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Digitizer-Karten von Spectrum verbessern die Wasserstoff-Brennstoffzelle | Spectrum

Großer Kosten- und Zeitvorteil in der Forschung durch ein neues Computermodell
Wasserstoff-Brennstoffzellen werden eine wichtige Rolle bei der Reduzierung der weltweiten CO2-Emissionen spielen, insbesondere bei den Verkehrsmitteln - und dort speziell bei schweren LKWs und Bussen. Der Treibstoff "Wasserstoff" ist reichlich vorhanden, kann mit erneuerbarer Energie erzeugt werden und die einzige Emission im Betrieb ist Wasserdampf. Derzeit ist diese neue Technologie aber noch sehr teuer. Das ZBT (Zentrum für Brennstoffzellen-Technik GmbH) in Duisburg betreibt ein Forschungsprojekt zur Verbesserung von Wasserstoff-Brennstoffzellen. Nachdem sie ein Computermodell einer Brennstoffzelle entwickelt haben, verwenden sie drei 8-Kanal-Digitizer von Spectrum Instrumentation, um die Leistung verschiedener Brennstoffzellen auf einem Prüfstand zu analysieren und mit realen Daten das virtuelle Modell zu optimieren.
Zwei Brennstoffzellen-Teststationen im ZBT-Hauptlabor

Dr.-Ing. Sönke Gößling, Gruppenleiter für die Simulation und Regelung von Brennstoffzellensystemen bei ZBT, erklärt: "Das Computermodell der Brennstoffzelle ist sehr komplex. Wir nutzen die vielen Variablen, um mögliche Leistungssteigerungen zu erforschen. Diese sind jedoch zunächst nur theoretisch, erst auf dem Prüfstand können wir sehen, wie sich Änderungen der Parameter tatsächlich auf die Leistung auswirken. Wir haben schnell gemerkt, dass die Daten unseres Prüfstands nicht die nötige Detailgenauigkeit liefert."

"Wir verwenden jetzt drei Digitizer-Karten von Spectrum, die unsere Messergebnisse mit einer Datenerfassung von drei Mega-Samples pro Sekunde drastisch verbessert haben und uns zwanzig synchrone Kanäle gleichzeitig bieten. Dies ermöglicht uns eine unglaublich detaillierte Analyse der dynamischen Änderungen sowie überlagerter hoher Frequenzen. Die Synchronisierung der Karten untereinander und die Anbindung an den Prüfstand waren intuitiv und unkompliziert. Die Leistung und Qualität der Karten ist erstklassig und sie haben vom ersten Tag an perfekt funktioniert."

Die Messungen ermöglichen einen Einblick in die Vorgänge im Inneren der Brennstoffzelle. Sie beantworten die Frage, wie und mit welcher Dynamik die Prozesse innerhalb der Brennstoffzelle ablaufen. Das ist von entscheidender Bedeutung, um beispielsweise im dynamischen Betrieb eine lokale Unterversorgung zu vermeiden oder um die Betriebsbedingungen gezielt zu optimieren. Wenn das Computermodell mit den realen Daten validiert werden kann, erhöht sich generell die Zuverlässigkeit der Vorhersagen des Modells. Dadurch können Entwicklungs- und Optimierungsprozesse zunehmend virtuell durchgeführt werden, was einen großen Kosten- und Zeitvorteil verspricht. Dr.-Ing. Gößling sagt: "Die Bestätigung von Vorhersagen mit realen Ergebnissen ist ein wesentlicher Bestandteil der wissenschaftlichen Methode und wird uns wirklich helfen, das Brennstoffzellendesign zu verbessern. Unser Ziel ist, die Kosten von Brennstoffzellen deutlich zu senken, damit sie wettbewerbsfähig werden."

Kern der Entwicklung ist die korrekte dynamische Abbildung aller Komponenten entlang des Kathodenpfades der Brennstoffzelle. Auf dieser Basis wurde ein Regelungsmodell entwickelt, welches das Zusammenspiel von Kompressor, Drosselung und Brennstoffzellenlast vorhersagen kann. Damit wird der ganzheitliche Betrieb der Brennstoffzelle optimiert, um den Wirkungsgrad bei gleichbleibender Lebensdauer zu steigern.
Durch den Einsatz virtueller Regelungsverfahren mit maßgeschneiderten dynamischen Modellen der Brennstoffzelle inklusive Peripherie werden die Vorteile der Brennstoffzelle optimal ausgelotet. Einerseits kann der Betriebspunkt der Brennstoffzelle möglichst energieeffizient gewählt werden, andererseits ermöglicht ein parameterbasierter Betrieb der Brennstoffzelle deren Betriebsbereich zu erweitern und somit eine unerwünschte Verkürzung der Lebensdauer zu vermeiden.

Das Brennstoffzellen-Prinzip

Der Brennstoff ist Wasserstoffgas, das mit Hilfe eines Katalysators, typischerweise Platin, mit Sauerstoff aus der Luft reagiert. Diese Reaktion erzeugt die Elektrizität, um das Fahrzeug oder andere Geräte anzutreiben, wobei als Nebenprodukte nur Wasserdampf und Wärme entstehen. Brennstoffzellen sind bei der Umwandlung des Brennstoffs in elektrische Energie wesentlich effizienter als verbrennungsbasierte Technologien. Darüber hinaus kann Wasserstoff durch Elektrolyse aus grünem Strom hergestellt werden und somit ein entscheidender Teil der CO2-freien Energiewende sein.

Die Anode der Brennstoffzelle wird mit Wasserstoff versorgt, während der Kathode Luft zugeführt wird. Ein Katalysator an der Anode trennt die Wasserstoffatome in Protonen und Elektronen, welche dann unterschiedliche Wege zur Kathode nehmen. Die Elektronen durchlaufen einen externen Stromkreis und erzeugen den gewünschten Stromfluss. Die Protonen wandern durch das Elektrolyt zur Kathode, wo sie mit Sauerstoff und den Elektronen die unschädlichen Emissionen Wasser und Wärme ergeben.

Variablen beim Design von Brennstoffzellen

Die wichtigste Entscheidung besteht darin, die richtige Größe der Brennstoffzelle zu wählen, um eine optimale Leistungsausbeute zu erhalten. Größere Zellen bieten mehr Leistung, da eine größere Katalysatoroberfläche vorhanden ist, aber das erhöht das Gewicht und die Kosten, insbesondere bei Platin als typischem Katalysator. Statt die Größe zu erhöhen, kann der Abstand zwischen den Elektroden im Brennstoffzellenstapel optimiert und die Gasströmung durch die Zelle verbessert werden. Das erhöht die katalytische Reaktion und somit die Leistung. Ein weiterer Faktor ist das Ableiten des Abwasserdampfs aus der Zelle, um ein Verstopfen der katalytischen Oberflächen zu verhindern. Die entstehende Wärme muss ebenfalls effizient aus der Zelle entfernt werden, um eine Überhitzung zu vermeiden.

Haltbarkeit

Der Prüfstand ermöglicht die Untersuchung realer Betriebsbedingungen, die die Leistung der Brennstoffzelle beeinflussen. Dazu gehören wechselnde Lastbedingungen durch Starten, Beschleunigen, Bremsen und Stoppen sowie die wechselnden Temperatur- und Feuchtigkeitsverhältnisse, in denen Fahrzeuge betrieben werden. Dies alles beeinflusst die Lebensdauer der Brennstoffzelle. Das amerikanische Energieministerium verlangt, dass Brennstoffzellensysteme unter realistischen Betriebsbedingungen eine Lebensdauer von mindestens 8.000 Stunden in leichten Nutzfahrzeugen, 30.000 Stunden in schweren LKWs und 80.000 Stunden bei dezentralen Stromsystemen haben.

Weitere Details zu diesem Projekt finden Sie hier.