrzeugen aus, etwa bei Transportern für die letzte Meile in der Stadt und bei Personenkraftwagen. In der Brennstoffzellentechnik sehen sie auch eine Möglichkeit, die vorhersehbaren Rückgänge beim Umsatz mit Komponenten für verbrennungsmotorische Antriebe dauerhaft zu kompensieren.

„Die Brennstoffzelle ist ein neues Geschäftsfeld für Zulieferer, der Markt entsteht derzeit“, ist Jürgen Gerhardt überzeugt. Für Freudenberg Sealing Technologies ist die Werkstoff- und Fertigungsexpertise eine wichtige Grundlage, um die Brennstoffzellentechnik voranzubringen. Das Unternehmen hat ein neues Dichtungskonzept entwickelt, bei dem eine Dichtung aus Elastomer im Spritzgussverfahren direkt an die Gasdiffusionslagen der Brennstoffzellen angebracht wird. Im Inneren der Stacks sorgen die Gasdiffusionslagen unter anderem für die Feinverteilung der Gase und für den Transport von Wärme und Wasser. Weitere Produkte – hergestellt von anderen Freudenberg-Töchtern – sind Filtersysteme und Luftbefeuchter, die Freudenberg Sealing Technologies mit seinen Dichtungslösungen zu einbaufertigen Brennstoffzellensystemen komplettiert. Bei Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzellen für Fahrzeuge laufen aktuell Erprobungen mit Prototypen. Das Unternehmen erwartet, erste Muster 2021 an Kunden ausliefern zu können und 2023 in die Serienproduktion zu starten.

Bosch hat 2018 eine Kooperation mit dem amerikanischen Nutzfahrzeughersteller Nikola geschlossen. Das Ziel der Partner ist, bis zum Jahr 2021 einen schweren Lastkraftwagen mit Brennstoffzellenelektroantrieb auf den Markt zu bringen. Außerdem arbeitet das Unternehmen gemeinsam mit dem britischen Brennstoffzellenspezialisten Ceres Power an stationären und dezentralen Festoxid-Brennstoffzellenanwendungen, mit denen Strom auf Basis von Erdgas oder Wasserstoff erzeugt werden kann. Wichtig ist dabei für Bosch nach eigenen Angaben, durch entsprechende Forschung und Entwicklung im Bereich der PEM-Brennstoffzellen ein Systemverständnis aufzubauen. In Kürze will das Unternehmen mehrere Komponenten der Brennstoffzelle zur Serienreife bringen, beispielsweise den elektrischen Luftverdichter, das Dosierventil für den Wasserstoff oder das Steuergerät der Brennstoffzelle. Erst kürzlich ging Bosch zudem eine Kooperation mit PowerCell Sweden AB ein, einem schwedischen Hersteller von Brennstoffzellenstacks. Die Vereinbarung sieht vor, dass beide Partner gemeinsam PEM-Stacks zur Serienreife bringen und Bosch die Technik in Lizenz für den weltweiten Automobilmarkt fertigt. Der Stack soll spätestens 2022 auf den Markt kommen.

Ein internationaler Vergleich zeigt: Die Dynamik in den verschiedenen Märkten wird vorwiegend durch die jeweilige politische Förderung bestimmt. Japan zum Beispiel treibt den Ausbau der Wasserstoffinfrastruktur mit Blick auf die Olympischen Sommerspiele im Jahr 2020 in Tokio voran. In Korea gibt es aktuell politische Diskussionen über den verbindlichen Einsatz der Brennstoffzelle ab 2035 in allen neuen Nutzfahrzeugen und Baumaschinen. „In China stehen emissionsfreie Antriebstechnologien ganz oben auf der Agenda, dementsprechend groß sind die Anstrengungen, alternative Antriebe auf die Straße zu bekommen“, weiß Mohsine Zahid von ElringKlinger. Dank üppiger staatlicher Förderung ist in Chinas Großstädten bereits eine Vielzahl von Bussen im öffentlichen Personennahverkehr auch mit Brennstoffzellentechnik ausgerüstet.

Autor: Richard Backhaus