Opel-Brennstoffzellen-Studie "HydroGen3": Fortschritt des Projekts auf Zafira-Basis

11.09.2001

 Technische Daten

Brennstoffzellen-Studie HydroGen3

Wichtige Schritte auf dem Weg zur Realisierung des besonders umwelt- und ressourcenschonenden Brennstoffzellenantriebs für Automobile zeigt der neue Versuchsträger "HydroGen3" von Opel und GM. Gegenüber dem Vorgänger weist der weiterentwickelte Brennstoffzellen-Zafira ein verbessertes Antriebssystem auf, welches auch eine optimierte Anordnung der einzelnen Komponenten im Fahrzeug (Packaging) ermöglichte. Einem breiten Publikum präsentiert Opel das zukunftsweisende Konzept der Brennstoffzellen-Studie HydroGen3 erstmals anhand eines maßstabgetreuen Schnittmodells auf der Internationalen Automobilausstellung IAA (13. - 23. September) in Frankfurt.

Für die Entwicklung des wie seine Vorgänger auf dem erfolgreichen Compact Van Zafira basierenden HydroGen3 zeichnet das von Opel und GM gemeinsam betriebene Entwicklungszentrum für alternative Antriebe (GAPC - Global Alternative Propulsion Center) mit Standorten im deutschen Mainz-Kastel sowie in Warren und Rochester (USA) verantwortlich. In den kommenden Monaten werden mehrere fahrfertige Prototypen des fünfsitzigen Brennstoffzellen-Zafira auf die Räder gestellt, mit denen alle Tests gefahren werden sollen, die auch normale Serienfahrzeuge absolvieren müssen. Dazu gehören unter anderem Hitze-, Kälte-, Höhen- und Dauererprobungen.

Primäres Ziel der HydroGen3-Entwicklung war, die Leistungsfähigkeit und Alltagstauglichkeit des Antriebssystems zu verbessern. Im Rahmen dieser Überarbeitung gelang es, auf einige Komponenten zu verzichten, die im HydroGen1 noch notwendig waren. Als Nebeneffekt reduzierte sich so auch das Fahrzeug-Gewicht weiter in Richtung des angestrebten Zielwertes von 1.590 Kilogramm. Das prominenteste Bauteil, auf das man beim HydroGen3 verzichten konnte, ist die Hochleistungs-Pufferbatterie. Dieser Energiespeicher diente beim HydroGen 1 noch dazu, Leistungsspitzen des Antriebs abzudecken, wurde jetzt aber überflüssig, weil die GAPC-Ingenieure das Brennstoffzellen-System dynamisch so optimiert haben, dass es den Lastbedarf unverzüglich aus eigener Kraft bereitstellen kann. Dieser Fortschritt bringt eine Gewichtseinsparung von fast 100 Kilogramm und weiterhin den Vorteil mit sich, dass der Laderaumboden des Wasserstoff-Zafira jetzt dem Niveau des Serienmodells entspricht. Damit steht im HydroGen3 der volle Laderaum des Zafira in der Fünfsitzer-Anordnung zur Verfügung.

Die Optimierung der Architektur des gesamten Brennstoffzellen-Systems führte außerdem dazu, dass das durch die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff in den Zellen anfallende Wasser ausreicht, um den Feuchtigkeitsbedarf der Brennstoffzellen-Membranen zu decken. Das machte zusätzliche externe Befeuchtungskomponenten für die Zellen überflüssig und bedeutete weitere Raum- und Gewichtsvorteile.

Weiterentwickelt wurde auch das elektrische Traktionssystem, das jetzt wesentlich kompakter ausgelegt ist. Das komplette, aus Wechselrichter, Elektromotor sowie Getriebe mit Parksperre und Differential bestehende Modul, das zwischen dem Gleichspannungswandler und der Antriebswelle als Schnittstellen positioniert ist, wiegt insgesamt nur 92 Kilogramm. Zudem kann es jetzt auf den vorhandenen Lagerpunkten des Zafira montiert werden, was einen weiteren Schritt in Richtung Seriennähe bedeutet. Hierzu gehört auch eine wesentliche Komfortverbesserung, die der HydroGen3 gegenüber seinem Vorgänger aufweist: An Bord des Versuchsträgers sorgt nun eine elektrisch betriebene Klimaanlage für angenehme Temperaturen. Außerdem verfügt das Fahrzeug über ein komplettes Diagnosesystem, das den Fahrer laufend über den Zustand aller Systeme informiert.

Der große Fortschritt des gesamten HydroGen-Projekts wird auch in scheinbar nebensächlichen Details deutlich. So lässt sich beispielsweise die Tankeinfüllkupplung des ein Meter langen Edelstahltanks (Durchmesser: 40 Zentimeter), in dem der Wasserstoffvorrat des Brennstoffzellen-Zafira in flüssiger Form bei einer Temperatur von minus 253 Grad Celsius gespeichert wird, jetzt mit einem Handgriff anschließen. Die Kupplung ist nun auch mit der Wasserstofftankstelle am Flughafen München sowie mit der für den Großversuch "California Fuel Cell Partnership" geplanten Zapfanlage kompatibel. Bis zu 68 Liter beziehungsweise 4,6 Kilogramm Wasserstoff fasst der doppelwandige Behälter, dessen Innenraum durch ein Hochvakuum zwischen äußerer und innerer Wand gegen Wärmeleitung von außen isoliert ist. Zusätzliche Lagen dünner Aluminiumfolie schützen zudem gegen Wärmestrahlungseinträge. Mit diesem Volumen ermöglicht der vor der Hinterachse unter der um 25 Millimeter erhöhten Fondsitzbank platzierte Tank eine Reichweite des HydroGen3 von etwa 400 Kilometern. Das Gewicht des gesamten Tanksystems (inklusive der Ventile, Wärmetauscher und Halterungen) beträgt 90 Kilogramm.

Wie weit die Brennstoffzellen-Technologie von Opel und GM seit den ersten Anfängen vor rund 30 Jahren auf dem Weg zur Serienreife schon entwickelt wurde, offenbart ein Blick unter die Fronthaube des neuesten Brennstoffzellen-Zafira. Umgeben von Nebenaggregaten wie Wärmetauschern und Kühlwasserkreisläufen sieht man in erster Linie den Brennstoffzellenstapel - englisch Stack genannt - der beim Hydrogen3 eine deutlich verbesserte spezifische Leistung aufweist. Der von den GAPC-Spezialisten weiterentwickelte Stack besteht wie beim Vorgänger aus einem Block von 200 in Reihe geschalteten Einzel-Brennstoffzellen. Mit seinen Abmessungen (Länge x Breite x Höhe: 472 x 251 x 496 Millimeter) ist er allerdings gegenüber der im HydroGen1 eingesetzten Brennstoffzelleneinheit (590 x 270 x 500 Millimeter) spürbar kleiner geworden. Dagegen nahmen die Leistungsdichten des unter einem Druck von 1,5 bis 2,7 bar arbeitenden Brennstoffzellenblocks zu. Sie betragen 1,60 Kilowatt pro Liter beziehungsweise 0,94 Kilowatt pro Kilogramm gegenüber Werten von 1,10 Kilowatt pro Liter und 0,47 Kilowatt pro Kilogramm beim HydroGen1. Damit kamen die GAPC-Entwickler ihrem Zielwert von 2,0 Kilowatt pro Liter ein entscheidendes Stück näher.

Der Stack des HydroGen3 liefert eine Dauerleistung von 94 kW (bisher: 80 kW) und eine Spitzenleistung von 129 kW (Vorgänger: 120 kW). Der umweltverträgliche Energiewandler, in dem Wasserstoff und Sauerstoff bei einer Prozesstemperatur von 80 Grad Celsius elektrochemisch zu Wasser reagieren, entwickelt je nach Belastungszustand eine elektrische Gleichspannung zwischen 125 und 200 Volt.

Diese Spannung wird von einem Gleichspannungswandler auf 250 bis 380 Volt hochgesetzt, von einer Leistungselektronik in Wechselspannung umgerichtet und einem Asynchron-Drehstrommotor zugeführt, der maximal 60 kW/82 PS leistet. Das Aggregat mit einem maximalen Drehmoment von 215 Nm und einer Höchstdrehzahl von 12.000 min -1 treibt über ein einstufiges Planetengetriebe mit einer Getriebeübersetzung von 8,67:1 die Vorderräder des HydroGen3 an. Mit seinem effizienten Antrieb beschleunigt der Brennstoffzellen-Zafira in rund 16 Sekunden von null auf Tempo 100 und erreicht eine Höchstgeschwindigkeit von 150 km/h. Diese Werte zeigen ebenso wie die auf dem Opel-IAA-Stand im Detail sichtbare Technik und Architektur die erreichte Praxisnähe des Brennstoffzellen-Fahrzeugs von Opel und GM.

(Text: rr )
(Fotos: Opel )

Zurück zur Startseite