Brennstoffzellen und Wasserstofftechnologien

  Bild eines Wasserstoff-Trailers Urheberrecht: © RWTH Aachen | CMP Abbildung 1: Wasserstoff Trailer

Wasserstoffinfrastruktur und Testing

Zur experimentellen Untersuchung von Brennstoffzellen und Wasserstoffverbrennungsmotoren wurde am Center for Mobile Propulsion, kurz CMP, eine umfassende Wasserstoffinfrastruktur geschaffen, die die Prüfstände versorgt. Die kontinuierliche Wasserstoffversorgung wird, wie in Abbildung 1 zu sehen, mit Wasserstofftrailern realisiert. Bis zu zwei Trailer können parallel an das Verteilungsnetz angeschlossen werden. Dadurch werden auch Dauerläufe oder Langzeituntersuchungen ermöglicht. Zusätzlich zu der hauptsächlich genutzten Wasserstoffqualität von 5.0 sind andere Wasserstoffqualitäten aus dem Bestand des Gaselagers verfügbar. So können beispielsweise die Auswirkung von mangelnder Wasserstoffqualität auf den Katalysator der Brennstoffzelle und die dadurch hervorgerufenen Alterungserscheinungen untersucht werden.

  Experimenteller Aufbau zur Untersuchung des Brennstoffzellensystems im Prüffeld des CMP. Urheberrecht: © RWTH Aachen | CMP Abbildung 2: Ballard Brennstoffzelle FCvelocity®-HD-7

Die flexible Hochvolt-Infrastruktur des Prüffeldes ermöglicht Tests mit unterschiedlichen Systemleistungen bis über 500 kW. Damit können auch Antriebssysteme für Schwerlastanwendungen wie Lkw und Schienenfahrzeuge geeignet untersucht werden. Anwendung findet diese Infrastruktur beispielsweise in Forschungsprojekten wie „X-EMU“. In diesem Vorhaben wurde ein Brennstoffzellen-Hybrid-Antrieb für Regionalzüge entwickelt, der auf oberleitungsfreien Strecken eingesetzt werden soll. Eines der eingesetzten Brennstoffzellensysteme ist in Abbildung 2 dargestellt. Zudem ist eine Anbindung der Prüfstände an die eigens errichtete Batteriegarage für Traktionsbatterien möglich und erlaubt den Aufbau von Full-Scale Hybridsystemen. Zum Aufbau besonders platzintensiver Testsysteme können mehrere Prüfstände des CMP echtzeitfähig gekoppelt werden. Darüber hinaus steht eine Klimakammer zur Untersuchung von Temperatureffekten, zum Beispiel Froststartverhalten, zur Verfügung.

Ferner verfügt das TME über die Möglichkeit, auf einem eigenen Prüfstand Brennstoffzellenstacks bis zu einer Leistung von 30 kW zu testen. Temperaturen, Feuchten, Massenströme und Drücke der Medien Luft, Wasserstoff und Kühlmittel können über einen weiten Bereich variiert werden. Außerdem ist der Prüfstand so konzipiert, dass Nebenaggregate wie zum Beispiel Ladeluftkühler, Befeuchtereinheiten, Wassserstoffrezirkulationsgebläse separat oder in beliebiger Kombination miteinander oder mit einem Stack getestet werden können. Dabei ist auch die Einbindung von Simulationsmodellen in Echtzeit möglich.

  Schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit Zellstapel und den Peripheriekomponenten: Luftpfad, der Wasserstoffpfad sowie der Kühlmittel-Kreislauf. Urheberrecht: © RWTH Aachen | CMP Abbildung 3 - Strukturbeispiel für ein PEM-Brennstoffzellen-Systemmodell

Simulative Untersuchungen

Die experimentelle Brennstoffzellenentwicklung am CMP wird durch simulative Untersuchungen auf System-, Stack- und Zelllevel komplettiert. So lassen sich Simulationsmodelle experimentell parametrieren und an realen Systemen validieren. Zugleich können simulativ entwickelte Regelstrategien auf dem Prüfstand implementiert werden – “Frontloading“.

 
  Simulative Untersuchung der Fluidströme innerhalb einer Brennstoffzelle. Dargestellt sind die Kühlmitteltemperatur innerhalb einer Einzelzelle sowie die Strömungsfelder im Zellstapel. Urheberrecht: © RWTH Aachen | CMP Abbildung 4 - CFD Simulation – Zelle und Stack –

Genutzt werden 0-1 D Systemmodelle, siehe Abbildung 3, 1-2 dimensionale segmentierte Komponentenmodelle, sowie CFD-Simulationen, siehe Abbildung 4.

Schwerpunkte der aktuellen Forschung sind: Wassermanagement, Kaltstartverhalten, Zelldegradation, Prognostics and health management, Strömungsfeldoptimierung sowie die Optimierung von Betriebsstrategien für Brennstoffzellensysteme