NIP II - FuE - Verbund: Stack- und Systemkomponenten von PEM-Brennstoffzellen für Mobilitätsanwendungen

Abstract

Im Rahmen des Projekts Hy-FFCC hat die FES GmbH Fahrzeug-Entwicklung Sachsen einen Versuchsträger zur Systemintegration eines aufgrund der engen Bauraumgegebenheiten neu entwickelten Brennstoffzellensystems entwickelt. Dieser sollte bis zum Abschluss des Vorhabens in ein im Rahmen des Projekts zu beschaffenden auf dem Markt verfügbaren BEV aus diesem Segment integriert und zugelassen werden. Im Rahmen des Projekts gab es verschiedene Hürden, die zu großen zeitlichen Verzögerungen im Projekt und damit auch zu nicht kalkulierten Mehraufwänden geführt haben. Zu nennen ist hierbei vor allem die Teileverfügbarkeit von Elektronikkomponenten aufgrund der in 2021 und 2022 immer noch vorherrschenden Situation der Ausfuhrbeschränkungen in China für die in der Produktion in Europa benötigte Kleinkomponenten durch die Corona Pandemie. Des Weiteren kam hinzu, dass im Rahmen des Projekts neue Erkenntnisse bei der FES erarbeitet wurden, die hinsichtlich der besonderen Anforderungen an Komponenten (z.B. Kühlwasserschläuche) aus dem Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems durch die Maßgabe einer sehr geringen Leitfähigkeit des Kühlmittels herausfordernd waren. Als letzten Grund sind die gewonnenen Erkenntnisse aus dem Anodenkreislauf zu nennen. Im Zeitraum der Beschaffung gab es keine adäquaten Rezirkulationspumpen für Wasserstoff, die in das entwickelte E/E System des Fahrzeugs gepasst hätten, da dieses auf einer 400 V Architektur aufgrund des gewählten Basisfahrzeugs aufbaut. Bei den namhaften Automobilzulieferern in der Entwicklung befindlichen, für die spezifischen Anforderungen passenden Komponenten wurden aufgrund der höheren Leistungsanforderungen für eine 800 V Architektur ausgelegt. Diese Gebläse wurden derzeit für den typischen Anwendungsbereich der Heavy-Duty Fahrzeuge entwickelt, da diese eine höhere Priorität auf dem Markt besitzen. Eine Integration dieser Gebläse wäre aus wirtschaftlichen und Verfügbarkeitsgründen an für den Automobilbereich erprobten leistungselektronischen Komponenten gescheitert. Aus den genannten Gründen wurde die Laufzeit des Vorhabens mehrfach verlängert und mögliche Auswege mit dem Management diskutiert. Nichtsdestotrotz wurden im Rahmen der Möglichkeiten hinsichtlich Budget und zur Verfügung stehender Zeit alle möglichen Alternativen untersucht und erprobt. Zu nennen ist hier vor allem das modulare Rezirkulationssystem, was für die Erprobung von unterschiedlichen Rezirkulationsdüsengeometrien unter realistischen Umgebungs- und Betriebsbedingungen einen Beitrag leisten kann. Leider waren mit dieser Entwicklung auch unvorhergesehene Probleme hinsichtlich der entstehenden Druckverluste von der verwendeten Ventiltechnik verbunden. Eine Entwicklung von Kugelventiltrieben (3/2 und 2/2 Wege-Ventile und Querschnitt 3/8“ und 1/2“) für die Reduktion von Druckverlusten im H2-System wäre daher erstrebenswert, um ein solches Konzept zur passiven Unterstützung des Anodensystems und zur Erhöhung der Systemeffizienz des Brennstoffzellensystems umzusetzen. Im Sinne der wirtschaftlichen Verwertung wurden entsprechende Gespräche mit möglichen Kunden für das zu entwickelnde Fahrzeug geführt und vertieft. Aus Geheimhaltungsgründen wird hier auf die Ausführung der Inhalte der Gespräche und den möglichen Anwendungsszenarien verzichtet. Begonnen wurde das Projekt 03.01.2022 und startete mit einer umfassenden Recherche sowie Grundauslegung der benötigten Systemkomponenten. Neben Tests an Realfahrzeugen zur Aufnahme realistischer Lastprofile als Auslegungsbasis wurden verschiedene Packagevarianten diskutiert und eine Zielvariante auskonstruiert. Parallel dazu fand die Grundauslegung der Software bzw. Steuerung stat. Hier wurden alle notwendigen Systemschaltpläne, CAN-Landkarten, PIN-Belegungen usw. erstellt. Final konnten Teilmodule wie Brennstoffzellenmodul, Batteriemodul, Kühlermodul sowie Storage- and Supplymodul beschafft, montiert und getestet werden.