Wasserstoff-Brennstoffzellen-Antrieb: Zellkomponenten
BMW
Die Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen (FVV) arbeitet an den Brennstoffzellen der Zukunft. Der Grund: Nicht alle Anforderungen an die Mobilität von Personen und Gütern sind in absehbarer Zeit durch batterieelektrische Antriebe zu erfüllen. Eine sinnvolle Ergänzung auf dem Weg zu einer Null-Emissions-Mobilität bildet daher aus Sicht der Vereinigung die Brennstoffzelle, sofern diese mit regenerativ erzeugtem Wasserstoff betrieben wird. "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.
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 Alltagstauglichkeit der Brennstoffzelle negativ zu beeinflussen", sagt Dr. Merten Jung, 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.
Weniger Platin, weniger Kosten
Platin spielt in der im Automobil verwendeten Niedertemperatur-Brennstoffzelle eine wesentliche Rolle. Es ermöglicht als Katalysator die chemischen Reaktionen an den Elektroden. 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 sogenannter »Hot Spots« zu vermeiden, die die Lebensdauer herabsetzen können. 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«, so Jung.
Höhere Leistungsdichte für Kompressoren
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.