DIE LANGSTRECKEN -ELEKTROMOBILITÄT

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ENTWICKLUNG REPORT

Die jüngsten Fortschritte bei der Brennstoffzellen-

technik bringen die Automobilentwickler auf die Idee,

elektrisch angetriebene Fahrzeuge als Hybridkonzept

mit einer Brennstoffzelle und einem Lithium-Ionen-

Akkumulator zu konzipieren. So ist die Langstrecken-

Elektromobilität bei gleichzeitig kurzer Tankzeit mög-

lich. Zudem eignet sich der LI-Akkumulator zur Vor-

konditionierung der Wasserstoff brennstoffzelle.

BRENNSTOFFZELLE

Der Ener-G-Force von Mercedes-Benz ist ein spektakuläres Beispiel für ein Brenn-stoffzellenfahrzeug, nicht wegen des De signs, sondern wegen der außerge-wöhnlichen Konzeption des Antriebs-systems. Zur Fortbewegung benötigt das Fahrzeug nämlich nur recyceltes Wasser. Dieses wird in Tanks auf dem Dach auf-genommen und an den sogenannten Hydro-Tech-Converter weitergeleitet. Dort wird es in Wasserstoff für den Betrieb der Brennstoffzellen umgewan-delt. Die Speichereinheiten für die gewon-nene elektrische Energie befi nden sich in den Seitenschwellern. Mit diesem Konzept verspricht Mercedes-Benz eine Reichweite von rund 800 km, die das Fahrzeug mit den vier einzeln angesteuerten Radnaben motoren ohne Stopp fährt.

Doch die radikale Neuinterpretation der G-Klasse ist nur eine Studie, die sich die Designer des Advanced Design Stu-dios von Mercedes-Benz im kalifornischen Carlsbad ausgedacht haben. Sie zeigt aber, mit welcher Kreativität die Automobil-hersteller nach technischen Möglichkeiten forschen, um sich gegen die noch unge-wisse Zukunft leistungsstarker und kos-tengünstiger Akkumulatoren zu wappnen. Und weil der Energiespeicher immerhin eine Schlüsselkomponente der Elektro-mobilität ist, wägen die Automobilent-wickler die Fahrzeugeigenschaften wie Reichweite, Kosten, Fahrdynamik und Gewicht genauestens gegeneinander ab.

So konzentrieren sich die Befürworter elektrisch angetriebener Fahrzeuge auch auf die Brennstoffzellentechnik. Nicht, weil sie den Lithium-Ionen-Akkumulator irgendwann ersetzen wollen, sondern weil sie die Brennstoffzelle als zusätz-lichen Energielieferanten in die beste-hende In frastruktur eines Elektrofahr-zeugs inte grieren möchten. Denn wissen-schaftlichen Erkenntnissen zufolge stößt die Lithium- Ionen-Technik bereits nach annähernd 200 km an ihre Leistungs-grenze. Und selbst wenn in ferner Zukunft ein Lithium-Luft-Akkumulator eine ähn-liche Energiedichte aufweist wie Benzin und damit einen Wagen rund 800 km weit bringen könnte, wie es Forscher am Karlsruhe Institute of Technology in 20 Jahren für möglich halten: Das Auf-laden beziehungsweise der Austausch der Batterien dauert dann immer noch ein Vielfaches länger als das Betanken mit Wasserstoff.B

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05I2013 74. Jahrgang 381

KOMBINATION MIT EINEM LI-AKKUMULATOR

Die Kombination Brennstoffzelle und Lithium-Ionen-Akkumulator wird des-halb in zahlreichen Versuchsfahrzeugen erprobt, mit der Absicht, das Anwen-dungssegment für Elektromobilität zu erweitern. Während die Brennstoffzelle eine Langstrecken-Elektromobilität bei

kurzen Tankzeiten ermöglicht, kann durch den LI-Akkumulator die maximale Leistung des Brennstoffzellensystems reduziert werden. So lässt sich der Wir-kungsgrad des Gesamtantriebsstrangs etwa durch die Möglichkeit der Brems-energierekuperation steigern.

Mit der gezielten Dimensionierung von Batterie und Brennstoffzellensystem sind dann unterschiedliche Antriebsstrang-

konzepte möglich. Das Optimieren der Betriebskosten steht dabei im Mittel-punkt der Arbeiten. Werden beispiels-weise brennstoffzellendominante Sys-teme mit etwa 80 bis 100 kW elektrischer PEM-Leistung mit einem Akkumulator geringer Kapazität kombiniert, können selbst größere Fahrzeuge bei hoher Dauergeschwindigkeit mehr als 120 km zurücklegen.

Batterie(speichert DC)

Antriebs-Motor AC

Fahrer

AC Spannung DC Spannung

Steuerung/WandlerDC in AC

Batterielader

BrennstoffzellenRange Extender

(erzeugt DC)

PM Rex7 von Proton Motor: schematischer Aufbau des Antriebsstrangs (Bild © Proton Motor)

Der Ener-G-Force von Daimler soll den Wasserstoff für die Brennstoffzelle selbst erzeugen (Bild © Daimler AG)

ENTWICKLUNG REPORT

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Prominentes Beispiel ist der Wasser-stoffbus Citaro FuelCell von Evobus, ei nem Tochterunternehmen der Daimler AG. Das Fahrzeug verfügt über je zwei 60-kW-Brennstoffzellen – sogenannte Proton-Exchange-Membrane-Fuel-Cells. Darüber hinaus wurde der Bus mit ei -nem 35-kg-Wasserstoffspeicher (350 bar) und einer LI-Batterie als 10-km-Not-reserve ausgestattet. Ähnlich aufgebaut ist auch das Nutzfahrzeug PM Rex7 von Proton Motor. Das dort verbaute 7-kW-Brennstoffzellensystem wird ebenfalls von einem 350-bar-5-kg-Wasserstofftank ge speist. An Bord sind zudem zwei 40-kWh-Lithium-Ionen-Akkumu latoren.

NATIONALE BRENNSTOFFZELLEN-INITIATIVE

Diese Versuchsträger reihen sich erfolg-reich in die Liste jener Brennstoffzellen-fahrzeuge ein, die von ausgewählten Automobilherstellern im Rahmen der

Clean-Energy-Partnership-Initiative (CEP) bisher auf den Markt gebracht wurden. Darunter finden sich Fahrzeuge von Daimler (B-Klasse F-Cell), Opel (Hydro-gen4), Volkswagen mit dem Touran, Caddy, Tiguan HyMotion und dem Audi Q5-HFC, Toyota (FCHV) sowie Honda mit dem FCX Clarity. Und die Initiatoren sind zuversichtlich, dass noch in diesem Jahr insgesamt mehr als 100 Pkw ver-schiedener Hersteller sowie 30 Brenn-stoffzellen-Hybridbusse auf deutschen Straßen unterwegs sind.

Die Clean Energy Partnership ist ein Zusammenschluss von Firmen der Mine-ralöl-, Energie- und Gasindustrie sowie der Mehrzahl der größten Automobil her-steller. Auch zwei Betriebe des Öffent li-chen Nahverkehrs sind mit dabei. Und der Technologiekonzern Siemens, das jüngste CEP-Mitglied, soll eine der 50 bis Ende 2015 geplanten H2-Tankstellen mit der passenden Elektrolyseurtechnik ausrüs-ten. Das Befüllen der Druckgastanks im

Auto – Dauer in der Regel um die 3 min – entspricht dabei den Forderungen der Branche nach kurzen Tankzeiten. Aus diesem Grund basieren auch neue Was-serstofftankstellen größtenteils auf der 700-bar-Druckgastechnik. Dennoch denkt BMW an eine drucklose Wasser-stoffspeicherung mit gleichzeitig hoher Speicherdichte nach. Mit ersten Erfolgen, wie ein Fachbeitrag in der ATZ 12/2012 dokumentiert. Demnach untersucht die BMW Group Forschung und Technik derzeit die Potenziale der Wasserstoff-speicherung mit flüssigen organischen Hydriden (LOHC).

Derweil erprobt die CEP-Initiative vor allem die Einsatzfähigkeit von Wasserstoff im täglichen Einsatz. So testet sie den kontinuierlichen Betrieb leistungs fähiger Wasserstofffahrzeuge wie auch deren schnelle und sichere Betankung. Im Vordergrund steht die saubere und nachhaltige Erzeugung von Wasserstoff – inklusive Wasserstoff-

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H2O

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Anode ElektrolytmembranKathode

Betankungstechnologie

Wasserstoff – H2

Antriebstechnologie

Wasserstoffproduktion

DruckwasserstofftankElektromotor

BatterieBrennstoffzelle

VerbrennungsmotorBrennstoffzelle/Elektromotor

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H2O

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Anode ElektrolytmembranKathode

Stromerzeugung

WASSERSTOFF BEWEGT

Die CEP-Initiative erprobt die Einsatzfähigkeit von Wasserstoff; im Vordergrund steht die saubere und nachhaltige Erzeugung von Wasserstoff (Bild © CEP)

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transport und H2-Speicherung im flüs-sigen und im gasförmigen Zustand. Gelingt der zügige und kostengünstige Ausbau, wäre das Henne-Ei-Problem zumindest zum Teil gelöst. Ein Blick hinter die Kulissen zeigt aber, dass der Ausbau einer bundesweiten Wasserstoff-tank stelleninfrastruktur weit hinter den Erwartungen zurückbleibt, wie eine exklusive Reportage in der ATZ 05/2013 aufzeigt.

PEM – DER AUTOMOBILE BRENNSTOFFZELLENTYP

Das wissen auch die Automobilhersteller und versuchen, die Leistungsfähigkeit ihrer Systeme zu optimieren. Mit Hoch-druck forschen sie an der Brennstoff-zelle – vor allem an der Niedertempera-tur-Protonenaustauschmembran-Brenn-

stoffzelle (Proton Exchange Membran Fuel Cell, PEMFC). Die nämlich hat für den automobilen Einsatz gegenüber anderen Brennstoffzellentypen die ent-scheidenden Vorteile einer niedrigen Arbeitstemperatur von etwa 60 bis 80 °C und eines festen Elektrolyts. „Weiterhin hat die PEM-Brennstoffzelle, im Vergleich zu der ebenfalls bei niedrigen Temperatu-ren betreibbaren alkalischen Brennstoff-zelle, den Vorteil, dass sie mit Sauerstoff aus der Luft versorgt werden kann und somit keinen zusätzlichen Sauerstoffspei-cher benötigt“, sagt Dr. Ingo Drescher, Leiter Brennstoffzelle in der Konzernfor-schung der Volkswagen AG.

Mittlerweile zeigt die Brennstoffzelle auch bei Minusgraden eine gute und vor allem schnelle Leistungsverfügbar-keit. Ein Blick in das Pflichtenheft des FCHV adv von Toyota verrät bereits, dass

Brennstoffzellenfahrzeuge selbst bei - 30 °C noch einwandfrei funktionieren. Die Kaltstartfähigkeit konnte der japa-nische Autokonzern, der für seine Fahr-zeuge die Hochleistungsbrennstoffzelle selbst herstellt, dank einer optimierten Membran-Elektroden-Einheit (MEA) deutlich verbessern. Es gelang nämlich, das Systemverhalten und die entstehen-den Wassermengen bei den jeweils unter-schiedlichen Betriebsbedingungen exakt zu beschreiben und die MEA daraufhin abzustimmen.

Auch während eines mehrmonatigen Feldversuchs im Rahmen der CEP konnte Toyota gute Ergebnisse erzielen. Das 1880 kg schwere Fahrzeug kam mit einer 156-l-Betankung (700 bar) 790 km weit. Das entspricht einer Kraftstoffeffizienz von 128 km/kg H2. Die hohe Effizienz ist auch ein Verdienst einer verbesserten Brennstoffzelleneinheit, der Bremsener-gierückgewinnung sowie der Reduzie-rung des Energieverbrauchs der Hilfs-systeme. Zudem hat Toyota eine soge-nannte Degradationskontrolle für den Elektrodenkatalysator integriert.

VERBESSERUNG BEIM TANK UND DER LEISTUNGSDICHTE

Auch Daimler hat mit der aktuellen B-Klasse F-Cell, die seit drei Jahren in kleiner Serie gefertigt wird, große Fortschritte erzielt, wie ein Vergleich des Brennstoffzellensystems mit dem Technologieträger im 2004 entwickelten A-Klasse F-Cell-Fahrzeug zeigt: Größe minus 40 %, Leistung plus 50 %, Ver-brauch minus 30 %, Reichweite plus 150 %. Diese Werte lassen sich noch

Schnittmodell Mercedes-Benz B-Klasse F-Cell (Bild © Mercedes-Benz)

WAS MEINEN WIR DAZU?

„DIE BRENNSTOFFZELLE VEREINFACHT DAS LANGE ELEKTRISCHE FAHREN”

ANDREAS BURKERTMTZ-Korrespondent

Mit dem Hybrid-Konzept Wasserstoff-brennstoffzelle und Lithium-Ionen- Akkumulator gelingt die Langstrecken- Elektromobilität ohne lange Ladezeiten. Auch lassen sich das Anwendungssegment für Elektromobilität erweitern und gleich-zeitig die Betriebskosten reduzieren.

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verbessern. Denn Wissenschaftlern am Forschungsinstitut ZSW gelang es kürzlich, eine Hochleistungsbrenn-stoffzelle mit einer Leistungsdichte von 3500 W/l für die automobile Anwen dung zu entwickeln. Die Forscher er reichten dies unter anderem durch das Optimie-ren der Bipolar-Platten und der Dich-tungstechnik. Der Brennstoffzellenstapel genügt dabei den Betriebsanforderungen der Automobilindustrie hinsichtlich Tem-peratur, Druck und Stöchiometrie.

Und dank der Fortschritte bei der Tem-peraturstabilität von Polymermembranen etwa durch anorganische Nanopartikel und der Nanostrukturierung der Elektro-den, um die Reaktivität zu steigern, zei-gen sich die Entwickler zuversichtlich, auch die Kosten in den Griff zu bekom-men. Denn bei nur batterieelektrisch angetriebenen Fahrzeugen steigen die Batteriesystemkosten mit dem Energie-inhalt der Batterie. Kurzum: mehr Reich-weite, höhere Kosten. Brennstoffzellen hingegen sind Energiewandler, deren Größe und Kosten allein durch die erfor-derliche Maximalleistung definiert wird. Allerdings verschweigen die Entwickler nicht, dass ihnen noch eine Herkules-Arbeit bevorsteht.

KOSTENSENKUNG BEI BRENNSTOFFZELLEN

Für Ikuo Kasahara, Vizepräsident Pro-duction Engineering bei Toyota Motor Europe, gehört dazu unter anderem das drastische Reduzieren der Kosten für Brennstoffzellen. Diese sind seiner An -sicht nach noch um mindestens zwei Größenordnungen zu hoch. Eine Folge des knappen und teuren Metalls Platin, das als Katalysator für den elektrochemi-schen Prozess benötigt wird. Ingenieure arbeiten deshalb mit Hochdruck daran, den Platinbedarf auf ein Zehntel des bis-herigen Menge zu senken, ohne dabei die Wirkung des Katalysators zu min-

dern. Eine schwierige Aufgabe, denn gleichzeitig sollen Wirkungsgrad und Lebensdauer steigen: Gefordert sind immerhin fünfzehn Jahre, mindestens aber 240.000 km.

Die Branche zeigt sich aber auch da optimistisch. Denn zum einen gelang es General Motors und Opel, den Anteil von Platin in der neuesten Generation des HydroGen4 auf 30 g zu reduzieren. Zuvor wurden 80 g benötigt. Und trotz einer Leistungssteigerung von 20 % haben sich Volumen und Gewicht der Brennstoffzelleneinheit halbiert. Opel hat die optimierte Brennstoffzellenein-heit (Stack) aus 440 in Reihe geschalte-ten Zellen aufgebaut, in denen die Ener-gie für den Drehstrom-Synchron-Elektro-motor erzeugt wird. Das Aggregat leistet 73 kW und verfügt über ein maximales Drehmoment von 320 Nm. Mit der Serien-produktion des Fahrzeugs in 2015 wer-den laut Hersteller nur noch etwa 10 g Platin für das Beschichten des Katalysa-tors benötigt.

Parallel wird an Ersatzmaterialien geforscht. So erprobt das Team von Pro-fessor Kenichiro Ota von der Yokohama National University neue Katalysatoren auf Basis von Nioboxid beziehungsweise Titanoxid. Beide enthalten Kohlenstoff- und Stickstoffatome. Sie gehören damit zu den Platinersatz-Katalysatoren mit der weltweit höchsten Effizienz in Bezug auf Leerlaufspannung und Lebensdauer.

Damit wird die Brennstoffzelle zuse-hends betriebswirtschaftlich attraktiv. Und wenn die Schätzungen des Depart-ment of Energy der US-Regierung ein-treffen, dann fällt der Preis für ein kW Antriebsleistung zur selben Zeit (2015) auf 30 US-Dollar. Vor drei Jahren waren es noch knapp 73 US-Dollar. Die Vorher-sage gilt allerdings vor dem Hintergrund, dass pro Jahr rund 500.000 Fahrzeuge gefertigt werden.

Andreas Burkert

DR. INGO DRESCHER Leiter Brennstoffzelle in der Konzern forschung der Volkswagen AG

INTERVIEW: Andreas Burkert

2 FRAGEN AN …MTZ _ Welcher Brennstoffzellentyp ist für den Einsatz im Automobil am besten geeignet?DRESCHER _ Nach aktuellem Stand der Technik ist die PEM-(Poly mer-elektro lyt mem bran)-Brenn stoff zelle am besten geeignet. Sie gehört zu den Niedertemperaturbrennstoff-zellen und arbeitet ü blicherweise bei einer Betriebs temperatur im Bereich von 60 bis 90 °C. Auch bei weitaus niedri geren Temperaturen bis hin zu Minusgraden zeigt sie eine gute und vor allem schnelle Leistungsverfüg-barkeit.

Welche Hausaufgaben sind noch zu bewältigen, um die Brennstoffzelle fit für das Auto zu machen?Ein wichtiges Thema ist unter an de-rem die Gewährleistung der Lebens-dauer von mindestens 5000 h über einen breiten Betriebsbereich, das heißt inklusive zahlreicher Kurz-streckenfahrten, Froststarts und ho her Umgebungstemperaturen, um nur einige Beispiele zu nennen. Der Fokus liegt hier vor allem auf der Ertüch ti gung von Materialien und der Erar beitung der optimalen Betriebsstra tegie.

2009

2015

73 US-Dollar

Die Brennstoffzellensystemkosten pro kW Antriebsleistung werden sich bis zum Jahr 2015 auf etwa 30 US-Dollar einpendeln, vorausgesetzt, pro Jahr werden rund 500.000 Fahrzeuge gefertigt

30 US-Dollar

Preis für ein kW Antriebsleistung (Quelle: US Department of Energy)

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