Innerhalb der interaktiven Vorlesung „Auslegung von Brennstoffzellensystemen“ werden sowohl Wissen, als auch Methoden und Vorgehensweisen vermittelt, wie Brennstoffzellensysteme für verschiedene Anwendungen auszulegen sind. Ausgehend von den allgemeinen Prinzipien elektrochemischer Wandler, wird die Auslegung der Brennstoffzelle und der Systemkomponenten hinsichtlich Dimensionierung, Geometrie und Material behandelt. Insbesondere wird hierbei auf die PEM-Brennstoffzelle eingegangen, die gerade für mobile Anwendungen, wie LKW, Schiff und Flugzeug von hoher Relevanz ist. Durch die mehrjährige Erfahrung des Dozenten in der Automobilindustrie wird die Auslegung der einzelnen Komponenten eines Brennstoffzellensystems anhand praktischer Beispiele erläutert.

Die Studierenden haben im Verlauf der Vorlesung die Möglichkeit eigenständig ein komplettes Brennstoffzellensystem für einen spezifischen Anwendungsfall auszulegen und zu gestalten. Ausgehend von der Dimensionierung einer einzelnen Zelle wird der Brennstoffzellenstapel und schließlich das komplette Brennstoffzellensystem hinsichtlich der Leistungsanforderungen in der Anwendung ausgelegt. Dabei wird auf die maßgeblichen Kriterien Leistungsdichte, Wirkungsgrad, Lebensdauer und Kosten eingegangen, die für die Auslegung zu berücksichtigen sind. Im Detail wird auch auf die Auslegung der einzelnen Subsysteme, wie den Wasserstoffpfad, den Luftpfad und das Kühlsystem, sowie deren Einzelkomponenten eingegangen. Darüber hinaus werden Hybridisierungskonzepte aus Brennstoffzelle und Batterie diskutiert und Betriebsstrategien für verschiedene Antriebskonzepte im Hinblick auf die jeweilige Anwendung betrachtet.

Die behandelten Themen sind im Einzelnen:

• Aufbau eines Brennstoffzellenantriebsstrangs, Hybridisierung von Batterie und Brennstoffzelle
• Aufbau von Brennstoffzellensystemen (Brennstoffzelle und Systemkomponenten)
• Auslegung von Brennstoffzellen in Bezug auf Stoffströme, Wärmetransport und elektrischer Leitung
• Messtechnik zur Analyse von Brennstoffzellen sowie Regelung und Steuerung der Systemkomponenten
• Aufbau und Auslegung von Brennstoffzellenkomponenten und ihre Fertigung
• Auslegung von Brennstoffzellensystemen in Bezug auf Leistung und Wirkungsgrad
• Degradation von Brennstoffzellenkomponenten und Auswirkungen auf die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems

Lernziele:

Die Studierenden …

• können verschiedene Systemtopologien von Antriebssträngen und Brennstoffzellensystemen unterscheiden und deren Einsatzmöglichkeiten zuordnen
• können die Funktion von Systemkomponenten benennen und deren Einfluss auf die Gesamtauslegung eines Brennstoffzellensystems zuordnen
• können den Aufbau einer PEM-Brennstoffzelle und alternative Brennstoffzellentypen darstellen und die Funktion der einzelnen Komponenten zuordnen und benennen
• können die Brennstoffzelle hinsichtlich elektrischer Leitung, Wärmetransport und Stoffströme auslegen und sowohl qualitativ als auch quantitativ in Größe und Geometrie bestimmen

Skript zur Veranstaltung wird über Ilias (https://ilias.studium.kit.edu/) bereitgestellt.

Manfred Klell, Helmut Eichlseder, Alexander Trattner, Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik : Erzeugung, Speicherung, Anwendung, ISBN: 978-3-658-20447-1, DOI: 10.1007/978-3-658-20447-1

Johannes Töpler, Jochen Lehmann, Wasserstoff und Brennstoffzelle : Technologien und Marktperspektiven, ISBN: 3-642-37414-X, DOI: 10.1007/978-3-642-37415-9

Peter Kurzweil, Brennstoffzellentechnik : Grundlagen, Materialien, Anwendungen, Gaserzeugung, ISBN: 978-3-658-14935-2, DOI: 10.1007/978-3-658-14935-2