Einfach Technik: Die Brennstoffzellen-Technologie im GLC F-CELL

„Ahmet, Dein Auto raucht wie ne Sisha-Bar!“ Stimmt – allerdings „raucht“ der GLC F-CELL (GLC F-CELL: Wasserstoffverbrauch kombiniert: 0,34 kg/100 km; CO2-Emissionen kombiniert: 0 g/km; Stromverbrauch kombiniert: 13,7 kWh/100 km.*) 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 den Laien wie Nebel.
Als Projektingenieur bei der Mercedes-Benz Fuel Cell GmbH ist die Ursache dieses „Nebels“ mein Spezialgebiet: das Brennstoffzellensystem des GLC F-CELL.

Für den GLC F-CELL haben wir 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 uns zwei Energiequellen zur Verfügung, die den Elektromotor antreiben. Wir sind also nicht nur auf Wasserstofftankstellen angewiesen, sondern können 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. Wir nutzen diese beiden Gase, um in einem umgekehrten Prozess daraus Strom 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, haben wir einen Brennstoffzellen-Stack im Fahrzeug, 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 – wieder aufgeladen werden. Die wesentliche Aufgabe der Batterie ist Pufferung der elektrischen Energie und 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 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 bereit gestellt werden soll – der Fahrer bekommt davon gar nichts mit.

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?

Ich sehe die Brennstoffzelle und die Batterie nicht als Konkurrenten: Sie ergänzen sich perfekt, der GLC F-CELL ist das beste Beispiel dafür! Bei kurzen Fahrten ist die Batterie sinnvoller als die Brennstoffzelle. Und bei längeren Fahrten spielt die Brennstoffzellen-Technologie ihre Stärken aus: hohe Reichweite und schnelle Betankungszeit.

Wir sind uns sicher, dass wir mit dem GLC F-CELL ein voll alltagstaugliches Fahrzeug auf den Markt gebracht haben. Als ich den GLC F-CELL für Testzwecke zum ersten Mal mit nach Hause genommen habe, um ein Kundenfahrverhalten über mehrere Wochen zu simulieren, wollte ich ihn nicht wieder abgeben. Pendeln, Einkaufen, Reisen: alles kein Problem!

*Angaben zu Kraftstoffverbrauch, Stromverbrauch und CO2-Emissionen sind vorläufig und wurden vom Technischen Dienst für das Zertifizierungsverfahren nach Maßgabe des WLTP-Prüfverfahrens ermittelt und in NEFZ-Werte korreliert. Die EG-Typgenehmigung und eine Konformitätsbescheinigung mit amtlichen Werten liegen noch nicht vor. Abweichungen zwischen den Angaben und den amtlichen Werten sind möglich.

Ahmet Demirezen ist Projektingenieur in der Brennstoffzellen-Systementwicklung bei der Mercedes-Benz Fuel Cell GmbH. An der Brennstoffzellen-Technologie fasziniert ihn vor allem das komplexe Verfahren, das vom Fahrzeug intelligent und effizient gesteuert wird – für den Fahrer ein echtes Erlebnis!