FFAE

Durch die Nutzung des energetischen Potenzials der Druckdifferenz zwischen dem Drucktank und des Wasserstoffverbrauchers (z.B. der Brennstoffzelle) kann gezielt Wärme gepumpt oder Kälte erzeugt werden. Dies wird durch den Einsatz der Metallhydrid-Kältemaschine ermöglicht. Der Wasserstoff wird dabei nicht verbraucht, sondern vollständig wieder an die Brennstoffzelle abgegeben.

Wird der Wasserstoff aus dem Tank in den Metallhydrid-Reaktor geleitet, verbindet sich der gasförmige Wasserstoff mit dem Metall und der Reaktor erwärmt sich. Im Anschluss erfolgt die Abgabe des Wasserstoffs auf niedrigem Druckniveau an die Brennstoffzelle, wodurch dem System Wärme entzogen und Kälte erzeugt wird. Dieses Prinzip ermöglicht eine quasikontinuierliche Kühlung durch den Einsatz von zwei Reaktoren. Zudem kann das System im Winter umgeschaltet werden, sodass ein zusätzlicher Heiznutzen entsteht.

Ein Fokus der Arbeiten ist die Entwicklung von hochleistungsfähigen Reaktoren als Kern des Systems. Diese werden als Leichtbauteile und unter Berücksichtigung einer späteren Serienfertigung über additive Fertigung hergestellt. Dadurch wird die 3-fache spezifische Leistung im Vergleich zum Stand der Technik erreicht.

In Zusammenarbeit mit dem DLR-Institut für Fahrzeugtechnologie wird die Integration des Systems in verschiedenen Fahrzeuganwendungen für Straße und Schiene über Simulationen sowie ein Hardware-in-the-loop System untersucht. Es zeigen sich Reichweitenerhöhungen von bis zu 20%. Aktuelle Arbeiten fokussieren die Integration in Lastwagen mit Kühl-Auflieger sowie die Demonstration in einem Schienenfahrzeug mit 5 kW_Kälte auf TRL6 in 2026.

Bidirektionale Temperaturstabilisierung zur Erhöhung der Lebensdauer von Brennstoffzellen

Die Lebensdauer von Brennstoffzellen wird bei jeder Abweichung der Temperatur von der optimalen Betriebstemperatur negativ beeinflusst. Dies können zum einen Temperaturschwankungen des Kühlmittels während des Betriebs auf Grund von Berg- und Talfahrten sein. Zum anderen treten starke Temperaturabweichungen bei einem Kaltstart auf.

Im Rahmen des Projekts wird eine Temperaturkontrolleinheit (TCU) auf Basis von Metallhydriden entwickelt, durch die beide Situationen verbessert werden können.

Zur Temperaturstabilisierung wird die TCU als bidirektionaler „Thermal Capacitor“ auf Basis von Metallhydriden in den Kühlmittelkreislauf integriert. Dieses System ermöglicht eine effiziente Stabilisierung der Betriebstemperatur, indem es gezielt je nach Bedarf Wärme einspeichert oder abgibt. In institutsübergreifender Zusammenarbeit werden relevante Temperaturprofile für Brennstoffzellen ermittelt und die Temperaturstabilisierung nachgewiesen. Die experimentell gewonnen Daten werden für Simulationen genutzt, um das Verbesserungspotential in Bezug auf die Alterung der Brennstoffzelle unter den spezifischen Lastprofilen aufzuzeigen.

Das TCU kann ebenfalls als Thermischer Booster bei sogenannten Froststart- Szenarien Abhilfe schaffen. Die Reaktion zwischen Metallhydrid-Wasserstoff kann bereits bei Temperaturen von -40 °C in wenigen Sekunden ablaufen und ist zudem stark exotherm. Durch die Kombination dieser beiden einzigartigen Eigenschaften ist es möglich, einen energieeffizienten Heizer zu entwickeln, der bei Temperaturen unter -20 °C funktioniert. Dies ist ein Alleinstellungsmerkmal im Vergleich zu konventionellen, elektrischen Heizern und der katalytischen Verbrennung von Wasserstoff. In Experimenten wurden Leistungsdichten von 3 kW/kg_MH bei -40 °C und 8 bar Wasserstoffdruck nachgewiesen. In Zusammenarbeit mit dem DLR-Institut für Fahrzeugkonzepte wurden die Reaktoren in ein Gesamtsystem mit Brennstoffzelle integriert, um die signifikanten Effekte auf eine reduzierte Eisbildung und somit eine Erhöhung der Lebensdauer nachzuweisen.

Thermische Kontrollkomponente zur adaptiven Dämmung

Das Thermomanagement im Fahrzeug umfasst nicht nur die aktive Heizung oder Kühlung der Kabine oder der Bauteilkomponenten, sondern die Einbindung bestehender Wärmeflüsse. Hierfür notwendig sind thermische Kontrollkomponenten, dazu zählen beispielsweise adaptive Dämmpaneele. Diese können durch ihre regelbare Dämmwirkung die Bedarfe für aktive Technologien signifikant reduzieren und somit Energie einsparen. Ein Beispiel, das im Rahmen des Projekts FFAE betrachtet wird, ist hierbei die adaptive Dämmung einer Fahrzeugbatterie.

Eine solche adaptive Dämmung ermöglicht eine Einhausung der Batterie, die je nach Temperatur der Batterie und Wärmeentwicklung, die Wärme abführt oder nicht. Dieses Konzept kann zum einen die optimale Temperaturregelung der Batterie verbessern. Zum anderen kann überschüssige Wärme bei Bedarf in die Kabine geleitet werden und somit analog zu einer Fußbodenheizung einen effizienten Beitrag zum Komfort der Passagiere leisten.

Ein zentraler Bestandteil dieses Ansatzes ist die Entwicklung eines dynamischen Wasserstoff-Druck-Reglers auf Metallhydridbasis, der eine präzise Einstellung des Gasdrucks im Bereich von 1 und 1000 mbar in einem offenporigen Dämmpaneel ermöglicht. Dadurch kann die Wärmeleitfähigkeit aktiv angepasst und je nach Bedarf um einen Faktor von größer 10 reguliert werden. In Zusammenarbeit mit dem DLR-Institut für Werkstoffforschung wird die Synthese eines aerogelbasierten Dämmkerns mit definierten Porengrößen vorangetrieben, um die Effizienz und Dynamik zu steigern. Im Projekt ReVaD kommt das Funktionsprinzip im Gebäudesektor für adaptive Fassaden und einer gezielten thermischen Bauteilaktivierung zum Einsatz.

Keramische Wärmespeicher für mehr Reichweite

Bei strengem Frost verringert sich die Reichweite von Elektrofahrzeugen bis auf die Hälfte. Denn auch die Heizung von Elektrofahrzeugen funktioniert mit Strom aus der Fahrzeugbatterie. Wärmespeicher statt elektrische Heizungen zu verwenden hat einen großen Vorteil: statt einfach größere Fahrzeugbatterien für mehr Heizleistung einzubauen, können Wärmespeicher bei gleicher Größe mehr Energie speichern und somit die Effizienz von Elektrofahrzeugen steigern. Hinzu kommt, Wärmespeicher sind kostengünstig, die verwendeten Materialien lassen sich umweltfreundlich recyceln und die Wärmespeicher selbst sind sehr gut skalierbar.

Die Wärmespeicher werden dabei vor der Fahrt elektrisch aufgeheizt, um unterwegs den Innenraum zu wärmen. Als Speichermedium lassen sich Keramiken nutzen: bis zu 900 °C heiß wird der Wärmespeicher im Innern. Die Wärme steckt in einer wabenförmigen Keramikstruktur mit vielen millimetergroßen Röhrchen. Mit einer leistungsstarken Widerstandsheizung wird der Wärmespeicher in weniger als 20 Minuten aufgeheizt. Ein geregelter Luftstrom durch die feinen Röhrchen transportiert dann während der Entladung die Wärme ins Fahrzeuginnere. Damit lässt sich die Heizleistung und die Temperatur während der Fahrt nach Bedarf einstellen.