Forschung: Schnelleres Tanken von Wasserstoff

Mitarbeiter des Helmholtz-Zentrums Geesthacht (HZG) forschen im Bereich Wasserstoff-Betankung. Als Alternative zu Druckgastanks sollen Wasserstoff-Tanks auf Leichtmetall-Basis entwickelt werdem. Den Forschern zufolge sei das Fehlen eines effizienten Speichersystems einer der begrenzenden Faktoren für den Einsatz von Wasserstoff.

Bei bisherigen Brennstoffzellen-Fahrzeugen werde nach Angaben des HZG Wasserstoff in Druckgastanks mit bis zu 700 Bar Druck gefüllt. Dies sei teuer und technisch aufwendig. Eine Alternative dazu könnten Feststoffspeicher auf Magnesium-Stickstoffbasis darstellen. An sogenannten Magnesiumhydriden als Speicherlösung für Wasserstoff wird seit einigen Jahren im HZG geforscht.

Bei gleichem Volumen würden diese im Vergleich zu herkömmlichen Drucktanks mehr Wasserstoff und damit mehr Energie speichern. Mit fünf Kilogramm Wasserstoff könnte den Forschern zufolge beispielsweise ein Brennstoffzellen-Pkw circa 500 Kilometer zurücklegen. Für fünf Kilo Wasserstoff benötige ein Hochdrucktank ein Volumen von 122 Litern, ein Tank auf Basis von Magnesiumhydrid hingegen ein Volumen von nur 46 Litern.

Zum Beladen benötigt würden dazu jedochTemperaturen von rund 300 Grad Celsius. Um diese Temperatur zu reduzieren, setzen die Forschungs-Mitarbeiter daher Zusatzstoffe ein, wie zum Beispiel Stickstoff.

„Leider führt dies oft zu einer massiven Reduzierung der Wasserstoff-Aufnahmekapazität des Systems. Wir haben daher ein neues Hydridkomposit-System entwickelt, das sich bei geringen Arbeitstemperaturen von unter 180 Grad sehr schnell beladen lässt“, so Dr. Claudio Pistidda, Materialforscher am Helmholtz-Zentrum Geesthacht, Abteilung „Nanotechnologie“.

Üblicherweise liege der Tankvorgang bei den Magnesium-Stickstoff-basierten Hydridsystemen bei circa 30 Minuten für fünf Kilogramm Wasserstoff. Die HZG-Wissenschaftler kombinierten die zwei Zusatzstoffe Kalium und Lithium-Titanat-Oxid. Bewirken sollen sie ein drastisch beschleunigtes Be- und Entladen des Tanks.

Zu diesem Zweck wurden in Spezialmühlen Kalium und Titanat gemeinsam mit dem Magnesium-Stickstoff-System zu winzigsten Nanopartikeln gemahlen. Auf diese Weise soll die Oberfläche der einzelnen Partikel vergrößert und so mehr Wasserstoff gebunden werden.

In einer Studie konnten die Materialforscher zeigen, dass Kalium-Lithium-Titanat-Nanopartikel als Katalysatoren das Beladen mit Wasserstoff im Magnesium-Stickstoff-System beschleunigen.

„Wir haben damit ein System erfunden, durch das der Tankvorgang etwa fünf Mal schneller abläuft als ohne Kalium-Lithium-Titanat“, erläutert HZG-Doktorand Gökhan Gizer.

Als wichtige Einflussgrößen für das Laden und Entladen des Metallhydridspeichers spielen den HZG-Forschern zufolge der Wärmetransport, die Bewegung des Gases durch das Hydrid sowie die Reaktionsgeschwindigkeit mit dem Hydrid eine Rolle.

Ziel der Wissenschaftler in der Abteilung „Nanotechnologie“ sei es nun nach eigenen Angaben, die Reaktionskinetik dieser neuen Materialien zu optimieren und für den technischen Einsatz im Fahrzeug zu qualifizieren.