Nachwuchsgruppe Sensorbasierte Brennstoffzellenentwicklung


Themenschwerpunkte

Innerhalb der Nachwuchsgruppe wird ein sensorbasiertes Konzept zur Identifikation kritischer Zustände in PEM-Brennstoffzellen erarbeitet, was die Entwicklung eines hocheffizienten Brennstoffzellensystems mit langer Lebensdauer ermöglicht. Die Entwicklung und Optimierung soll dabei auf dem IPEK X-in-the-Loop-Ansatz aufbauen und eine Kopplung der Zell-, Stack- und Systemebene erlauben. Die einzelnen Ebenen können dabei sowohl virtuell in Form von Simulationsmodellen als auch physisch in Form von Prüfaufbauten dargestellt sein und über virtuell-physische Schnittstellen miteinander gekoppelt werden, um so eine durchgängige Vergleichbarkeit innerhalb des IPEK X-in-the-Loop-Frameworks zu erzielen. Hierfür sind sowohl angepasste Modellierungsansätze als auch Validierungsumgebungen mit spezifischer Messtechnik notwendig.

Im Einzelnen sollen innerhalb der Nachwuchsgruppe die folgenden Forschungsthemen behandelt werden:

  • Zellebene: Verknüpfung von Strömungsfeld und Gasdiffusionslage
    ► Entwicklung eines mehrfach-gradierten Strömungsfeldes mit verbesserten Transporteigenschaften

    • Der effiziente Transport der Reaktionsgase von der Verteilerstruktur hin zur katalysatorbeschichteten Membran, sowie der Abtransport des entstehenden Wassers haben einen starken Einfluss auf die Leistung einer Brennstoffzelle.

    • Zur Optimierung dieser Transportmechanismen werden auf der Zellebene Strömungsstrukturen in der Gasdiffusionslage entwickelt und untersucht.

    • Ein besonderer Fokus wird dabei auf den Grenzbereich zwischen Gasdiffusionslage und Bipolarplatte gelegt, um einen guten Übergang der Reaktionsgase von der Verteilerstruktur zur Membran zu gewährleisten.

 

  • Stackebene: Identifizierung von lokalen kritischen Zuständen im dynamischen Betrieb
    ► Sensorbasierte Erfassung von Betriebszuständen auf der Bipolarplatte

    • Vor allem die Effizienz der Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle, aber auch die Degradation, hängt stark von Druck-, Temperatur- und Feuchtigkeits- sowie Stromdichteverteilungen innerhalb der aktiven Reaktionsfläche der Bipolarplatte ab.

    • Infolgedessen gilt es die internen Parameter und Gradienten (Druck-, Temperatur- und Feuchtigkeits- sowie Stromdichtegradienten) durch integrierte Sensorsysteme und Simulationen zu erfassen und anschließend einen generellen Zusammenhang zwischen den Gradienten und den Einflussgrößen, welche insbesondere Effizienz und Degradation der Brennstoffzelle beeinflussen, zu erarbeiten. Aus diesen Erkenntnissen können schlussendlich Optimierungsansätze abgeleitet werden.

 
  • Systemebene: Entgegenwirkung und Vermeidung von kritischen Zuständen
    ► Entwicklung einer robusten zyklischen Betriebsführung

    • Mit zunehmender Rechenleistung ist es möglich ungünstige Betriebsbedingungen und Szenarien vorherzusagen. Diese können für die Brennstoffzelle sowie für das Brennstoffzellensystem kritische Zustände darstellen.

    • Durch ein intelligentes Brennstoffzellen-Steuergerät können die Betriebsparameter (Druck-, Temperatur- und Feuchtigkeit) anpasst werden. Kritische Zustände werden dadurch vermieden, wodurch gleichzeitig die erforderliche Leistung aufrecht gehalten werden kann.

 

  • Messmethodik: Übertrag von direkter zu indirekter Messwerterfassung
    ► Entwicklung von äquivalenten indirekten Größen

    • Bei der Entwicklung eines hocheffizienten Brennstoffzellensystems spielt die Identifikation solcher kritischen Zustände folglich eine wichtige Rolle. Genau hier liegt der Fokus der indirekten Messmethodik.

    • Dabei wird gezielt das Wasser- und Thermomanagement, die Gasverteilung sowie der mechanische Aufbau der Brennstoffzelle analysiert.

 

Jan Haußmann
Konzept zur Kopplung der Entwicklungsebenen im PEM-Brennstoffzellensystem

Bachelor- / Masterarbeiten

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Stellenausschreibungen

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Lehrveranstaltungen

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Kontakt

Leiter der Nachwuchsgruppe Sensorbasierte Brennstoffzellenentwicklung