Mehr Power für weniger Geld

Zellkomponenten eines Wasserstoff-Brennstoffzellen-Antriebs (Bild: BMW)

Eine Urlaubsfahrt nach Südeuropa mit voll besetztem Pkw oder Fahrten eines Fern­verkehrs-Lkws mit vierzig Tonnen Gesamt­gewicht – nicht alle Anforde­rungen an die Mobilität von Personen und Gütern sind in absehbarer Zeit durch batterie­elektrische Antriebe erfüllbar. Eine sinnvolle Ergänzung auf dem Weg zu einer Null-Emis­sions-Mobilität bildet daher die Brenn­stoff­zelle, sofern diese mit regene­rativ erzeugtem Wasserstoff betrieben wird. Schnelles Nach­tanken, hohe Energiedichte und von den Außen­tempera­turen unabhängige Reich­weiten sprechen für die Onboard-Strom­erzeugung durch eine Brenn­stoff­zelle.

Allerdings sind die Kosten für fahrzeug­taugliche Brenn­stoff­zellen derzeit noch sehr hoch. Genau hier setzt die von der neuen FVV-Planungs­gruppe koordi­nierte Forschung an. „Wir wollen durch anwendungs­orientierte Forschung dazu beitragen, die Kosten deutlich zu senken, ohne die mittler­weile hohe Alltags­taugs­lichkeit der Brenn­stoff­zelle negativ zu beein­flussen“, sagt Dr. Merten Jung von BMW, der die Planungs­gruppe seit ihrem offiziellen Start leitet. Wesentliches Optimierungs­potenzial sieht er in einer Verringerung des Platin­gehaltes, in der Zusammen­führung von Komponenten sowie in verbes­serten Simulations­modellen. Die ersten, jetzt vom FVV-Vorstand freige­gebenen Projekt­skizzen sollen Forschungs­vorhaben mit genau dieser Ziel­setzung ermög­lichen.

Platin spielt in der im Automobil verwendeten Nieder­temperatur-Brenn­stoff­zelle eine wesentliche Rolle. Es ermöglicht als Kataly­sator die chemischen Reaktionen an den Elektroden, also die Aufspaltung des Wasser­stoffs und Reaktion mit dem Luft­sauerstoff. Ob auch bei geringerem Platin­gehalt die Alterungs­beständigkeit, die Leistungs­dichte und der Wirkungs­grad hoch genug ausfallen, hängt auch an den zugeführten Medien. So gilt es, die gefilterte und befeuchtete Außenluft möglichst gleich­mäßig auf der Katalysator­oberfläche zu verteilen und dadurch die Bildung von „Hot Spots“ zu vermeiden, die die Lebens­dauer herabsetzen können. Auch der zugeführte Wasserstoff sollte einen hohen Reinheits­grad aufweisen.

Weitgehend unerforscht ist aber noch, wie die im Wasserstoff­pfad verwendeten Werkstoffe zur Konta­mination der katalytisch wirksamen Ober­flächen beitragen können. Daher stellen Systeme für die Wasserstoff- und die Luft­zufuhr einen wichtigen Gegenstand neuer FVV-Forschungs­vorhaben dar. „Durch intensivierte Forschung wird es in rund zehn Jahren möglich sein, Brenn­stoff­zellen-Antriebe zu bauen, die nicht wesentlich mehr Platin enthalten als ein heutiger Diesel-Katalysator“, schätzt Jung.

Brennstoffzellenstapel eines Wasserstoff-Brennstoffzellen-Antriebs (Bild: BMW)

Weiteres Potenzial zur Kosten­senkung besteht in der mechani­schen und regelungs­tech­nischen Optimie­rung der zahlreichen Einzel­kompo­nenten, die eine einwand­freie Funktion der Brenn­stoff­zelle ermöglichen. So wird die Luft durch einen Kompressor verdichtet – anders als bei Verbren­nungs­motor reicht jedoch aufgrund der niedrigen Tempe­raturen die Abgas­energie allein nicht für den Antrieb des Verdich­ters. Daher kommt in der Regel ein elektrisch angetrie­bener Kompressor zum Einsatz.

Wie solche Kompressoren für den Auto­mobil­einsatz auf höchste Leistungs­dichte getrimmt werden können, ist ein weiteres Beispiel für künftige Vorhaben der FVV, die traditionell nicht nur an Hub­kolben­motoren, sondern auch an Turbomaschinen forscht. „Um innovative Ideen für Komponenten bewerten zu können, ist es wichtig, bereits in einem frühen Entwick­lungs­stadium virtuelle Tests durchführen zu können“, erläutert Jung. Daher will die FVV einen Teil ihrer Forschungs­projekte auch dem Aufbau neuer, frei verfügbarer Simulationsmodelle widmen.

„Mit unserem neuen Forschungsschwerpunkt Brenn­stoff­zelle schaffen wir die Voraus­setzung dafür, dass auch kleine und mittlere Unter­nehmen in die Wert­schöpfungs­kette der Brenn­stoff­zellen­produktion einsteigen können“, so FVV-Geschäfts­führer Dietmar Goericke. „Auch im neuen Mobi­litäts­zeitalter gilt es, die Geschäfts­modelle gerade des mittel­ständi­schen deutschen Maschinen­baus zu stärken.“ (Quelle: FVV)

Link: Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen (FVV) e.V., Frankfurt am Main

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