Abschlussbericht - Teilvorhaben Bewertung, Dimensionierung und Modellierung des Befeuchtungssystems - Fraunhofer ICT

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 für das Fraunhofer ICT: -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 -Erweiterung des Prüfangebotes im Bereich Kathodenpfad und Wassermanagement -Kompetenzaufbau bei CFD- und 1D-Simulationen von Mehrphasenströmungen A lot of research into fuel cell systems focuses on cell chemistry and stack design in order to increase performance and efficiency. The aim of the OptiKath project is to demonstrate high-power-density, compact 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. A complete system demonstrator will be built and tested. To evaluate the increase in power density, the system will be integrated into a vehicle using CAD. The aim 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 for Fraunhofer ICT: -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 -Expansion of the modular system for cathode path topologies through detailed investigation of alternative concepts for humidification and charge air cooling -Expansion of the range of tests offered in the area of cathode path and water management -Competence building in CFD and 1D simulations of multiphase flows