Mathematische Modellierung und Optimierung des dynamischen Verhaltens von PEM Brennstoffzellen für Anforderungen im KFZ- Bordnetz bis 50 kW

Im Rahmen des Landesforschungsschwerpunkts "Automotive" sollen neue technische Konzepte für die zukünftige individuelle Mobilität erarbeitet werden. In jüngster Zeit wurden bereits zumindest teilweise elektrisch angetriebene Kfzs als Hybridfahrzeuge realsiert. Ein lokale Emissionen idealerweise vollständig vermeidendes Fahrzeug benötigt einen anderen Energiespeicher als Benzin oder Diesel; aus heutiger Sicht kommt hauptsächlich wasserstoffbasiertes Gas in Frage, mit dem in Brennstoffzellen elektrische Energie erzeugt werden kann. Entsprechende mit hinreichender Lebensdauer einsatztaugliche Systeme sollten durch Forschungsarbeiten innerhalb von voraussichtlich etwa sieben bis zehn Jahren zu entwickeln sein. Ziel dieses Forschungsprojektes ist die mathematische Modellierung und Optimierung des dynamischen Verhaltens von PEM Brennstoffzellen in automobilen Antriebssystemen: Die Dynamik eines PEM Brennstoffzellensystems wird wesentlich von dem Stack, dessen Peripherie, der Topologie und der Steuerung bestimmt: Das Betriebsverhalten des Stacks beeinflussen Partialdrücke des Reaktanden und Oxidanten, Temperatur, Feuchte und Last, seine Dynamik die benötigten externen Aggregate wie Luftversorgungsgebläse (-kompressor), die Betriebsführung (Stöchiometrie, Rezirkulationsbetrieb) und Steuerung der Komponenten (Algorithmen), sowie das Design der Anlage einschließlich der Dimensionierung eines zusätzlichen Energiespeichers (Batterie, Doppelschichtkondensatoren usw.), der unter den Gesichtspunkten von Kosten, Platzbedarf, Gewicht sowie Wartungsaufwand jedoch eine beschränkte Größe aufweisen sollte. Die Energiewandlung zwischen Brennstoffzellen, Speichern und Bordnetz mit Antrieb ist damit von wesentlicher Bedeutung für den Entwurf des brennstoffzellenbasierten automobilen Antriebssystems, an das im Fahrbetrieb hohe Anforderungen bezüglich der Dynamik gestellt werden. Von der Industrieelektronik mit entsprechend hohen Strömen übernommene Ansätze für die Leistungselektronik tragen den besonderen Anforderungen im Kfz nicht hinreichend Rechnung: Für Betrieb bei niedriger Spannung müssen parasitäre Elemente minimiert werden; weiterhin ist auch unter fahrzeugtypischen Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Verschmutzung und Vibration zuverlässiger Betrieb sicherzustellen. Nicht zuletzt bestehen extreme Anforderungen an Bauform bzw. Volumen und Gewicht sowie Kosten.