Forschung

Development of a fuel cell stack emulator for testing and evaluation of components, materials, and fluids for use in cooling systems of fuel cells

Kurzdarstellung

Zur Umsetzung der im sogenannten „Pariser Abkommen“ gesetzten Klimaschutzziele bedarf es einer erheblichen Verringerung von Treibhausgasemissionen. Neben Industrie, Landwirtschaft und Energiewirtschaft stellt der Verkehrssektor einen wesentlichen CO2-Emittenten dar. Entsprechend groß ist das Treibhausgasminderungspotenzial in der Gesamtbilanz, sofern eine Anpassung der Mobilität gelingt. Neben der Emission von klimarelevanten Gasen bedarf es zudem der Vermeidung von Lokalemissionen wie beispielsweise Ruß, Feinstaub und Stickoxide, die eine gewisse gesundheitliche Belastung der Bevölkerung im urbanen Raum darstellen können. Die jüngste juristische Diskussion um lokale Fahrverbote von Dieselfahrzeugen sowie klimawissenschaftliche Studien belegen – neben einem zunehmenden Bewusstseinswandel – auch die gesellschaftspolitische Brisanz und Dringlichkeit der Thematik. Im nationalen „Klimaschutzplan 2050“ der Bundesregierung zur Umsetzung der auf europäischer Ebene definierten Richtlinien wird eine Vielzahl sich ergänzender Antriebstechnologien genannt. Neben der Elektromobilität und alternativer Kraftstoffe wird die Brennstoffzelle als effizienter Energiewandler favorisiert.

Eine technische Herausforderung stellen die komplexen Anforderungen an die Brennstoffzellenkühlung und die Harmonisierung des Beanspruchungskollektivs im Kontext integrierter Thermomanagementsysteme. Die gasseitig entstehende Reaktionsenthalpie muss als Abwärme an ein Kühlmedium abgegeben werden. Neben der Sicherstellung der funktionellen Integrität bestehen dabei Anforderungen an die Materialverträglichkeit und Kühlmittelbeständigkeit unter den Brennstoffzellen-spezifischen Beanspruchungen. Im Vergleich zu etablierten Kühlsystemen in Verbrennungsmotoren bestehen signifikante Unterschiede hinsichtlich des thermischen Eintrags (Wärmestromdichten, heterogene Wärmeverteilung, Betriebstemperaturen, teils transienter Betrieb), des Vorliegens eines elektrischen Felds (Ionenablenkung, selektive Ausfällung beispielsweise von Inhibitoren) sowie strömungsdynamischer Aspekte (spezifische Kanalgeometrie und -führung, Volumenströme, Strömungserosion, lokales Sieden). Bislang unerforscht war der Einfluss dieser Beanspruchungen auf relevante Werkstoff-Medium-Paarung, insbesondere auch im Hinblick auf zukunftsweisende neuartige Kühlmitteltechnologien für einen effizienten Brennstoffzellenbetrieb.

Ziel des Vorhabens „Kühlung Brennstoffzelle“ war es deshalb, die Vielfalt der Beanspruchungen in einem Modul für die spätere Materialverträglichkeitsprüfung konstruktiv umzusetzen. Dazu wurde zunächst anhand einer Mitgliederbefragung und wissenschaftlichen Recherche in einschlägiger Fachliteratur das vorliegende Beanspruchungskollektiv identifiziert. Dies ermöglicht eine Bautypen-unabhängige Klassifizierung und Abstrahierung der relevanten Beanspruchungsszenarien. Die Beanspruchungen sind damit entkoppelt von den gasseitigen Prozessen der realen Brennstoffzelle und können mittels Funktionselementen zielgerichtet im Rahmen des zu entwickelnden Emulators umgesetzt werden. Die konstruktive Auslegung des Emulators erfolgte anhand etablierter Produktentwicklungsmethoden. Die damit verbundene Effizienz ermöglichte die Konstruktion und Fertigung des Emulators innerhalb der vorgegebenen Vorhabendauer (abzüglich kostenneutraler Verlängerungen aufgrund von Lieferverzögerungen). Kühlkanalspezifische, strömungs- und thermodynamische Aspekte wurden ebenfalls bei der konstruktiven Auslegung berücksichtigt. Mittels simulativer Methoden gelang die Identifikation hoch beanspruchter Kanalsegmente und damit kritischen Szenarien für die spätere Materialverträglichkeitsuntersuchung. Entsprechend gewonnene Erkenntnisse flossen direkt in die konstruktive Auslegung der Funktionselemente des Emulators ein.

Nach Fertigung wurde die funktionelle Integrität validiert. Die Forderungen des Lastenhefts konnten vollumfänglich erfüllt werden. Zudem wurde die hervorragende Anschlussfähigkeit des Emulators deutlich. Im geplanten Nachfolgevorhaben soll eine entsprechende Anlageninfrastruktur generiert werden. Neben Materialverträglichkeitsuntersuchungen zur Identifikation geeigneter Werkstoff- Medium-Paarung beziehungsweise zur Untersuchung der vorliegenden Degradation soll im Rahmen des Nachfolgevorhabens „Kühlung Brennstoffzelle II“ eine industriell verwertbare Prüfrichtlinie etabliert werden.

Förderhinweis

Dieser Bericht ist das wissenschaftliche Ergebnis eines Forschungsvorhabens der FVV (Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.V.), das vom Zentrum für Konstruktionswerkstoffe (MPA-IfW) der Technischen Universität Darmstadt unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Matthias Oechsner durchgeführt wurde.

Die FVV bedankt sich bei Prof. Dr.-Ing. Oechsner und seinen wissenschaftlichen Mitarbeitern Dr.-Ing. Rüdiger Reitz, M. Sc. Artur Klink und Dr.-Ing. Christopher Tom Engler für die Durchführung des Projektes. Dieses Projekt wurde von einer Expertengruppe unter der Leitung von Dr.-Ing. Markus Kaiser (Nexiss GmbH) durchgeführt. Wir bedanken uns für die Unterstützung durch den Vorsitzenden und alle Mitglieder des projektbegleitenden Ausschusses des Projekts.

Das Forschungsprojekt wurde von der FVV (Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.V.) eigenfinanziert (Förderkennzeichen 6012960).