Den von uns entwickelten Medienspaltmotor wollen wir künftig nicht nur zur elektrischen Unterstützung von Turboladern für Verbrennungsmotoren nutzen, sondern auch für Wasserstoffanwendungen.
In einem Kooperationsprojekt „Rezirkulationsgebläse-Entwicklung für die Brennstoffzellentechnologie“ (REZEBT) werden wir diese Entwicklung zusammen mit dem Institut für Turbomaschinen und Fluid-Dynamik (TFD) an der Leibniz Universität Hannover (LUH) und dem Zentrum für BrennstoffzellenTechnik GmbH (ZBT), Duisburg, bis zum Jahr 2022 umsetzen. G+L innotec hat die Projektleitung inne und wird auf Basis des Medienspaltmotors ein kosteneffizientes und funktionssicheres Rezirkulationsgebläse entwickeln, konstruieren und umsetzen.
Für das Projekt gewährt das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) Fördermittel im Rahmen des Programms „Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM)“.
Konventionelle Elektromotoren haben einen möglichst kleinen Spalt. Unser Medienspaltmotor hat dagegen einen großen Spalt zwischen Magnet und Spule, um das Medium direkt durch den Motor zu leiten und ihn damit gleichzeitig zu kühlen. Dadurch hat der Medienspaltmotor eine außergewöhnlich hohe Effizienz bei hohen Drehzahlen. Dies wird den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle optimieren und ihre Lebensdauer signifikant verlängern.
Die Brennstoffzelle wandelt Wasserstoff in elektrischen Strom und Wasser um. Sie besteht aus zwei Teilen: einer Anode und einer Kathode, die durch eine Membran getrennt sind. Bei der Anode wird Wasserstoff eingeblasen. Der Wasserstoff gibt seine Elektronen ab und wandert als positiv geladenes Wasserstoffatom (H+) durch die Membran zur Kathode, wo es sich mit Sauerstoff (O2) zu Wasser (H2O) verbindet. Strom wird durch die freigewordenen Elektronen des Wasserstoffs erzeugt, die von der Anode zur Kathode wandern bzw. dorthin gezogen werden. Wasser ist damit die einzige Emission der Brennstoffzelle.
Der Wasserstoff, der aus dem Tank in die Anode fließt, wird nicht immer vollkommen umgesetzt. Auch bilden sich in der Anode Stickstoff und Wasser. Beides muss aus der Brennstoffzelle ausgeblasen werden, um Platz für den Wasserstoff zu machen, eine effiziente Reaktion zu ermöglichen oder die sensible Membran der Brennstoffzelle nicht zu schädigen (Frostschutz, Lebensdauer). Darum wird auf der Anode ein Kreislauf installiert, der zum einen den unbenutzten Wasserstoff wieder der Anode zuführt und ihn damit vollständig nutzt, zum anderen um den Stickstoff und das überschüssige Wasser aus der Zelle auszublasen.
Bisher werden hierfür meist einfache Strahlpumpen eingesetzt, die eine Zirkulation antreiben. Allerdings arbeiten diese nur im Nennbereich, also meist nur unter Volllast effizient. Bei Start-Stopp-Anwendungen wird deshalb mehr Wasserstoff verbraucht als für die Stromgewinnung nötig wäre. Das Rezirkulationsgebläse auf Basis des Medienspaltmotors kann dagegen immer dann zugeschaltet werden, wenn die Strahlpumpe keine ausreichende Leistung bringt oder die Brennstoffzelle freigeblasen werden muss. Diese Lösung bietet gleich mehrere entscheidende Vorteile:
- Der Wasserstoff ist im Rezirkulationsgebläse auf der Basis des Medienspalts hermetisch gekapselt und kommt nach außen ohne Dichtungen aus. Das ist nicht nur sicherheitstechnisch ein bedeutender Zugewinn, sondern reduziert auch die Herstellkosten deutlich.
- Der Wasserstoff kühlt den Motor von innen und kann die Effizienz des Rezirkulationsgebläses signifikant steigern, weil Magnet- und Kupferverluste stark minimiert werden.
- Der Rezirkulationskreislauf lässt sich präzise und in Abhängigkeit des Leistungsbedarfs steuern, das senkt den Wasserstoffverbrauch der Brennstoffzelle.
- Stickstoff und Feuchtigkeit können zuverlässig abgesaugt werden. Die Lebensdauer der Brennstoffzelle wird damit erhöht.
- Herkömmliche Pumpenlösungen weisen aufgrund ihres Designs Nachteile auf, die nur mit zusätzlichen Investitionen in den Anodenkreislauf umgangen werden können.
Das jetzt in Angriff genommene Projekt konzentriert sich auf das Rezirkulationsgebläse. Der Medienspaltmotor kann aber auch als hocheffizienter elektrischer Verdichter die Luftversorgung auf der anderen Seite der Brennstoffzelle übernehmen, um Luft in die Kathode hinein und Wasser heraus zu befördern.
Links: