Forschungsvorhaben OptiKath - Leistungsdichtesteigerung durch Kathodenpfadoptimierung bei Niedertemperatur-Polymerelektrolytbrennstoffzellen

Abstract

Viele Forschungsarbeiten an Brennstoffzellensystemen fokussieren sich auf Zellchemie und Stackaufbau zur Steigerung von Leistung und Effizienz. Ziel des Projektes OptiKath ist die Demonstration leistungsdichter, kompakter Brennstoffzellensysteme für unterschiedliche Anwendungen. Im Fokus steht die Optimierung des Kathodenpfads eines Hochleistungs-Brennstoffzellensystems zur Erhöhung der volumetrischen Leistungsdichte und Effizienz gegenüber kommerziellen Systemen. Dies soll durch eine gezielte Optimierung des Kathodenluftsystems hinsichtlich Druck und Feuchte erreicht werden.

Es sollen systematisch verschiedene Befeuchtungskonzepte bewertet werden, auf deren Basis ein ganzheitliches Wassermanagementsystem aufgebaut und getestet wird. Eine begleitende 1D-Simulation unterstützt die Systemauslegung und liefert realitätsnahe Lastzyklen. Ein Gesamtsystemdemonstrator wird aufgebaut und erprobt. Zur Bewertung der Leistungsdichtesteigerung wird das System mittels CAD in ein Fahrzeug integriert.

Ziel des Projektes OptiKath ist die Erschließung neuer Anwendungsfelder für Brennstoffzellentechnologien mit hohen Anforderungen an Leistungsdichte und Bauraum mit folgendem Focus: - Steigerung der Leistungsdichte von mobilen Proton-Exchange-Membrane (PEM) Brennstoffzellensystemen - Vereinfachte Integration in Fahrzeugbauräume durch Entkoppelung der notwendigen Komponenten im Kathodenpfad vom Brennstoffzellen-Stack - Erweiterung des Baukastens für Kathodenpfad-Topologien durch detaillierte Untersuchung alternativer Konzepte für Befeuchtung und Ladeluft-Kühlung - Optimierung der Methodik zur Feuchtemessung im Bereich der Sättigung bei über 80 °C Umgebungstemperatur - Erweiterung des Prüfangebotes im Bereich Kathodenpfad und Wassermanagement - Kompetenzaufbau bei CFD- und 1D-Simulationen von Mehrphasenströmungen - Aufbau der Kompetenz und der Prüfstandsumgebung für Brennstoffzellen-Entwicklungsprüfstände von Heavy-Duty und High-Performance-Anwendungen

Much research into fuel cell systems focuses on cell chemistry and stack design to increase performance and efficiency. The aim of the OptiKath project is to demonstrate high power density, compact hydrogen fuel cell systems for various applications. The focus is on optimizing the cathode path of a high-performance fuel cell system to increase volumetric power density and efficiency compared to commercial systems. This is to be achieved by specifically optimizing the cathode air system in terms of pressure and humidity.

Various humidification concepts are to be systematically evaluated, on the basis of which a holistic water management system will be developed and tested. An accompanying 1D simulation supports the system design and provides realistic load cycles. An overall system demonstrator will be set up and tested. To evaluate the increase in power density, the system will be integrated into a vehicle using CAD.

The goal of the OptiKath project is to open up new fields of application for fuel cell technologies with high requirements in terms of power density and installation space, with the following focus: - Increasing the power density of mobile proton exchange membrane (PEM) fuel cell systems - Simplified integration into vehicle installation spaces by decoupling the necessary components in the cathode path from the fuel cell stack - Expanding the modular system for cathode path topologies by conducting a detailed investigation of alternative concepts for humidification and charge air cooling - Optimizing the methodology for measuring humidity in the saturation range at ambient temperatures above 80 °C - Expanding the range of tests offered in the area of cathode path and water management - Building expertise in CFD and 1D simulations of multiphase flows - Building expertise and test bench environment for fuel cell development test benches for heavy-duty and high-performance applications