Beschleunigen Sie die Entwicklung von PEM-Brennstoffzellen mit modellbasierter Simulation

Die modellbasierte Entwicklung von Brennstoffzellen erfordert eine Simulationsplattform, die das gesamte System abbilden kann – von der Physik der Membran bis hin zur Integration auf Fahrzeugniveau. AVL CRUISE™ M bietet genau das.

Es bietet eine einheitliche, multiphysikalische Umgebung, in der elektrische, thermische, flüssige und gasförmige Bereiche konsistent modelliert werden. Mit seiner speziellen Bibliothek von PEM-Brennstoffzellenkomponenten – Stacks, Befeuchter, Kompressoren, Ventile und Wärmetauscher – ermöglicht CRUISE M, Systemmodelle zu erstellen, die die reale Hardware genau widerspiegeln.

Die Plattform unterstützt sowohl Niedertemperatur- (LT) als auch Hochtemperatur- (HT) PEM-Technologien, sodass Benutzer verschiedene Konzepte innerhalb derselben Umgebung bewerten können. Der Schwerpunkt dieses Artikels liegt auf der LT-PEM-Systemmodellierung. CRUISE M bietet jedoch auch umfassende Funktionen für die HT-PEM-Modellierung, die wir in einem separaten Blogbeitrag mit dem Titel „Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzellenmodell in  CRUISE M" behandelt haben.

Integrierte Parametrierungswerkzeuge wie der PEMFC System Generator oder der PEMFC Stack Wizard optimieren den Datenabgleich, während offene Schnittstellen eine nahtlose Integration in Steuerungssysteme und Software ermöglichen. Von einem einzelnen Stack bis hin zum kompletten Fahrzeug ermöglicht CRUISE M Ingenieuren die präzise Modellierung, Analyse und Optimierung der Brennstoffzellenleistung – und beschleunigt so Innovationen für eine sauberere und effizientere Mobilität.

CRUISE M kann für alle Aufgaben im Bereich der Brennstoffzellenentwicklung eingesetzt werden. Im kleinsten Maßstab ermöglicht es eine detaillierte Analyse des Verhaltens von Zellen und Stacks, einschließlich Elektrochemie, Befeuchtung und Degradationsmodellierung. Dasselbe Modell kann dann auf Studien auf Systemebene ausgeweitet werden, bei denen die Anlagenkomponenten und ihre Steuerungslogik mit dem Stack interagieren. Auf diese Weise können wir beurteilen, wie der Betrieb des Systems die Degradation des Stacks im Laufe der Zeit beeinflusst.

Der Arbeitsablauf lässt sich auch auf die vollständige Fahrzeugintegration ausweiten. Dazu gehören Personenkraftwagen, Schwerlastkraftwagen, Züge, Schiffs- und sogar Luftfahrtanwendungen (Abbildung 1). Ein solcher Ansatz gewährleistet eine konsistente Bewertung über alle Entwicklungsstufen hinweg, vom ersten Zellmodell bis zum vollständigen Betrieb des Brennstoffzellensystems in der Endanwendung. 

Zusätzlich zur Simulation können die Modelle direkt in Model-in-the-Loop-, Software-in-the-Loop- und Hardware-in-the-Loop-Umgebungen sowie in virtuellen Testumgebungen eingesetzt werden. Auf diese Weise kann dasselbe physikalisch basierte Modell die Entwicklung und Kalibrierung von Steuerungen sowie die Systemvalidierung unterstützen, lange bevor die Hardware verfügbar ist, wodurch die Konsistenz bis hin zu den Tests gewährleistet bleibt. Das Thema wurde auf unserer AVL SIMpulse „Von der Herausforderung zur Lösung: PEM-Brennstoffzellen-Innovation durch Simulation” ausführlicher beschrieben.

Bei der Entwicklung eines LT-PEM-Brennstoffzellensystems geht es nicht nur um die Modellierung des Stacks, sondern auch darum, zu verstehen, wie sich das gesamte System unter realen Betriebsbedingungen verhält. Die Leistung des Stacks hängt stark davon ab, wie gut die umgebenden Balance-of-Plant-Komponenten (BoP) zusammenarbeiten: die Luft- und Wasserstoffversorgung, die Befeuchtung, die Kühlung, das Wassermanagement und die Steuerungssysteme. Die Erfassung dieser Wechselwirkungen auf verschiedenen Komplexitätsebenen – von der Komponente über das System bis hin zum Fahrzeug – spiegelt die Logik des V-Diagramms wider, bei dem die Simulation jede Phase vom Konzeptentwurf bis zur Validierung unterstützt.

Wie in Abbildung 2 dargestellt, umfasst das vollständige LT-PEM-Brennstoffzellensystemmodell alle wichtigen Teilsysteme, nämlich die Wasserstoff- und Luftversorgung, das Wärmemanagement und den Brennstoffzellenstapel, die in einer einzigen Simulationsumgebung integriert sind.

Im nächsten Abschnitt werden wir jedes der Teilsysteme einzeln beschreiben.

Der LT-PEM-Brennstoffzellenstapel ist das Herzstück unseres Systems. Er liefert Energie auf Basis der zugeführten Wasserstoff- und Sauerstoffmenge und wandelt diese Reaktanten in Strom, Wasser und Wärme um. Die Komponente ist in Abbildung 3 dargestellt, die zeigt, wie der LT-PEM-Brennstoffzellenstapel elektrochemische, gasströmungsbezogene, thermische und elektrische Bereiche integriert. 

Die PEM-Brennstoffzellenstapelkomponente in der CRUISE M-Bibliothek wird mit Standarddaten geliefert, kann jedoch an den gewünschten Stapel angepasst werden. Auf der Grundlage der Eingabedaten berechnet das Modell KPIs zur Stapelleistung und liefert damit eine grobe Orientierung, um zu überprüfen, ob die Abmessungen in einem angemessenen Bereich liegen, und um unplausible oder inkonsistente Modelleingaben zu vermeiden.

Wasserstoff ist das Lebenselixier einer LT-PEM-Brennstoffzelle. Um einen effizienten und sicheren Betrieb des Stapels zu gewährleisten, muss er mit genau der richtigen Durchflussmenge, Temperatur und dem richtigen Druck zugeführt werden. Dies ist die Aufgabe des Anodenmedien-Versorgungssubsystems. Der Aufbau des Subsystems mit gekennzeichneter Durchflussrichtung ist in Abbildung 4 dargestellt.

Luftversorgungssubsystem – Steuerung des Sauerstoffflusses

In einer LT-PEM-Brennstoffzelle benötigt die Kathode eine präzise Sauerstoffzufuhr, um effizient zu arbeiten. Das Kathodenmedien-Versorgungssubsystem stellt sicher, dass der Stapel Luft mit dem richtigen Massenstrom, Druck, der richtigen Temperatur und Feuchtigkeit aufrechterhält, wodurch das System unter allen Bedingungen stabil und zuverlässig bleibt. Das Subsystem mit der Strömungsrichtung des Luftwegs und seinen Hauptkomponenten ist in Abbildung 5 dargestellt.

In einem LT-PEM-Brennstoffzellensystem ist die Aufrechterhaltung der richtigen Temperatur von entscheidender Bedeutung. Ist der Stapel zu kalt, kann er seine volle Leistung nicht erreichen, und ist er zu heiß, können Komponenten vorzeitig altern. Deshalb ist ein effektives Wärmemanagementsystem für einen zuverlässigen und effizienten Betrieb unerlässlich. Die Topologie des Wärmemanagements mit markierten Parallelzweigen und Kühlmittelströmungsrichtung ist in Abbildung 6 dargestellt.

Die Einrichtung des Modells ist nur der Anfang – sie ermöglicht es uns, es für seinen eigentlichen Zweck zu nutzen. Dank des multidisziplinären Charakters des Modells können wir eine Vielzahl von realen Anwendungsfällen und Betriebsszenarien simulieren.

Auf dieser Grundlage wollen wir nun einige repräsentative Anwendungsfälle untersuchen, die verdeutlichen, wie Simulationen Designentscheidungen unterstützen und die Entwicklung von Brennstoffzellensystemen beschleunigen.

Modellierung von Degradation und Lebensdauerprognose 

Die Degradation von Brennstoffzellenstapeln ist eine der größten Herausforderungen für Hersteller von Brennstoffzellenstapeln. Der Stapel macht einen Großteil der Systemkosten aus, und sobald die Degradation ein gewisses Ausmaß erreicht hat (in der Regel 80% der ursprünglichen Leistung), ist das Ende der Lebensdauer erreicht und der Brennstoffzelllenstapel muss erneuert werden. 

Der Stapel selbst ist eine Komponente, die sehr empfindlich auf die Betriebsbedingungen reagiert. Hier geht es um Druckwerte (sowohl den absoluten Druck als auch den Unterschied zwischen Anoden- und Kathodenseite), Feuchtigkeit (ausreichend, um die Membran zu befeuchten, aber nicht so viel, dass es zu einer Flüssigwasserakkumulation kommt), Temperatur (wiederum hoch genug, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen, aber nicht zu hoch) und vieles mehr. Diese Größen wirken als Stressfaktoren für den Stapel und beeinflussen sein Langzeitverhalten stark.

Eine falsche Steuerung dieser Bedingungen führt zu einer Verschlechterung der Stackleistung, wobei die Kombination beider Faktoren zu einem erhöhten Innenwiderstand, einer verringerten Spannung oder letztendlich zu einem Systemausfall führt. Da die Degradationsrate sich direkt auf die Lebensdauerziele und Garantiespannen auswirkt, wird sie zu einem der wichtigsten KPIs in fast allen Entwicklungsanwendungsfällen.

In CRUISE M haben wir das Brennstoffzellensystemmodell mit den mechanischen und chemischen Degradationsmodellen gekoppelt, um das Langzeitverhalten des Stacks zu erfassen. 

Zu Demonstrationszwecken haben wir einen 25.000 Stunden langen beschleunigten Stresstest durchgeführt, der um den Faktor 1000 beschleunigt wurde. Wir beobachteten einen signifikanten Rückgang der Zellspannung und der Leistungsdichte des Stacks, die mit der Zeit allmählich abnahmen. Dies ist in Abbildung 7 zu sehen, wo die blaue Farbe den neuen Stack und die rosa Farbe den degradierten Stack darstellt. Darüber hinaus ist im Impedanzspektroskopie-Diagramm (EIS) der Anstieg der Innenwiderstände zu beobachten (blau – neuer Stack, rosa – degradierter Stack).

Diese Erkenntnisse ermöglichen es uns, Betriebsstrategien zu bewerten, Designkonzepte zu vergleichen und die Anlagenauslegung zu optimieren, um die Degradationsraten zu minimieren und eine möglichst lange Lebensdauer zu erreichen, ohne uns ausschließlich auf zeitaufwändige Haltbarkeitstests verlassen zu müssen.

Wir haben uns in unserer AVL SIMpulse näher mit diesem Thema befasst: Das nächste Kapitel in der Entwicklung von PEM-Brennstoffzellen: Von DIY zu intelligenter Simulation.

Kompressorauswahl für optimale Luftversorgung

Bei der Konstruktion des Luftversorgungssystems für eine LT-PEM-Brennstoffzelle geht es vor allem darum, sicherzustellen, dass der Stapel im gesamten Betriebsbereich ausreichend mit Luft versorgt wird. Der Kompressor ist eine der wichtigsten Komponenten, die die richtige Luftmenge mit dem richtigen Druck liefern muss, damit das System unter allen Lastbedingungen effizient, reaktionsschnell und zuverlässig bleibt.

Die Auswahl des Kompressors beginnt mit den Anforderungen des Brennstoffzellenstapels – sein Leistungsbedarf bestimmt, wie viel Sauerstoff bei welchem Druck benötigt wird. Daraus lässt sich der Luftmassenstrom auf der Grundlage der Stöchiometrie, des Strombedarfs und der Gaseigenschaften ableiten, während das erforderliche Druckverhältnis von den Druckverlusten über die anderen Komponenten auf der Kathodenseite, wie z. B. dem Wärmetauscher und dem Befeuchter, abhängt.

Durch die Simulation dieser Wechselwirkungen über verschiedene Betriebspunkte hinweg können wir visualisieren, wie sich Massenstrom und Druckverhältnis mit dem Stapelstrom entwickeln, und so wertvolle Einblicke in die Systemdynamik gewinnen. Dieses Verständnis bildet die Grundlage für die Auswahl eines optimalen Kompressors – eines Kompressors, der die Leistungsziele erreicht, ohne überdimensioniert oder ineffizient zu sein. Dieser Prozess ist in Abbildung 8 dargestellt, wo die Konturdiagramme veranschaulichen, wie sich die Stapel- und Systemeffizienz mit dem Kathodendruck und der Stöchiometrie für verschiedene elektrische Leistungsstufen verändert. Die Diagramme auf der rechten Seite zeigen die entsprechenden Luftmassenstrom- und Druckverhältnis-Karten und verdeutlichen, wie der Kompressorbetrieb mit der Stapelleistung interagiert.

Mit CRUISE M ist dieser gesamte Prozess in einer einzigen, konsistenten Modellumgebung integriert, was eine präzise Systemdimensionierung, Kompressorauswahl und Leistungsbewertung bereits in einer frühen Phase des Entwicklungszyklus ermöglicht.

Kalt- und Froststart in LT-PEM-Brennstoffzellen

Für LT-PEM-Brennstoffzellen stellt der Start unter kalten Bedingungen eine besondere Herausforderung dar. Bei niedrigen Temperaturen kann das bei der elektrochemischen Reaktion entstehende Wasser in der Membran, den Gasdiffusionsschichten oder den Gasströmungskanälen gefrieren. Dies blockiert den Zugang der Reaktanten und kann möglicherweise auch den Stack beschädigen. Das Kaltstartverfahren ist daher für Anwendungen wie beispielsweise im Automobilbereich von entscheidender Bedeutung, wo unter allen Wetterbedingungen Zuverlässigkeit und sofortige Leistungsabgabe erwartet werden.

Es gibt viele Strategien, wie das Brennstoffzellensystem unter frostigen Bedingungen gestartet werden kann – von der Variation des Startstroms über die Anwendung externer Heizung bis hin zur Trockenentlüftung des Systems während des Abschaltens und vieles mehr. Hier werden wir kurz auf einen der Fälle eingehen – die Variation der Stromdichte. 

Auf den ersten Blick erscheint die Erhöhung des Stroms während eines Kalt- und Froststarts sinnvoll – mehr Strom bedeutet mehr Wärme und damit ein schnelleres Aufheizen, aber in einer LT-PEM-Brennstoffzelle kann sich diese Logik als nicht zielführend erweisen. In einer Studie haben wir beobachtet, dass bei einer Umgebungstemperatur von -25 °C der Stapel mit höherer Stromdichte (~0,42 A/cm2), der durch die durchgezogene Linie in Abbildung 9 dargestellt wird, schlechter abschneidet als der Stapel mit niedrigerer Stromdichte (~0,29 A/cm2), der durch die gestrichelte Linie dargestellt wird. Dies liegt daran, dass sich der bei hoher Stromdichte betriebene Stapel nicht nur schneller erwärmt, sondern auch schneller Wasser produziert. Dieses Wasser gefriert dann in der Katalysatorschicht, was zu einer Blockierung des Gasflusses führt und den Start nach etwa 95 Sekunden zum Scheitern bringt.

Darüber hinaus wurde eine Studie zu Startups bei unterschiedlichen Stromdichten durchgeführt (Abbildung 9), und wir haben beobachtet, dass bei höheren Umgebungstemperaturen (-15 °C) die Startstromdichte für unseren Stack keine große Rolle spielt, aber bei niedrigeren Temperaturen (-25 °C) macht die sorgfältige Auswahl der Startstromdichte den Unterschied zwischen einem fehlgeschlagenen und einem erfolgreichen Start aus. 

Wenn Sie an weiteren Details interessiert sind, sehen Sie sich unser Webinar „Optimierung Ihrer PEM-Brennstoffzellen-Kaltstartstrategie” an. 

Optimierung der Strategie für Spülungsventile hinsichtlich Effizienz und Langlebigkeit

Die Strategie für das Spülventil ist ein kritischer Aspekt des Betriebs von LT-PEM-Brennstoffzellen und der Auslegung der Anlagenperipherie. Um die Effizienz zu maximieren, wird nicht verwendeter Wasserstoff, der den Stapel verlässt, wieder in das System zurückgeführt. Zusammen mit dem Wasserstoff werden auch andere Stoffe – vor allem Stickstoff und Wasser – zurückgeführt. Wasser wird über einen Wasserabscheider entfernt, aber Stickstoff kann sich mit der Zeit ansammeln, was zu lokalem Wasserstoffmangel, Spannungsabfällen und einem allgemeinen Leistungsverlust führt.

Dieser Wasserstoffmangel beschleunigt die Kohlenstoffkorrosion, wodurch die Katalysatorschicht dauerhaft beschädigt und die Lebensdauer des Stacks verkürzt wird. Um dies zu verhindern, wird am Auslass des Stacks ein Spülventil installiert, um Stickstoff aus dem Rückführkreislauf zu entfernen. Durch das Spülen von Stickstoff geht jedoch zwangsläufig auch etwas Wasserstoff verloren. Die Herausforderung besteht darin, die Spülstrategie so zu optimieren, dass Stickstoff effizient entfernt und gleichzeitig der Wasserstoffverlust minimiert wird, um sowohl eine zuverlässige Leistung als auch eine längere Lebensdauer des Stacks zu gewährleisten.

Wir haben eine Studie durchgeführt, bei der das Ventil während eines Großteils des Betriebs geschlossen ist. Aufgrund des verbrauchten Wasserstoffs und andererseits des Stickstoff- und Wasserübergangs kommt es zu einer lokalen Reaktantenverarmung in Richtung des Anodenauslasses, was zu einem lokalen Abfall der Stromdichte führt, der in Abbildung 10.a zu sehen ist. Dies stimuliert die stromaufwärts gelegenen Segmente, die vorübergehend die Stromproduktion übernehmen, um die Zielstromdichte zu erreichen (schwarze gepunktete Linie). Das Kathodenkatalysatorpotenzial steigt folglich in Richtung OCV (Abbildung 10.b) und das Anodenkatalysatorpotenzial verschiebt sich, um die Zellpotenzialdifferenz aufrechtzuerhalten, was zu einem Spannungsanstieg auf der Anodenseite führt (Abbildung 10.c). Die Spülaktivierung entfernt dann den Stickstoff aus der Schleife und stellt die Wasserstoffkonzentration wieder her, wodurch normale Reaktionsbedingungen gewährleistet werden.

Die Entwicklung von LT-PEM-Brennstoffzellensystemen ist immer ein Balanceakt – Effizienz, Haltbarkeit und Kosten hängen davon ab, wie gut alle Teilsysteme zusammenarbeiten. CRUISE M vereinfacht diese Herausforderung, indem es elektrochemische, thermische und steuerungsbezogene Wechselwirkungen in einer Simulationsumgebung zusammenführt. Damit können Anwender das Brennstoffzellensystem virtuell testen und optimieren, vom Kaltstart über die Kompressorauslegung bis hin zu Degradationsstudien. So verkürzen sie die Entwicklungszeit und gewinnen mehr Sicherheit, bevor sie einen einzigen Prototyp bauen.