Forschungs-Zusammenarbeit im Bereich Brennstoffzellen mit UTBM

02. April 2014

Im Jahre 2007 wurde zwischen einer Forschungsgruppe der ETH Zürich, aus welcher Celeroton entstanden ist, und der Université de Technologie de Belfort-Montbéliard (UTBM) eine Zusammenarbeit im Bereich Brennstoffzellen lanciert. Daraus ist die Entwicklung eines 10 kW Brennstoffzellenprüfstandes hervorgegangen, welcher mit einem Kompressor von Celeroton betrieben wird.

PEM-Brennstoffzellensysteme werden vielfach zur mobilen und dezentralen Energieerzeugung benutzt und kommen in Autos, Flugzeugen, Trolleys, Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)-Anlagen oder Notstromaggregaten zum Einsatz. In all diesen Bereichen werden grosse Ansprüche an Wirkungsgrad und Kompaktheit gestellt. Wo die Einsparung von jedem Gramm und cm3 zählt, eignen sich hochdrehende Turbo Kompressoren ideal um dieser Herausforderung zu begegnen. Dies zeigt unter anderen folgende Publikation der Brennstoffzellenforschung der UTBM. Dieses gemeinsame Interesse hat zur Zusammenarbeit der UTBM mit dem Team des Instituts für Leistungselektronik der ETH Zürich (und später mit Celeroton) geführt. Das Ziel dabei ist es, Turbo Kompressoren im Zusammenspiel mit Brennstoffzellsystemen zu testen und deren Regelung zu optimieren (siehe hier, hier und hier). Im folgenden Interview mit den zwei auf Seite UTBM involvierten Professoren möchten wir Ihnen einen Einblick in diese spannende Forschungszusammenarbeit geben.


Celeroton
Prof. Miraoui, Prof. Gao, wie lange forscht die UTBM schon auf dem Gebiet der Brennstoffzellen?

UTBM
Unsere Forschung in diesem Bereich hat im Jahr 2004 begonnen.


Was sind aktuell die Herausforderungen in der Brennstoffzellen-Forschung?
Während die Brennstoffzellen-Technologie riesige Verbesserungen, zum Beispiel in Sachen Energieeffizienz, ermöglichen wird, gibt es immer noch viele Herausforderungen. Zurzeit arbeiten wir an der Kostenreduktion des Gesamtsystems. Daneben müssen die Leistung sowie die Leistungsdichte weiter verbessert werden (der Zielwert ist hier 1 W/cm2). Des Weiteren arbeiten unsere Forscher an Themen der Robustheit, Zuverlässigkeit, Sicherheit und Lebensdauer. Unser Ziel ist es, eine Lebensdauer von 5’000 Stunden im Automobilbereich und 10’000 bis 20’000 Stunden bei Anwendungen im öffentlichen Verkehr zu erreichen.

Neben diesen grundsätzlichen Schwierigkeiten gibt es auch einige spezifische Herausforderungen. Zum Beispiel müssen bei Fahrzeug-Anwendungen Starts bei bis zu -20° C möglich sein.

Auch wenn Brennstoffzellen einen grossen Sprung für die sogenannte “green Economy” bedeuten könnten, gibt es auch in ökologischer Hinsicht noch viel zu tun: Produktion, Vertrieb und Lagerung des Wasserstoffs müssen hinsichtlich Ihrer Auswirkungen auf die Umwelt verbessert werden. Dies kann beispielsweise mit der Erarbeitung einer besseren Produktionskette erreicht werden. Zudem muss auch die Rezyklierbarkeit unserer Komponenten noch bewiesen werden.


Wie wird sich der Brennstoffzellen-Markt ihrer Meinung nach in den kommenden Jahren entwickeln?
Wir werden viele Fahrzeug-Demonstratoren, speziell für den öffentlichen Verkehr, zu sehen bekommen. Aber hier ist die Massenproduktion, wie die lange Liste der ausstehenden Verbesserungen (siehe oben) zeigt, heute noch kein Thema. Vielleicht wird es im Jahre 2020, wie von der Europäischen Union vorhergesehen, soweit sein. Parallel dazu wird sich der Markt für stationäre Anwendungen wohl weiter stark entwickeln.

Die Entwicklung steht und fällt jedoch mit den angesprochenen Verbesserungen beim Wasserstoff. Die Gesamteffizienz muss nochmals sehr genau unter die Lupe genommen werden. Brennstoffzellen und der ganze Wasserstoff-Energiesektor machen nur dann Sinn, wenn der Wasserstoff mit erneuerbarer Energie und höchster Effizienz produziert werden kann.


Welche Herausforderungen sehen Sie in Bezug auf den Kompressor und die Druckregelung?

Die grössten Aufgaben im Zusammenhang mit dem Luftmanagement-Subsystem sind:

  • Luftversorgung: Das System muss genügend Reaktantfluss erzielen um den gewünschten Sauerstoffüberschuss über den ganzen Leistungsbereich zu gewährleisten. Ungenügender Luftstrom kann im schlimmsten Fall den Stack beschädigen. Die Luft wird normalerweise von einem Kompressor oder Gebläse zirkuliert, somit muss der Kompressor eine hohe Regelgüte aufweisen.
  • Luftreinigung: Jegliche Partikel oder chemische Substanzen, wie zum Beispiel Kohlenmonoxid, können für den Katalysator und die Membrane schädlich sein. Deshalb muss die Luft vor dem Eintritt in den Stack gereinigt werden, weshalb der Kompressor idealerweise ölfrei arbeiten soll.
  • Luftverdichtung: Die zugeführte Luft wird je nach den Anforderungen des Stacks von leicht über atmosphärischem Druck auf 2.5 bar verdichtet. Das Verdichten der Luft führt zu höherer Effizienz des Stacks und einer besseren Charakteristik des Wasserhaushalts. Höherer Druck ermöglicht einen kompakteren Stack und eine höhere Leistungsdichte. Auf der anderen Seite nehmen im Vergleich zu Niederdruck-Brennstoffzellen die parasitären Verluste aufgrund des Kompressors zu.
  • Luftbefeuchtung: Die Polymer-Membrane muss für optimale Betriebskonditionen in einem befeuchteten Zustand gehalten werden. Dazu enthält das Luftmanagement-System normalerweise ein Befeuchtungs-Subsystem.

Der Kompressor, das Kernelement des Luftmanagement-Systems, verursacht den grössten parasitären Energiebedarf des Brennstoffzellen-Systems. In einigen Fällen werden bis zu 20 % der von der Brennstoffzelle generierten Energie zum Betrieb des Kompressors benötigt. Die Effizienz des Kompressors inklusive Motor und Umrichter hängt von der Art des Kompressors, dem Druckniveau und der Drehzahl ab. In jedem Fall sollte der Kompressor so effizient wie möglich sein.


Welche Vorteile sehen Sie im Einsatz von hochdrehenden Turbo Kompressoren in Brennstoffzell-Systemen verglichen mit anderen Kompressor-Technologien?
Die Zentrifugal-Technologie bietet grosse Vorteile bezüglich Kompaktheit, geringer Lärmentwicklung und hoher Effizienz und ist somit für Applikationen im Automobilbereich prädestiniert. Hier scheinen ultrahochdrehende Turbo Kompressoren die beste Lösung zu sein. Der Vorteil der hohen Drehzahlen ist eine Verkleinerung des Impeller-Radius und damit eine Steigerung der Leistungsdichte der Turbomaschine. Zudem steigt die Leistungsdichte des Motors in etwa proportional mit der Geschwindigkeit. Zusammenfassend bieten Zentrifugalkompressoren grosse Vorteile, im Speziellen im Automobilbereich. 

Noch gelöst werden müssen Probleme bei der Regelung des Drucks und der Pumpgrenze. Zudem müssen auch die Brennstoffzellencharakteristik und Lastsituationen bei der Auslegung des Reglers berücksichtigt werden. Aus diesem Grund, und um den Anforderungen von Kompressor und Brennstoffzelle gerecht zu werden, müssen neue Regelungsverfahren entwickelt werden. In letzter Zeit haben sich verschiedene Methoden als vielversprechend erwiesen. Diese werden nun genauer geprüft.


Wie haben Sie die Forschungszusammenarbeit mit Celeroton bisher erlebt?
Die Partnerschaft begann im Jahr 2009. Nach ersten Diskussionen identifizierten wir schnell das Potential des Einsatzes von hochdrehenden Kompressoren. Die Professionalität des Entwicklungsteams ermöglichte uns die Entwicklung eines ersten Prototyps um möglichst schnell mit der Entwicklung des Luftregelsystems beginnen zu können.

Heute ist diese Arbeit abgeschlossen. Die vorgeschlagenen Regler wurden implementiert und mit einer Hardware-in-the-Loop-Simulation verifiziert. Dabei zeigte sich, dass der dynamische Entkopplungs-Regler die Abhängigkeit zwischen Massenfluss- und Druckregler verringern kann. Abschliessend wurde ein 10 kW Brennstoffzellen-Modell zur weiteren Validierung des Reglers entwickelt. Auf eine Änderung der Last reagiert der Kompressor nun mit variablem Massenfluss bei konstantem Druck.


Sie forschen auch für Industrien, die den künftigen Einsatz von Brennstoffzellen planen. Wie sieht die Planung von der Forschung zur Serienproduktion aus? Was sind die grössten Herausforderungen?
Die Brennstoffzellenindustrie hofft, die Roadmap des DOE (United States Department of Energy) (2020: Lebensdauer 5‘000 Stunden, Stack-Kosten 43 €/kW für 500‘000 Fahrzeuge) einzuhalten. Wir denken, dass dies mit weiteren Innovationen bei der Auslegung und beim Material und dank besseren Produktionstechnologien und den ökonomischen Skaleneffekten möglich sein sollte.

Die grösste Herausforderung bleibt weiterhin der Wasserstoff. Wenn wir Autos oder stationäre Brennstoffzellen-Generatoren nicht wiederbetanken können, ist es nicht einmal nötig Brennstoffzellen-Systeme zu entwickeln. Heute werden über 95 % des Wasserstoffs mit fossilen Energieträgern (Gas, Benzin und Kohle) produziert. So können wir das CO2-Problem natürlich nicht lösen. Der einzige Weg ist die Verwendung erneuerbarer Energien oder, falls nötig, von Energie aus Kernkraftwerken. Dies ist eine globale Aufgabe.


Vielen Dank für das Interview.

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Abdellatif MiraouiProf. Abdellatif Miraoui wurde 1962 in Marokko geboren. Er erhielt seinen M.Sc. 1988 von der Haute Alsace Université, Colmar-Mulhouse, Frankreich, und den Ph.D. 1992 von der Université de Franche-Comte, Frankreich.
Er ist Präsident der Cadi Ayyad University, Marrakesch, Marokko. Seit 2000 ist er ordentlicher Professor der Elektrotechnik (elektrische Maschinen und Energie) an der UTBM.
Seine besonderen Interessen sind unter anderem Brennstoffzellen-Energie, Energie-Management im Transportwesen sowie die Auslegung und Optimierung von elektrischen Antriebssträngen.

 

Fei GaoProf. Fei Gao erhielt seinen M.Sc. (2007) und Ph.D. (2010) in Elektrotechnik von der UTBM. Seit 2011 ist er ausserordentlicher Professor an der UTBM. Seine Forschungsinteressen beinhalten Brennstoffzellen und deren Anwendungsgebiete im Transportwesen, echtzeitorientierte System-Modellierung und Hardware-in-the-Loop-Anwendungen.

 



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