Konzeptionierung und Aufbau eines Heavy Duty Brennstoffzellensystems (FCS-HD)

Abstract

Das Projekt Fuel Cell System Heavy Duty zielte darauf ab, die besonderen Herausforderungen der Brennstoffzellentechnologie für schwere Nutzfahrzeuge zu adressieren. Während wasserstoffbetriebene Brennstoffzellensysteme bereits in verschiedenen Mobilitätssektoren eingesetzt werden, bestehen für den Nutzfahrzeugbereich weiterhin offene Fragen zur Effizienz, Langlebigkeit und optimalen Integration von Subsystemen. Insbesondere die Gewährleistung eines stabilen Betriebs unter hoher Last sowie die Optimierung von Wasser- und Wärmemanagement stellen zentrale Herausforderungen dar. Ein wesentliches Ziel des Projekts war daher die systematische Untersuchung und Weiterentwicklung von Schlüsselkomponenten innerhalb des Brennstoffzellensystems. Dazu zählten insbesondere Befeuchter und passive Strahl-Rezirkulationspumpen, die einen maßgeblichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit und Effizienz des Gesamtsystems haben. Es bestand die Notwendigkeit, neue Prüfmethoden und Simulationsansätze zu entwickeln, um diese Komponenten unter realistischen Betriebsbedingungen detailliert zu analysieren und zu optimieren. Die Professur für Fluidsystemtechnik (FST) an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg konnte dabei auf bestehende Expertise im Bereich Wasserstofftechnologien und thermodynamischer Prozesse aufbauen. Ein vorhandener FuelCon-Brennstoffzellenprüfstand der Firma HORIBA diente als Ausgangspunkt für weiterführende Untersuchungen, reichte jedoch nicht aus, um die spezifischen Anforderungen des Projekts zu erfüllen. Daher war die Entwicklung spezialisierter Prüfstände erforderlich, um sowohl stationäre als auch dynamische Betriebszustände realitätsnah nachbilden zu können. Durch die enge Zusammenarbeit von experimentellen Untersuchungen und Simulationen hat das Projekt dazu beigetragen, Brennstoffzellensysteme für schwere Nutzfahrzeuge leistungsfähiger, effizienter und wirtschaftlicher zu gestalten und damit die Technologiereife weiter voranzutreiben. The Fuel Cell System Heavy Duty project aimed to address the specific challenges of fuel cell technology for heavy-duty commercial vehicles. While hydrogen-powered fuel cell systems are already in use in various mobility sectors, questions remain regarding the efficiency, durability, and optimal integration of subsystems for commercial vehicles. In particular, ensuring stable operation under high loads and optimizing water and heat management are key challenges. A major goal of the project was therefore the systematic investigation and further development of key components within the fuel cell system. These included, in particular, humidifiers and passive jet recirculation pumps, which have a significant impact on the performance and efficiency of the overall system. There was a need to develop new test methods and simulation approaches in order to analyze and optimize these components in detail under realistic operating conditions. The Professorship for Fluid Systems Technology (FST) at Friedrich-Alexander University Erlangen-Nuremberg was able to build on existing expertise in the field of hydrogen technologies and thermodynamic processes. An existing FuelCon fuel cell test bench from HORIBA served as the starting point for further investigations, but was not sufficient to meet the specific requirements. It was therefore necessary to develop specialized test benches in order to be able to realistically simulate both stationary and dynamic operating conditions. Through close cooperation between experimental investigations and simulations, the project has contributed to making fuel cell systems for heavy commercial vehicles more powerful, efficient, and economical, thereby further advancing the maturity of the technology.