Die Automobilindustrie arbeitet auf Hochtouren an einer massentauglichen Markteinführung der Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie. Um diese Bemühungen zu unterstützen, wurde in einem Kooperationsprojekt der AVL List GmbH mit der HyCentA Research GmbH eine Prüfstandsinfrastruktur zur Forschung an Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellensystemen (PEM) entwickelt und errichtet. Diese einzigartige Forschungsinfrastruktur ermöglicht die Analyse von Brennstoffzellensystemen mit Echtzeitsimulation von Fahrzeug, Fahrer und Fahrzyklus sowie sämtlichen Antriebsstrang- und Fahrzeugperipheriekomponenten wie Batterie, Elektromotor und Getriebe. Die durchführbaren anwendungsorientierten Forschungsthemen umfassen Energie- und Thermomanagementaufgaben, Kalibrier- und Integrationsarbeiten von der Fahrzeug- bis zur Subsystemebene sowie die Untersuchung des dynamischen Verhaltens, des Kaltstarts und des Alterungsverhaltens unter realen Betriebs- und Umgebungsbedingungen.
Elektrische Fahrzeuge mit Brennstoffzellen (BZ) weisen ähnliche Reichweiten und Betankungsdauern (drei bis fünf Minuten) wie konventionelle benzin- und dieselbetriebene Fahrzeuge auf. Aufgrund der im Vergleich zu Batterien signifikant höheren Energiedichte sind Gewicht und Kosten des BZ-Antriebsstranges geringer, wodurch sich Wasserstoff sehr gut als Energieträger für hohen Leistungsbedarf und große Energiemengen (schwere Lasten, hohe Reichweiten) eignet.
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Auf Systemebene liegt die Herausforderung meist in der definierten Versorgung der Einzelzellen mit den entsprechenden Medien, welche betriebspunktabhängig in einem engen Druck-, Temperatur- Feuchte- und Massenstrombereich geregelt werden müssen. Dies stellt erhöhte Anforderungen an die Regelung, Messung, Steuerung und Betriebsstrategie von BZ-Systemen und erfordert zusätzlich für die Zukunft eine engere Verschränkung der Entwicklung von Zellen, Stacks und den Nebenaggregaten, wofür neuartige hochintegrierte Forschungs- und Entwicklungsumgebungen benötigt werden.
Forschungsinfrastruktur
Aufgrund dieser Ausgangssituation und des damit verbundenen erhöhten Forschungs- und Entwicklungspotentials ergibt sich ein Bedarf an vielfältigen Prüfstandsaktivitäten. Ein wichtiger Punkt ist die Bestimmung von Mechanismen der Degradation sowie der damit verbundenen Auswirkungen auf die Lebensdauer. Hier sind die Materialverträglichkeit sowie der Einfluss der BoP-Komponenten (Balance of Plant) und der Betriebszustände auf die Degradation des Stacks als wichtiges Forschungsthema zu nennen.
Ein wesentlicher Punkt ist die Kostenoptimierung von Brennstoffzellensystemen sowie deren BoP-Komponenten, um die BZ-System-Technologie konkurrenzfähig weiterzuentwickeln und die breite Markteinführung voranzutreiben. Auch die Verbesserung der dynamischen Eigenschaften, ein gesichertes Kaltstartverhalten und umfassende Effizienzsteigerungen sind hier wesentliche Themen.
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Die Vorgabe realer Umgebungsbedingungen ist mit einer Klimakammer im Temperaturbereich von -40 °C bis 85 °C möglich. Damit sind Simulationen von extremen Umgebungstemperaturen für das Brennstoffzellensystem und dessen BoP-Komponenten möglich, wie sie zum Beispiel in der Nähe des Polarkreises oder im Death Valley vorherrschen. Zusätzlich werden auch sämtliche Medienversorgungen wie Luft, Wasserstoff und die Kühlmedien mittels Hardware in the Loop (HiL) entsprechend den realen Betriebsbedingungen des Anwendungsfalls simuliert und dem BZ-System zugeführt. Fahrer, Fahrzeug, Fahrzyklus und BoP- sowie Antriebsstrangkomponenten können frei variiert und in Echtzeit als virtuelle Testbedingungen dem BZ-System vorgegeben werden.
F&E-Aktivitäten
Ein Forschungsschwerpunkt von HIFAI liegt auf der Untersuchung von Alterungsphänomenen unter realen Betriebs- und Umgebungsbedingungen. Automotive Anwendungen fordern eine Lebensdauer von 5.000 bis 8.000 Stunden (10 % Leistungseinbuße) im hochdynamischen Betrieb. Bei stationären Systemen ist eine Lebensdauer von bis zu 40.000 Stunden gefordert. Um dieses Ziel zu erreichen, ist das Verständnis einer möglichen Schädigung durch die Betriebsweise (Starts/Stopps, transient, etc.) von entscheidender Bedeutung. In der nationalen und internationalen Forschung sind einige Alterungsmechanismen bekannt. Mittels Messungen an Einzelzellen kann bereits grob unterschieden werden, welcher beziehungsweise welche dieser Mechanismen mit unterschiedlichen Membran-Elektroden-Einheiten (MEAs), diversen Stack-Komponenten (Flow-Fields, Dichtungen) und unter verschiedenen Betriebsbedingungen vorliegen. Eine quantitative Vorhersage der Alterung sowie eine Übertragbarkeit der Ergebnisse auf Systemebene sind allerdings derzeit nur beschränkt möglich. Geeignete Lastzyklen zur beschleunigten Alterungsuntersuchung auf Systemebene sind deswegen gefordert.
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Auch die Entwicklung von neuartigen Betriebsstrategien sowie die Kalibrierung von PEM-Brennstoffzellen werden mithilfe des HIFAI-Prüfstands vereinfacht. Speziell die komplexen Wechselwirkungen zwischen den BoP-Komponenten und dem BZ-Stack stellen eine Herausforderung dar.
Zurzeit wird die Kalibrierung von Steuergeräten für BZ-Systeme und Fahrzeuge manuell oder semi-automatisch vorgenommen. Da jedoch mehrere tausend Parameter kalibriert werden müssen, handelt es sich dabei um ein sehr komplexes Vorhaben. Dieses multivariable Optimierungsproblem kann am HIFAI-Prüfstand sehr effizient mittels integrierter Softwarelösungen abgearbeitet werden. Die Optimierungsaufgaben werden über einen echtzeitfähigen modellbasierten Ansatz und auf Basis von DoE-Methoden (Design of Experiments) umgesetzt. Daraus ergeben sich ein erhöhtes Optimierungspotential und ein effizienter und beschleunigter Entwicklungsprozess.
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Optimales Entwicklungswerkzeug
Am unabhängigen, außeruniversitären Forschungsstandort des HyCentA steht damit ein Entwicklungswerkzeug für die Abarbeitung zahlreicher Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten für Systemhersteller und OEMs zur Verfügung. Auf Basis der engen Zusammenarbeit mit Universitäten und Entwicklungsunternehmen wird der HIFAI-Prüfstand laufend weiterentwickelt und aufgrund der Anforderungen aus Industrie und Forschung modular erweitert. Der Prüfstand als integriertes Entwicklungswerkzeug ist der Schlüssel zur effizienten Zero-Emission-Mobilität von morgen.
Autoren: Dr. Alexander Trattner, Stefan Brandstätter, Michael Striednig, alle HyCentA Research GmbH, Graz