Regelung und Diagnose stellen bei Brennstoffzellen und Elektrolyseuren Schlüsseltechnologien dar, um deren Potenzial, die Zuverlässigkeit sowie Effizienz in verschiedensten Anwendungsgebieten wie Transport, Energieversorgung und Industrie zu verbessern. Der Forschungsschwerpunkt konzentriert sich auf die Entwicklung fortschrittlicher Regelungs- und Diagnosesysteme für Brennstoffzellen und Elektrolyseure, wobei besonders die örtlich verteilte Dynamik ihrer Komponenten eine wichtige Rolle spielt.

Ziel dieses Forschungsschwerpunkts ist es, präzise Regelungsalgorithmen zu entwickeln, die die Leistung von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren optimieren und ihre Effizienz maximieren, wobei die multiphysikalische Natur dieser Systeme eine besondere Herausforderung darstellt. Die Berücksichtigung der Lebensdauer in der Regelung dieser Anlagen ist von entscheidender Bedeutung für ihre langfristige Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit. Durch eine gezielte Steuerung, die die Lebensdauer der einzelnen Komponenten explizit  berücksichtigt, können potenzielle Degradationserscheinungen frühzeitig erkannt bzw. minimiert werden. Dies ermöglicht nicht nur eine effizientere Nutzung der Anlagen, sondern trägt auch dazu bei, die Betriebskosten zu senken und ihre wirtschaftliche Attraktivität über die gesamte Lebensdauer zu gewährleisten. Deshalb ist neben der Regelung ein wichtiger Brennpunkt unserer Arbeiten die Entwicklung moderner Diagnosetechniken, wobei die komplexe Interaktion zwischen den verschiedenen Komponenten und die stark örtlich verteilte Natur von Degradation in Brennstoffzellen beziehungsweise Elektrolyseuren eine besondere Herausforderung in der Forschung darstellt.

Unser Ansatz umfasst die Nutzung von fortgeschrittenen Sensortechnologien sowie datenbasierte Analysemethoden wie etwa der Zustandsbeobachtung, um einen umfassenden Einblick in den Zustand und die Leistung der Brennstoffzellen und Elektrolyseure zu erhalten, wobei die räumliche Verteilung der dynamischen Eigenschaften berücksichtigt wird. Die komplexe Dynamik, die sowohl bei Brennstoffzellen als auch bei Elektrolyseuren beherrscht werden muss, erfordert Ansätze der anwendungsorientierten Grundlagenforschung. Dabei arbeiten wir eng mit namhaften Industriepartnern zusammen, um sicherzustellen, dass unsere Forschungsergebnisse praxisrelevant sind und einen direkten Beitrag zur Weiterentwicklung dieser Schlüsseltechnologien leisten.

Ein wasserstoffbetriebenes Auto fährt entlang einer kurvigen Straße zwischen Tannenbäumen

Abbildung: Modellbasiertes Regelungskonzept, um transiente Phasen schädigungsfrei zu ermöglichen.

Forschungsziele

Modellbasierte prädiktive Regelungsmethoden, um die Lebensdauer zu maximieren, bei gleichzeitiger Sicherstellung von dynamischen Leistungsanforderungen

Angesichts der begrenzten Lebensdauer von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren ist es entscheidend, prädiktive Regelungsmethoden zu entwickeln, die nicht nur die dynamischen Leistungsanforderungen erfüllen, sondern auch die Lebensdauer der Anlagen maximieren können. Durch die Integration detaillierter Modelle des Degradationsverhaltens in die Regelungsalgorithmen können potenzielle Schädigungen frühzeitig erkannt und vermieden werden.

Diagnoseverfahren, welche auf die örtlich verteilte Natur von Schädigungseffekten eingehen

In Anbetracht der örtlich verteilten Natur von Schädigungseffekten in Brennstoffzellen und Elektrolyseuren ist es entscheidend, Diagnoseverfahren zu entwickeln, die diese Komplexität berücksichtigen.

Digital Twin Methoden, um in Echtzeit und anhand von Messdaten Modelle und Regelungsalgorithmen zu kalibrieren

Der Einsatz von Digital Twin Methoden ermöglicht eine Echtzeit-Kalibrierung von Modellen und Regelungsalgorithmen basierend auf Messdaten aus dem realen Betrieb von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren. Durch die kontinuierliche Anpassung der digitalen Zwillinge an das tatsächliche Verhalten der Anlagen können präzisere Vorhersagen und optimierte Regelungsstrategien entwickelt werden.

Forschungsprojekte

Publikationen

Bartlechner, Johanna, Martin Vrlić, Christoph Hametner, and Stefan Jakubek. "State-of-Health observer for PEM fuel cells—A novel approach for real-time online analysis, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster." International Journal of Hydrogen Energy (2024).

Vrlić, Martin, Dominik Pernsteiner, Alexander Schirrer, Christoph Hametner, and Stefan Jakubek. "Reduced-dimensionality nonlinear distributed-parameter observer for fuel cell systems, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster." Energy Reports 10 (2023): 1-14.

Ferrara, Alessandro, Stefan Jakubek, and Christoph Hametner. "Cost-optimal design and energy management of fuel cell electric trucks, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster." International Journal of Hydrogen Energy 48, no. 43 (2023): 16420-16434.