Digitizer-Messkarten Wasserstoff-Brennstoffzellen mit präzisen Messwerten optimieren

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Damit eine Wasserstoff-Brennstoffzelle auf einem Prüfstand analysiert und mit realen Daten aus einem virtuellen Modell optimiert werden kann, helfen Digitizer-Messkarten. Sie bieten drei Megasample pro Sekunde und verfügen über 20 synchrone Kanäle.

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Zwei Brennstoffzellen-Teststationen im ZBT-Hauptlabor. Mithilfe von Computermodellen und den Einsatz von Messkarten können Wissenschaftler die Brennstoffzellen optimieren.
Zwei Brennstoffzellen-Teststationen im ZBT-Hauptlabor. Mithilfe von Computermodellen und den Einsatz von Messkarten können Wissenschaftler die Brennstoffzellen optimieren.
(Bild: Nadine van der Schoot)

Neben einen Batterie-elektrisch angetriebenen Antriebsstrang bleibt der Wasserstoff-Antrieb als weitere Alternative zum Verbrennungsmotor für die Industrie interessant. Besonders bei schweren LKWs und Bussen wird die Wasserstoff-Brennstoffzelle eine wichtige Rolle spielen. Wasserstoff lässt sich grün mit erneuerbaren Energien erzeugen. Allerdings ist die Wasserstoff-Technik noch teuer.

Am Zentrum für Brennstoffzellen-Technik (ZBT) in Duisburg forscht man daran, die Wasserstoff-Brennstoffzellen zu verbessern. Grundlage ist ein Computermodell der Brennstoffzelle. Was es mit dem Computermodell auf sich hat, erklärt Dr.-Ing. Sönke Gößling, Gruppenleiter für die Simulation und Regelung von Brennstoffzellensystemen bei ZBT: „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.“

Blick in das Innere einer Brennstoffzelle

Doch das Modell der Brennstoffzelle allein genügt nicht. Für brauchbare Messwerte setzen die Forscher am ZBT auf Digitizer-Karten. Gößling sagt dazu: „Wir verwenden drei Digitizer-Karten von Spectrum, die unsere Messergebnisse mit einer Datenerfassung von drei MSample/s verbessern konnten und uns 20 synchrone Kanäle gleichzeitig bieten. Damit lassen sich detailliert die dynamischen Änderungen sowie überlagerter hoher Frequenzen analysieren.“

Über die Messergebnisse bekommen die Forscher einen Einblick in die Vorgänge im Inneren der Brennstoffzelle. Damit lassen sich Fragen, 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. Entwicklung und Optimierungen finden dann vor allem virtuell statt. Dr.-Ing. Gößling sagt: „Werden unsere Vorhersagen mit realen Ergebnissen bestätigt, ist ein wesentlicher Bestandteil der wissenschaftlichen Methode und wird uns wirklich helfen, das Brennstoffzellendesign zu verbessern. Wir können die Kosten von Brennstoffzellen deutlich zu senken“.

Ein virtuelles Regelungsverfahren

Zwei Brennstoffzellen-Teststationen im ZBT-Hauptlabor.
Zwei Brennstoffzellen-Teststationen im ZBT-Hauptlabor.
(Bild: Nadine van der Schoot)

Mit dem Modell zusammen mit den Digitizer-Karten lassen sich alle Komponenten dynamisch entlang des Kathodenpfades der Brennstoffzelle abbilden. Darauf aufbauend entstand ein Regelungsmodell, welches das Zusammenspiel von Kompressor, Drosselung und Brennstoffzellenlast vorhersagen kann. Der ganzheitliche Betrieb der Brennstoffzelle wird optimiert, damit der Wirkungsgrad bei gleichbleibender Lebensdauer steigt.

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.

Wie das Brennstoffzellen-Prinzip funktioniert

Der Brennstoff ist Wasserstoffgas, das mit einem Katalysator, typischerweise Platin, mit Sauerstoff aus der Luft reagiert. Die 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 Techniken. Darüber hinaus lässt sich Wasserstoff durch Elektrolyse aus grünem Strom herstellen 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

Das Modell einer Wasserstoff-Brennstoffzelle.
Das Modell einer Wasserstoff-Brennstoffzelle.
(Bild: ElringKlinger/EKPO Fuel Cell Technologies/ZBT)

Die wohl wichtigste Entscheidung ist die richtige Größe der Brennstoffzelle. Nur dann erhält man eine optimale Leistungsausbeute. Größere Zellen bieten mehr Leistung, da eine größere Katalysatoroberfläche vorhanden ist. Allerdings steigt damit auch das Gewicht und die verbundenen Kosten. Vor allem bei Platin als typischen 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.

Reale Betriebsbedingungen untersuchen

Mit dem Prüfstand lassen sich reale Betriebsbedingungen untersuchen, welche 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. Das 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.

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