Einfach Technik: Brennstoffzellen-Technologie

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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 PEM-Brennstoffzelle leitet die Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff, wodurch ein Stromfluss ensteht.
Die PEM-Brennstoffzelle leitet die Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff, wodurch ein Stromfluss ensteht.

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.

Der Antriebsstrang des GLC F-CELL mit Brennstoffzellen-Stack, Wasserstofftanks und Batterie.
Der Antriebsstrang des GLC F-CELL mit Brennstoffzellen-Stack, Wasserstofftanks und Batterie.

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.

Der Fahrer kann zwischen vier unterschiedlichen Betriebsmodi wählen.
Der Fahrer kann zwischen vier unterschiedlichen Betriebsmodi wählen.

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.

Das Fahrzeug wählt den idealen Betriebsmodus anhand der Gaspedalanforderung des Fahrers automatisch.
Das Fahrzeug wählt den idealen Betriebsmodus anhand der Gaspedalanforderung des Fahrers automatisch.

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!

Einfach Technik / Easy Tech

Für viele von uns sind sie mittlerweile eine automobile Selbstverständlichkeit: Kameras, Sensoren und andere technische Helfer erkennen und bewerten Situationen und machen unsere Fahrt dadurch komfortabler und sicherer. Doch wie spielen die ganzen Sicherheits-, Assistenz- und Komfortsysteme zusammen, wie funktionieren sie genau? In unserer Rubrik Einfach Technik möchten wir gemeinsam mit Experten aus dem Unternehmen solche und ähnliche Fragen klären. Einfach Technik wird von Vivienne Brando betreut, sie freut sich über Anregungen und Vorschläge an magazin_dialog@daimler.com.

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Nicht erschrecken: Das Daimler-Blog hat sich am 7.11.2019 - nach zwölf Jahren - in den wohlverdienten Ruhestand verabschiedet. Sein Nachfolger ist das neue Daimler-Magazin – ein Magazin für Mobilität und Gesellschaft.
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