Förderprojekt HyInnoPEM

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Mobile Antriebe mit zukunftsweisenden Brennstoffzellensystemen- Zustandsüberwachung und robuste Regelung unter Berücksichtigung der Degradation

 

Motivation

Im Zuge der Dekarbonisierung des Verkehrssektors bietet Wasserstoff als Energieträger die Möglichkeit einer CO2-neutralen Mobilität der Zukunft. Dabei können Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellsysteme (PEM-BZS) eine tragende Rolle als emissionsfreie Alternative zu Verbrennungsmotoren einnehmen und die Elektrifizierung von Fahrzeugen vorantreiben. Trotz zahlreicher Vorteile gegenüber rein elektrischen Antriebskonzepten gestaltet sich die Kommerzialisierung und breite Markteinführung von PEM-BZS in der mobilen Anwendung allerdings bis heute als schwierig. Hauptgründe dafür sind vor allem hohe Systemkosten und auftretende Alterungserscheinungen, die bei einem dynamischen Betrieb von Brennstoffzellen auftreten und deren Lebensdauer verringern. Erheblicher Forschungsaufwand wird jedoch betrieben, um eine zeitnahe Marktdurchdringung zu ermöglichen. Dabei liegt der Fokus neben der Materialwissenschaft und Produktionstechnik vor allem auf neuen intelligenten Kontrollstrategien, welche den Betrieb bei gleichzeitig hoher Effizienz und Dynamik ermöglichen, ohne dabei die Lebensdauer zu beeinflussen.

Das Projekt HyInnoPEM ist Bestandteil des Zukunftscluster Wasserstoff, in dem Wasserstofftechnologien aus allen Bereichen der Wertschöpfungskette nachhaltig in die Anwendung

   

Projektziele und Methoden

Im Projekt HyInnoPEM wird eine robuste modellprädiktive Regelung für ein hochdynamisches PEM-BZS entwickelt werden, welche gleichzeitig eine lange Lebensdauer des Systems garantiert. Dazu werden, basierenden auf Untersuchungen am Prüfstand, mathematische Modelle für den Brennstoffzellenstack und die zugehörigen Systemkomponenten erstellt und validiert. Diese Modelle sollen neben dem detaillierten dynamischen Verhalten ebenfalls wichtige systeminterne, nicht messbaren Zustandsgrößen, die die Degradation bedingen, enthalten und stellen die Basis der Regelung dar. Darüber hinaus wird eine Zustandserfassung und Lebensdauerprognose erstellt, wodurch eine prädiktive Wartungsstrategie ermöglicht wird. Diese soll im Rahmen einer TCO-Analyse quantifiziert werden.

Das Institut für Regelungstechnik ist dabei verantwortlich für die Entwicklung, Implementierung und Validierung der modellprädiktiven Regelung des PEM-BZS. Dazu werden die entwickelten Modelle durch Identifikation von Parametern an das Verhalten des Prüfstandes angepasst und so reduziert, dass alle für die Regelung relevanten Dynamiken vorhanden sind und Echtzeitfähigkeit sichergestellt ist. Zur Bereitstellung aller systeminternen, nicht messbaren Zustandsgrößen wird ein geeigneter Zustandsbeobachter implementiert. Abschließend wird der echtzeitfähige Regelalgorithmus simulativ als auch experimentell am Prüfstand validiert. Es soll zudem untersucht werden, inwieweit ein Konzept zur Zustandsüberwachung und Lebensdauerprognose des BZS in der Regelung eingebunden werden kann, um so eine zustandsbasierte prädiktive Wartungsstrategie zu ermöglichen.

   

Innovationen und Perspektiven

Durch die erfolgreiche Umsetzung des Projektes wird eine verlängerte Lebensdauer bei gleichzeitig effizientem und dynamischem Betrieb von PEM-BZS erzielt. Des Weiteren können die Gesamtsystemkosten durch die Umsetzung der prädiktiven Wartungsstrategie gesenkt werden. Dies zusammen stellt einen weiteren Schritt hin zur zeitnahen Marktdurchdringung von PEM-BZS in der mobilen Anwendung dar.

 

Projektpartner
RWTH Aachen, TME - Lehrstuhl für Thermodynamik mobiler Energiewandlungssysteme EKPO Fuel Cell Technologies GmbH Pierburg GmbH – Rheinmetall AG FEV Europe GmbH