Peugeot - Im Verkehrswesen lassen sich heute die Folgen der Nutzung fossilen Energiequellen wie Erdöl nicht von der Hand weisen: hohe Kosten, schwindende Ressourcen, verstärkter Treibhauseffekt. Vor diesem Hintergrund erscheint die Nutzung von Wasserstoff mittels Brennstoffzellen-technologie als eine der glaubwürdigsten Lösungen für die Zukunft; insbesondere da vor Ort keine Schadstoffe ausgestoßen werden. Aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads und in Kombination mit einem emissionsarmen Verfahren zur Wasserstoffherstellung und -distribution, das allerdings noch zu entwickeln wäre, gilt die Brennstoffzelle im Hinblick auf CO2-Emissionen als effiziente Lösung.

Dieser Grundgedanke führte im Jahre 2002 zur Zusammenarbeit des französischen Zentrums für Atomenergie CEA mit PSA Peugeot Citroën am Projekt GENEPAC* (GENérateur Electrique à Pile A Combustible/Brennstoffzellengenerator), das in die Entwicklung und Ende 2005 in die Erprobung der leistungsfähigsten und kompaktesten Brennstoffzelle mündete, die jemals in Frankreich gebaut wurde.


Die Brennstoffzelle – Energie der Zukunft für das Verkehrswesen

Die Kombination aus Brennstoffzelle (Typ PEMFC²) und Wasserstoff als Energieträger ist im Automobilbereich besonders vielversprechend. Die Brennstoffzelle liefert Strom, ohne dabei atmosphärische Schadstoffe wie CO2 freizusetzen; als einziges Nebenprodukt entsteht Wasser. Das Fahrzeug wird von Elektromotoren angetrieben und läuft sehr leise. In der Gesamtenergieausbeute wird das System nach erfolgter Optimierung herkömmliche Diesel- oder Benzinmotoren übertreffen. Die Reichweite des Fahrzeugs hängt von der Speicherkapazität für mitgeführten Wasserstoff ab. Und auch das Auftanken mit Wasserstoff dauert nicht länger als das Auftanken von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor.
Neben der Erforschung der Wasserstoffkette in der Vorstufe zur Energieumwandlung (Wasserstoff-herstellung, Vertriebsweg bis zur Tankstelle, Speicherung in Fahrzeugen) wird in speziellen Brennstoffzellenprojekten eine kompakte und zuverlässige Technik entwickelt, die auch aus Kostensicht für die Anwendung in der Automobilindustrie geeignet ist. Diese drei Messgrößen – kompakte Bauweise, Zuverlässigkeit und Kosten – sind insbesondere im Fahrzeugbau ausschlaggebend. Mit dem Projekt GENEPAC wurden bereits jetzt einige wichtige Meilensteine in dieser Entwicklung erreicht.


GENEPAC: Fokus auf Leistung und kompakte Bauweise

Das Projekt GENEPAC verfolgt das Hauptziel, eine kompakte und leistungsfähige Brennstoffzelleneinheit zu bauen, die den Anforderungen der Automobilindustrie gerecht wird. Zur Entwicklung und Fertigung der Brennstoffzelle bündelten PSA Peugeot Citroën und das französische Zentrum für Atomenergie CEA ihre Kompetenzen. Die Projektdefinition umfasste Entwicklung, Fertigung und Erprobung einer Brennstoffzelleneinheit mit einer Nennleistung von 80 kW auf Wasserstoffbasis für die Automobilindustrie.
Bei den technischen Zielvorgaben, die in elektrischer Leistung, energetischem Wirkungsgrad der Einheit und Kompaktheit der Brennstoffzelle gemessen werden, liefert GENEPAC Werte auf weltweitem Spitzenniveau:

  • Energetischer Wirkungsgrad der Brennstoffzelleneinheit: ≥ 45%
  • Kompaktheit: spezifische Leistung und Leistungsdichte der Brennstoffzelle bei maximaler Leistung: ≥ 1,5 kW/Liter und ≥ 1 kW/kg

Vor der praktischen Umsetzung dieser Technologie lagen zwei Jahre Entwicklungsarbeit, in denen hauptsächlich nach einer Lösung für das schwerste und größte Bauteil der Einheit gesucht wurde: die Bipolarplatte. Sie dient der Verteilung der Reagenzien, dem Abtransport der Reaktionsprodukte, dem Wärmeaustausch mit der Kühlflüssigkeit, der Aufnahme des Stroms und sorgt für die mechanische Stabilität, insbesondere für die Dichtheit, der Zelle. Es musste ein Weg gefunden werden, Masse und Volumen klassischer Bipolarplatten aus mechanisch bearbeitetem Graphit erheblich zu reduzieren, was schließlich durch den Einsatz dünner tiefgezogener und geschweißter Stahlbleche gelang.

Die Entwicklung der Brennstoffzelle veranlasste das Zentrum für Atomenergie CEA, zusammen mit PSA Peugeot Citroën neue Versuchseinrichtungen aufzubauen, mit denen die einzelnen Abläufe in der Brennstoffzelle (Wärmeaustausch, Wasserfluss, Mechanik, etc.) getrennt untersucht werden konnten. Diese Einrichtungen ergänzten die bereits bestehenden und für das Projekt genutzten Testanlagen am CEA und bei PSA Peugeot Citroën. Dadurch konnten auch die computergestützten Instrumente zur Bemessung der Zelle verbessert werden, die erfolgreich in diesem Projekt zum Einsatz kamen.

Die Umsetzung des Projekts erfolgte in zwei Schritten: Nach einer ersten Phase konnte Ende 2004 eine Brennstoffzelle mit einer Leistung von 20 kW gebaut werden, mit der die strukturellen Vorgaben überprüft werden sollten.

Am Ende der zweiten Phase stand im September 2005 eine Brennstoffzelle mit einer Leistung von 80 kW³, die in das GENEPAC-Leistungsmodul integriert werden wird.


Die Partner PSA Peugeot Citroën und CEA planen bereits neue Entwicklungen

Durch die Bündelung des Know-hows von PSA Peugeot Citroën und CEA zur Bemessung der Brennstoffzelle und durch zahlreiche Innovationen insbesondere in Konzeption, Fertigung und Einbau der metallischen Bipolarplatten konnte die Brennstoffzelleneinheit GENEPAC so kompakt gestaltet werden, dass sie in diesem Punkt weltweit zu den führenden Entwicklungen zählt und für den Einbau in Fahrzeuge in Frage kommt.

Über die Bearbeitung der Zielvorgaben für das GENEPAC-Projekt hinaus ermöglicht die Zusammenarbeit zwischen PSA Peugeot Citroën und CEA ebenso neue Entwicklungen in anderen wichtigen Bereichen der Wasserstoffkette/Brennstoffzelle, insbesondere hinsichtlich der Faktoren Zuverlässigkeit und Kosten.

Bevor die Brennstoffzelle in ein Fahrzeug eingebaut werden kann, muss nicht nur für die Zelle selbst sondern auch für die unterstützenden Systemkomponenten – Wasserstoff- und Luftzufuhr, Befeuchtung der Gase und Kompression, Kühlung, usw. – eine möglichst kompakte Bauweise erreicht werden. Gleichzeitig gilt es, die Zuverlässigkeit sämtlicher Bauteile zu gewährleisten. Beide Faktoren sind Gegenstand des Projekts FYSIPAC, das im Herbst 2005 im Rahmen des Nationalen Aktionsplans “Wasserstoff und Brennstoffzellen” (PAN-H) der Nationalen Forschungsagentur Frankreichs ins Leben gerufen wurde.

Da Brennstoffzellen Wasser produzieren, sind Start und Betrieb der Zellen bei tiefen Temperaturen wegen Frostgefahr derzeit noch äußerst problematisch. Dieser Problembereich wird ebenfalls im Rahmen des PAN-H durch das Projekt MEPHISTO abgedeckt, an dem sich auch das Labor für Brennstoffzellentechnologie in Belfort beteiligt. Dieses neue Labor entstand aus der Kooperation des CEA mit dem französischen Forschungsinstitut für Verkehr und Verkehrssicherheit INRETS, dem französischen Zentrum für wissenschaftliche Forschung CNRS, der Universität Franche-Comté, der Technischen Universität Belfort-Montbéliard und der Universität Henri Poincaré in Nancy im Dezember 2005 und soll – insbesondere mittels eigener Versuchseinrichtungen in Belfort – als Schwerpunktthemen den Einbau der Brennstoffzellen in Fahrzeuge sowie die Alterung der Zellen bei entsprechendem Gebrauch erforschen.


* Das Projekt wurde seinerzeit von dem nationalen Netzwerk PACO (Brennstoffzelle) mitfinanziert, das Ende 2004 durch den Nationalen Aktionsplan “Wasserstoff und Brennstoffzellen” (PAN-H, Plan d’Action National sur l’Hydrogène et les piles à combustible) abgelöst wurde.

² PEMFC, Polymermembran-Brennstoffzelle, für niedrige Temperaturen und den Einbau in Fahrzeuge geeignet – im Unterschied zur oxidkeramischen Brennstoffzelle (SOFC), die für hohe Temperaturen und stationären Gebrauch konzipiert ist.

³ Maximale Nennleistung der Brennstoffzelle.

Quelle: Peugeot