Strom direkt aus Diesel: CD-Labor soll Brennstoffzellen verbessern

Wenn ein Lastwagen stillsteht und sich der Motor im Leerlauf befindet, dann wird wertvoller Treibstoff verschwendet. Doch oft werden Motoren einfach deshalb laufengelassen, weil die Stromversorgung im Fahrzeug aufrechterhalten werden soll – etwa, damit im Stau die Klimaanlage weiterläuft. Eine Lösung könnten Brennstoffzellen bieten, die aus dem Dieseltreibstoff direkt Strom gewinnen, ohne dass man dafür den Motor und die Lichtmaschine laufen lassen müsste.

Am 21. Jänner 2015 wurde ein Christian-Doppler-Labor eröffnet, das sich der Erforschung solcher Brennstoffzellen widmet. Koordiniert wird es von Martin Bram vom Institut für Energie und Klimatechnik des Forschungszentrums Jülich. Ein Externes Modul des CD-Labors ist an der TU Wien angesiedelt, es wird von Alexander Opitz (Institut für Chemische Technologien und Analytik) geleitet. Als Industriepartner sind die österreichischen Firmen AVL und Plansee am neuen Labor beteiligt.

Strom direkt aus Treibstoff

„AVL List hat bereits sehr erfolgreich ein Brennstoffzellensystem entwickelt, das direkt aus Diesel Strom gewinnt. Der Wirkungsgrad ist dabei deutlich höher als bei der Erzeugung von Strom über die Verbrennung von Diesel im Motor“, erklärt Alexander Opitz. Gerade bei Lastwägen könnte das eine deutliche Ersparnis mit sich bringen, wenn etwa Fernfahrer bei einer längeren Pause im Sommer den Motor nicht mehr laufen lassen müssten, um die Klimaanlage weiter zu betreiben oder elektrische Geräte zu nutzen.

Aus dem Treibstoff wird zunächst mit Hilfe eines Katalysators sogenanntes Synthesegas erzeugt, das hauptsächlich aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid besteht. Daraus kann dann in einem weiteren Schritt mit Hilfe einer Festoxidbrennstoffzelle elektrischer Strom gewonnen werden.

Metall statt Keramik – Österreichisches Wissenschafts-, Forschungs- und Wirtschaftsministerium fördert die Erforschung eines neuartigen Brennstoffzellentyps

Das System von AVL verwendet sogenannte vollkeramische Zellen – die derzeit am besten erforschte und am weitesten entwickelte Bauform von Festoxidbrennstoffzellen. Keramische Materialien sind allerdings sehr spröde, wenn die Zelle in einem Fahrzeug ständig Erschütterungen ausgesetzt wird, könnte das zu Problemen führen.

Abhilfe würde hier der Einsatz von metallgestützten Zellen schaffen. „Plansee hat in den letzten Jahren eine derartige Festoxidbrennstoffzelle entwickelt, diese metallgestützten Zellen liefern auch bereits eine ausreichend hohe Leistung um im AVL-System eingesetzt werden zu können“, sagt Alexander Opitz. Allerdings ist auch die Lebensdauer dieses Brennstoffzellen-Typs derzeit noch begrenzt. „Speziell der im Diesel vorhandene Schwefel ist für die Anoden der metallgestützten Zellen ein Problem. Wir wollen nun einerseits die elektrochemischen Prozesse verstehen, die hinter dieser Schwefelvergiftung stecken und andererseits Materialien entwickeln, die eine verbesserte Schwefelresistenz aufweisen“, sagt Opitz.

Grundlagen teilweise noch nicht erforscht

Der Bau metallgestützter Festoxidbrennstoffzellen ist sehr komplex – verschiedene Komponenten mit ganz unterschiedlichen chemischen Eigenschaften und Aufgaben müssen zusammenspielen. Durch die Einführung des Metallsubstrats musste der komplette Fertigungsprozess neu entwickelt werden, was sich letztlich im Betrieb auch auf das elektrochemische Verhalten der Zellen auswirkt. Viele der einzelnen Prozesse, die in so einer Brennstoffzelle ablaufen, sind heute noch nicht bis ins Detail verstanden. In der Industrie versucht man sie aufgrund von Erfahrungswerten zu optimieren, aber für echte, weitreichende Fortschritte braucht man ein fundamentales Verständnis dieser Vorgänge auf mikroskopischer Skala.

Das Forschungszentrum Jülich hat langjährige Erfahrung im Bau von Brennstoffzellen. An der TU Wien gibt es sehr weit fortgeschrittenes Know-How über die Untersuchung der verschiedenen chemischen Vorgänge an Elektroden. „Unsere Aufgabe an der TU Wien ist es, die elektrochemischen Grundlagen der in Festoxidbrennstoffzellen ablaufenden Prozesse weiter zu erforschen und neue Elektrodenmaterialien zu entwickeln, sodass die Kollegen in Jülich und die Industriepartner unsere Erkenntnisse nutzen und bessere Brennstoffzellen bauen können“, sagt Opitz.

Christian Doppler Labors: Wissenschaft und Unternehmen

Das Christian Doppler Labor für Grenzflächen in metallgestützten elektrochemischen Energiewandlern läuft bereits seit September 2014, nun wurde bei einer Eröffnungsfeier in Jülich der offizielle Startschuss gesetzt. In Christian Doppler Labors wird anwendungsorientierte Grundlagenforschung auf hohem Niveau betrieben, hervorragende WissenschafterInnen kooperieren dazu mit innovativen Unternehmen. Für die Förderung dieser Zusammenarbeit gilt die Christian Doppler Forschungsgesellschaft international als Best-Practice-Beispiel. Christian Doppler Labors werden von der öffentlichen Hand und den beteiligten Unternehmen gemeinsam finanziert. Wichtigster öffentlicher Fördergeber ist das österreichische Bundesministerium für Wissenschaft, Forschung und Wirtschaft (BMWFW).

Rückfragehinweis:
Dr. Alexander Opitz
Institut für Chemische Technologien und Analytik
Technische Universität Wien
Getreidemarkt 9, 1060 Wien
T: +43-1-58801-15860
alexander.opitz@tuwien.ac.at

http://www.tuwien.ac.at/dle/pr/aktuelles/downloads/2015/cdlbrennstoffzelle/ weitere Fotos