FORSCHUNGS- UND

TRANSFERSCHWERPUNKT

AUTOMOTIVE

1. Beschreibung

Für die an der OvGU entwickelten 1D-Modelle für den Antriebsstrang mit Brennstoffzelle und Batterie als Energiequelle wird eine Prüfumgebung und vor allem eine Forschungsbrennstoffzelle für automotive Anwendungen benötigt um eine geschlossene Modellierungs- und Validierungskette aufzubauen. Der Focus soll dabei auf PEM-Brennstoffzellen und deren Subsystemen liegen, da diese den Automotiven Bereich dominieren und mit H2 als Kraftsoff eine CO2-neutrale Mobilität ermöglichen.

2. Ziele und Beispiele

Gesamtfahrzeugmodelle von Brennstoffzellenfahrzeugen sollen in drei Ebenen unterteilt werden.

Die modellhafte Abbildung und Validierung der Energiewandlung in der Brennstoffzelle (FC) und des Antriebsstrangs soll mit Hilfe einer Forschungsbrennstoffzelle erarbeitet und stetig weiterentwickelt werden.

Ergebnis wird der Aufbau einer geschlossenen Simulationskette für FC-EV (FC-EV  = Fuel-Cell - Elektro-Fahrzeug) und FC-HEV (FC-HEV  = Fuel-Cell – Hybrid-Elektro-Fahrzeug) und die Einbindung in eine Software-in-the-Loop-Methodik (SiL bzw. virtueller Prüfstand) im Gesamtsystem sein.

Beispiele:

• - Auslegung der Fahrzeugbatterie in einem FC-HEV,
• - Auslegung und Modellierung von Brennstoffzellen-Subsystemen
   (Luftversorgung, Luft-Filter, Wassermanagement, etc.)
• - Fahrzeug-Antriebsstrangauslegung und Life-Cycle-Assessment (LCA)
• - Optimierung Brennstoffzelle/Batterie-Fahrstrategie
• - Komponentenentwicklung und Stapelentwicklung

3. Einrichtungen

3.1.         1 – 5 Zeller Short-Stack Prüfstand

3.1.1.     Aufgaben und Methoden

• Entwicklung von Zellkomponenten (z.B. BPP, Flowfield)
• Interaktion der Zellkomponenten (Stromdichtenverteilung)
• Entwicklung von Stapellayout (Medienversorgung)
• Performance
• Degradationsuntersuchungen
• Sensitivitätsanalysen / Benchmark und Betriebsstrategie
• Einsatz neuer Messtechnik
• Modellvalidierung
• Absicherungsprozesse

3.1.2.     Technische Daten

• Elektrische Leistung: 2 kW
• Ausgangsstrom: 200A
• Ausgangsspannung:  0 – 5V
• Anschlussleistung: 12 kW – 15 kW
• Wasserabfluss: < 2.0 l/h
• Stickstoffversorgung:
  • Anode: bis 50 Nl/min
  • Kathode: bis 100 Nl/min
• Wasserstoffversorgung: 0.267 kg/h
• Wasserzufluss: 1.8 – 3 l/h
• Luftversorgung: bis 100 Nl/min
• Abmessungen: ~2,5m x 2m x 5m (B x T x H)

3.2.      10 Zeller Short Stack Prüfstand

3.2.1.     Aufgaben und Methoden

• Performance / Benchmark
• Langzeitanalysen / Dauerhaltbarkeit
• Sensitivitätsanalysen
• Auslegung Betriebsstrategie
• Einsatz neuer Messtechnik
• Modellvalidierung
• Absicherungsprozesse

3.2.2.     Technische Daten

• Elektrische Leistung: 10 kW
• Luftversorgung (Kathode)
  • Massenstrom: bis 300 Nl/min
  • Temperatur: 20°C bis 95°C
• Wasserstoffversorgung (Anode)
  • Massenstrom: 0.641 kg/h
  • Temperatur: 20°C bis 90°C
  • Druck: max. 4 bar
• Stickstoffversorgung
  • Anode: bis 60 Nl/min
  • Kathode: bis 300 Nl/min
• Wasserversorgung
  • Massenstrom: bis 330 ml/min (Anode und Kathode) @ 100 % RH bei 90 °C und 1,2 bar
  • Gasbefeuchtung: 0-100 % RH
• Prüflingskonditionierung
  • Kühlleistung 16 kW, 20 bis 100°C
• Elektrische Last: 14 kW
  • Ausgangsspannung: 0 – 80V DC
  • Ausgangsstrom: 0 – 1020A DC
  • Anschlussleistung 40 KW

3.3.         Brennstoffzellen-System PST

• Infrastruktureller Vorhalt für Forschungsbrennstoffzelle 150 kW
• Vorhalt Anschlussleistung 450 KW
• Grundfläche 6 m x 8 m

4. Schnittstelle TGA (Versorgung):

• Spannung:  400V 3-Phasig 
• Prozesswasser:  ja
• Druckluft: 15 bar (Basisversorgung)
• Luftversorgung:
  •  FuelCell PST (öl-freier (Schrauben)-Kompressor:
    • Druck ?
    • Vol.-Strom: ?)
• Stickstoff- und Wasserstoffversorgung (siehe Technische Daten)

5. Schnittstelle übergeordnetes Steuersystem (Automatisierung):

• Bus Kommunikation: CAN / CAN FD / Automotive Ethernet / FlexRAY
• Digital I/O:
  • Betriebsmodus (On / Off)
  • Not-Aus
  • Fehler Cool Down Rampe (Kontrolliertes Anfahren von 20°C Normtemperatur im Fehlerfall)

6. Messtechnik und Steuerung:

• Sensyflow Geräte zur Durchflussmessung für H₂ & Luft
• H2-Sense (oder vergleichbares System) 
• Portables FTIR (z.B. Gasmet DX4000)
• Messtechnik zur Bestimmung der Luftqualität (Druck, Temp, Feuchtigkeit, CO₂-Anteil)
• Oszilloskop (16-Kanal)
• Lab-View + PC
• Prüfstandssteuerung (PUMA / TORNADO o. Ä.)
• (H₂O-Meßtechnik)     notwendig?

7. Bauliche Besonderheiten

• Explosionsschutz
• Kran mit mindestens 2T Traglast
• Trennung zwischen Maschinenraum und Bedienerraum (Sichtverbindung ist erforderlich)
• Schwingungsgedämpftes Fundament
• Doppelboden für Verrohrung / Verkabelung – Gaszufuhr möglichst von oben
• Versorgung mit Wasserstoff über Trailer (wie im Gesamtkonzept geplant) muss gewährleistet sein.
• Sicherheitstechnik (Gaswarnanlage + SPS zur Notabschaltung)
• Kamerasystem zur Überwachung
• Wasserabfluss 120 l/h (Bodenablauf)

8. Raumanforderungen

Kontakt

Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Fakultät für Maschinenbau (FMB)
Institut für Mobile Systeme (IMS)

Prof. Dr.-Ing. Hermann Rottengruber
Universitätsplatz 2
39106 Magdeburg

Tel.: 0391 67-58721
Fax: 0391 67-42832

 Stand: 05.08.2021