Fahrzeugtechnologien, MdZ 5. Ausschreibung (2014)

MeStREx

Metallischer Stack für Range Extender

Die geringe Reichweite aktueller Batteriefahrzeuge und die damit verbundene eingeschränkte Nutzbarkeit für viele potentielle Endkunden ist ein viel diskutiertes Thema und sicherlich ein wesentlicher Grund für die bislang geringe Verbreitung elektrisch angetriebener Fahrzeuge. Für das im folgenden beschrieben Forschungsvorhaben „MeStREx“ hat sich ein Konsortium aus zwei führenden österreichischen Technologieunternehmen (Plansee SE, AVL List GmbH), zwei renommierten Universitätsinstituten (TU Graz ICVT und IWT), einem hochinnovativen Kleinunternehmen (Phystech Coating GmbH) sowie einem weltweit erfolgreichen Automobilhersteller (Nissan Motors Limited) gebildet, um einenneuen Lösungsansatz für diese Reichweitenproblematik zu entwickeln.

Auf Basis von Hochtemperaturbrennstoffzellen (solid oxide fuel cell – SOFC) mit einer metallischen Tragstruktur soll ein System entwickelt werden, welches Treibstoffe auf Ethanolbasis hocheffizient in elektrischen Strom umwandelt. Mit diesem System soll das Batteriepaket an Bord eines Fahrzeuges kontinuierlich nachgeladen werden, um die Reichweite zu verlängern (sog. Range Extender), und das mit einem Wirkungsgrad, der deutlich über jenem anderer Range Extender Konzepte liegt.

Das geplante Vorhaben MeStREx (Metallischer Stack als Range Extender) behandelt als Leitprojekt das Thema Fahrzeugtechnologien mit dem Schwerpunkt Wasserstoff und Brennstoffzellen. Elektrofahrzeuge stellen eine hochinteressante Alternative zu konventionellen Fahrzeugkonzepten dar, sind allerdings aufgrund ihrer geringen Reichweite und der im Verhältnis langen Ladezeit für viele Kundengruppen nicht alltagstauglich. Systeme zur Reichweitenverlängerung, sog. Range Extender werden als Option betrachtet, um neue Märkte für Elektrofahrzeuge zu erschließen. Im Rahmen des Entwicklungsvorhabens „MeStREx“ soll ein hocheffizientes Range Extender System auf Basis einer Hochtemperaturbrennstoffzelle (SOFC) entwickelt werden, welches mit CO2-neutralen, Ethanol-basierten Kraftstoffen betrieben werden kann. In dieser ersten Phase soll ein 5 kW System von Grund auf neu entwickelt werden, um Erkenntnisse zur technischen Realisierbarkeit zu gewinnen. Eine spätere Produktentwicklung zielt auf größere Leistungsklassen von ca. 30kW ab.

Um eine fokussierte und zielgerichtete Entwicklung zu gewährleisten wurde ein eigenes Arbeitspaket „AP1, Lastenheft“ formuliert. Zu Projektbeginn sollen bereits alle bekannten Anforderungen an das System und dessen Komponenten, aber auch die notwendigen Testbedingungen festgehalten werden. Darüber hinaus sind regelmäßige Risikoanalysen geplant. „AP2, Zelle“ beschäftigt sich mit der Weiterentwicklung der metallisch gestützten SOFC (metal supported cell – MSC), die insbesondere für die mobile Anwendung signifikante Vorteile birgt. Elektrochemische Untersuchungen einschließlich impedanzspektroskopischer Analysen sollen die Grundlage für eine gezielte Verbesserung der Zellperformance bilden. Außerdem müssen die Zellen auf einem neuen Design entwickelt und deren Qualität abgesichert werden. Letztlich muss auch die Prozessstabilität der Fertigungsschritte sowie deren Wechselwirkungen wissenschaftlich untersucht und verbessert werden, um eine fundierte Ausgangslage für die erforderliche Steigerung der Zellmengen zu bilden. „AP3, Repeat Unit“ und „AP4, MSC Stack“ bilden einen Entwicklungsschwerpunkt des MeStREx-Projektes. Sie befassen sich mit der schweißtechnischen Integration der MSC in eine metallische Repeat Unit bzw. die Assemblierung dieser zu einem Stack. Die schweiß-technische Integration erfordert umfangreiche Versuche, unterstützt durch Simulationen, um eine verzugsarme Integration ohne eine Schädigung der keramischen Funktionsschichten zu gewährleisten. Für die Assemblierung der Wiederholeinheiten in einem Stack müssen geeignete Werkstoffe für Dichtung und Kontaktierung ausgewählt werden. Ein Fügekonzept, welches zu den Eigenschaften der MSC und den verwendeten Stackbaumaterialien passt, ist zu entwickeln.

Die Leistungsfähigkeit der Stacks soll, ebenso wie die der Repeat Units, mit verschiedenen Betriebsgasen bewertet werden. In „AP5, Stackmodul“ wird die wichtige Schnittstelle zwischen MSC-Stack und dem System bearbeitet. Ein geeignetes Spannkonzept ist für dieses neuartige Stackdesign ebenso erforderlich wie eine optimal ausgelegte Strömungs-verteilung und Isolation des Moduls. Der zweite Entwicklungsschwerpunkt des MeStREx-Projektes liegt in „AP6, System“. Die Systemanforderungen für einen SOFC Range Extender sind vor allem in Hinsicht auf Leistungsdichte, Effizienz, dynamischen Betrieb und Schnellstartfähigkeit wesentlich herausfordernder als der erreichte Stand der Technik. In diesem Arbeitspaket werden daher neuartige Verfahren (Schnellstart, hocheffiziente Reformierung, Regenerationsverfahren,…) und die Systemarchitektur für einen Betrieb mit Ethanol-basiertem Brennstoff, sowie die entsprechend notwendigen Komponenten in Hardware, entwickelt und auch getestet. Eine völlig neue Herausforderung ist auch die Gestaltung der Anbindung an ein Elektrofahrzeug. „AP7, Technologievalidierung“ hat prinzipielle Eignungstests des neuen Range Extender Systems an Bord eines Versuchs-trägers zum Ziel. Dazu werden Kurzzeittests in realer Prüfumgebung vorgenommen.

Im Projekt MeStREx sind die grundlegenden Forschungs- und Entwicklungsthemen für ein MSC-System in der Range Extender Anwendung formuliert, welche durch Methoden eines frühen Produktentwicklungsstadiums, wie die Erstellung des Lastenheftes und die Techno-logie Validierung, flankiert werden. Demnach ist der Schwerpunkt des Vorhabens in der Rubrik „industrielle Forschung“ zu sehen, die begleitenden Maßnahmen liegen im Bereich der „experimentellen Entwicklung“.

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