13.04.2026
Forschung
Schiffe über lange Distanzen emissionsfrei und effizient anzutreiben, ist ein zentraler Schritt für die maritime Energiewende. Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) hat einen großformatigen PEM-Brennstoffzellen-Stack für die Schifffahrt und stationäre Anwendungen entwickelt. Der mit Wasserstoff betriebene Demonstrator erreicht nach Angaben des Forschungsinstituts eine aktive Fläche von 1.300 Quadratzentimetern pro Zelle und ist auf eine Gesamtleistung von bis zu 500 Kilowatt pro Stack ausgelegt. Erste Leistungs- und Sensitivitätstests im Brennstoffzellentestzentrum in Ulm verliefen erfolgreich.
Stackkonzept für hohe Leistungen in der Schifffahrt
Während Brennstoffzellen in Pkw und Lkw üblicherweise im Leistungsbereich von unter 200 Kilowatt liegen, erfordert der Einsatz in der Schifffahrt deutlich höhere Leistungen. Für maritime Antriebssysteme müssen mehrere Megawatt bereitgestellt werden. Das führt bei kleineren Stackdesigns zu entsprechend aufwändigen Verschaltungen und erhöhtem Integrationsaufwand.
Mit seinem großformatigen Stackkonzept verfolgt das ZSW daher einen anderen Ansatz. Der neue Brennstoffzellen-Stack soll auf bis zu 500 Kilowatt skaliert werden können und damit den Platzbedarf sowie die Systemkomplexität reduzieren. Gleichzeitig könnte dies die Einbindung in Schiffsantriebe und die spätere Wartung vereinfachen. „Mit diesem großen Stack-Design zeigen wir, dass emissionsfreie Schifffahrt – künftig mit grünem Wasserstoff – technisch machbar und wirtschaftlich attraktiv ist. Die Tests bestätigen die Leistungsfähigkeit unseres Stacks, der Maßstäbe für die gesamte Brennstoffzellenindustrie setzt“, sagt Prof. Dr. Markus Hölzle, ZSW-Vorstandsmitglied und Leiter des Geschäftsbereichs Elektrochemische Energietechnologien in Ulm.
Bipolarplatte im Zentrum der Entwicklung
Ein zentrales Element des neuen Stackdesigns ist die Bipolarplatte. Sie übernimmt im Brennstoffzellen-Stack mehrere Funktionen zugleich: Sie sorgt für die elektrische Leitfähigkeit, verteilt die Reaktionsgase Wasserstoff und Luftsauerstoff über die aktive Fläche und trägt zur Kühlung des Systems bei.
Gerade bei großformatigen Zellen ist die Wärmeabfuhr eine technische Herausforderung. Nach Angaben des ZSW wurden die medienführenden Strukturen der graphitischen Bipolarplatte deshalb mithilfe von CFD-Simulationen schrittweise optimiert. Auf dieser Grundlage konnten Bipolarplatten mit einer aktiven Fläche von mehr als 1.300 Quadratzentimetern hergestellt werden.
Auch das Verspannungssystem des Stacks wurde eigens ausgelegt. Um Dichtigkeit und eine stabile elektrische Kontaktierung sicherzustellen, werden die gestapelten Platten mit einer Kraft von rund 150 Kilonewton verspannt. Das dafür eingesetzte System aus Tellerfedern, Gewindestangen und Endplatten wurde mithilfe von FEM-Simulationen entwickelt.
Demonstrator überzeugt auf dem Teststand
Für den Demonstrator fertigte das ZSW die Dichtungen im Ulmer HyFaB-Forschungsbereich mithilfe eines Jet-Dispensverfahrens direkt auf die Bipolarplatten auf. Auch die siebenlagigen Membran-Gasdiffusionslagen-Einheiten wurden am Standort hergestellt.
Auf dieser Basis entstand zunächst ein Kurz-Stack mit 15 Zellen, der im hauseigenen Testzentrum untersucht wurde. Dabei wurde eine Leistung von rund 25 Kilowatt erreicht. Unter diesen Bedingungen erzeugte der Stack einen elektrischen Strom von mehr als 3.000 Ampere. Hochgerechnet auf einen Voll-Stack mit 300 Zellen entspricht dies einer Leistung von 500 Kilowatt. Nach Angaben des ZSW bestätigten die Tests einen stabilen Betrieb ohne lokale Überhitzung.
Forschung, Testinfrastruktur und industrielle Anbindung
Das ZSW verfügt nach eigenen Angaben über mehr als 30 Jahre Erfahrung in der Brennstoffzellenforschung und hat in dieser Zeit mehr als 1.600 Stacks im Leistungsbereich von 50 Watt bis 150 Kilowatt realisiert. In der Forschungsfabrik HyFaB in Ulm betreibt das Institut ein Testzentrum mit 50 Prüfständen für Leistungstests bis 250 Kilowatt. Hinzu kommt mit dem HyLaB ein Labor zur Wasserstoffanalytik.
Mit dem sogenannten „Generischen Stack“ stellt das ZSW zudem ein offenes und skalierbares Stackdesign für Forschungs- und Entwicklungsprojekte bereit. Die Plattform soll sowohl mobile als auch stationäre Anwendungen unterstützen und dient als Grundlage für gemeinsame Projekte mit Industriepartnern.
Einsatz auch über die Schifffahrt hinaus denkbar
Neben maritimen Anwendungen sieht das ZSW auch Potenzial für stationäre Einsatzfelder. PEM-Brennstoffzellen zeichnen sich durch hohe Leistungsdichte, schnelle Dynamik und modulare Bauweise aus. Dadurch eignen sie sich nicht nur für Fahrzeuge und Schiffe, sondern auch für stationäre Systeme, etwa zur Rückverstromung von Wasserstoff.
Das neue Stackkonzept versteht das Institut daher nicht nur als Beitrag zur Dekarbonisierung der Schifffahrt, sondern auch als technologischen Baustein für weitere wasserstoffbasierte Anwendungen.
(Quelle: Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW))
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