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Die Brenstoffzellen-Technologie im GLC F-Cell

Dieser Artikel wurde ursprünglich im Daimler-Blog veröffentlicht.

„Ahmet, Dein Auto raucht wie ne Sisha-Bar!“. Stimmt – allerdings „raucht“ Ahmets Auto nicht. Bei den Emissionen handelt es sich um H2O: Wasserdampf. Gerade bei Kälte kondensiert der warme Wasserdampf in der kalten Umgebungsluft, und das wirkt für Laien wie Nebel. Ahmet ist Projektingenieur bei der Mercedes-Benz Fuel Cell GmbH und die Ursache dieses „Nebels“ ist sein Spezialgebiet: das Brennstoffzellensystem des GLC F-CELL (Wasserstoffverbrauch kombiniert: 0,34 kg/100 km; CO2-Emissionen kombiniert: 0 g/km; Stromverbrauch kombiniert: 13,7 kWh/100 km.*).

Für den GLC F-CELL wurde ein komplett neues Brennstoffzellensystem entwickelt – was ist daran besonders?

Der GLC F-CELL ist das weltweit erste Brennstoffzellen-Fahrzeug mit einer Plug-In-Hybrid-Batterie. Damit stehen zwei Energiequellen zur Verfügung, die den Elektromotor antreiben. Man ist also nicht nur auf Wasserstofftankstellen angewiesen, sondern kann auch an jeder beliebigen Ladesäule oder Steckdose tanken.

Wie funktioniert das Brennstoffzellensystem im GLC F-CELL?

Jeder kennt die Elektrolyse aus dem Chemieunterricht: Wasser lässt sich mit Hilfe von Strom in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten. Diese beiden Gase werden genutzt, um in einem umgekehrten Prozess Strom daraus zu gewinnen. Das heißt, die Brennstoffzelle macht nichts Anderes als die Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff zu leiten.

Der zur Reaktion benötigte Sauerstoff wird aus der Umgebungsluft durch einen elektrischen Turbolader angesaugt. Der Wasserstoff, der für die Brennstoffzelle benötigt wird, kommt aus den Wasserstofftanks.

Die Brennstoffzelle ist eine PEM-Brennstoffzelle mit Protonen-Austausch-Membran. Das bedeutet, dass ihre Membran nur für Protonen durchlässig ist. Der Wasserstoff wird in Protonen und Elektronen gespalten. Protonen wandern von der Anoden-Seite durch die Membran zur Kathoden-Seite, um zum Sauerstoff zu gelangen. Die Elektronen nehmen den Weg um die Membran herum, wodurch ein Stromfluss entsteht. Dieser Strom wird entweder für den elektrischen Antrieb oder für das Aufladen der Batterie genutzt.

Die hierfür wesentlichen Komponenten im GLC F-CELL sind die Brennstoffzelle, die Wasserstofftanks und die Batterie. Wie spielen diese Komponenten im Betrieb zusammen?

Die Brennstoffzelle

Das oben erklärte Brennstoffzellensystem bezieht sich auf eine PEM-Brennstoffzelle. Um den Stromfluss zu maximieren, verfügt das Fahrzeug über einen Brennstoffzellen-Stack, also einen Stapel von vielen Einzelbrennstoffzellen. In diesem Brennstoffzellen-Stack findet die eigentliche Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff statt, bei der die chemische Reaktionsenergie umgewandelt wird (auch bekannt als kalte oder katalytische Verbrennung). Somit ist die Brennstoffzelle im Gegensatz zu einer Batterie kein Energiespeicher, sondern ein Wandler.

Die Wasserstofftanks

Der Wasserstoff befindet sich in zwei Tanks: einem Querbehälter und einem Längsbehälter. Der Querbehälter befindet sich unter der Rücksitzbank, der Längsbehälter unter dem Mitteltunnel. Beide Tanks sind in der Lage insgesamt 4,4 kg Wasserstoff aufzunehmen, die bei 700 bar innerhalb von 3 Minuten betankt werden können.

Die Batterie

Die Lithium-Ionen Batterie des GLC F-CELL befindet sich unter dem Kofferraum. Sie hat eine Kapazität von 13,5 kWh und kann im Betrieb entweder über die Brennstoffzelle oder durch die Rekuperation – also die Bremsenergie-Rückgewinnung – aufgeladen werden. Die wesentliche Aufgabe der Batterie ist die Pufferung der elektrischen Energie und die zusätzliche Antriebsunterstützung.

Der Fahrer hat die Möglichkeit zwischen vier Betriebsmodi zu wählen – wofür steht welcher Modus?

Im Modus HYBRID speist sich die Leistung des Fahrzeugs aus beiden Energiequellen, also der Brennstoffzelle und der Batterie. BATTERY bedeutet, dass das Fahrzeug rein batterieelektrisch angetrieben wird und die Brennstoffzelle abgeschaltet ist. Bei F-CELL fährt man fast ausschließlich mit Wasserstoff, wobei der Ladezustand der Batterie durch die Energie der Brennstoffzelle konstant gehalten wird. Und im Modus CHARGE wird die Batterie über die Brennstoffzelle aufgeladen. Außerdem zu erwähnen ist die Rekuperation. Sie ist in allen Betriebsmodi verfügbar und ermöglicht es, die Energie beim Ausrollen oder Bremsen zurückzugewinnen und im Akku zu speichern.

Wann wird welcher Modus genutzt – und wer entscheidet: System oder Fahrer?

Grundsätzlich kann der Fahrer jederzeit selbst entscheiden, welcher Betriebsmodus gewählt wird. Das Fahrzeug kann einem diese Entscheidung aber auch abnehmen: abhängig von der Gaspedalanforderung des Fahrers ist das intelligente System des GLC F-CELL in der Lage zu bestimmen, wie viel Strom es zurzeit benötigt und aus welchen Quellen dieser bereitgestellt werden soll.

Der GLC F-CELL weiß dabei nicht, ob man auf der Autobahn fährt, auf einer Landstraße, oder ob man in der Tempo-30-Zone unterwegs ist. Entscheidend für das Fahrzeug ist allein das Gaspedal des Fahrers: daraus wird die erforderliche Leistung berechnet. Und auf dieser Basis entscheidet der GLC F-CELL, ob er die Leistung beispielsweise zu 70 Prozent aus der Brennstoffzelle und zu 30 Prozent aus der Batterie speist. Oder ob er im BATTERY Modus rein batterieelektrisch fährt.

Elektromobilität: Batterie vs. Brennstoffzelle?

Für Ahmet stehen Brennstoffzelle und Batterie nicht in Konkurrenz. Im Gegenteil: sie ergänzen sich perfekt. Bei kurzen Fahrten ist die Batterie sinnvoller als die Brennstoffzelle. Und bei längeren Fahrten spielt die Brennstoffzellen-Technologie ihre Stärken aus: mit einer hohen Reichweite und einer schnellen Betankungszeit.

Als Ahmet den GLC F-CELL für Testzwecke zum ersten Mal mit nach Hause genommen hat, um ein Kundenfahrverhalten über mehrere Wochen zu simulieren, wollte er ihn nicht wieder abgeben. Pendeln, Einkaufen, Reisen: alles kein Problem!

Vivienne Brando

Für Vivienne Brando ist die Elektrolyse irgendwie schon viel zu lange her. Um Licht ins Chemie-Dunkel zu bringen, hat sie sich mit Ahmet in Nabern bei der Mercedes-Benz Fuel Cell GmbH getroffen. An der Brennstoffzellen-Technologie hat sie vor allem das komplexe Verfahren fasziniert, das vom Fahrzeug intelligent und effizient gesteuert wird – auch als Beifahrerin war die Fahrt im GLC F-CELL ein echtes Erlebnis!

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