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"KliMEA": Forscher am KIT wollen Brennstoffzellen-Komponenten in Nutzfahrzeugen einsetzen

Antriebe der Zukunft
„KliMEA“: KIT-Forscher wollen Brennstoffzelle an neue Bedingungen anpassen

Wasserstoff-Zapfpistole: Die Brennstoffzelle soll in schweren Nutzfahrzeugen eingesetzt werden.
Forscher am KIT wollen die Vorteile von Brennstoffzellen auch für schwere Nutzfahrzeuge erschließen.
Bild: wbk, KIT
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Bislang galten die CO2-Flottenminderungsziele nur für neue Pkw. Bis 2030 soll der CO2-Ausstoß von neuen Autos um 37,5 Prozent gesenkt werden. In Zukunft könnte das auch für schwere Nutzfahrzeuge gelten. Aus diesem Grund haben Forscher am KIT das Projekt „KliMEA“ gestartet. Hier wollen sie Wege finden, wie die Produktion von Brennstoffzellen-Komponenten für Nutzfahrzeuge an die neuen Anforderungen angepasst werden können.

Die Brennstoffzellen-Technologie erscheint den Forschern vielversprechend, wenn es darum geht, bei schweren Nutzfahrzeugen bis 2025 15 Prozent CO2-Emissionen und bis 2030 sogar 30 Prozent einzusparen.

Denn: Konventionelle LKW-Antriebsstränge mit Dieselaggregaten sind bereits in hohem Maße optimiert und bieten hier wenig Ausbaupotenzial. Auch aktuelle batterieelektrische Antriebe von Pkw lassen sich nicht direkt übertragen. Die Batterie, die Lkw benötigen, wäre zu schwer und die Ladezeiten zu lange.

„Neben dem Einsatz synthetischer Kraftstoffe sehen wir insbesondere großes Potenzial, wenn das Nutzfahrzeug über eine Brennstoffzelle durch die Nutzung von Wasserstoff mit Energie versorgt wird. Erste Fahrzeuge sind bereits verfügbar, jedoch muss die Brennstoffzellen-Entwicklung bei einer Einführung bis 2025 deutlich beschleunigt werden. Taktgeber für die Beschleunigung der Brennstoffzellenentwicklung ist die Produktionstechnik“, sagt die baden-württembergische Wirtschaftsministerin Nicole Hoffmeister-Kraut.

„KliMEA“: Membran in der Brennstoffzelle ist entscheidend

Bei einem Brennstoffzellen-Fahrzeug genügt zum Antrieb ein leichteres Brennstoffzellen-System. Der benötigte Wasserstoff lässt sich schnell nachtanken.

Die Herstellung der „Membrane Electrode Assembly“ (MEA) ist ein entscheidender Schritt bei der Fertigung einer Brennstoffzelle. Die MEA ist ein Verbundbauteil, dessen Kernstück die Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) ist.

Die PEM ist nur wenige Mikrometer dünn. Sie verändert sich stark, wenn sich die Luftfeuchtigkeit ändert. Dadurch können Beschädigungen, Risse oder Ablösungen entstehen – das gesamte Verbundbauteil ist dann nicht mehr nutzbar. Um dies zu vermeiden, muss aktuell die gesamte Produktionsfläche klimatisiert und geregelt werden.

„Ein solches System zu installieren, erfordert derzeit einen hohen Planungshorizont und verursacht hohe Kosten, sowohl in der Anschaffung als auch im Betrieb. In unserem Forschungsvorhaben ‚KliMEA‘ untersuchen wir daher die Möglichkeiten, das MEA-Verbundbauteil nur lokal in Form eines sogenannten Microenvironments zu klimatisieren“, erklärt Professor Jürgen Fleischer, Leiter des wbk Instituts für Produktionstechnik des KIT.

Die PEM wird also an mehreren Stellen unter einer Art Käseglocke gesondert mit dem richtigen Klima an der richtigen Stelle verarbeitet. „Mit diesem Verfahren könnten wir die MEA-Fertigung künftig stückzahlflexibel gestalten, maßgeblich beschleunigen und somit ressourcenschonender und kostengünstiger umsetzen“, sagt Fleischer.

Wbk und Thin Film Technologies arbeiten an „KliMEA“

Die Abkürzung „KliMEA“ steht für „Klimaadaptive und modellgestützte Membrane-Electrode-Assembly-Fertigung“. Das wbk leitet das Projekt mit zwei Fachbereichen. Als Projektpartner untersucht die Arbeitsgruppe Thin Film Technologies (TFT) des KIT vor allem das Feuchtigkeitsaufnahme-Verhalten der PEM.

Dieses Bauteil beeinflusst das Verhalten der MEA wesentlich. In Simulationen untersucht ein Team des wbk genauer, wie sich die Veränderungen der PEM auf die MEA auswirken, um so das nötige Prozesswissen zu erlangen.

Hierbei kommt ein „digitaler Zwilling“ zum Einsatz. In der realitätsnahen Simulation untersucht das zweite Forschungsteam des wbk die Verknüpfung mit der realen Anlage und leitet geeignete Messstrategien ab.

Die erhobenen Daten sind entscheidend für die Qualitätssicherung und zugleich für die Rückverfolgbarkeit (Traceability). Auf dieser Basis lässt sich entscheiden, ob hinsichtlich einer bestimmten Baugruppe ein Risiko besteht und Gegenmaßnahmen ergriffen werden müssen.

Unterstützt wird das Projekt von der Daimler Truck Fuel Cell GmbH und der e-mobil BW GmbH. Das Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg förder das Projekt bis Ende 2021 mit rund einer Million Euro. (wag)


Kontakt zum KIT

Karlsruher Institut für Technologie
Kaiserstraße 12
76131 Karlsruhe
Tel.: +49 721 6080
E-Mail: info@kit.edu
Website: www.kit.edu

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