Brennstoffzellen sind für viele der Hoffnungsträger in der Antriebstechnik. Immerhin handelt es sich bei einer Brennstoffzelle um ein kleines Kraftwerk, das chemische Energie direkt in elektrische Antriebsleistung umwandelt. Und dabei fällt praktisch nur Wasser als Abfallprodukt an. Allerdings konnten bisher einige schwierige diagnostische und regelungstechnische Aufgaben nur unzureichend gelöst werden, wodurch eine erfolgreiche Anwendung beispielsweise in Fahrzeugen nicht sinnvoll war. Dominik Kuzdas und Dominik Murschenhofer vom Institut für Mechanik und Mechatronik sowie dem Institut für Strömungsmechanik und Wärmeübertragung der TU Wien nahmen sich genau dieser Problematik an und erstellten im Rahmen ihrer <link https: publik.tuwien.ac.at program>Diplomarbeit ein Echtzeitmodell für Diagnostik und Regelung von Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (PEM-FC).

Fahrzeugantrieb als Herausforderung für Brennstoffzellen

Eine PEM-Brennstoffzelle basiert auf einem elektrochemischen Prozess: Eine durchlässige Polymermembran ist zwischen zwei Elektroden angebracht, an denen einerseits Luft und andererseits Wasserstoff zugeführt werden. Durch eine chemische Reaktion entstehen aus dem Luftsauerstoff und dem Wasserstoff Wasser, zusätzlich wird aber elektrische Energie frei, die wiederum in Antriebsenergie für das Fahrzeug umgesetzt wird.

Fahrzeuge stellen besondere Anforderungen an eine Brennstoffzelle: Durch sprunghafte Änderungen der Last, beispielsweise bei unregelmäßiger Beschleunigung, ändert sich der Betriebszustand der Brennstoffzelle laufend, was wiederum Einfluss auf die Zufuhr von Luft und Wasserstoff (Stofftransport) und damit auf die chemische Reaktion in der Zelle selbst hat. Damit die Brennstoffzelle optimal funktioniert und nicht vorzeitig altert, benötigt etwa die Polymermembran dauerhaft eine optimale Feuchtigkeit. Auch die ausreichende Versorgung mit Reaktionsgasen ist bei dynamischen Betriebszuständen problematisch und kann die Lebensdauer der Brennstoffzelle verkürzen.
 

Diagnostik und Regelung durch Echtzeit-Modell

Die herrschenden Bedingungen in der Brennstoffzelle festzustellen und gleichzeitig die entsprechende Stoffzufuhr zu regeln, ist bislang nur äußerst aufwendig möglich. Im Rahmen ihrer Diplomarbeit haben Dominik Kuzdas und Dominik Murschenhofer erstmals ein Computermodell einer Brennstoffzelle entworfen, welches alle relevanten Prozesse örtlich auflösen kann und zwar in Echtzeit. Einerseits wird dadurch die Diagnose des Zustands der Brennstoffzelle zu einem beliebigen Zeitpunkt ermöglicht, andererseits kann in Echtzeit geregelt werden, wieviel Wasserstoff und Luft zugeführt wird, und prognostiziert werden, wie die Brennstoffzelle darauf reagiert. Damit wurde nun die Grundlage dafür geschaffen, beispielsweise den Alterungsprozess der Membran je nach Stoffzufuhr zu prognostizieren. Was das Modell der beiden Preisträger zusätzlich praktikabel macht: Für sämtliche Berechnungen reicht die Leistungsfähigkeit eines handelsüblichen Desktoprechners.

Johann Puch Award for Excellence in Automotive Engineering

Magna Steyr vergibt seit 2003 jährlich den mit insgesamt 20.000 EUR dotierten Preis für Master- und Diplomarbeiten zu Themen der Fahrzeugtechnik und Automobilproduktion. Die diesjährigen Preise wurden am 26. September 2018 in Graz verliehen.

Kontakt:
Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr. Stefan Jakubek
Technischen Universität Wien
Institut für Mechanik und Mechatronik
Getreidemarkt 9
1060 Wien
T +43-1-58801-328 99
<link>stefan.jakubek@tuwien.ac.at

Ao.Univ.Prof. Dr. Stefan Braun
Technische Universität Wien
Institut für Strömungsmechanik und Wärmeübertragung
Getreidemarkt 9, 1060 Wien
T +43-1-58801-32223
<link>stefan.braun@tuwien.ac.at