LiteFCBike – Brennstoffzellensystem für einen E-Gepäckträger

Der Markt für E-Bikes und Pedelecs, als nachhaltige Alternative zum Auto auf kurzen Strecken, steigt seit Jahren. Ihr Einsatzzweck reicht vom Alltagsrad über Lastenräder für Lieferdienste bis zur Unterstützung für den ambitionierten Sportler.

Im Projekt »LiteFCBike« wird ein kompaktes Brennstoffzellensystem ausgelegt und entwickelt, das einen vollwertigen Ersatz für einen Pedelec-Fahrakku bieten soll. Als Basis dient das Antriebs-Konzept »Conodrive« von José Fernandez, das aus einem leichten und effizienten E-Gepäckträger besteht, mit dem sich nahezu jedes Fahrrad, in ein Pedelec verwandeln lässt.

Wir haben den Fokus des Projekts darauf gelegt, ein möglichst kompaktes, leichtes, und für den Endanwender praktikables System zu entwickeln. Die Entwicklung findet zusammen mit dem Conodrive-Entwickler José Fernandez statt, der den Elektronik-Part bearbeitet. Obwohl das Brennstoffzellensystem für das Conodrive-Konzept entwickelt wurde, ist es prinzipiell auch für jedes andere Pedelec, insbesondere auch für Lastenpedelecs mit einem größeren Wasserstoffspeicher, einsetzbar.

Im Rahmen der Systemauslegung stellte sich schnell heraus, dass ein Wasserstoff-Drucktank für die notwendigen Energiemengen weniger geeignet und für den privaten Endanwender nicht praktikabel ist. Daher werden Metallhydrid-Kartuschen verwendet. Sie sind leicht verfügbar und lassen sich mit einem geeigneten Klein-Elektrolyseur selbst befüllen. Um deutlich größere Reichweiten bei kurzen Betankungszeiten zu erzielen, wäre bei größerem Raumangebot stattdessen auch ein Drucktank möglich und, vor allem beim Einsatz im Lastenradbereich, vorteilhafter.

Bei der Auswahl aller weiteren Komponenten, insbesondere der Brennstoffzellenstapel standen vor allem die Kriterien Kompaktheit und Gewicht im Vordergrund: Es werden zwei Brennstoffzellenstacks mit offener Kathode verwendet. Diese sind äußerst leicht und luftgekühlt, so dass ein flüssiger Kühlkreislauf mit Pumpe etc. wegfällt. Darüber hinaus wurden möglichst platzsparende Miniatur-Ventile und Druckminderer verbaut. Um alle Bauteile fluidisch zu verbinden, wurde eigens ein kompaktes Fluidik-Modul entwickelt, an dem alle Komponenten angeschlossen sind und das Rohre und Verbinder überflüssig macht.

Die Brennstoffzellen produzieren im Nennbetrieb ca. 70 W elektrische Leistung und laden den im System befindlichen Pufferakku nach. Somit stehen in den Unterstützungsphasen die von einem Pedelec gewohnten 250 W zur Verfügung. Umgebungsluft, welche für die Reaktion und für die Kühlung benötigt wird, wird mit zwei Lüftern durch den Stack geblasen. Die warme und feuchte Abluft strömt nach hinten aus und erwärmt die Metallhydridspeicher, die dadurch schneller Wasserstoff abgeben können. Die Gesamtmaße des kompletten Systems mit Tank und Steuerelektronik betragen 348 x 153 x 47 mm bei einem Gewicht von 3,3 kg inkl. Wasserstofftank. Der Netto-Energieinhalt des Systems beträgt mit einer Betankung ca. 270 Wh. Das System kann mit bis zu 30 bar betankt werden, dabei werden alle 12 Kartuschen gleichzeitig gefüllt.