Zentrum für
BrennstoffzellenTechnik
ZBT GmbH

ALASKA: Reduzierung des Einflusses von Luftschadstoffen auf Brennstoffzellen

Verbundvorhaben mit Daimler AG, MANN+HUMMEL AG und Forschungszentrum Jülich gestartet

Brennstoffzellenfahrzeuge sind lokal emissionsfrei aber potenziell hohen Schadgasbelastungen ausgesetzt (Bildquelle: Daimler AG)

Mit Kathodenluftfiltern können die Schadgasauswirkungen reduziert werden (Bildquelle: MANN + HUMMEL Innenraumfilter GmbH & Co. KG)

Mobiles Messlabor (FZJ)

Die Reinhaltung der Atemluft ist für uns Menschen eines der wichtigsten Ziele für die Erhaltung unserer Gesundheit und Lebensqualität. Hierfür werden seit Jahrzehnten nicht nur in Deutschland umfangreiche Anstrengungen vorgenommen, die auch vielfach zu einer sehr deutlichen Verbesserung unserer Lebensqualität geführt haben. Feinstaub und Schadgase wurden in der Umgebungsluft in Deutschland wesentlich gesenkt, trotzdem sind weitere Maßnahmen zur weiteren Verringerung der Belastung notwendig und bereits eingeleitet. Dies gilt insbesondere auch für aufstrebende Industrienationen wie China und Indien, die in Sachen Luftreinhaltung noch großen Nachholbedarf haben. Auch der zukünftige verstärkte Einsatz elektromotorisch angetriebener Fahrzeuge auf Basis von Brennstoffzellen ist ein Baustein für die Verbesserung der Luftqualität, gleichzeitig reagieren Brennstoffzellen aber sensibel auf Luftschadstoffe. Um dieses Paradoxon zu lösen haben sich die Daimler AG, MANN+HUMMEL Innenraumfilter GmbH & Co. KG und das Forschungszentrum Jülich GmbH unter Führung des Duisburger Zentrums für BrennstoffzellenTechnik (ZBT GmbH) in einem Verbundvorhaben zusammengeschlossen. Das Projekt „ALASKA: Auswertung von Luftschadstoffszenarien zur Auslegung von Schadgasfiltern und Kathodenregenerationszyklen für Automotiv-Brennstoffzellen“ wird seit Dezember 2014 vom Bundeswirtschaftsministerium unterstützt, das Synonym „ALASKA“ steht dabei auch für sehr saubere Luft bei gleichzeitig lokal sehr hohen Belastungen.

Gesamtziel des Vorhabens ist die Evaluation von Luftfiltern gegen Schadgase zum Einsatz in automobilen Brennstoffzellenanwendungen und die Optimierung der Betriebsstrategie der Brennstoffzellen hinsichtlich der Regeneration bei Schadgaseintrag. Entscheidende Informationen hierfür liegen zunächst aber in der Ermittlung tatsächlich relevanter Belastungsszenarien für die Filter und die Brennstoffzellen: Je nach Schadgas ist weniger die Grundbelastung der Umgebungsluft entscheidend sondern kurzfristige Spitzen, wie sie beispielsweise durch vorausfahrende Fahrzeuge oder in Tunneln auftreten können. Solche Zusammenhänge zu erforschen ist Aufgabe des Instituts für Energie- und Klimaforschung: Troposphäre am Forschungszentrum Jülich, die mit Messfahrten diese Zusammenhänge auflösen werden. Am Duisburger Zentrum für BrennstoffzellenTechnik werden dann auf Basis dieser Daten die Schädigungsauswirkungen von Grund- und Spitzenbelastungen einzelner Gase und Misch-Belastungen analysiert, die MANN+HUMMEL Innenraumfilter GmbH & Co. KG wird kostenoptimierte Filter und Filterwartungsstrategien entwickeln. Die Daimler AG wiederum wird spezielle Schadgasszenarien an großen Brennstoffzellenstacks nachbilden und untersuchen, um auch Unterschiede zwischen Labortestzellen und realen Automotivstacks aufzudecken. Zusätzlich wird die Daimler AG gemeinsam mit dem ZBT Strategien erarbeiten, wie die Brennstoffzellensysteme zum Beispiel bei nicht zu filternden Schadstoff-Belastungen regeneriert und optimiert betrieben werden können.

Als Ergebnis aus dem Projekt wird erwartet, dass sowohl im Bereich der Filtertechnik für Luftversorgung von Brennstoffzellen als auch für die Markteinführung von BZ Fahrzeugen wesentliche Fortschritte auch hinsichtlich der Langlebigkeit und damit Kundenakzeptanz erreicht werden.

Die Partner:

ZBT GmbH

ZBT ist gemeinnütziger Forschungs- und Entwicklungsdienstleister mit Schwerpunkt auf die Themenfelder (PEM-)Brennstoffzellen, Wasserstofftechnik und Batterietechnik. Ein wichtiger Forschungsschwerpunkt ist hierbei der Einfluss von Schadgasen auf die Anode und die Kathode der PEM-Brennstoffzelle. Durch umfangreiche Projektarbeiten seit 2007 ist das ZBT international als eine führende Institution insbesondere hinsichtlich Fragestellungen kathodenseitig eingetragener Schadstoffe ausgewiesen. In verschiedenen öffentlich geförderten Projekten und in bilateralen Vorhaben mit Industriepartnern wurden wichtige wissenschaftliche Erkenntnisse erarbeitet. In einem parallelen Vorhaben werden beispielsweise aktuell die besonderen Auswirkungen von Luftschadstoffen auf stationäre HT-PEM Brennstoffzellen untersucht.

 

Daimler AG

Die Daimler AG befasst sich als einer der Pioniere auf diesem Gebiet seit vielen Jahren in Forschung und Entwicklung mit alternativen Antrieben, insbesondere auf Basis Brennstoffzellenantrieb. Für die Zielerreichung ist dabei nötig, die Reichweite und Lebensdauer der  Antriebssysteme deutlich zu erhöhen und gleichzeitig die Kosten stark zu senken. Ein Weg der Kostensenkung ist dabei die Verringerung der Katalysatorbeladung um den Platineinsatz zu reduzieren. Durch die verringerte Katalysatorbeladung des Stacks werden aber die schädigenden Einflüsse auf das BZ-System von außen, insbesondere auch durch die Umgebungsbedingungen, immer entscheidender.

 

Forschungszentrum Jülich

Die Forschungszentrum Jülich GmbH (FZJ) betreibt, gestützt auf die Schlüsselkompetenzen Physik und Supercomputing, interdisziplinäre Forschung in den Bereichen Gesundheit, Energie und Umwelt sowie Information. Das Institut für Energie- und Klimaforschung untersucht moderne Energieumwandlungstechniken im Rahmen des Klima- und Umweltschutzes unter Berücksichtigung der beschlossenen Energiewende und betrachtet daher umfassend die Folgen der Energienutzung und der einhergehenden Emissionen. Das Institut IEK-8 untersucht die physikalischen und chemischen Prozesse der Troposphäre,

welche die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre wesentlich beeinflussen. Dazu gehören die Freisetzung (Emission) von Spurenstoffen aus Bodenquellen, Verkehr und Industrie, die chemische Umwandlung von Spurenstoffen in der Atmosphäre und die Verteilung von Schadstoffen durch Transport.

 

MANN+HUMMEL Innenraumfilter GmbH & Co. KG

MANN+HUMMEL ist ein weltweit führender Filtrationsspezialist und Serienlieferant der internationalen Automobil- und Maschinenbauindustrie. Als hundertprozentiges Tochterunternehmen besitzt die MANN+HUMMEL Innenraumfilter GmbH & Co. KG langjährige Erfahrung auf dem Gebiet der Schadgasadsorption und weit reichende Kompetenzen beim Einsatz und der Verarbeitung von Aktivkohle in Filtrationsanwendungen für Automotive- und Spezialanwendungen wie beispielsweise Pestizidfilter für Agrarfahrzeuge. Als aktiver Teilnehmer zahlreicher Forschungs- und Entwicklungsprojekte wurden umfangreiche Labor- und Feldversuche durchgeführt. Weitere Entwicklungs- und Feldtesterfahrungen konnten auf dem Gebiet der stationären Brennstoffzellensysteme gesammelt werden. Für ein innovatives Rundfilterkonzept wurde das Unternehmen im Jahr 2013 zudem mit dem ersten Preis beim f-cell Award in der Kategorie „Classic“ ausgezeichnet. Außerdem werden im Zuge diverser interner Innovationsprojekte die bestehenden Filterkonzepte kontinuierlich weiterentwickelt.