Kooperationsprojekt unter Beteiligung der Leibniz Universität Hannover will den Wirkungsgrad von Brennstoffzellen optimieren und ihre Lebensdauer verlängern
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.“
Neues Gebläse führt nicht verbrauchten Wasserstoff erneut zu
In Brennstoffzellen werde Wasserstoff in die Anode eingeblasen – aber nie ganz verbraucht. Durch die sogenannte Rezirkulation werde der nicht genutzte Wasserstoff nicht verschwendet, sondern könne erneut zugeführt werden. Aktuell kämen für die Rezirkulation einfache Strahlpumpen zum Einsatz, die jedoch nicht in jedem Betriebspunkt effizient arbeiteten: Vor allem in Start-Stopp-
Das Team der LUH kümmert sich im Rahmen des Projektes um die numerische Strömungssimulation. Dieses Simulationsbild zeigt die Strömung durch ein axiales Schaufelgitter: Eine Mischung aus Wasserstoff, Stickstoff und Wasserdampf strömt durch ein Bauteil des Rezirkulationsgebläses, das vor dem Verdichter sitzt und dazu dient, den Anströmwinkel für das Laufrad anzupassen – Bild © LUH/TFD
Szenarien – also beim häufigen Anfahren und Abbremsen, beispielsweise im Stadtverkehr – werde 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 Forschenden erwarten dadurch mehrere Vorteile: Erstens werde 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 ströme der Wasserstoff durch den Medienspaltmotor und kühle ihn – das steigere die Effizienz des Antriebs. Drittens lasse sich der Anodenkreislauf präzise lastabhängig steuern, wodurch der Wasserstoffverbrauch sinke. Und viertens: Stickstoff und Feuchtigkeit, die durch die Membran der Brennstoffzelle in den Anodenkreis gelangten, würden zuverlässig aus dem Brennstoffzellenstapel abgesaugt – unabhängig davon, wie viel Leistung abgerufen werde. „Das ist gut für die Lebensdauer der Brennstoffzelle“, so Klunker.
LUH übernimmt strömungsmechanische Auslegung
Das Team der LUH bringe vor allem sein Know-how auf dem Gebiet der Auslegung von Turbomaschinen mit Hilfe der numerischen Strömungssimulation ein: Die Hauptaufgabe des TFD sei die strömungsmechanische Auslegung des Anodenkreislaufs. Die Wissenschaftler aus Hannover legten insbesondere die Geometrie des Laufrades aus, das im Gebläse für die Beschleunigung des Wasserstoffs sorge. Außerdem integrierten 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.
->Quelle: Leibniz-Universität-Hannover/luh.de/forschung-fuer-effizientere-brennstoffzellen