Brennstoffzellenfahrzeuge wird es serienmäßig wohl erst ab 2015 geben, aber bei Röchling Automotive in Leifers arbeitet man schon seit Jahren an den ersten Versuchsmodellen. So ist beispielsweise die gesamte Erprobungsflotte der Mercedes-Benz A-Klasse F-Cars mit Behältern der Südtiroler bestückt. Auf das Expertenwissen aus dem Engineering Center südlich von Bozen verlässt sich auch GM-Opel bei dem schon länger in Erprobung befindlichen Fuel Cell-Fuhrpark.

„Zu uns kommen immer alle gerne,“ freut sich Ludwig Huber, Chef von 150 Ingenieuren vor Ort. Inmitten der Bergwelt bekommen die Geschäftspartner nämlich zukünftige Techniklösungen gezeigt, angefangen von neuartigen Bauteilen bis zum kompletten System für das Automobil.

Produktmanager Dr. Matteo Piazzi fasst die aktuelle Entwicklung zusammen: "Auch Brennzoffzellenautos kochen nur mit Wasser! In einem Brennstoffzellenantrieb muss im Vergleich zu herkömmlichen Brennstoffmotoren nach dem Otto- oder Diesel-Prinzip prozentuell mehr Wärme über das Kühlsystem abgeführt werden. Daher ist auch bei diesem Antriebskonzept ein Kühlkreislauf und damit ein Ausgleichsbehälter notwendig. Entsprechend gehören unsere Ausgleichsbehälter für das Kühlmittel zu den Schlüsselkomponenten. Es handelt sich dabei um echte Hightechprodukte mit Mehrkammersystem, verschiedenen Sicherheitsventilen und Sicherheitsverschlüssen sowie einem Ionenfilter. Die Kammern sind dem Hoch- und Niedertemperaturkreislauf gewidmet."

Für das einwandfreie Funktionieren einer Brennstoffzelle ist der Behälter eine systemkritische Komponente. Denn der Feuchtigkeitshaushalt ist entscheidend für die elektrische Leitfähigkeit der Zellmembran. So entsteht im Membranenstapel Strom und damit die Energie für den Elektroantrieb.

Trennung der Aggregatzustände durch Behältergeometrie

Da die Brennstoffzelle auf ein Kühlmittel ohne jede Leitfähigkeit angewiesen ist, müssen die Ionen aus der Flüssigkeit herausgefiltert werden. Diese Aufgabe übernimmt ein Ionenfilter. Er ist direkt zugänglich und mit wenigen Handgriffen austauschbar. Vor diesem Hintergrund ist es auch von höchster Bedeutung, dass sich von der Behälterinnenoberfläche, den Öffnungssegmenten und den Zusammenbauteilen keine Partikel lösen. Der Ionenaustauscher ist so angeordnet, dass er von einer maximalen Menge des zurückströmenden Kühlwassers umspült wird.

Die Entgasung des zurückströmenden Kühlwassers gehört zu den Hauptaufgaben des Behälters. "Wofür wir besonders bekannt sind, das ist die Trennung von Gasen und Flüssigkeit auf kleinstem Raum mit einfachsten Mitteln", erklärt Piazzi. "Ganz gleich, ob Regenwasserabscheidung bei der Frischluftansaugung für den Innenraum oder bei der Rohluftansaugung für den Motor, oder eben die Trennung von Dämpfen und Flüssigkeit in einem Kühlmittelbehälter."

So ermöglichen die konstruktiven Maßnahmen zur Separation der Aggregatzustände auch gleich einen bläschenfreien Füllstandsausgleich. Ein Spezialanschluss erlaubt ferner die Entnahme von Behältergasen zu Messzwecken.

Behälterspülung als Routinemaßnahme

Damit bei einem Wartungseingriff auf keinen Fall Wasserstoff in die Umgebung treten kann, wird der Behälter vor dem Öffnen mit Stickstoff gespült. Dafür sind zwei Öffnungen vorgesehen. "Da ein Brenngasgemisch im oberen Gasvolumen des Behälters nicht ganz ausgeschlossen werden kann, sieht die Wartungsanleitung vor jedem Öffnen der Verschlüsse kategorisch eine Verdrängung der gesamten Luft aus den Hohlräumen vor", schildert Piazzi. „Man spricht hier von einer Spülung. Diese erfolgt durch Einleitung eines unbedenklichen Gases mit Überdruck. Mit dieser Vorsichtsmaßnahme wird sichergestellt, dass kein Wasserstoff im Wartungsfall aus dem Ausgleichsbehälter entweichen kann. Sämtliche Deckel sind als Sicherheitsverschlüsse ausgeführt.“

Berstdruck von bis zu 40 bar für Wasserstoffverpuffungen

Bemerkenswert ist der hohe Berstdruck, der für den Behälter gefordert wurde. Eine Berstdruckklappe dient als Regulativ, falls sich Wasserstoff im Behälter entzündet. Wird die Entlastungskapazität von Ventilen und Klappe überschritten, bauen Sollbruchstellen in der Gehäusewand die Verpuffungsenergie fortschreitend ab. Dadurch wird der Spitzenpegel des Knallgeräusches regelrecht in die Länge gezogen. Der absolute Schalldruck fällt somit wesentlich geringer aus.

Für den hohen Innendruck war eine beträchtliche Wandstärke erforderlich. Dies wiederum stand im Zielkonflikt mit dem Maximalgewicht und der Auflage, den Füllstand der Flüssigkeit durch das transparente Material erkennen zu können. Zur Lösung war die gesamte Rohstoffkompetenz des Hauses gefordert.

Es ging aber auch um Präzisionsmechanik: Ein Sicherheitsventil reguliert Überdruck ab einer bestimmten Schwelle, ein weiteres Kontrollventil ermöglicht das Ablassen von noch größerem Druck. Eines der Überdruckventile ist im Nachfülldeckel integriert. Ein Entwicklungsschwerpunkt war die Simulation der Entlastungsströme mit CFD-Software, vor allem auch hinsichtlich des Druckabfalls und der Luftmengenverteilung in Extremfällen. Ebenso kann Unterdruck im Behälter ab einem Sollwert ausgeglichen werden.

Eine Öffnung zwischen den Kammersystemen der beiden Kreisläufe stellt einen Füllstandsausgleich auch bei niedrigstem Wasserstand sicher. Ferner wurde ein gegenseitiger Druckausgleich für die zwei darüber liegenden Glasglocken ermöglicht. Gleichzeitig ist der Wärmeaustausch zwischen den beiden Temperaturniveaus begrenzt.

Aktueller Stand der Behältertechnik in neuem Anwendungsgebiet

Die Betriebstemperaturen von minus 25 Grad bis plus 80 Grad und Umgebungslufttemperaturen von minus 40 bis plus 100 Grad außerhalb des Fahrbetriebes entsprechen den üblichen Werten für Motorraumbehälter. Andere Spezifikationen erfüllt man ebenfalls. Sie bekommen aber in einem Brennstoffzellenauto eine neue Bedeutung.

So darf sich der elektrische Füllstandsanzeiger nicht von elektromagnetischen Feldern stören lassen. Diese in einem Motorraum mit Verbrennungsmotor leicht zu erfüllende Auflage bedurfte in der Umgebung eines Elektroantriebes zusätzlicher Maßnahmen. Ansonsten darf die Füllstandsanzeige selbst beim Parken in Neigung wie üblich keinen Fehlalarm auslösen.

Die dazu notwendigen Konstruktionsdetails sind für Röchling Automotive und Piazzi Tagesgeschäft: "Für uns heißt diese neue Behältergeneration, dass wir bei allem Wandel im Fahrzeugbau auch in den kommenden Dekaden vorne mit dabei sein werden. Auch reine Elektrofahrzeuge mit Traktionsbatterien brauchen eine Kühlung." Weltmarktführer bei Fahrzeugbehältern war man in Leifers bereits, als die Südtiroler Firma Seeber vom Familienunternehmen Röchling im Jahr 1986 übernommen wurde.

Das Engineering Center Leifers im weltweiten Fertigungsverbund

Heute werden an den Ausläufern des Brennerpasses neben etwa 6 Millionen Behältern jährlich auch Saugrohre, Ladeluftrohre, Luftführungen, Windläufe und Medienleitungen produziert. "Diese Teile werden hier für Leifers und 17 weitere Röchling-Automotive-Standorte entwickelt, samt den dazugehörigen Prozessen und Werkzeugen. Unser eigener Werkzeugbau sichert unseren Vorsprung. Sogar in China", versichert Huber. Röchling übernahm im Frühjahr 2006 die Anteile eines chinesischen Joint Venture Partners und eröffnete zwei Standorte im Reich der Mitte als hundertprozentige Töchter neu.