Brennstoffzelle: Systemintegration mit Zellkompetenz

Autoren

Dipl.-Ing. J. Rechberger, W. Resende BSc, Dipl.-Ing. H. Schreier, Dipl.-Wirt.-Ing. F. Berg, AVL List GmbH, Graz

Jahr

2020

Druckinfo

Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 12, Nr. 813

Zusammenfassung

Brennstoffzellen rücken immer stärker in den Fokus der Entwicklung für Anwendungen im Bereich PKW, NFZ, Marine & Bahn. Die entscheidenden Vorteile, die hier für Brennstoffzellen sprechen, sind vor allem der schnellere Betankungsvorgang, die höhere Energiedichte als batterieelektrische Antriebe, und die weitgehende Emissionsfreiheit bei Verwendung von (erneuerbarem) Wasserstoff. Die Anforderungen an diese Anwendungen sind teilweise sehr unterschiedlich und erfordern spezifische Lösungen. So sind die Anforderungen in einem PKW sehr stark getrieben von Leistungsdichte und Investitionskosten, im Gegensatz dazu stehen bei LKW Dauerhaltbarkeit und TCO (Total-Cost-of-Ownership) im Vordergrund.
Um diesen unterschiedlichen Anforderungen gerecht zu werden, verfolgt AVL einen systematischem Systems Engineering Ansatz. Hierbei werden die Fahrzeug-Anforderungen auf oberster Ebene auf den Antriebsstrang heruntergebrochen. Dabei erfolgen bereits Optimierungen in Richtung Performance und Kosten (z. B. durch entsprechende Hybridisierungsansätze). In weiterer Folge werden daraus die Anforderungen aller Elemente des Antriebsstranges (Brennstoffzellensystem, Batterie, e-Motor, Getriebe, ...) abgeleitet. Diese Anforderungen bilden nun den Startpunkt für die Brennstoffzellensystementwicklung.
Da ein Brennstoffzellensystem aus zahlreichen Komponenten besteht, müssen diese Systemanforderungen erst auf alle relevanten Komponenten weiter heruntergebrochen werden. Dies erfolgt in der Regel über eine Brennstoffzellen-System-Simulationsumgebung und parallele Trade-Off-Analysen hinsichtlich Kosten, Leistungsdichte, Performance & Dauerhaltbarkeit. Um den unterschiedlichen Anforderungen der Anwendungen gerecht zu werden, müssen nun selbst auf Komponentenebene des Brennstoffzellensystems zielgerichtete Entwicklungen erfolgen. So ergeben sich z. B. für einen Brennstoffzellenstack für eine PKW Anwendung Anforderungen bzgl. Leistungsdichte von 4 kW/l und eine Lebensdauer von 5.000 h. Für eine Bahnanwendung sehen diese Anforderungen mit 2 kW/l Leistungsdichte und 30.000 h Lebensdauer deutlich anders aus. Diese unterschiedlichen Anforderungen erzwingen unter anderem ein unterschiedliches Stack Konzept hinsichtlich des Designs, der eingesetzten Kernkomponenten (z. B. CCM, GDL, MEA, …) und der verwendeten Materialien (z. B. graphitische oder metallische Bipolarplatten). Im Rahmen des Vortrages wird die AVL Methodik der Anforderungsentwicklung von der Fahrzeugebene bis auf die Stack-/Zellebene anhand von konkreten Beispielen erörtert, und technische Lösungsansätze aufgezeigt.