Brennstoffzellen für leistungsstarken Antrieb unter Wasser

23.10.2020 I Vera Schmies

Brennstoffzellen gelten als große Hoffnung, wenn es um effiziente Antriebstechnologien für die Zukunft geht. Die innovativen Brennstoffzellen der vierten Generation unserer Experten machen Unterseeboote leistungsfähiger und ermöglichen es ihnen, länger unter Wasser zu bleiben.

Anfang 2020 schaffte es thyssenkrupp zum fünften Mal in Folge unter die 100 aktivsten Unternehmen im Ranking des Europäischen Patentamts. Allein im Jahr 2019 meldete die Unternehmensgruppe weltweit mehr als 600 Erfindungen erstmalig zum Patent an. thyssenkrupp kann in seiner 125-jährigen Geschichte auf mehr als 22.000 Innovationen zurückblicken, die patentrechtlich geschützt sind.

Diese Innovationskraft und das Ziel, schon heute die Technologien von Morgen zu entwickeln, treibt auch die Experten von thyssenkrupp Marine Systems an. Ihre Erfindung einer Brennstoffzellenvorrichtung mit Befeuchter zur Nutzung auf einem Unterseeboot ist nur das erste Patent aus einem Portfolio, welches thyssenkrupp Marine Systems über die letzten sechs Jahre mit Fokus auf die Weiterentwicklung und Innovation von Antriebstechnologien für Unterseeboote entwickelt hat.

Die Idee der Brennstoffzelle ist schon rund 180 Jahre alt

Auf dem Weg zur modernen Antriebstechnologie von heute wurde das Verfahren von 1839 aber konstant weiterentwickelt und neue Erfindungen immer wieder patentiert. Auch von den Experten bei thyssenkrupp Marine Systems. Ihre neue vierte Generation der Brennstoffzelle wird seit 2020 serienmäßig produziert und birgt durch ihren modularen Aufbau erhebliche Vorteile für die Nutzung unter Wasser.

Brennstoffzellen werden heute vor allem in Bereichen eingesetzt, in denen die Verwendung klassischer Generatoren auf Verbrennungsbasis nicht oder nur eingeschränkt möglich ist. Zum Beispiel zur Energieversorgung in Unterseebooten mit außenluftunabhängigen Antriebssystemen.

Im Regelfall werden für den Betrieb solcher Brennstoffzellen wasserfreier Sauerstoff und Wasserstoff als Eduktgase eingesetzt. In der Brennstoffzelle entsteht aus der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff Strom, der wiederum ein U-Boot antreiben kann. Insbesondere bei der Verwendung von Polymerelektrolytmembran (PEM) Brennstoffzellen ist es jedoch wichtig, dass diese in die Brennstoffzelle eingespeisten Gase eine hohe Feuchte bei der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle aufweisen, um die Stabilität der Membran und damit eine lange Lebensdauer der Brennstoffzelle zu gewährleisten.

Ein komplexer Kreislauf für leistungsstarke Brennstoffzellen

Die Aufgabe, der von thyssenkrupp im Patent geschützten Erfindung einer Brennstoffzellenvorrichtung mit Befeuchter, besteht darin, den Feuchtegehalt der Edukte in einfacher und zuverlässiger Weise zu regulieren. Dazu beschreit das Patent eine bestimmte Anordnung innerhalb der Brennstoffzellenvorrichtung.

Die patentierte Vorrichtung besteht neben der Brennstoffzelle selbst auch aus einem Wasserabscheider, einer Eduktzuführung und einem Befeuchter. In der Regel bleiben beim Brennstoffzellen-Vorgang Wasser und auch etwas Sauerstoff als „Abfallprodukte“ zurück. Diese Abfallprodukte machen sich unsere Experten zu Nutzen und führen sie gewinnbringend in den Prozess zurück. Stattdessen wird er abgefangen und als Edukt in die Brennstoffzelle zurückgeführt. Das Ergebnis: Am Ende bleibt nur noch Wasser übrig, welches entnommen und wiederum innerhalb des Befeuchters sinnvoll verwendet wird.

So nutzen unsere Experten die eigene Abwärme der Brennstoffzelle, um sie durch einen komplexen Kreislauf ausreichend feucht und auf der richtigen Temperatur zu halten und den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle zu erhöhen. Eine Win-Win-Lösung, denn so muss keine zusätzliche Energie aufgewendet werden, die in der Brennstoffzelle erzeugte Wärme wird effizient abgeführt, da nie zu viel Sauerstoff an die Umgebung abgegeben wird und werden darf. Es entsteht ein besonders kompaktes, robustes und in sich geschlossenes System.

Mehr Sicherheit und längere Tauchgänge unter Wasser

Übertragen auf den Anwendungsbereich heißt das: Die innovative Antriebstechnologie setzt genau da an, worauf es im operativen Marine-Geschäft ankommt. Die neue Brennstoffzelle ist günstiger, performancestärker und ermöglicht längere Tauchgänge – vor allem soll diese aber eine hohe Langzeitstabilität aufweisen, also nicht im Einsatz kaputtgehen. Zusätzlich bedient die patentierte Vorrichtung auch die strengen Sicherheitsansprüche eines U-Boots. Bei einem Brand kann die Besatzung nicht fliehen. Die Sicherheit an Bord war daher zentrales Thema in der Entwicklung der Innovation.

Die Patentabteilung von thyssenkrupp gehört zu den ältesten des Landes. Jährlich schützen die Kollegen rund 600 neue Innovationen durch Patentierungen.