Grundlagen elektrochemsicher Systeme

Die Gruppe Grundlagen Elektrochemische Systeme (Fundamentals of Electrochemicas Systems: FES) untersucht PEM-Brennstoffzellenstacks und brennstoffzellenbasierte Antriebe für Luftfahrtanwendungen im Brennstoffzellenlabor Hamburg. Mit Laborexperimenten und numerischen Methoden werden kritische Betriebsbedingungen untersucht, Entwicklungspotentiale identifiziert und Auswirkungen auf Systemebene prognostiziert.

Zur Untersuchung und Verbesserung von state-of-the-art PEM- Brennstoffzellenstacks werden selbstentwickelte Teststände eingesetzt, mit denen Shortstacks bis maximal 50 kW thermische Leistung untersucht werden. Es stehen Messgeräte zur Bestimmung der Gaszusammensetzung und Gasfeuchte bereit, wobei mit präzisen Temperiersystemen Gastemperaturen und Kühlbedingungen für die Brennstoffzelle eingestellt werden. So können stark veränderliche Umgebungsbedingungen, wie sie während einer Flugmission auftreten, emuliert werden. An den Testständen werden zudem Kaltstartversuche bis -30 °C durchgeführt und es werden leistungssteigernde Maßnahmen mittels druckaufgeladener Umgebungsluft oder sauerstoffangereicherter synthetischer Luft qualifiziert.

Mittels aus Experimentaldaten validierter Modelle für heute übliche PEM-Technologien (grafitisch, metallisch) werden Betriebskennfelder simuliert. So werden Bereiche identifiziert, in denen für veränderliche thermodynamische Gaszuständen und veränderlichen Betriebsgrößen der Brennstoffzelle stabile Spannungslage eintritt und wo Flutungs- oder Austrockungseffekte dominieren. Mit diesen Datensätzen wird eine in-House entwickelte Sizing-Methode gespeist, so dass für veränderliche Umgebungsbedingungen und veränderlichen Leistungsbedarf optimale (Masse, Volumen, Effizienz) Wasserstoff-Brennstoffzellen-Energiesysteme ausgelegt werden. Zudem ermöglicht die Methode eine Prognose der für den jeweiligen Flugabschnitt optimalen Betriebsgrößen, was für die Auslegung der BoP-Komponenten (Wärmeübertrager, Verdichter, Abgasturbine) erforderlich ist.

Unsere Forschungsthemen im Überblick:

• Experimentelle Untersuchung von PEM-Brennstoffzellenstacks und deren Versorgungssystemen
  • Untersuchung kritischer Zustände: Austrocknung, Flutung, Eisbildung
  • Kaltstartversuche und Identifikation von robusten Startprozeduren
  • Leistungsbetrieb ggf. mit unkonventionellen Wasserstoff-/Sauerstoffüberschussverhältnissen
  • Leistungsbetrieb unter stark veränderlichen Umgebungsbedingungen
  • Leistungsbetrieb unter stark veränderlichen Kühlbedingungen
  • Einsatz von leistungssteigernden Maßnahmen wie Druckaufladung und Sauerstoffzugabe
  • Dynamisches Verhalten von Brennstoffzellensystemen inklusive BoP-Komponenten
  • Untersuchung von BoP-Komponenten wie Befeuchter, Verdichter, Druckhaltesysteme im Gesamtsystemverbund oder als isoliertes System

• Einsatz von numerischen Methoden
  • Dimensionierung von Wasserstoff-Brennstoffzellen-Energiesystemen für Luftfahrtanwendungen (10 kW bis 10 MW) hinsichtlich Masse, Volumen und Effizienz
  • Modellbasierte Auslegung von Reglern für Brennstoffzellensysteme und deren Qualifizierung an Testständen
  • Dynamische Simulation von Wasserstoff-Brennstoffzellen-Energiesystemen unter stark veränderlichen Umgebungsbedingungen zur Dimensionierung von Zwischenspeichern und Identifikation des Zeitverhaltens

Projektbeispiele

• https://www.flhysafe.eu/
• https://www.innbalance-fch-project.eu/

Infrastruktur

BEAST-Versuchsstand

• Die Qualifizierung von state-of-the-art PEM Brennstoffzellenstacks erfolgt an Testssystemen, die von der Forschungsgruppe aufgebaut, gewartet und betrieben werden. Das hier gezeigte Testsystem ermöglicht Kaltstartversuche ab -30 °C, den Betrieb mit sauerstoffangereicherter Luft (bis 100 %) und Wasserstoff, so wie Druckaufladung bis über 3 bar Luft. Im Testsystem lassen sich die Temperaturen und Drücke der Edukte einstellen, um luftfahrtrelevante Umgebungsbedingungen nachzustellen. Das Testsystem ist für Untersuchungen an Short-Stack Zellstapeln bis etwa 12 kW ausgelegt.

EAGLE-Versuchsstand

• Zur Qualifizierung von Brennstoffzellensystemen, die mit ihren Hilfssystemen interagieren (Luftbefeuchter, Luftverdichter, Druckaufladung, Thermalsystem, DC-Netz, Systemregelung) steht ein Testsystem bereit, welches mit einem eigens entwickelten SCADA-System flexible Untersuchungen auf Gesamtsystemebene ermöglicht. Im Fokus der Untersuchung stehen hier die Identifikation von Betriebsgrenzen und dem Lastaufschaltvermögen, die sich durch die Kopplung von Subsystemen und der Systemregelung ergeben. Für die Belastung des Brennstoffzellensystems können neben einer elektrischen Last auch E-Motoren eingesetzt werden, so dass realitätsnahe Bedingungen für Untersuchungen in der 25 kW Leistungsklasse entstehen.

Entwurfsmethode AirFuCS-CALC

• Zur Auslegung von Wasserstoff-Brennstoffzellen-Energiesystemen steht die numerische Methode „AirFuCS-CALC“ bereit, die basierend auf validierten physikalischen Komponentenmodellen für bekannte Leistungsanforderungen über der Mission die Auslegung des Energiesystems ermöglicht. Dabei werden sowohl Betriebsgrößen des Brennstoffzellensystems für veränderliche Umgebungsbedingungen bestimmt, als auch für das Systemdesign spezifische Aspekte wie Oversizing und Kühlerdimensionierung abgebildet. So können Entwurfsteams entscheiden, ob das Wasserstoff-Brennstoffzellen-Energiesystem energieeffizient arbeitet oder hinsichtlich einer niedrigen Systemmasse entworfen wird.

Literatur

M. Schröder, F. Becker, J. Kallo, C. Gentner:

Optimal operating conditions of PEM fuel cells in commercial aircraft

International Journal of Hydrogen Energy, Volume 46, Issue 66, 2021, Pages 33218-33240, ISSN 0360-3199

https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.07.099. (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319921027634)

Keywords: Fuel cells; Commercial aircraft; Water management; Optimization; Auxiliary power; System efficiency