1 200 Meter Schweißnaht machen den Brennstoffzellen-Stack wasserstoffdicht

Der Fertigungsstandort Stuttgart-Feuerbach

• Feuerbach ist ein fester Bestandteil mobiler Geschichte und Zukunft. Der Standort Feuerbach wurde von Robert Bosch selbst 1909 gegründet und ist der größte und älteste Bosch-Standort weltweit.
• Das Werk in Feuerbach bewegt Mensch und Güter seit mehr als 100 Jahren: Rund 2 800 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter arbeiten im Feuerbacher Werk, am ganzen Standort sind es rund 15 000.
• In Feuerbach zeigt sich der Wandel der Mobilität so gut wie kaum woanders: 1910 startete die Fertigung von Magnetzündteilen, 1927 war der Fertigungsbeginn von Diesel Einspritzpumpen für Nutzfahrzeuge. Seitdem haben viele Erzeugnisse, vornehmlich für die Produktion von Verbrennern, hier ihren Start gehabt. Von Juli 2023 an erfolgt nun die Serienfertigung des Brennstoffzellen-Antriebssystems (Fuel-Cell-Power-Module; FCPM) auf einer Fläche aktuell fast so groß wie ein halbes Fußballfeld.
• Die FCPM-Serienfertigung ist auch ein Gemeinschaftsprojekt deutscher Traditionsstandorte der Mobilität: Bamberg liefert für die Feuerbacher Fertigung den Brennstoffzellen-Stack zu. Aus Homburg stammen wichtige Systemkomponenten wie der elektrische Luftkompressor oder das Rezirkulationsgebläse. In Feuerbach erfolgt dann die Montage und Prüfung des Gesamtsystems.
• Das Werk Feuerbach ist Teil eines internationalen Fertigungsverbunds. Nur durch den Austausch von Wissen und Fertigungs-Know-how konnte so parallel zu Deutschland eine Fertigung für das Brennstoffzellen-Antriebssystem auch im chinesischen Chongqing anlaufen, wofür die nötigen Komponenten aus dem Bosch-Werk in Wuxi kommen. In Anderson, USA, wird in ähnlicher Weise die Fertigung von Stacks geplant.

Das Brennstoffzellen-Antriebssystem

• Das Fuel-Cell-Power-Module ist das komplexeste System, das Bosch je entwickelt hat. Ein in Feuerbach gefertigtes Brennstoffzellen-Antriebssystem besteht aus mehreren hundert Einzelteilen, wiegt über 500 Kilogramm und nimmt eine Grundfläche von rund 1,5 Quadratmetern ein.
• Das Antriebsmodul ist so konstruiert, dass es in den Bauraum eines Lastwagens passt, wo bisher der Verbrennungsmotor verbaut wurde. Das ist vorteilhaft und kostengünstig für Lkw-Hersteller, denn sie können auf dieselbe Fahrzeug-Plattform zurückgreifen.
• Das Herz des Antriebssystems sind die Brennstoffzellen. Auf den ersten Blick wirken diese eher unscheinbar. Denn sie sind in etwa nur so groß wie ein Briefumschlag und wiegen weniger als 100 Gramm. Um jedoch ein schweres Nutzfahrzeug anzutreiben, werden mehrere hundert Brennstoffzellen benötigt. Diese werden in einem Stapel, dem sogenannten Stack, miteinander verbunden – und sorgen für eine elektrische Gesamtleistung von mehr als 100 Kilowatt. In einem Brennstoffzellen-Antriebssystem sind zwei Stacks verbaut, sodass sich eine Leistung von über 200 Kilowatt ergibt, die einen 40 Tonnen schweren Lastwagen souverän mit Antriebsenergie versorgen.
• Beim neuen Brennstoffzellen-Antrieb können wir sowohl auf das Wissen aus jahrzehntelanger Forschungs- und Entwicklungsarbeit von Komponenten für den Antriebsstrang zurückgreifen als auch unser Fertigungs-Know-how gewinnbringend für die Mobilität von Morgen nutzen. So soll auch langfristig mehr als die Hälfte der Wertschöpfung im eigenen Haus entstehen und der Sondermaschinenbau von Bosch deckt mehr als 50 Prozent der Fertigungsausrüstung ab. Ein Wissenstransfer erfolgt auch bei der Beschichtungstechnik oder der Dichtheitsprüfung. Des Weiteren hat die Bosch Forschung Lösungen entwickelt, die zukünftig eine Verlängerung der Lebensdauer von PEM-Brennstoffzellen auf bis zu 30 000 Betriebsstunden unterstützen.
• Bei der Fertigung mobiler Brennstoffzellen-Systeme kommt das Highspeed-Laserschweißen zum Einsatz. Das eingesetzte Verfahren kommt aus der Injektor-Produktion. Damit machen wir in jedem Stack 1 200 Meter Schweißnähte wasserstoffdicht – das gibt es so nur bei Bosch.
• Neben dem Stack enthält ein mobiles Brennstoffzellensystem viele andere Komponenten, darunter unter anderem ein Wasserstoff-Dosierventil sowie einen elektrischen Luftverdichter, die Wasser- bzw. Luftsauerstoff in die Brennstoffzellen befördern. So kann eine Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff erfolgen – und elektrische Energie wird erzeugt. Der Strom wird zum einen in einer Batterie gespeichert. Zum anderen treibt er direkt den Elektromotor des Fahrzeugs an. Im Gegensatz zu den bis zu fünf Tonnen schweren Energiespeichern in den rein batterieelektrischen, schweren Nutzfahrzeugen wiegen die Batterien in einem Brennstoffzellen-Lkw nur rund 500 Kilogramm.

Die Brennstoffzellen Fertigungs- und Prüftechnik

• Nach einzelnen Fertigungsschritten wird das Brennstoffzellen-System bereits während der Fertigung immer wieder auf dessen Dichtheit hin geprüft. Das bei der Dichtheitsprüfung eingesetzte Helium wird dabei aufgefangen, gefiltert und kann erneut für die Dichtheitsprüfung verwendet werden. Dadurch können bis zu 40 Prozent des eingesetzten Heliums wieder verwendet werden.
• Des Weiteren wird der Stickstoff, der ebenfalls für die Dichtheitsprüfung gebraucht wird, mittels Stickstoffgenerator aus der Umgebungsluft und mit Strom erzeugt. Dabei werden Verpackung und Transport vermieden und es entfällt das Hochverdichten des Gases, was Energie einspart.
• Jedes Brennstoffzellen-Antriebssystem wird vor der Auslieferung intensiv getestet. Während der sogenannten End-of-Line-Prüfung (EOL) werden 450 Messgrößen erfasst. Dabei werden die unterschiedlichen Fahrzustände (Beschleunigen, Bremsen) im Lkw auf einem Prüfstand unter Realbedingungen mit Wasser- und Sauerstoff geprüft. Die entsprechende Fertigungs- und Prüftechnik stammt von Bosch Manufacturing Solutions, dem Bosch Sondermaschinenbau.
• Der Prüfvorgang ist effizient gestaltet und wird weiter optimiert. Der dabei produzierte Strom wird ins Netz des Bosch Standortes Feuerbach eingespeist.

Der brennstoffzellenelektrische Lkw

• Mit entsprechend großen Tanks reicht eine Befüllung eines Brennstoffzellen-Lkw für die Fahrt von Hamburg nach München, rund 800 Kilometer.
• Der Tankvorgang dauert in etwa so lange, wie das gemütliche Trinken eines Kaffees in der Frühstückspause: In zehn bis zwanzig Minuten ist der Lkw „vollgetankt“. Ein Kilogramm Wasserstoff enthält dabei so viel Energie wie 3,3 Liter Diesel.
• Um Fahrzeuge schnell und reibungslos mit Wasserstoff betanken zu können, muss dieser auf bis zu 900 bar verdichtet werden. Bosch Rexroth hat für Wasserstoffkompressen in Tankstellen eine wartungsarme, skalierbare Systemlösung für den energieeffizienten Antrieb des Verdichters entwickelt.
• Der Treibstoff der mobilen Brennstoffzelle ist gasförmiger Wasserstoff. Im Inneren der Zellen reagiert dieser mit Sauerstoff aus der Umgebungsluft – es entsteht Strom, der den Elektromotor antreibt und reiner Wasserdampf als „Abgas“.
• Ende 2022 waren bereits rund 500 Fahrzeuge mit Bosch-Brennstoffzellensystem auf den Straßen unterwegs. Mit den geplanten Serienstarts in den USA und China wird ihre Zahl weiter wachsen. Bosch ist zuversichtlich, dass schon 2030 jedes fünfte neue Nutzfahrzeug ab sechs Tonnen mit Brennstoffzellen unterwegs sein wird – sofern die Klimaschutzbemühungen weltweit weiter Fahrt aufnehmen.