a3plus, 5. Ausschreibung (2011)

A3-FALCON

Advanced 3D Fuel Cell Analysis and Condition Diagnostics

Für einen kommerziell erfolgreichen Serieneinsatz von PEMFC Systemen in automotiven Anwendungen gibt es zwei kritische Erfolgsfaktoren: Substantielle Senkung der Herstellkosten (bzw. Steigerung der spezifischen Effizienz) und Verbesserung der Lebensdauer. Die Identifikation geeigneter optimaler Betriebsstrategien zur Verbesserung dieser Erfolgsfaktoren sollen mittels verschränkter simulatorischer und experimenteller Techniken durchgeführt werden. Der Lösungsweg umfasst die erstmalige Einbindung von Degradationsmodellen in die eine 3D-CFD Simulation, die örtlich aufgelöste experimentelle Erfassung kritischer Zellzustände, eine Real-time Datenerfassung und Signalanalyse gefolgt von der Korrelation simulatorischer und experimenteller Untersuchungsergebnisse und letztlich die Identifikation verbesserter (optimaler) Betriebsstrategien.

Die beiden größten Herausforderungen für einen erfolgreichen Serieneinsatz von PEMFC Systemen in elektrisch betriebenen Fahrzeugen sind a) die Senkung der Herstellkosten (bzw. die Steigerung der spezifischen Effizienz) und b) die Erhöhung der Lebensdauer. Zielgrößen für Kostenreduktionsfaktoren bewegen sich im Bereich von 10-20 im Vergleich zu heutigen Kosten. Die Verbesserung der Lebensdauer zielt auf eine Erreichung der aktuell bereits gegebenen Werte auch unter realen, aggressiven Betriebsbedingungen. Erreicht können diese Ziele unter anderem nur dann werden, wenn das Leistungspotential des Stacks optimal genutzt wird. Dadurch können sowohl teure Überdimensionierungen zur Erreichung der geforderten Lebenszeit als auch Wirkungsgradverluste durch den Betrieb bei zu hohen Gasströmen vermieden werden.
Die Identifikation optimaler Betriebsstrategien (hinsichtlich Effizienz und Lebensdauer) soll mittels verschränkter simulatorischer (CFD) und experimenteller (flächige Impedanz- Spektroskopie und Signalanalyse) Analysetechniken erreicht werden. Der vorgeschlagene Lösungsweg umfasst die erstmalige Einbindung von Degradationsmodellen in die 3D-CFD Simulation (AVL FIRE), die experimentelle Erfassung der flächigen Verteilung der kritischen Zellzustände, eine Real-time Datenerfassung und Signalanalyse (Basistechnik AVL THDA) gefolgt von der Korrelation simulatorischer und experimenteller Untersuchungsergebnisse und letztlich die Identifikation verbesserter (optimaler) Betriebsstrategien.
Die Projektpartner verfügen dafür über eine breite Palette an Basistechnologien, auf denen die Forschungsarbeiten aufbauen: Seitens AVL kann auf eigene CFD Simulationssoftware und Basismesstechnik zurückgegriffen werden. Die TU Graz setzt die Forschungsarbeiten auf Basis von Vorprojekten in den Bereichen Degradationsanalysen, Simulationsmodellentwicklung, Impedanz-Spektroskopie und Elektronik für Real-Time Datenerfassung und –analyse fort. Die Firma S++ bringt spezielle Sensorplatten für die Erfassung flächenhafter Vorgänge in der PEMFC ein. PEMFC-Stacks der neuesten Generation werden vom englischen Projektpartner Intelligent Energy bereitgestellt. Intelligent Energy übernimmt auch die Integration der S++ Messtechnik in die PEMFC-Stacks sowie die Umsetzung der abschließend identifizierten optimalen Betriebsstrategien.

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