Brennstoffzellen-Serienfertigung in Deutschland

Autostack
Stack-Evolution-II-Prüfstand, © ZSW

Brennstoffzellen-Stacks mit fahrzeugtauglichen Leistungsdichten bilden nach wie vor eine kritische Lücke in der europäischen Wertschöpfungskette. Diese Lücke zu schließen war das Ziel der vom Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking geförderten europäischen Projekte Auto-Stack (FCH-JU GA 245142) und AutoStack-CORE (FCH-JU GA 325335). Im Verbund mit europäischen Automobilherstellern, der Zulieferindustrie und namhaften Forschungsorganisationen wurden die Kernspezifikationen und die technologische Basis für einen Brennstoffzellenstapel zum Antrieb von Automobilen entwickelt, der höchsten internationalen Ansprüchen hinsichtlich Leistungsdichte, Lebensdauer, Wirkungsgrad und Kosten genügt.

Bei diesem Vorhaben wurde zunächst anhand einer Anforderungsanalyse in Bezug auf Leistung und zur Verfügung stehende Einbauräume eine Basisspezifikation für eine skalierbare Stack-Plattform im Leistungsbereich zwischen 10 und 95 kW erarbeitet. Diese Plattform sollte in unterschiedlichen Fahrzeugen verschiedener Hersteller sowie in weiteren Anwendungen wie Busantrieb oder Energietechnik einsetzbar sein.

Für die Entwicklung wurde ein iterativer Ansatz gewählt. Die Grundlage der Spezifikation bildete die Analyse der Leistungsanforderungen an Mittelklasse-Pkw der beteiligten Hersteller sowie der dafür zur Verfügung stehenden Einbauräume. Aus diesen wurden die geometrischen Randbedingungen und die Zieldaten für Leistungsdichte und Betriebsbedingungen abgeleitet. Eine weitere Randbedingung bildete die Forderung, dass ausschließlich industriell gefertigte Komponenten eingesetzt werden sollten. Diese Leitplanken bildeten die Basis für die Konstruktion von Bipolarplatten und Verspanneinrichtungen sowie für die Anforderungskriterien der Membran-Elektrode-Einheiten (MEA).

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In insgesamt 51 Monaten wurden zwei Stack-Evolutionen entwickelt, gebaut und getestet. Nach dem Entwicklungsablauf der Automobilindustrie entspricht Evolution 1 einem Prototyp und Evolution 2 einem A-Muster. Für eine dritte Evolution (B-Muster) wurden Designrichtlinien erarbeitet.

Im Projektverlauf ist es gelungen, die überwiegende Anzahl der Spezifikationsziele zu erreichen oder zu übertreffen (s. Tab. 2). Ein Vergleich der Stack-Leistungsdichte bei Spitzenlast zwischen AutoStack-CORE (4 kW/l) und veröffentlichten Werten der Automobilhersteller Nissan (2.5 kW/l), Honda (3.1 kW/l) und Toyota (3.1 kW/l) zeigt, dass das ambitionierte Projektziel zur Entwicklung von „best-of-its-class automotive stack technology“ erfüllt werden konnte.

Der Vergleich der Voll-Stacks von Evolution 1 und 2 (s. Abb. 2) zeigt deutlich die erhöhten Leistungsdaten, die ausschließlich durch Verbesserungen des Bipolarplatten-Designs erzielt wurden. Außerdem wurden im Verlauf des Vorhabens mehrere MEA-Konfigurationen erprobt und optimiert. Abbildung 3 zeigt einen Leistungsvergleich zweier Kurz-Stacks mit unterschiedlicher Edelmetallbeladung. Es ist zu erkennen, dass der mit einem geringer beladenen Platinkatalysator hergestellte Kurz-Stack in den relevanten Leistungsbereichen vergleichbar mit einem höher beladenen Legierungskatalysator ist. Die Adaption der Stack-Betriebsbedingungen bietet außerdem weiteres Potential zur Leistungsverbesserung des Stacks.

Entscheidend für den Erfolg war die offene und intensive Kooperation zwischen allen beteiligten Partnern, die es erlaubte Entwicklungsergebnisse kritisch zu hinterfragen und Verbesserungspotentiale durch direkte Interaktion zwischen Automobil- und Komponentenherstellern sowie Forschungsorganisationen zu erkennen und umzusetzen.

Der Entwicklungsstand und Baumuster des Stacks wurden auf verschiedenen Konferenzen und Messen vorgestellt und haben reges Interesse geweckt. A-Muster des Stacks wurden für Test- und Demonstrationszwecke geliefert und stehen auf Anfrage zur Verfügung.

Folgeprojekt

Im Rahmen des nationalen Innovationsprogramms (NIP) beim Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur begann im Mai dieses Jahres das Folgeprojekt AutoStack-Industrie. Dieses Vorhaben ist eine gemeinsame Initiative der deutschen Automobil- und Zulieferindustrie und verfolgt das Ziel, die entwickelte Stack-Technologie reif für den kommerziellen Fahrzeugeinsatz zu machen und die zur Serienfertigung von 30.000 Stacks pro Jahr erforderliche Produktionstechnik zu entwickeln und zu validieren. Damit sollen die Voraussetzungen geschaffen werden, dass eine Serienfertigung von Stacks zeitnah nach Abschluss des Projektes erfolgen kann. Das Vorhaben ist für eine Dauer von vier Jahren geplant.

Autoren: Ludwig Jörissen, Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW), Ulm, und André Martin

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