Innovatives Thermomanagement in Brennstoffzellen-Luftverdichtern

Brennstoffzellensysteme spielen für die Dekarbonisierung eine maßgebliche Rolle, vor allem in Nutz- und Luftfahrzeugen, welche leichte Energiespeicher mit hoher Kapazität und möglichst geringem Gewicht erfordern. Eine Anwendung in der Luftfahrt ist beispielsweise die Substitution von Hilfstriebwerken. Im Projekt HABICHT wird eine deutliche Erhöhung der System-Leistungsdichte anvisiert, mit Fokus auf der Drehzahlmaximierung des elektrischen Antriebes des Turboverdichters, welcher der Luftzufuhr zur Brennstoffzelle dient. Dies gelingt durch ein innovatives Thermomanagement in Bezug auf Kühlungsdesign und Materialien.

Das Projekt HABICHT strebt die Entwicklung eines elektrischen Hochdrehzahlantriebs für Brennstoffzellen-Luftverdichter mit einem bislang nicht erreichten Leistungsgewicht an. Damit werden direkt Anwendungen adressiert, z.B. im Bereich der Luftfahrt, in der jedes zusätzliche Gewicht über Erfolg- und Misserfolg einer neuen Technologie entscheidet. Der typischerweise elektrisch angetriebene Luftverdichter dient der Zuführung des im Brennstoffzellensystem benötigten Sauerstoffs und beeinflusst damit direkt dessen Wirkungsgrad. Ziel ist es, durch eine Erhöhung der Leistungsdichte auf 30 kW/Kg eine deutliche Verbesserung zum gegenwärtigen Stand der Technik zu realisieren. Am Projekt beteiligt sind, neben dem Fraunhofer LBF folgende weitere Fraunhofer-Institute beteiligt: das Fraunhofer

• IISB (Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie), welches sich mit der Auslegung des Gesamtsystems befasst
• IFAM (Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und angewandte Materialentwicklung) mit Fokus auf der Rotorentwicklung  
• SCAI (Fraunhofer-Institut für Algorithmen und Wissenschaftliches Rechnen), welches die multiphysikalische Simulation des Gesamtsystems vornimmt.

Unterstützt wird das Konsortium durch einen Projektbeirat, der sich aus industriellen Anwendern, Material- und Prozesslieferanten zusammensetzt.

Entwicklung eines neuen, großserientauglichen Kühlkonzeptes

Der Schwerpunkt des LBF ist eine optimierte Entwärmung im Statorbereich. Dies beinhaltet die Kühlung des Statorblechpakets und der Wicklung inkl. der Wickelköpfe. Die anvisierte drastische Erhöhung der Leistungsdichte hat direkt zur Folge, dass die durch die Verlustleitung erzeugte Wärme, aus einem sehr kompakten Antrieb verlässlich abgeführt werden muss. Aktuelle Lösungen reichen zur Kühlung eines solchen Hochleistungstriebwerks nicht aus. Die Entwicklung eines neuen Kühlkonzeptes, welches unterschiedliche Aspekte der Entwärmung kombiniert, ist daher erforderlich. Gleichzeitig muss ein solches Kühlkonzept großserientauglich umgesetzt werden können und während der Nutzungsphase des Antriebs verlässlich funktionieren.
Das Fraunhofer LBF fokussiert sich in diesem Projekt auf die Kühlung des Stators. Dies beinhaltet die Kühlung des Statorblechpakets und der Wicklung inkl. der Wickelköpfe.

Um das Projektziel zu erreichen, bündelt das Fraunhofer LBF seine Kompetenzen aus der Polymertechnik, mit Beiträgen aus den Abteilungen Bauteilauslegung und Kunststoffverarbeitung sowie Synthese und Formulierung. Dabei stimmen wir Auslegungs-, Material- und Fertigungsprozesse optimal aufeinander ab.

Aus den elektromagnetischen Simulationen des Stators konnten lokale thermische Hot-Spots identifiziert werden, aus denen die Temperatur abgeführt werden muss, um einen zuverlässigen Betrieb des Gesamtsystems sicherzustellen. Aus diesen ersten Ergebnissen wurdenHieraus unterschiedliche, zum Teil gekoppelte, Kühlkonzepte abgeleitet und diese wiederum zunächst simulativ untersucht und die Eignung der unterschiedlichen Konzepte bewertet. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass durch die Kombination einer speziell eingebrachten lokalen Kühlung, einer Mantelkühlung nach dem Stand der Technik und wärmeleitenden Verguss-SystemenEpoxidharzen eine Kühlung des Stators sichergestellt werden kann.

Im folgenden Schritt wurden Ansätze erarbeitet, wie eine solche Kühlung in der Praxis umgesetzt werden kann. Um die prozesstechnische Umsetzbarkeit evaluieren zu können, wurde, in Zusammenarbeit mit den Partnerinstituten, ein erster Geometriedemonstrator aufgebaut, der es erlaubt, neben elektrischen Aspekten, auch die Positionierung und Realisierung der simulativ betrachteten Kühlkonzepte zu untersuchen.  

Für die großtechnische Anwendung ist es erforderlich, dass das Gesamtsystem serientauglich und kosteneffizient umgesetzt werden kann. Für die Einbringung der Kühlkanäle und den Verguss mit den wärmeleitfähigen Harzsystemen werden daher in der nächsten Projektphase ausschließlich Verfahren betrachtet, die eine solche Serienfertigung erlauben. Hierzu gehören beispielswiese der Vakuum-Verguss, der Duromer-Spritzguss und das Transferpressen.

Bei der Umsetzung des Kühlkonzeptes mit diesen Verfahren, spielen die prozessabhängigen Materialeigenschaften im späteren Bauteil, die Infiltration des Harzes, die Vermeidung von Wärmeübergängen und Lufteinschlüssen, die Wärmeausdehnungskoeffizienten im Gesamtsystem und die Abdichtung der Kühlkanäle eine entscheidende Rolle.

Um die Umsetzung im Gesamtsystem zu realisieren, werden in der weiteren Projektphase anwendungsspezifische experimentelle Untersuchungen auf Subkomponentenlevel durchgeführt. Diese erlauben eine frühzeitige Validierung von Teilaspekten. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse fließen so beispielsweise in die zielgerichtete Anpassung der Harzsysteme und in die Modellierung des thermomechanischen Verhaltens in Bezug auf die Lebensdauer. Aus den gewonnenen Erkenntnissen ergeben sich optimierte Methoden zur Auslegung kunststoffbasierter Kühlstrukturen und Strategien zur Formulierung von anwendungsspezifischen und prozessoptimierten Harzsystemen. Das langfristige Ziel ist es diese Strategien auch in weiteren Anwendungsszenarien zu übertragen.

Förderer und Partner

Gefördert im Rahmen der internen Programme der Fraunhofer-Gesellschaft, Fördernummer PREPARE 840072