Entwicklung eines Brennstoffzellen-Vollstapel-Teststands für Heavy-Duty- und Luftfahrtanwendungen

Zur Unterstützung der Entwicklung von leistungsfähigen, serientauglichen und qualitativ hochwertigen Brennstoffzellenstapeln werden leistungsstarke Testumgebungen benötigt. Daher waren die Ziele von FullStackTS der Aufbau und die Validierung einer Testumgebung und Entwicklung eines diskriminierungsfreien Testangebots für die Brennstoffzellen-Industrie. Zum Projektabschluss steht ein Teststand von MS2 Engineering für Brennstoffzellenstapel bis 200 kW mit spezialisierter Messtechnik von SMART Testsolutions am Fraunhofer ISE für die Auftrags- und Verbundforschung zur Verfügung.

Ausgangslage

Der Personen- und Gütertransport kann mit Brennstoffzellen zukünftig weiterhin schnell, zuverlässig und wirtschaftlich erfolgen, dazu aber auch umweltfreundlich und nachhaltig werden. Die Anforderungen an Lebensdauer, Effizienz und Leistungsdichte sind jedoch hoch und gleichzeitig bedingen die verschiedenen Anwendungen unterschiedliche Designs und Betriebseigenschaften.

Des Weiteren zeigen neue Anwendungen beispielsweise für den Einsatz im Flugzeug auch neue Anforderungen an die Teststände wie z.B. höhere Betriebstemperaturen oder andere Gaszusammensetzungen.

Auch der Bereich für Umgebungstemperaturen, unter denen die Brennstoffzellen betrieben und dementsprechend getestet werden müssen, erweitert sich signifikant. Diese Veränderungen wirken sich auf die Anforderungen der Teststände aus.

Ziel

Ziel von FullStackTS war die Entwicklung einer Testumgebung für Brennstoffzellen-Vollstapel, die den aktuellen Anforderungen entspricht. In einer Befragung von Firmen aus der Brennstoffzellenentwicklung wurden hierfür zunächst die Anforderungen an Stapeltests aus verschieden Anwendungen gesammelt und in eine Teststand-Spezifikation überführt. Ein solcher Teststand wurde anschließend realisiert und steht nun für die Auftrags- und Verbundforschung am Fraunhofer ISE zur Verfügung.

Lösung

Aus der Befragung konnten Anforderungen hinsichtlich des erweiterten Leistungsspektrums bis 200 kW (für LKW, Flugzeug, Schiff, Zug, etc.), eines Betriebsbereichs bis 120 °C (insbesondere für die Luftfahrt), der Anodenrezirkulation (zur Reduktion der Wasserstoffkosten) kombiniert mit einer Impedanzspektroskopie zur Detailcharakterisierung abgeleitet werden. Hiermit erarbeiteten die Projektpartner MS2 und SMART ein validiertes Konzept für Vollstapel-Teststände und können nun derartige Teststände der Industrie zur Lieferung anbieten. Das Fraunhofer ISE erweiterte mit dem Projekt sein FuE Angebot im Bereich Brennstoffzelle.

Ergebnisse

Als konkrete Umsetzung des Konzepts für Vollstapel-Teststände wurde ein 200 kWel Teststand von MS2 am Fraunhofer ISE in Freiburg realisiert. Für die wissenschaftliche Untersuchung der Brennstoffzellenstapel entwickelte und integrierte SMART Testsolutions eine Impedanzmessung mit der simultan 59 Kanäle gemessen werden können. Die Module sind auf einen großen Temperaturbereich ausgelegt, so dass sie in der Temperierkammer nahe am Prüfling positioniert werden können und so Störeinflüsse durch lange Leitungswege minimiert werden. Den Abschluss des Projekts bildete die erfolgreiche Inbetriebnahme des Teststandes und der Messtechnik mit einem Brennstoffzellen-Prüfling. Die detaillierten Leistungsdaten des Teststandes finden sich hier.

Das Projekt »FullStackTS« wurde gefördert durch das Umweltministerium vom Land Baden Württemberg im Rahmen des Zukunftsprogramms Wasserstoff (ZPH2).