Brennstoffzelle Wasserstoff effizient zurück führen

Autor: Sven Prawitz

Wasserstoff ist sehr flüchtig und hoch reaktiv. Die Komponenten, die das Gas durch die Brennstoffzelle führen müssen deshalb spezielle Anforderungen erfüllen.

Firmen zum Thema

Das Rezirkulationsgebläse von Rheinmetall in der 12-V-Variante.
Das Rezirkulationsgebläse von Rheinmetall in der 12-V-Variante.
(Bild: Rheinmetall Automotive)

Die EU hat entschieden: Mit regenerativer Energie erzeugter Wasserstoff soll unter anderem im Verkehrssektor den Einsatz von CO2-intensiven Kraftstoffen teilweise ersetzen. Vor allem Deutschland und Frankreich haben Interesse an der Wasserstofftechnik. In beiden Ländern gibt es schließlich viele Unternehmen, die sich bereits mit der Technik intensiv auseinandersetzen.

Wir müssen einen möglichst großen Druck-, Dichte- und Volumenstrombereich effizient abdecken können.

Ein Beispiel ist Rheinmetall Automotive. Der Zulieferer hat bereits Kleinserien von Komponenten für Brennstoffzellensysteme gefertigt. Den neuen Schwung möchte man nun mitnehmen; daher entwickelt man bei Rheinmetall und seinen Tochterunternehmen nun Komponenten für die nächste Generation von Brennstoffzellenfahrzeuge.

PEM-Brennstoffzelle

Dazu zählt ein Rezirkulationsgebläse, das den nicht verbrauchten Kraftstoff zurückführt. Bei der in Fahrzeugen üblicherweise eingesetzten Proton-Exchange-Membrane-Brennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) wird der Anode Wasserstoff überstöchiometrisch zugeführt. Wasserstoff wird also im Überschuss eingesetzt und in der Reaktion mit Sauerstoff folglich nicht komplett verbraucht. Das überschüssige Gas wird durch das Rezirkulationsgebläse wieder zurückgeführt, an den Anfang des Brennstoffzellenstacks.

Prozessbedingt besteht das zurückgeführte Gas allerdings nicht mehr nur aus Wasserstoff. In wechselnden Anteilen sind im Gasgemisch außerdem Stickstoff und Wasserdampf enthalten. Die Zusammensetzung dieses Gemischs stellt sich je nach Last, also der geforderten Leistung, der Brennstoffzelle ein. Die Dichte variiert zwischen 0,3 kg/m3 und 1,2 kg/m3, erklärt Michael Becker, Director Advanced Engineering der Division Mechatronics.

Variierende Dichte des Gases

„Die kundenseitige Anforderung an uns war deshalb, einen möglichst großen Druck-, Dichte- und Volumenstrombereich effizient abdecken zu können.“ Deshalb setzt der Zulieferer auf das Konstruktionsprinzip des Seitenkanal-Gebläses. Über den Schaufeln befindet sich über den gesamten Umfang ein Kanal. Das angesaugte Gas wandert an den Verdichterschaufeln nach außen. Dort gelangt das Gas über den Seitenkanal wieder zurück in die Mitte der Pumpe und wird erneut beschleunigt und nach außen komprimiert.

„Dieses Konzept ist relativ tolerant gegenüber den Dichteänderungen“, sagt Becker. Die Konstruktion ist so gestaltet, das der Wirkungsgrad des Gebläses bei verschiedenen Dichten annähernd gleich bleibt.

Die Anforderung kommen unter anderem aus einem Forschungsprojekt des Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur. Beteiligt sind neben der Rheinmetall-Tochter Pierburg der Automobilhersteller BMW, Elring Klinger, Magna Telemotive und dem Lehrstuhl Fahrzeugleichtbau der Universität Siegen.

Dichte Gehäuse aus kupferfreiem Aluminium

Dr.-Ing. Michael Becker ist Director Advanced Engineering der Division Mechatronics bei Rheinmetall Automotive.
Dr.-Ing. Michael Becker ist Director Advanced Engineering der Division Mechatronics bei Rheinmetall Automotive.
(Bild: Rheinmetall Automotive)

Neben dem variablen Gasgemisch bringt der hochreaktive Wasserstoff eine weitere Herausforderung für die Entwickler: Die H2-Moleküle sind sehr flüchtig. „Jegliche Lunker und Risse im Werkstoff sind zu vermeiden“, erklärt Becker die Anforderung. Daher wird jedes Gehäuse einzeln und auch das montierte Gebläse hinsichtlich Dichtigkeit geprüft – jetzt und wohl auch in einer später möglichen Serienfertigung.

Auf den Einsatz eines speziellen Werkstoffs oder einer Oberflächenbeschichtung möchte Rheinmetall laut Becker verzichten. Das Gehäuse wird aus einer bewährten, kupferfreien Aluminiumlegierung hergestellt. Lediglich der Fertigungsprozess soll eine entsprechende Oberflächenqualität sicherstellen.

Das Aluminium muss kupferfrei sein, weil das Gebläse in den Kühlkreislauf eingebunden ist und das Gehäuse somit Kontakt mit dem Kühlwasser hat. Das Kühlmittel fließt auch durch die Brennstoffzelle und darf sich nicht mit Metallionen anreichern und somit leitfähig werden.

Erstmals als Niedervoltvariante

Rheinmetall hat früher bereits Rezirkulationsgebläse entwickelt: Etwa Hochvoltvarianten mit 400 V beziehungsweise 800 V zum Einsatz in Bus und Lkw. Im Rahmen des Forschungsprojekts arbeitet der Zulieferer nun an einer 12-V-Variante. „Die gab es bisher so noch nicht – weder bei uns, noch sonst am Markt“, sagt der Vorentwicklungsleiter.

Die neue Variante soll in Pkws zum Einsatz kommen. Das Forschungsprojekt läuft noch bis August 2021. Danach könnte eine Kleinserienfertigung starten. Zumindest kündigte BMW diese für das Brennstoffzellen-Modell Hydrogen Next an: 2022 soll das SUV auf X5-Basis ausgewählten Kunden zur Verfügung stehen.

(ID:47028313)

Über den Autor

 Sven Prawitz

Sven Prawitz

Fachredakteur, »Automobil Industrie« und Next Mobility