Mit einer aktiven Fläche von 1.300 Quadratzentimetern pro Zelle können bis 500 kW Gesamtleistung pro Stack erreicht werden. Erste Leistungs- und Sensitivitätstests wurden erfolgreich im hauseigenen Brennstoffzellentestzentrum in Ulm durchgeführt. Die Messergebnisse bestätigten die zuvor simulierten Leistungsdaten des Stapels und unterstreichen die technologische Reife des Demonstrators.
Das ZSW präsentiert die Neuentwicklung und weitere Innovationen rund um Wasserstoff, Brennstoffzellen und Elektrolyse vom 20. bis 24. April 2026 auf der Hannover Messe, Halle 11, Stand E07.
Brennstoffzellen für die Schifffahrt entwickeln
Neben Lkw und Pkw ist auch die Schifffahrt ein zukünftiges Anwendungsgebiet für Brennstoffzellen-Stacks (deutsch Brennstoffzellen-Stapel). Für Schiffsantriebe werden jedoch hohe Leistungen von mehreren Megawatt benötigt. Aktuelle Stack-Designs, die für Pkw und Lkw entwickelt wurden, liegen typischerweise jedoch nur bei Leistungen unter 200 kW. Für einen Schiffsantrieb müssten somit zahlreiche derartige Stacks kombiniert werden, was aufwändige Verschaltungen und hohe Kosten verursachen würde. Das vom ZSW entwickelte großformatige Hochleistungs-Stackdesign kann auf bis zu 500 kW skaliert werden. Das spart nicht nur Platz und Kosten, sondern erleichtert auch deutlich die Integration und zukünftige Wartung derartiger Brennstoffzellenantriebssysteme in Schiffen.
Herzstück Bipolarplatte: Warum das Design zählt
Am Beginn der Entwicklung stand das Design der sogenannten Bipolarplatte. Sie sorgt im Stack nicht nur für die elektrische Leitfähigkeit, sondern verteilt vielmehr die Reaktionsgase Wasserstoff und Luftsauerstoff gleichmäßig über die gesamte aktive Fläche der Brennstoffzelle. Zudem übernimmt sie auch die Kühlung des Stacks.
Gerade bei derart großen Aktivflächen ist insbesondere die Kühlfunktion von entscheidender Bedeutung, da entsprechend mehr Abwärme möglichst gleichförmig abgeführt werden muss. Die medienführenden Strukturen der in diesem Fall aus Graphit bestehenden Bipolarplatte wurden daher von den Forschenden mithilfe von CFD-Simulationen iterativ optimiert. Nach zahlreichen Optimierungsschleifen konnten schließlich Bipolarplatten mit einer aktiven Fläche von über 1.300 Quadratzentimetern hergestellt werden.
Um eine zuverlässige Dichtigkeit und eine stabile elektrische Kontaktierung zwischen Bipolarplatte und Gasdiffusionslage zu gewährleisten, werden die gestapelten Platten mit einer Kraft von rund 150 Kilonewton verspannt, das sind rund 10 bar Druck. Das dafür entwickelte Verspannungssystem aus Tellerfedern, Gewindestangen und Endplatten haben die ZSW-Forschenden mittels FEM-Simulationen ausgelegt und anschließend im Auftrag des ZSW von spezialisierten Unternehmen fertigen lassen.
Im Fertigungsbereich der HyFaB-Forschungsfabrik – der Forschungsfabrik für Wasserstoff-Brennstoffzellen am ZSW in Ulm – haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Dichtungen mithilfe eines präzisen Jet-Dispensverfahren direkt auf die Bipolarplatten aufgebracht und anschließend thermisch ausgehärtet. Auch die siebenlagigen Membran-Gasdiffusionslagen-Einheiten, die für den Brennstoffzellenaufbau benötigt werden, fertigte das ZSW-Team selbst.
Auf Basis dieser Entwicklungen wurde ein erster sogenannter Kurz-Stack mit 15 Zellen aufgebaut und im hauseigenen HyFaB-Testzentrum validiert. Dabei wurde eine Stack-Leistung von rund 25 Kilowatt demonstriert. Unter diesen Bedingungen erzeugt der Stapel einen elektrischen Strom von über 3.000 Ampere. Hochgerechnet auf einen Voll-Stack mit 300 Zellen entspricht dies dann einer Leistung von 500 kW. Die Testergebnisse am ZSW bestätigten den stabilen Betrieb des Brennstoffzellenstapels bei dieser hohen Leistung, ohne dass es zu lokaler Überhitzung des Stacks kommt.
Der maritime Brennstoffzellen-Stack ist auch Thema eines Vortrages des ZSW-Forschers Frank Häußler auf der Hannover Messe in der Hydrogen + Fuel Cells Europe – Masterclass: www.hannovermesse.de/veranstaltung/hydrogen-fuel-cells-europe-masterclass/mc/71538.
