Für den klimaneutralen Antrieb auf der Straße, auf der Schiene, im Wasser und in der Luft auf der Basis von Wasserstoff und Brennstoffzellen (BZ) liegt eine zentrale Herausforderung darin, die Leistung von Brennstoffzellensystemen aus dem Kilowattbereich in den Megawattbereich hochzuskalieren und die spezifische Leistung (in Kilowatt pro Kilogramm) deutlich zu steigern. Diese Herausforderung ist für zweidimensionale Energiewandler wie Brennstoffzellen wesentlich schwieriger als für dreidimensionale Energiewandler wie Gasturbinen. Während eine Gasturbine durch Multiplikation aller Abmessungen mit einem Maßstabsfaktor beliebig hochskaliert werden kann, würde eine dergestalt vergrößerte Brennstoffzelle nicht funktionieren. Dies liegt an nichtlinearen Skalierungseffekten elektrochemischer Prozesse, hydraulischer Widerstände sowie von Verbiegungs- und Abdichtungseffekten. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) besitzt aus seiner langjährigen Brennstoffzellenforschung Spezialkompetenzen auf den Gebieten Versteifungsstrategien von Bipolarplatten, Strömungskontrolle und Zelldesign, aus denen im vorliegenden Projekt erfolgversprechende Skalierungsstrategien abgeleitet und in Mobilitätsanwendungen demonstriert werden können.
Im Projekt PEMScale1.5 entwickelt das DLR Konzepte für ein Wasserstoff-Brennstoffzellen-System, das in Transportsystemen wie Schiffe, Züge, Flugzeuge eingesetzt werden soll. In diesem Kontext befasst sich das Projekt mit den Herausforderungen von Brennstoffzellensystemen und dessen Komponenten für den Einsatz in den genannten Schwerlastanwendungen. Dies erfolgt in Kooperation von neun DLR-Instituten aus den Forschungsbereichen Energie, Verkehr und Luftfahrt. Das Hauptziel ist die Entwicklung eines Leitkonzepts als Vorbereitung für eine praktische Realisierung eines generischen, integrierten BZ-Systems mit einer Leistung von bis zu 1,5 Megawatt. Hierbei besteht ein enger Austausch zwischen der Erarbeitung eines generischen BZ-Systems und spezifischen Anforderungen für Schiffe, Züge, Nutzfahrzeuge und Flugzeuge.
Projekt-Ziele
Erarbeitung eines Konzepts eines Brennstoffzellenstapels (Stacks) und Systems für Antriebsstränge mit einer Leistung von bis zu 1500 Kilowatt. Damit ein Brennstoffzellenstack betrieben werden kann, ist ein sogenanntes System notwendig, das aus Komponenten besteht, die die Wasserstoffversorgung, die Luftversorgung, den Kühlkreislauf sowie das Energiemanagement-System bilden und sowohl an die Anforderungen der Anwendung als auch an die Größe des Stacks angepasst werden müssen.
Definition von Anforderungen an Brennstoffzellen für den Einsatz in Lastwagen
Definition von Anforderungen von Brennstoffzellen für Bahnanwendungen
Spezifikationen für Schiffsanwendungen und Testinfrastruktur für 1,5 Megawatt Leistung
Gesamtkonzept eines flugtauglichen Antriebs unter Berücksichtigung von Brennstoffzellen
Konzept einer Docking-Station für Sektorenkopplung, das bedeutet die Integration der Brennstoffzellen- und Wasserstofftechnologien in das Energiesystem (Gebäude, Quartiere, Städte, …) über sogenannte Docking-Stationen
Projekt PEMScale 1.5 – Konzept zur Entwicklung eines skalierbaren Brennstoffzellensystems für Land, Wasser und Luft im Megawattbereich
