Brennstoffzelle Leistungsdichte: Warum sie entscheidend für die Mobilität ist

Leistungsdichte als Schlüssel für Bauraum und Fahrzeuggewicht

Die Leistungsdichte zeigt, wie viel elektrische Leistung ein Brennstoffzellensystem aus einem bestimmten Volumen oder Gewicht bereitstellt. Für mobile Anwendungen zählt beides: kW pro Liter bestimmen den benötigten Bauraum, kW pro Kilogramm beeinflussen Nutzlast und Energiebedarf des Fahrzeugs.

Ein kompaktes System lässt sich leichter unter dem Fahrzeugboden, im Motorraum oder hinter der Fahrerkabine unterbringen. Sinkt zugleich die Masse, bleibt mehr Spielraum für Fahrgäste, Fracht, Wasserstoffspeicher und Nebenaggregate. Gerade bei Bussen und Lastwagen kann dies die gesamte Fahrzeugarchitektur bestimmen.

Die Rechnung wirkt zunächst simpel: Ein Modul mit 120 kW und 0,36 kW/l benötigt für den Stack rechnerisch rund 333 Liter Volumen. In der Praxis kommen Luftversorgung, Kühlung, Leistungselektronik, Wasserabscheidung, Leitungen und Schutzgehäuse hinzu. Deshalb darf die Stack-Leistungsdichte nicht mit der nutzbaren Leistungsdichte des gesamten Antriebs verwechselt werden.

Auch die Masse wird oft unterschätzt. Ein höherer Wert in kW/kg reduziert nicht nur das Fahrzeuggewicht, sondern kann kleinere Fahrwerkskomponenten, geringere Achslasten und einen niedrigeren Energiebedarf ermöglichen. Weniger tote Masse muss ständig beschleunigt und abgebremst werden.

Für die Auslegung zählt außerdem die Dauerleistung. Ein kurzzeitig hoher Spitzenwert hilft wenig, wenn das System im realen Fahrzyklus thermisch begrenzt wird. Entscheidend ist, wie viel Leistung die Brennstoffzelle über längere Zeit bei wechselnder Last, hohen Außentemperaturen und häufigen Lastwechseln liefert. Leistungsdichte muss daher mit Kühlbarkeit, Alterungsfestigkeit und Regelbarkeit zusammenpassen.

Sie ist damit ein Baustein der Mobilität, kein isolierter Rekordwert. Erst wenn Leistung, Masse, Volumen und Dauerbetrieb gemeinsam betrachtet werden, zeigt sich, ob ein Brennstoffzellensystem im Fahrzeug tatsächlich Platz schafft.

Wie die Stegbreite den Massentransport bei hohen Stromdichten beeinflusst

Bei hoher Stromdichte reicht der Sauerstofftransport durch die Gasdiffusionsschicht oft nicht mehr aus. Genau hier wird die Geometrie des Flowfields entscheidend. Der Steg liegt auf der Gasdiffusionsschicht auf und versperrt dort einen Teil des direkten Weges. Der Kanal daneben bleibt als Nachschubweg für das Reaktionsgas offen.

Wird der Steg schmaler, vergrößert sich die zugängliche Fläche über den Kanälen. Sauerstoff kann leichter seitlich in die poröse Schicht eindringen. Der Weg zur Katalysatorschicht wird kürzer, der Konzentrationsabfall geringer. Besonders am sauerstoffarmen Ende des Kanals kann das den Spannungsverlust begrenzen.

Bei breiten Stegen entsteht dagegen eine längere Strecke durch die Gasdiffusionsschicht. Der Sauerstoff muss stärker seitlich ausweichen, bevor er die Reaktionszone erreicht. Mit wachsender Stromdichte steigt der Verbrauch; hinter dem Steg bildet sich schneller ein Bereich mit niedriger Sauerstoffkonzentration. Der Massentransportwiderstand nimmt zu und die Zellspannung sinkt überproportional.

Die Wirkung zeigt sich vor allem im abfallenden Bereich einer Polarisationskurve. Bei kleinen und mittleren Lasten bleibt der Unterschied oft begrenzt. Erst wenn die Reaktion große Gasströme verlangt, wird der Sauerstofftransport zum Engpass. Eine schmale Steggeometrie kann dann mehr nutzbare Leistung ermöglichen, ohne die aktive Fläche zu vergrößern.

Allerdings ist ein extrem schmaler Steg kein Selbstläufer. Er verändert Druckverteilung, mechanische Abstützung der Gasdiffusionsschicht und Flüssigwasserabfuhr. Deshalb muss die Geometrie gemeinsam mit Porenstruktur, Kompression und Kanalabmessungen betrachtet werden.

Die Untersuchung von Natalie Keil an einer Einzelzelle mit 175 cm² aktiver Fläche macht diesen Zusammenhang sichtbar. Verglichen wurden parallele Kanäle mit Stegbreiten von 0,52 mm, 0,33 mm und 0,09 mm. Grenzstrommessungen dienten dazu, den Sauerstoff-Massentransport gezielt zu bewerten. Für hohe Lasten erwies sich die kleinste Stegbreite als besonders günstig, weil sie den Transportweg durch die Diffusionsschicht verkürzt.

Für die Fahrzeugentwicklung ist das relevant: Hohe Stromdichten erlauben eine kleinere aktive Zellfläche für dieselbe Systemleistung. Der Bauraum kann dadurch schrumpfen. Der Gewinn entsteht aber nur, wenn Wasserabfuhr, Druckverlust und mechanische Stabilität im zulässigen Bereich bleiben.

Leistungsdichte und Flowfield-Geometrie im Überblick

Der Zielkonflikt zwischen schmalen und breiten Stegen

Schmale und breite Stege lösen in der Brennstoffzelle unterschiedliche Aufgaben. Eine geringere Breite schafft mehr offene Kanalfläche, eine größere stützt die darüberliegende Gasdiffusionsschicht besser und verteilt die Anpresskraft gleichmäßiger. Daraus entsteht der zentrale Zielkonflikt.

Wird der Steg sehr schmal ausgeführt, sinkt die mechanische Auflagefläche. Die Gasdiffusionsschicht kann sich unter der Zellpressung stärker verformen. Das verändert lokal die Porenstruktur und kann den Gasweg einengen. Hinzu kommt ein höheres Risiko für Druckstellen bei Fertigungstoleranzen oder ungleichmäßiger Verschraubung.

Breitere Stege bieten mehr Abstützung und können den elektrischen Kontakt zwischen Bipolarplatte und Gasdiffusionsschicht verbessern. Dadurch sinken ohmsche Verluste an der Kontaktfläche. Der Preis ist eine kleinere offene Fläche für die Gasverteilung. Bei zu hoher Kompression kann die poröse Schicht dort dauerhaft geschädigt werden.

Entscheidend ist daher nicht allein die absolute Stegbreite. Auch das Verhältnis von Steg- zu Kanalbreite, die Dicke der Gasdiffusionsschicht und der Anpressdruck bestimmen das Ergebnis. Zwei Flowfields mit identischer Stegbreite können sich deutlich unterscheiden, wenn Kanäle oder Materialien anders ausgelegt sind.

Für mobile Systeme kommt der Druckverlust hinzu. Schmale Kanäle und hohe Strömungsgeschwindigkeiten verbessern nicht automatisch die Zellleistung; der Verdichter muss dann mehr Arbeit leisten. Diese Nebenleistung schmälert den Netto-Wirkungsgrad. Ein Flowfield ist erst dann gut, wenn die gewonnene Zellspannung größer ist als der Energieaufwand für die Gasversorgung.

Die geeignete Auslegung verlangt deshalb eine Abwägung mehrerer Größen:

• Schmalere Stege: bessere Zugänglichkeit der Reaktionsfläche, aber höhere Anforderungen an Stabilität und Fertigung.
• Breitere Stege: bessere Abstützung und Kontaktierung, jedoch weniger offene Gasfläche.
• Hoher Anpressdruck: geringerer Kontaktwiderstand, aber mögliches Zusammendrücken der Porenstruktur.
• Niedriger Anpressdruck: weniger Materialstress, jedoch ein höheres Risiko für Kontaktverluste.

Die Versuche mit 0,52 mm, 0,33 mm und 0,09 mm zeigen deshalb keinen universellen Sieger. Für eine reale Fahrzeugzelle muss die Geometrie zusammen mit Dichtungen, Plattenmaterial, Montageprozess und Betriebsstrategie optimiert werden. Der beste Entwurf ist nicht der extremste, sondern derjenige, der über viele Lastpunkte hinweg stabil arbeitet.

Für die Praxis spricht vieles für eine mittlere Auslegung. Sie vermeidet die größten mechanischen Risiken sehr schmaler Stege und begrenzt zugleich die Transportverluste breiter Kontaktflächen.

Versuchsanordnung mit 175 cm² aktiver Zellfläche

Die Versuchsanordnung konzentrierte sich auf eine einzelne PEM-Brennstoffzelle mit einer aktiven Fläche von 175 cm². Diese Größe liegt deutlich über typischen Kleinzellen aus dem Labor und erlaubt eine realitätsnähere Bewertung der Gasverteilung. Zugleich bleibt die Zelle überschaubar genug, um Unterschiede zwischen den Flowfield-Geometrien sauber zuzuordnen.

Zum Einsatz kamen metallische Bipolarplatten mit geraden, parallel verlaufenden Kanälen. Verglichen wurden Stegbreiten von 0,52 mm, 0,33 mm und 0,09 mm. Kanalbreite und Stegbreite bilden gemeinsam die wiederkehrende Grundstruktur des Gasverteilerfelds. So ließ sich der Einfluss der Auflagebereiche untersuchen, ohne das grundlegende Strömungsmuster zu wechseln.

Die Messungen erfolgten unter drei Betriebsprofilen. Das erste bildete einen kalten und feuchten Zustand bei 50 °C und 90 % relativer Feuchte ab. Das Standardprofil lag bei 65 °C und 50 % relativer Feuchte. Für einen heißen und trockenen Betrieb wurden 80 °C sowie 30 % relative Feuchte eingestellt. Die Staffelung zeigt, ob eine Geometrie nur unter einem engen Arbeitspunkt funktioniert oder auch auf veränderte Umweltbedingungen reagiert.

Erfasst wurden Polarisationskurven, der Hochfrequenzwiderstand und der Sauerstoff-Massentransportwiderstand über Grenzstromdichtemessungen. Eine Sensitivitätsanalyse zu Temperatur und Gasfeuchte ergänzte die Einzelmessungen.

• Geometrie: drei definierte Stegbreiten in metallischen Bipolarplatten
• Zellmaß: 175 cm² aktive Fläche
• Strömungsführung: gerade und parallele Kanäle
• Messverfahren: Polarisationskurven, Hochfrequenzwiderstand und Grenzstromanalyse
• Betriebsfelder: kalt-feucht, Standard und heiß-trocken

Der Aufbau erlaubt eine getrennte Betrachtung von Leistungsabfall, elektrischem Widerstand und Stofftransport. Eine bessere Zellspannung kann aus geringerem Kontaktwiderstand oder erleichtertem Sauerstofftransport stammen. Erst die Kombination der Messungen zeigt, welcher Mechanismus dahintersteht.

Die Untersuchung ist als Vergleich innerhalb einer definierten Einzelzellumgebung zu verstehen. Aussagen über komplette Fahrzeugmodule lassen sich daraus nicht direkt ableiten. Sie liefert jedoch Hinweise dafür, wie stark die Flowfield-Geometrie die Auslegung größerer Zellstapel beeinflussen kann.

Vergleich der Stegbreiten von 0,52, 0,33 und 0,09 Millimetern

Der direkte Vergleich zeigt einen klaren technischen Trend: Mit kleiner werdender Stegbreite verschiebt sich die Leistungscharakteristik zugunsten hoher Stromdichten. Die drei Werte bilden Konstruktionspunkte von einer vergleichsweise großen Auflagefläche bis zu einer sehr offenen Flowfield-Struktur ab.

• 0,52 mm: Hoher Steganteil, der elektrische Kontaktierung und mechanische Abstützung begünstigt, bei hoher Last jedoch früher an transportbedingte Grenzen stößt.
• 0,33 mm: Mittlere Variante mit ausreichender Auflage und größerem offenen Bereich; ausgewogener Vergleichspunkt zwischen Kontaktierung und Gasversorgung.
• 0,09 mm: Sehr schmaler Steg, der die zugängliche Kanalfläche maximiert und bei hohen Stromdichten die geringsten Sauerstofftransportverluste zeigt, aber höhere Anforderungen an Fertigung und Zellmontage stellt.

Der Abstand zwischen 0,52 und 0,33 Millimetern verändert das Verhältnis von Kontaktzone zu Kanalfläche deutlich. Noch stärker fällt der Sprung zur 0,09-Millimeter-Variante aus. Bereits geringe Abweichungen bei Plattenbearbeitung, Beschichtung oder Kompression können dort die reale Zellleistung beeinflussen.

Für die Auswertung ist die Betrachtung mehrerer Kennlinien sinnvoll. Die Polarisationskurve zeigt den praktischen Spannungsverlauf, der Hochfrequenzwiderstand trennt den ohmschen Anteil ab und die Grenzstrommessung macht sichtbar, wie stark der Sauerstofftransport die jeweilige Ausführung begrenzt.

Bei moderater Belastung können sich die Varianten näher beieinander bewegen. Mit steigender Stromdichte wächst der Abstand typischerweise. Dann wird die 0,09-Millimeter-Ausführung interessant, während die 0,52-Millimeter-Variante eher durch Kontakt- und Stützwirkung punktet. Die 0,33-Millimeter-Version bietet einen plausiblen Mittelweg.

Die getesteten Stegbreiten wurden innerhalb derselben Zelluntersuchung verglichen, wodurch sich Trends gut erkennen lassen. Eine Übertragung auf andere Gasdiffusionsschichten, Kanalquerschnitte oder Beschichtungen bleibt jedoch unsicher.

Für die Entwicklung mobiler Stacks ergibt sich daraus folgende Auswahlstrategie:

• Hohe Spitzenleistung und feuchte Betriebsführung sprechen eher für eine offene Geometrie.
• Starke mechanische Belastung und niedriger Kontaktwiderstand sprechen eher für mehr Auflagefläche.
• Ein variabler Fahrzeugeinsatz verlangt meist eine mittlere Auslegung statt eines Extremwerts.

Die Stegbreite ist damit ein Hebel für die Leistungsdichte: Sie verändert das Verhältnis zwischen Reaktionszugang, Kontaktierung und struktureller Sicherheit im gesamten aktiven Bereich.

Feuchte Betriebsbedingungen begünstigen schmale Stege

Hohe Feuchte verändert die Zellbalance. Die Membran bleibt besser hydratisiert, zugleich steigt die Gefahr, dass sich Flüssigwasser in Gasdiffusionsschicht und Kanälen sammelt. Eine offene Flowfield-Geometrie kann diesen Zustand begünstigen, weil mehr Kanalfläche für die Ableitung des Wassers zur Verfügung steht.

Schmale Stege verkürzen den Weg zwischen Reaktionszone und Kanal. Das hilft beim Sauerstoffnachschub und kann die Wasserabfuhr unterstützen, sofern Druck, Kanalgefälle und Gasgeschwindigkeit zusammenpassen. Bei 90 % relativer Feuchte produziert die Kathode zusätzlich Wasser, während die zugeführte Luft bereits viel Wasserdampf enthält.

Bleibt Flüssigwasser lokal zurück, blockiert es Poren und verdrängt Sauerstoff. Dieser als Überflutung bezeichnete Effekt verschlechtert den Gaszugang. Eine kleinere Auflagezone kann die lokale Entwässerung unterstützen, weil die Diffusionsschicht weniger breit vom Steg überdeckt wird.

Die hohe Feuchte hat auch eine positive Seite: Eine gut hydratisierte Polymermembran leitet Protonen leichter, wodurch der ohmsche Spannungsverlust sinken kann. Das Flowfield muss daher genug Wasser für die Protonenleitung halten, ohne die Poren zu verstopfen.

• Mehr Flüssigwasser: höheres Risiko für blockierte Poren und Sauerstoffmangel.
• Schmale Stege: größere zugängliche Bereiche für Gaswechsel und Wasserabfuhr.
• Gut hydratisierte Membran: günstig für die Protonenleitung.
• Zu hohe Wasserlast: mögliche Überflutung und instabile Zellspannung.

Die Ergebnisse unter 50 °C und 90 % relativer Feuchte zeigen daher einen deutlichen Vorteil der schmaleren Varianten bei hoher Belastung. Sauerstofftransport, Flüssigwasserabfuhr und Membranhydratation wirken dabei gleichzeitig zusammen.

Feuchte Bedingungen treten auch bei niedrigen Temperaturen, hoher Außenluftfeuchte und häufigen Lastwechseln auf. Eine Flowfield-Geometrie, die Wasser schnell verteilt und abführt, kann die nutzbare Leistungsreserve vergrößern. Zu offene Strukturen bleiben jedoch anspruchsvoll: Schon kleine Fertigungsabweichungen können die lokale Wasserführung verändern.

Die passende Auslegung muss den gesamten Feuchtebereich abdecken. Ein Flowfield, das im kalten, feuchten Betrieb stark ist, darf bei trockener Luft die Membranhydratation nicht vernachlässigen.

Trockene Betriebsbedingungen erfordern mehr Membranschutz

Bei 80 °C und 30 % relativer Feuchte verliert die Polymermembran schneller Wasser. Ihre Protonenleitfähigkeit sinkt, der innere Widerstand steigt und die Zellspannung fällt. Der Wasserhaushalt muss daher stabil bleiben, bevor eine maximale Gasöffnung angestrebt wird.

Ein größerer Steg kann diesen Zustand unterstützen. Er vergrößert die Kontaktzone zur Gasdiffusionsschicht, begünstigt eine gleichmäßigere Anpressung und kann mehr Reaktionswasser in der Nähe der Membran halten. Das ist bei trockener Zuluft hilfreich.

Der Vorteil zeigt sich vor allem bei längeren Lastphasen. Sinkt die Membranfeuchte während hoher Leistungsanforderung, steigt der ohmsche Verlust kontinuierlich an. Eine geeignete Steggeometrie kann diesen Verlauf abmildern, ersetzt aber keine passende Befeuchtung und Luftregelung.

Auch die Temperaturführung spielt hinein. Warme, trockene Luft nimmt mehr Wasserdampf auf. Wird sie mit hoher Rate durch die Kathode geführt, kann sie der Zelle zusätzlich Feuchtigkeit entziehen. Das Flowfield muss deshalb eine gleichmäßige Versorgung ermöglichen, ohne die Membran lokal zu übertrocknen.

• Membranschutz: Eine größere Auflagezone kann die lokale Wasserhaltung unterstützen.
• Elektrischer Kontakt: Mehr Stegfläche kann den Kontaktwiderstand verringern.
• Trocknungsrisiko: Hohe Temperatur und geringe Feuchte beschleunigen den Wasserverlust.
• Systemregelung: Luftmenge, Befeuchtung und Kühlung müssen zur Flowfield-Geometrie passen.

Die Messungen im Profil „Hot & Dry“ bei 80 °C und 30 % relativer Feuchte zeigen deshalb eine andere Gewichtung als der feuchte Betrieb. Die extrem schmale Ausführung nutzt den offenen Gasbereich zwar gut, bietet aber weniger Auflagefläche für die feuchtehaltende und elektrisch kontaktierende Struktur. Ein breiterer Steg kann unter diesen Bedingungen die stabilere Zellspannung ermöglichen.

Für ein Fahrzeug zählt nicht nur der Momentanwert. Ein System mit etwas geringerer Spitzenleistung, das seine Membranfeuchte über einen langen Fahrzyklus hält, kann im Alltag die bessere Wahl sein. Entscheidend ist, wie viel Leistung nach Minuten oder Stunden unter trockener Last noch nutzbar bleibt.

Für die untersuchten Betriebsfelder deutet das auf eine mittlere Stegbreite hin. Sie schützt die Membran im trockenen Zustand besser als eine extreme Offenheit, ohne die Gasversorgung unnötig stark zu begrenzen.

Steganteil und Kontaktwiderstand als weitere Leistungsfaktoren

Der Steganteil beschreibt den Flächenanteil der Bipolarplatte, der die Gasdiffusionsschicht direkt berührt. Er beeinflusst, wie gut Elektronen aus der Reaktionszone abgeleitet werden, und bestimmt die Zahl und Größe der Kontaktstellen. Mehr Stegfläche kann den elektrischen Übergang verbessern, verkleinert aber den offenen Bereich des Flowfields.

Der Kontaktwiderstand entsteht an mehreren Grenzflächen: zwischen Bipolarplatte und Gasdiffusionsschicht sowie innerhalb der porösen Schichten. Schon kleine zusätzliche Widerstände senken die Zellspannung. Mit wachsender Stromdichte wird dieser Effekt besonders teuer, weil der Spannungsverlust näherungsweise mit dem Strom ansteigt.

Ein höherer Steganteil verteilt die Anpresskraft auf mehr Kontaktfläche. Unebenheiten werden besser ausgeglichen, und der Strom muss seltener über lange Querwege durch die Gasdiffusionsschicht fließen. Das kann den Hochfrequenzwiderstand reduzieren. Der Vorteil ist jedoch begrenzt: Zu starke Kompression kann die Porenstruktur dauerhaft verengen und andere Verluste erzeugen.

Für die Interpretation der Messergebnisse ist deshalb eine Trennung der Effekte wichtig. Sinkt der Hochfrequenzwiderstand, spricht das für bessere elektrische Kontaktierung. Verbessert sich vor allem der Verlauf bei hoher Last, kann veränderter Stofftransport die Ursache sein. Polarisationskurven allein zeigen diesen Unterschied nicht eindeutig.

Die Untersuchung mit metallischen Bipolarplatten weist auf einen praktischen Mittelweg hin: Ein Steganteil von etwa 50 % verbindet wirksame Kontaktierung mit ausreichend großer offener Fläche. Das ist kein universeller Grenzwert; Material, Beschichtung, Oberflächenrauheit und Montagekraft können ihn verschieben.

• Mehr Stegfläche: meist geringerer Kontaktwiderstand und bessere Stromableitung.
• Weniger Stegfläche: größere offene Gasfläche, aber höhere Anforderungen an Kontaktqualität und Abstützung.
• Zu hohe Kompression: mögliches Zusammendrücken der Poren und steigender Transportwiderstand.
• Passender Mittelwert: ausgewogenes Verhältnis zwischen elektrischer Leitfähigkeit und nutzbarer Gasfläche.

Für mobile Anwendungen zählt die Stabilität über viele Betriebsstunden. Beschichtungen können altern, Oberflächen sich verändern und die Anpresskraft im Stack geringfügig verschieben. Ein Flowfield mit Reserve bei der Kontaktierung bleibt dann eher leistungsfähig als eine Geometrie, die nur im Neuzustand optimal arbeitet.

Der Steganteil ist somit ein Stellhebel für die elektrische Effizienz. Erst das Zusammenspiel aus Kontaktfläche, Kompression und Porenstruktur entscheidet, ob die theoretisch höhere Leistungsdichte auch im realen Stack ankommt.

Der Kompromiss bei etwa 0,3 Millimetern Stegbreite

Eine Stegbreite von etwa 0,3 Millimetern markiert für die untersuchten metallischen Bipolarplatten einen praktikablen Mittelweg. Sie liegt nahe an der getesteten Variante mit 0,33 Millimetern und verbindet ausreichend große Kontaktfläche mit einer offenen Struktur für die Gasführung.

Der Wert ist keine starre Norm, sondern ein Ausgangspunkt für die Auslegung. Änderungen bei Kanalbreite, Gasdiffusionsschicht, Plattenbeschichtung und Anpresskraft können das optimale Maß verschieben. Deshalb sollte die Stegbreite immer zusammen mit dem gesamten Flowfield betrachtet werden.

Für die drei untersuchten Betriebsfelder ergibt sich ein ausgewogenes Bild. Die sehr schmale Variante ist bei hoher Feuchte und hoher Last stark. Die größere Ausführung bietet Vorteile, wenn die Membran vor Austrocknung geschützt werden muss. Eine mittlere Breite reduziert den Abstand zwischen diesen Extremen und ist damit für wechselnde Fahrzustände interessant.

• Bei feuchter Luft: ausreichend offene Bereiche unterstützen die Leistungsabgabe bei hoher Last.
• Bei trockener Luft: die Kontakt- und Auflagefläche bleibt groß genug, um die Zellstruktur stabil zu halten.
• Bei wechselnder Last: die Geometrie bietet mehr Reserve als ein extremer Entwurf.
• Bei der Serienfertigung: moderate Abmessungen können leichter mit stabilen Toleranzen hergestellt werden.

Für mobile Brennstoffzellensysteme zählt Robustheit. Ein Flowfield muss Kaltstarts, Vibrationen, Lastwechsel und lange Betriebszeiten verkraften. Eine Geometrie, die nur unter einem idealen Laborpunkt überzeugt, bringt im Fahrzeug wenig.

Die Empfehlung von etwa 0,3 Millimetern gilt nur innerhalb des untersuchten Rahmens. Sie bezieht sich auf gerade, parallele Kanäle, metallische Bipolarplatten und die betrachteten Betriebsbedingungen. Für größere Stacks sind zusätzliche Prüfungen nötig, etwa zur Verteilung der Reaktionsgase über alle Zellen, zur Fertigungsstreuung und zum Verhalten nach längerer Alterung.

Eine sinnvolle Entwicklung prüft daher nicht nur den Neuzustand, sondern auch Veränderungen von Spannung, Temperatur und Wasserhaushalt nach vielen Betriebsstunden. Erst dann zeigt sich, ob die mittlere Stegbreite dauerhaft zur höheren Leistungsdichte beiträgt.

Als technische Leitlinie bleibt: Rund 0,3 Millimeter bieten einen belastbaren Startpunkt für ein ausgewogenes Flowfield. Die endgültige Abmessung muss durch Stacktests und den konkreten Fahrzeugzyklus bestätigt werden.

FCmove-XD: Leistungsdichte im schweren Nutzfahrzeug

Das FCmove-XD zeigt, wie Leistungsdichte bei schweren Nutzfahrzeugen praktisch umgesetzt wird. Das Brennstoffzellenmodul liefert bis zu 120 kW und erreicht nach Herstellerangaben eine volumetrische Leistungsdichte von 0,36 kW/l sowie eine gravimetrische Leistungsdichte von 0,48 kW/kg. Für einen Lkw bedeutet das: Mehr Dauerleistung passt in einen begrenzten Bauraum, ohne die Nutzlast unnötig stark zu verringern.

Die Architektur ist modular. Ein Fahrzeug kann ein, zwei oder drei Module nutzen und damit auf 120, 240 oder 360 kW kommen. Bei schweren Sattelzügen ist besonders die zweimodulige Ausführung mit 240 kW interessant. Fällt ein Modul aus oder wird seine Leistung reduziert, kann die Redundanz die Einsatzfähigkeit verbessern.

Die Leistungsdichte darf jedoch nicht isoliert betrachtet werden. Luftversorgung, Kühlung, Wasserstoffregelung, Leistungselektronik und Einbaurahmen gehören ebenfalls zur Fahrzeugkonstruktion. Das angegebene Modulvolumen ist daher nicht automatisch der komplette Bauraum des Antriebs.

Mit einer angegebenen Lebensdauer von mehr als 30.000 Betriebsstunden zielt das Modul auf lange Einsatzzeiten. Ballard nennt außerdem einen Wirkungsgrad von mehr als 60 % und einen Betrieb bis 95 °C. Die höhere Temperatur kann Kühlung und Integration in beengte Fahrzeugbereiche erleichtern, stellt aber hohe Anforderungen an Materialien und Dichtungen.

• 120 kW: geeignet für kleinere schwere Fahrzeuge und Einzelmodulkonzepte
• 240 kW: zwei Module für höhere Antriebsleistung und zusätzliche Redundanz
• 360 kW: drei Module für besonders hohe Leistungsanforderungen
• 0,36 kW/l: Maß für die kompakte volumetrische Auslegung
• 0,48 kW/kg: relevant für Fahrzeugmasse und Nutzlast

Die neunte Generation soll zudem mit 33 % weniger Bauteilen auskommen. Weniger Komponenten können Montage, Wartung und Fehleranalyse vereinfachen. Ob die angekündigten Vorteile bei Kosten und Verfügbarkeit ankommen, entscheidet jedoch erst der reale Flottenbetrieb. Daten aus dem Produktblatt sind ein Startpunkt, kein vollständiger Praxistest.

Die Stärke solcher Module liegt in der Kombination aus hoher Dauerleistung, kompakter Bauweise und skalierbarer Systemgröße. Leistungsdichte beeinflusst damit, ob ein Brennstoffzellenantrieb in den vorhandenen Bauraum passt, ausreichend Nutzlast übrig lässt und den täglichen Betrieb eines schweren Fahrzeugs bewältigt.

Quelle: Ballard Power Systems; technische Einordnung nach den veröffentlichten Angaben, berichtet von electrive.net am 21. Mai 2024 und aktualisiert am 13. September 2024.

Grenzen der Leistungsdichte für Reichweite und Wirtschaftlichkeit

Eine hohe Leistungsdichte löst nicht automatisch die Reichweitenfrage. Sie verkleinert vor allem den Brennstoffzellenantrieb. Die Reichweite hängt hauptsächlich von gespeicherter Wasserstoffmenge, Systemwirkungsgrad und Fahrprofil ab. Ein kleinerer Stack schafft Bauraum, ersetzt aber keinen ausreichend großen Tank.

Mehr Leistung pro Liter kann dennoch indirekt Reichweite ermöglichen. Wenn der Stack weniger Platz benötigt, bleibt mehr Raum für Wasserstoffspeicher. Das ist bei schweren Nutzfahrzeugen wichtig, weil Tanks mehrere hundert Kilogramm wiegen und viel Volumen beanspruchen. Tankform, Sicherheitsabstände, Achslasten und zulässige Gesamtmasse setzen diesem Vorteil Grenzen.

Auch die Masse wirkt doppelt. Ein leichterer Stack senkt den Energiebedarf bei Beschleunigungen und an Steigungen. Gleichzeitig kann das eingesparte Gewicht für zusätzliche Wasserstoffspeicher genutzt werden. Der Reichweitengewinn ist aber nicht linear, denn Tank, Verdichter, Kühlsystem, Batterie und Antriebselektronik bestimmen ebenfalls die Gesamtmasse.

Für die Wirtschaftlichkeit zählt die Nettoleistung:

• Bruttoleistung: elektrische Leistung der Brennstoffzellenstapel
• Eigenbedarf: Energie für Verdichtung, Kühlung und Regelung
• Nettoleistung: tatsächlich verfügbare Leistung für den Fahrantrieb
• Systemwirkungsgrad: Verhältnis von nutzbarer Fahrenergie zur eingesetzten Wasserstoffenergie

Ein Modul mit 120 kW und einem angegebenen Wirkungsgrad von mehr als 60 % wirkt auf dem Papier effizient. Für eine belastbare Kostenrechnung müssen jedoch Lastpunkt, Alterung und Nebenverbraucher berücksichtigt werden. Der maximale Wirkungsgrad liegt meist nicht bei voller Leistung. Im Stadtverkehr kann häufiges Teillastfahren günstiger sein, während lange Steigungen die Anlage stark beanspruchen.

Die Alterung begrenzt den wirtschaftlichen Nutzen ebenfalls. Sinkt die Zellspannung über die Betriebszeit, muss das System für dieselbe Antriebsleistung mehr Wasserstoff umsetzen. Für Flottenbetreiber zählt daher die über Jahre nutzbare Leistungsdichte, nicht der Spitzenwert im Neuzustand.

Beim FCmove-XD nennt der Hersteller mehr als 30.000 Betriebsstunden. Diese Angabe sollte mit einem klar definierten Prüfzyklus bewertet werden. Entscheidend sind Lastprofil, Wartungsgrenzen und der Zeitpunkt, ab dem die Nennleistung nicht mehr vollständig verfügbar ist.

Leistungsdichte schafft konstruktiven Spielraum, Reichweite entsteht durch das Zusammenspiel von Masse, Tankvolumen, Wirkungsgrad und Dauerhaltbarkeit. Ein kleiner Stack ist nur dann wirtschaftlich überlegen, wenn er auch unter realen Lasten effizient, langlebig und mit vertretbarem Nebenenergiebedarf arbeitet.

Quellen: Natalie Keil, „Experimentelle Untersuchung des Einflusses der Stegbreite von metallischen Bipolarplatten auf die Performance von PEM-Brennstoffzellen“, Universität Stuttgart, 2021, DLR electronic library; technische Angaben zum FCmove-XD nach Ballard, berichtet von electrive.net, 2024.

Fazit: Flowfield gezielt auslegen und Einsatzfall berücksichtigen

Die Auslegung des Flowfields sollte mit dem geplanten Einsatz beginnen, nicht mit einem einzelnen Bestwert. Stadtbus, Fernverkehrs-Lkw und stationäre Prüfzyklen stellen unterschiedliche Anforderungen an Lastwechsel, Temperaturführung und Betriebsdauer. Eine Geometrie ist nur dann gut gewählt, wenn sie im passenden Lastprofil zuverlässig arbeitet.

Für die untersuchte Konfiguration bietet eine Stegbreite von etwa 0,3 Millimetern einen sinnvollen Startpunkt. Sie verbindet Gasverteilung, elektrische Kontaktierung und mechanische Stabilität. Andere Gasdiffusionsschichten, Beschichtungen oder Kanalverhältnisse können jedoch ein anderes Optimum verlangen.

Die Ergebnisse der Arbeit von Natalie Keil zeigen, dass Leistungsdichte durch Systemabstimmung entsteht. Eine Einzelzelle mit 175 cm² aktiver Fläche liefert wichtige Hinweise, ersetzt aber nicht die Erprobung im Stack. Erst dort werden Zellstreuung, Dichtkonzept, Temperaturverteilung und die Versorgung vieler Zellen gleichzeitig sichtbar.

Für die weitere Entwicklung empfiehlt sich eine Prüfung in drei Stufen:

• Einzelzelle: Geometrie und Messgrößen sauber voneinander trennen.
• Stack: Verteilung, Dichtheit und thermische Gleichmäßigkeit bewerten.
• Fahrzeugbetrieb: Lastwechsel, Alterung, Vibrationen und reale Fahrzyklen prüfen.

Auch die Leistungsdichte eines fertigen Moduls muss transparent bewertet werden. Angaben in kW/l oder kW/kg sollten ausweisen, ob sie nur den Stack oder das komplette System mit Luftversorgung, Kühlung und Leistungselektronik betreffen. Erst diese Abgrenzung erlaubt einen fairen Vergleich verschiedener Antriebe.

Für schwere Nutzfahrzeuge zeigt das FCmove-XD, wie eine modulare Architektur den Einbau erleichtern kann. Die technische Entscheidung darf sich dennoch nicht auf Nennleistung und Bauraum beschränken. Wirkungsgrad, Dauerhaltbarkeit, Wartungszugang und der Energiebedarf der Nebenaggregate beeinflussen die tatsächliche Eignung mindestens ebenso stark.

Das beste Flowfield ist nicht das mit dem extremsten Maß, sondern das mit der höchsten dauerhaft nutzbaren Leistung im vorgesehenen Einsatz. Eine mittlere Stegbreite kann dafür ein guter Ausgangspunkt sein. Bestätigt wird sie aber erst durch reproduzierbare Stacktests und einen Fahrzyklus, der dem späteren Einsatz entspricht.

Quellen: Natalie Keil, „Experimentelle Untersuchung des Einflusses der Stegbreite von metallischen Bipolarplatten auf die Performance von PEM-Brennstoffzellen“, Universität Stuttgart, 2021; Ballard Power Systems, technische Angaben zum FCmove-XD, berichtet von electrive.net, 2024.

Nützliche Links zum Thema

• Wasserstoff-Technologien: Die Brennstoffzelle hebt ab
• Experimentelle Untersuchung des Einflusses der Stegbreite von ...
• Schaeffler fertigt effizientere Bipolarplatten - Automobil Industrie