AlpeDHues - Alterungsanalyse und Performanceoptimierung von Brennstoffzellen im hochdynamischen Betrieb

Innerhalb des AlpeDHues Projektes werden Grundlagen für neue Methoden und Werkzeuge für die Entwicklung von Brennstoffzellensystemen geschaffen. Obwohl Brennstoffzellen bereits erfolgreich in Fahrzeugen eingesetzt werden, ist unter anderem die Lebensdauer der Zellen im Fahrzeugeinsatz Gegenstand laufender Untersuchungen. Dynamische Belastungen und transiente Prozesse, die in Fahrzeuganwendungen typischerweise auftreten, können die Brennstoffzelle schneller altern lassen als ein konstanter Betrieb. Dies bedeutet meist eine dauerhafte Reduktion der max. Leistung aufgrund einer lokalen Schädigung der Zellen. Um Leistungsverluste durch Schädigungen frühzeitig während der Entwicklung berücksichtigen zu können, sollen in diesem Projekt Methoden zur hochdynamischen Regelung von Brennstoffzellen entwickelt werden. Diese können sowohl in Brennstoffzellensystemen als auch an modernen Stackprüfständen zum Einsatz kommen. Um transiente Betriebszustände zu identifizieren, die Schädigung bewusst hervorrufen oder vermeiden, wird eine umfassende modellbasierte Analysemethode entwickelt. Der Einsatz von 3D-CFD Modellen mit hohen Auflösungen erlaubt dabei eine detaillierte Untersuchung von lokalen Schädigungsmechanismen basierend auf physikalischen und chemischen Wirkprinzipien. Von diesen hochauflösenden Modellen sollen in Folge vereinfachte Modelle abgeleitet werden, mit dem Ziel diese in Echtzeit zu betreiben. Dies ist die Voraussetzung, um die Implementierung innovativer Online-Überwachungs- und Diagnosemethoden zu ermöglichen, und Einblick in die Prozesse der Brennstoffzelle gewinnen zu können. Ein zweiter Schwerpunkt des Projekts ist die Entwicklung geeigneter innovativer Prüfmethoden, die die Identifikation und in Folge Vermeidung von schädigungsrelevanten Zustandstrajektorien der Brennstoffzelle ermöglichen. Dabei sollen unter Zuhilfenahme der entwickelten Modelle dynamische Testzyklen generiert werden, welche gezielt Aufschlüsse über Performance und Schädigungs- bzw. Alterungsprozesse der Brennstoffzelle erlauben. Dazu werden neuartige Methoden des modellbasierten Versuchsdesigns entwickelt, die eine entsprechende Anregung des Stacks am Prüfstand vorsehen. Eine dritte Zielsetzung des Projekts besteht in der definierten Führung eines Brennstoffzellensystems während transienter Phasen. Die auftretenden thermodynamischen Zustände wie etwa Temperaturen und Drücke müssen schnell und zuverlässig realisiert werden. Dazu werden passende Methoden der nichtlinearen Mehrgrößenregelung eingesetzt, welche eine Entkoppelung dieser Größen bei maximal erzielbarer Dynamik ermöglichen sollen. Zusätzlich zur Steuerung der dynamischen Testzyklen ermöglichen derartige Regelungsmethoden auch die präzise thermodynamische Emulation von Balance-of-Plant Komponenten auf dem Stackprüfstand. Dadurch kann das Verhalten des Stacks in einem Gesamtsystem virtuell getestet werden, was zusätzliche Qualitätsverbesserung und Zeiteinsparungen bei der Entwicklung von Brennstoffzellensystemen ermöglicht. Dieses Projekt schafft somit Grundlagen und Methoden, um die Lebensdauer und den Wirkungsgrad von Brennstoffzellen gezielt zu verbessern. Mittels der entwickelten Testverfahren soll zudem die Entwicklungszeit von Brennstoffzellensystemen deutlich verkürzt werden.