Brennstoffzellenantriebe: Zukunft auf dem Prüfstand

Auf dem neuen „Prüfstand Alternative Antriebe“ von IAV können Brennstoffzellenstapel und -systeme bis 180 Kilowatt beziehungsweise150 Kilowatt getestet werden

Im Bereich der Prüftechnik für Motoren, Batterien und HV-Komponenten ist IAV anerkannter Entwicklungspartner für die Automobilindustrie. Nun wird das Prüffeld um einen Prüfstand für Brennstoffzellen, eine weitere mögliche Komponente des Antriebsstrangs, erweitert. Die Aufnahme des Prüfbetriebs im vierten Quartal 2016 eröffnet den IAV-Kunden ein breites Spektrum an Prüfmöglichkeiten für die Komponenten des Brennstoffzellenantriebs. Dabei können sowohl Kernaufgaben der Serienentwicklung als auch vorentwicklungs- und forschungsrelevante Fragestellungen bearbeitet werden.

Zur Erreichung der Ziele zur CO2-Reduzierung stellen Brennstoffzellenantriebe eine aussichtsreiche Variante dar. Insbesondere die höhere Reichweite und kurze Betankungsdauer lassen die Vorteile der Technologie gegenüber reinen Elektrofahrzeugen für den Endkunden spürbar werden. Einige Hersteller haben bereits erste Serienfahrzeuge in begrenzter Anzahl für den Kunden verfügbar oder arbeiten an der Serieneinführung. Aktuelle Entwicklungsschwerpunkte sind, neben den im Rahmen der Serienentwicklungen notwendigen Erprobungen, vor allem die Senkung der Kosten, Steigerung der Lebensdauer und Vereinfachung des Systems im Fahrzeug. Der Prüfstand in Gifhorn ist für diese Aufgaben bestens ausgelegt. Hier lassen sich dynamische Fahrzyklen ebenso gut nachbilden wie Lebensdauerraffzyklen zum Nachweis der Dauerhaltbarkeit im Fahrzeug. Zum Einsatz kommt dabei modernste Mess- und Prüftechnik.

Bündelung der vorhandenen Kompetenzen bereits in der Planungsphase

Bereits in der Planungsphase des Prüfstands konnten die bei IAV reichlich vorhandenen Erfahrungen aus dem bestehenden Prüffeldbetrieb einfließen. Gemeinsam mit den Experten aus den einzelnen Fachbereichen wurden so die Anforderungen an den Prüfstand formuliert. In Kombination mit dem existierenden Wissen aus Projekten um den Brennstoffzellenstapel und das Brennstoffzellensystem stand so von Anfang an das notwendige Know-how zur Verfügung.

„Der Prüfstand selbst ist auf den anspruchsvollen Kunden der Zukunft ausgelegt. Für den Betrieb eines Brennstoffzellenstapels unter fahrzeugnahen Betriebsbedingungen können die relevanten Parameter wie Feuchte, Fließgeschwindigkeit, Temperatur und Druck hochdynamisch verändert werden. Weiterhin lässt sich die Wasserstoffkonzentration variieren, um so die im Fahrzeug durch verschiedene Effekte auftretende Anreicherung von Stickstoff nachzubilden“, sagt Ralf Wascheck, Abteilungsleiter Hochvolt- und Brennstoffzellensysteme bei IAV.

Erweiterter Schwerpunkt Dynamikverhalten

Insbesondere die Anforderung an die dynamische Regelbarkeit der Betriebsparameter war eine zentrale Herausforderung bei der Abstimmung der Prüftechnik, um die höhere Dynamik im Fahrzeug, hervorgerufen durch deutlich kleinere Gasstrecken, nachbilden zu können.

Diese zeitintensive Optimierung des Prüfstandlayouts hat sich gelohnt, denn stationäre Untersuchungen, wie das Aufzeichnen von U/I-Kennlinien unter variierenden Parametern, ermöglichen nur eine eingeschränkte Charakterisierung des Brennstoffzellenstapels.

Um detailliertere Erkenntnisse über das Betriebsverhalten und den Zustand des Brennstoffzellenstapels zu erhalten, steht im Rahmen der umfangreich vorhandenen Messtechnik unter anderem eine Einzelzellspannungserfassung zur Verfügung. „Weiterhin können mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie Rückschlüsse auf die einzelnen Prozesse im Brennstoffzellenstapel gezogen werden. Damit kann auch der Zustand des Prüflings zu Beginn und nach Durchführung der Messungen vergleichbar dargestellt werden“, erklärt Wascheck.

Anknüpfung an bewährte Entwicklungsmethoden

Der Prüfstand wurde so konzipiert, dass eine Schnittstelle zur Anbindung an bestehende Systeme und Prozesse bei IAV möglich ist. So können die bekannten Arbeitsabläufe zur Reduzierung der Prüfzeiten auch an diesem neuen Prüfstand umgesetzt werden.

Eine Option ist zum Beispiel die Anwendung von Design-of-Experiments(DoE)-Methoden. Auf Basis der IAV-Software EasyDoE werden zunächst die geeigneten Messpunkte berechnet und mithilfe der Prüfstandssteuerung automatisiert vermessen.

Durch anschließende Modellbildung und Optimierung können die optimalen Kennfeldparameter schnell gefunden werden und die Kennfelder müssen nicht mehr langwierig über Messung jedweder möglichen Parameterkombination erzeugt werden. So kann die notwendige Erprobungszeit für ein Brennstoffzellensystem deutlich verkürzt und die Ergebnisse können bereits während des Prüfprozesses einer ersten Prüfung unterzogen werden.

Durch die Kombination bekannter Vorgehensweisen aus den Serienerprobungen und des Wissens um das Betriebsverhalten des Brennstoffzellenstapels und -systems, steht dem Kunden so die maximale IAV-Kompetenz zur Erprobung auf diesem Gebiet zur Verfügung.