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Projekt »KliMEA«

Neue Produktionstechnologie für schwere Nutzfahrzeuge

03. Dezember 2020, 10:36 Uhr   |  Stefanie Eckardt

Neue Produktionstechnologie für schwere Nutzfahrzeuge
© wbk | KIT

Schematische Darstellung der Rolle-zu-Rolle MEA-Fertigung.

Wie lässt sich der CO2-Ausstoß schwerer Nutzfahrzeuge erheblich senken? Das KIT setzt sich im Projekt »KliMEA« mit deren Antrieb sowie der Brennstoffzellentechnologie auseinander und erarbeitet Wege, um die Produktion von Brennstoffzellenkomponenten den zukünftigen CO2-Anforderungen anzupassen.

Um bis zum Jahr 2025 bei schweren Nutzfahrzeugen 15 Prozent CO2-Emissionen und bis 2030 sogar 30 Prozent einzusparen, erscheint die Brennstoffzellentechnologie vielversprechend. Konventionelle Lkw-Antriebsstränge mit Dieselaggregaten sind bereits in hohem Maße optimiert und bieten hier wenig Ausbaupotenzial. Bestehende Lösungen zum batterieelektrischen Antrieb von Pkw lassen sich aber nicht direkt übertragen, weil die benötigte Batterie zu schwer und die Ladezeiten zu lange wären. »„Neben dem Einsatz synthetischer Kraftstoffe sehen wir insbesondere großes Potenzial, wenn das Nutzfahrzeug über eine Brennstoffzelle durch die Nutzung von Wasserstoff mit Energie versorgt wird. Erste Fahrzeuge sind bereits verfügbar, jedoch muss die Brennstoffzellenentwicklung bei einer Einführung bis 2025 deutlich beschleunigt werden. Taktgeber für die Beschleunigung der Brennstoffzellenentwicklung ist die Produktionstechnik«, betont Dr. Nicole Hoffmeister-Kraut, die baden-württembergische Landesministerin für Wirtschaft, Arbeit und Wohnungsbau.

Bei einem Brennstoffzellenfahrzeug genügt zum Antrieb ein leichteres Brennstoffzellensystem, und der benötigte Wasserstoff lässt sich schnell nachtanken. Ein entscheidender Schritt in der Fertigung einer Brennstoffzelle besteht darin, die Membrane Electrode Assembly (MEA) herzustellen und zu verarbeiten. Die MEA ist ein Verbundbauteil, dessen Kernstück die Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) ist. Die PEM ist nur wenige Mikrometer dünn und verändert sich stark, wenn sich die Luftfeuchtigkeit ändert. Dadurch können Beschädigungen, Risse oder Ablösungen entstehen, durch die das gesamte Verbundbauteil nicht mehr nutzbar ist. Aktuell muss, um das zu vermeiden, die gesamte Produktionsfläche klimatisiert und geregelt werden. »Ein solches System zu installieren, erfordert derzeit einen hohen Planungshorizont und verursacht hohe Kosten, sowohl in der Anschaffung als auch im Betrieb. In unserem Forschungsvorhaben KliMEA untersuchen wir daher die Möglichkeiten, das MEA-Verbundbauteil nur lokal in Form eines sogenannten Microenvironments zu klimatisieren. Hierbei wird die PEM an mehreren Stellen unter einer Art Käseglocke gesondert mit dem richtigen Klima an der richtigen Stelle verarbeitet«, so Professor Jürgen Fleischer, Leiter des wbk Instituts für Produktionstechnik am KIT. »Mit diesem Verfahren könnten wir die MEA-Fertigung künftig stückzahlflexibel gestalten, maßgeblich beschleunigen und somit ressourcenschonender und kostengünstiger umsetzen.«

KliMEA steht für »Klimaadaptive und modellgestützte Membrane-Electrode-Assembly-Fertigung«. Das wbk leitet das Projekt mit zwei Fachbereichen. Als Projektpartner untersucht die Arbeitsgruppe Thin Film Technologies (TFT) des KIT vor allem das Feuchtigkeitsaufnahmeverhalten der PEM. Dieses Bauteil beeinflusst das Verhalten der MEA wesentlich. Es wird länger oder kürzer, wenn sich die Luftfeuchtigkeit verändert. Ein Team des wbk untersucht darauf aufbauend in Simulationen genauer, wie sich die Veränderungen der PEM auf die MEA auswirken, um so das nötige Prozesswissen zu erlangen. Mit einem digitalen Zwilling untersucht das zweite Forschungsteam des wbk die Verknüpfung mit der realen Anlage und leitet geeignete Messstrategien ab. Die erhobenen Daten sind entscheidend für die Qualitätssicherung und zugleich für die Rückverfolgbarkeit. Auf dieser Basis lässt sich entscheiden, ob hinsichtlich einer bestimmten Baugruppe ein Risiko besteht und Gegenmaßnahmen ergriffen werden müssen.

Als assoziierter Projektpartner arbeitet Daimler Truck Fuel Cell an der industriellen MEA-Fertigung mit. Zudem unterstützt e-mobil BW das Projekt. Im Rahmen des Strategiedialogs Automobilwirtschaft Baden-Württemberg fördert das Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Wohnungsbau das Forschungsvorhaben bis Ende 2021 mit rund einer Million Euro.

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