Technologie

Optimierte Brennstoffzellen

24.06.2020 - Rezirkulierung von Wasserstoff erhöht den Wirkungsgrad und verlängert die Lebensdauer.

Brennstoffzellen wandeln chemische in elektrische Energie und sind damit ein wichtiger Schritt auf dem Weg hin zu einer CO2-neutralen Mobilität. Das Institut für Turbo­maschinen und Fluid­dynamik (TFD) der Leibniz Universität Hannover (LUH) entwickelt in einem neu gestarteten Kooperations­projekt ein Rezirkulations­gebläse für die Wasserstoff-Seite von Brennstoff­zellen. Die Ziele: höhere Effizienz und Zuverlässigkeit, längere Lebens­dauer sowie geringere Kosten beim Einsatz von Brennstoff­zellen. 

Das Gebläse wird auf dem vom Unternehmen G+L innotec entwickelten Medien­spalt­motor aufbauen. Die G+L innotec GmbH aus Laupheim bei Ulm koordiniert das Forschungs­vorhaben; weiterer Partner ist die Zentrum für Brennstoff­zellen­technik GmbH aus Duisburg. „Die wasserstoff­basierte Brennstoff­zellentechnik ist wichtig für die Elektrifizierung im Mobilitäts­sektor, insbesondere für Nutz­fahrzeuge, bei denen die Reichweite eine große Rolle spielt“, sagt Philipp Nachtigal, Gruppenleiter am TFD, und ergänzt: „Außerdem hat sie Potenziale für die dezentrale und mobile Energie­versorgung, zum Beispiel auf Baustellen, auf denen Lärm und Schadstoff­bilanz wichtig sind.“

In Brennstoff­zellen wird Wasserstoff in die Anode eingeblasen – aber nie ganz verbraucht. Durch die Rezirkulation wird der nicht genutzte Wasserstoff nicht verschwendet, sondern kann erneut zugeführt werden. Aktuell kommen für die Rezirkulation einfache Strahl­pumpen zum Einsatz, die jedoch nicht in jedem Betriebspunkt effizient arbeiten: Vor allem in Start-Stopp-Szenarien – also beim häufigen Anfahren und Abbremsen, beispiels­weise im Stadt­verkehr – wird viel Wasserstoff verbraucht. „Das Rezirkulations­gebläse, das wir auf Basis des Medien­spalt­motors entwickeln, kann dagegen immer dann zugeschaltet werden, wenn die Strahl­pumpe keine ausreichende Leistung bringt oder die Brennstoff­zelle gespült werden muss“, erklärt Nachtigal. 

Die Forscher erwarten dadurch mehrere Vorteile: Erstens wird der Wasserstoff in dem neuen Rezirkulations­gebläse hermetisch gekapselt und ohne dynamische Dichtungen transportiert. „Das ist sicherheits­technisch ein bedeutender Zugewinn und kostengünstig in der Fertigung“, sagt Christoph Klunker, Produkt­manager im Business Development von G+L innotec. Zweitens strömt der Wasserstoff durch den Medien­spalt­motor und kühlt ihn – das steigert die Effizienz des Antriebs. Drittens lässt sich der Anoden­kreislauf präzise last­abhängig steuern, wodurch der Wasserstoff­verbrauch sinkt. Und viertens: Stick­stoff und Feuchtig­keit, die durch die Membran der Brennstoff­zelle in den Anoden­kreis gelangen, werden zuverlässig aus dem Brenn­stoff­zellen­stapel abgesaugt – unabhängig davon, wie viel Leistung abgerufen wird. „Das ist gut für die Lebens­dauer der Brennstoff­zelle“, so Klunker.

Das Team der LUH bringt vor allem sein Know-how auf dem Gebiet der Auslegung von Turbo­maschinen mit Hilfe der numerischen Strömungs­simulation ein: Die Hauptaufgabe des TFD ist die strömungs­mechanische Auslegung des Anoden­kreislaufs. Die Wissenschaftler aus Hannover legen insbesondere die Geometrie des Laufrades aus, das im Gebläse für die Beschleunigung des Wasserstoffs sorgt. Außerdem integrieren sie funktional den für den Betrieb notwendigen Wasser­abscheider in das Rezirkulations­gebläse. „Wir stehen dazu ist enger Abstimmung mit den Kooperations­partnern, um Betriebs­bedingungen, Stoff­zusammen­setzungen und auch geometrische Rand­bedingungen abzuklären und zu optimieren“, sagt Nachtigal vom TFD.

Das Projekt „REZEBT – Rezirkulations­gebläse-Entwicklung in der Brennstoff­zellen-Technologie“ läuft seit April 2020 für zwei Jahre und wird von der Arbeits­gemeinschaft industrieller Forschungs­vereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. (AiF) gefördert. Das Team der LUH erhält einen Anteil von rund 180.000 Euro. Die drei Projektpartner wollen die Entwicklung des Rezirkulations­gebläses bis 2022 abschließen. „In einem Jahr wollen wir einen Prototypen haben“, sagt Walter Lindenmaier, Gesellschafter von G+L innotec. Auf Grundlage der Forschungs­ergebnisse planen alle Projektpartner wissenschaftliche Veröffentlichungen; die Vermarktung des neuen Gebläses übernimmt die G+L innotec.

U. Hannover / DE
 

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