Brennstoffzellen

Meinolf Droege,

Neue Produktionstechnologie für Nutzfahrzeuge

Um das EU-Klimaziel, den CO2-Ausstoß neuer Pkw bis 2030 um 37,5 Prozent zu senken, soll in fünf Jahren auch auf schwere Nutzfahrzeuge ausgedehnt werden. Weitere Verschärfungen der Ziele werden in der EU diskutiert. Forscherinnen und Forscher das Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) setzen sich im Projekt Klimea mit dem Antrieb schwerer Nutzfahrzeuge sowie der Brennstoffzellentechnologie auseinander und erarbeiten Wege, um künftig die Produktion von Brennstoffzellenkomponenten den neuen Anforderungen anzupassen.

Energieträger Wasserstoff: Forscher des KIT wollen die Vorteile von Brennstoffzellen auch für schwere Nutzfahrzeuge erschließen. © KIT

2019 wurden etwa 410 000 Nutzfahrzeuge, davon knapp 39 000 Sattelzugmaschinen in Deutschland zugelassen, für die bisher keine CO2-Flottenminderungsziele galten. Forscherinnen und Forscher das Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) setzen sich im Projekt Klimea mit dem Antrieb schwerer Nutzfahrzeuge sowie der Brennstoffzellentechnologie auseinander und erarbeiten Wege, um künftig die Produktion von Brennstoffzellenkomponenten den neuen Anforderungen anzupassen.

Um bis zum Jahr 2025 bei schweren Nutzfahrzeugen 15 Prozent und bis 2030 30 Prozent CO2-Emissionen einzusparen, erscheint die Nutzung von Wasserstoff mit der Brennstoffzellentechnologie vielversprechend. Erste Fahrzeuge sind bereits verfügbar, jedoch muss die Brennstoffzellenentwicklung bei einer Einführung bis 2025 deutlich beschleunigt werden.

Schematische Darstellung der Rolle-zu-Rolle MEA-Fertigung. © KIT

Ein entscheidender Schritt in der Fertigung einer Brennstoffzelle besteht darin, die „Membrane Electrode Assembly“ (MEA) herzustellen und zu verarbeiten. Sie ist ein Verbundbauteil, dessen Kernstück die Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) ist. Die PEM ist nur wenige Mikrometer dünn und verändert sich stark, wenn sich die Luftfeuchtigkeit ändert. Das kann Beschädigungen, Risse oder Ablösungen verursachen, mit denen das gesamte Verbundbauteil nicht mehr nutzbar ist. Aktuell muss, um dies zu vermeiden, die gesamte Produktionsfläche klimatisiert und geregelt werden. Ein solches System zu installieren, verursacht hohe Investitions- und Betriebskosten. Im Forschungsvorhaben Klimea werden Möglichkeiten gesucht, das MEA-Verbundbauteil nur lokal in Form eines Microenvironments zu klimatisieren. Hierbei wird die PEM an mehreren Stellen unter einer Art Käseglocke gesondert mit dem richtigen Klima an der richtigen Stelle verarbeitet. Mit diesem Verfahren könnte die MEA-Fertigung künftig stückzahlflexibel, schneller, ressourcenschonender und kostengünstiger werden.

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Klimea – Ziele und Partner

Das Akronym steht für Klimaadaptive und modellgestützte Membrane-Electrode-Assembly-Fertigung. Als Projektpartner untersucht die Arbeitsgruppe Thin Film Technologies (TFT) des KIT vor allem das Feuchtigkeitsaufnahmeverhalten der PEM. Mit einer einer betriebsbegleitenden Simulation untersucht das zweite Forschungsteam 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).

Als assoziierter Projektpartner bringt die Daimler Truck Fuel Cell ihr Wissen zur industriellen MEA-Fertigung ein. Die E-Mobil BW unterstützt das Projekt mit ihrer Kompetenz aus dem Management des Clusters Brennstoffzelle Baden-Württemberg. Im Rahmen des Strategiedialogs Automobilwirtschaft Baden-Württemberg fördert das Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Wohnungsbau das Forschungsvorhaben bis Ende 2021 mit rund einer Million Euro.

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