Projekttitel:
„PastA2 - Prüfstand zur Analyse von kathoden- und anodenseitigen Aufladesystemen“
Kurzbeschreibung zum Projekt:
„PastA2 - Prüfstand zur aero-, struktur- und thermodynamischen Analyse von kathoden- und anodenseitigen Aufladesystemen und Systemkomponenten mit Mehrphasen- und Mehrkomponentenströmungen für Brennstoffzellensysteme“
Es handelt sich um Projekt-Nr. ZW7-85202619. Das Projekt wird über den „Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) als Teil der Reaktion der Union auf die COVID-19-Pandemie“ finanziert.
Fördergegenstand ist ein Prüfstand zur struktur-, thermo- und aerodynamischen Analyse von kathoden- und anodenseitigen Aufladesystemen und Systemkomponenten mit Mehrphasen- und Mehrkomponentenströmungen für Brennstoffzellensysteme.
Ein wichtiger Bestandteil zur Reduzierung der Schadstoff- und der CO2-Emissionen im Mobilitätssektor, wie z.B. im Nutzfahrzeugbereich oder in der Luftfahrt, kann unter anderem durch den Einsatz von Brennstoffzellen (BZ) -Systemen erreicht werden. Dazu bedarf es der Weiterentwicklung des BZ-Systems hinsichtlich Effizienz und Lebensdauer. Zentrale Bestandteile eines BZ-Systems sind die anoden- und kathodenseitige Gasversorgung. Dabei ist die Aufgabe eines Anodenrezirkulationsgebläses (ARG) das weiterhin mit Wasserstoff angereicherte Anodengas erneut der Reaktion der BZ zuzuführen. Durch Rezirkulation des ungenutzten Wasserstoffs wird eine Erhöhung der Effizienz der BZ erreicht. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Austreibung von Wassertropfen aus dem Stack, die auf der Anodenseite aufgrund des durch die Membran diffundierten Sauerstoffs entstehen. Diese blockieren ansonsten die Reaktionsfläche der BZ und reduzieren somit die Leistung und langfristig die Lebensdauer. Die Aufgabe des kathodenseitigen Luftversorgungssystems besteht darin, der Brennstoffzelle Luft mit den für einen effizienten Betrieb erforderlichen Randbedingungen (Temperatur, Druck, Feuchtigkeit) zur Verfügung zu stellen. Das Herzstück und gleichzeitig die Komponente mit dem größten parasitären Leistungsbedarf des gesamten Brennstoffzellensystems ist dabei ein elektrisch angetriebener Verdichter oder häufig auch Turbolader.
Bisherige Projekte am TFD konzentrieren sich, im Rahmen von staatlich geförderten Projekten, meist auf die TRLs 1–4, während der private/kommerzielle Sektor sich auf die TRLs 7–9 konzentriert. Mit der beantragten Infrastruktur soll explizit der Bereich der TRLs 4–7 adressiert werden und zukünftig F&E Tätigkeiten bis zu TRL 7, „Systemmodell oder Prototyp in der Betriebs-Umgebung demonstriert“ ermöglichen.
Um den zuvor genannten Zielen gerecht zu werden und einen wesentlichen Beitrag zur Energie- und Mobilitätswende beitragen zu können, müssen zukünftige experimentelle Technologievalidierungen die Einflüsse von Mehrphasen- und Mehrkomponentenströmungen (Variable Befeuchtung (0 – 100% r.F.), Simulation von tröpfchenbeladenen Strömungen und Variable Gaszusammensetzung (z.B. 100% H2 <-> 100% N2)) berücksichtigen.
Der bewilligte Prüfstand soll in die flexible Prüfstandsumgebung des vorhandenen Prüfstands für Aufladesysteme und Expansionsmaschinen (PAE) am CMG integriert und thermodynamische und mechanische Prüfungen an Rezirkulationsgebläsen, kathodenseitigen Luftversorgungssystemen sowie Systemkomponenten von Brennstoffzellensystemen unter Realgaszusammensetzungen und Wasserbeladung ermöglichen.
Die Auslegung soll eine Untersuchung von Komponenten für Brennstoffzellensysteme von maximal 600kW ermöglichen. Der Prüfstand soll dabei nachfolgend aufgeführte Grundfunktionen erfüllen:
Grundfunktionen
- Regelung des Eintrittszustandes in den Prüfling (Druck, Temperatur, Massenstrom)
- Variable Befeuchtung (0 – 100% r.F.)
- Bereitstellung von tröpfchenbeladenen Strömungen
- Variable Gaszusammensetzung, wie z.B. H2, N2, He und Luft (z.B. 100% H2 <-> 100% N2)
- Variable Verschmutzung / Verunreinigung (z.B. CO, NOX, NH3)
- Simulation des Druckverlustes eines Brennstoffzellentstacks
- Inline-Prozessgas-Analysensystem (Feuchte, Prozessgas (H2, N2, He) und giftige Gase (CO, NOX, NH3)
- Gleichspannungsversorgung des Prüflings
- Leistungsmessung des Prüflings, AC und DC seitig
