Brennstoffzellensysteme stehen in vielen Anwendungsbereichen vor der Markteinführung oder behaupten sich bereits erfolgreich im Markt: im Kraftfahrzeugbereich, bei Hausenergieversorgungsanlagen (KWK-Systeme), bei netzunabhängigen Stromversorgungen, Notstromversorgungen und bei Batterieladegräten.

Ansprechpartner

Dr. Alexander Kabza
+49 (0)731 95 30-832
Systementwicklung

// Entwicklung und Bau von Brennstoffzellensystemen

Airport-Scooter mit Brenntsoffzelle.
Airport-Scooter mit Brenntsoffzelle.

Das ZSW entwickelt seit 20 Jahren Brennstoffzellensysteme für die verschiedensten Anwendungen. Zur Systementwicklung gehören die Systemplanung, die simulationsunterstütze Systemauslegung, der Aufbau von Prototypen und deren Charakterisierung und Qualifizierung. Der Leistungsbereich der bisher entwickelten Systeme reicht von wenigen Watt bis 50 Kilowatt.

Der Einsatzbereich umfasst:

  • Wasserstoff-, methanol- oder alkoholbetriebene netzunabhängige Stromversorgungen
  • Netzunabhängige Stromversorgungen
  • Hausenergieversorgungsanlagen mit vorgeschalteter Brennstoffreformierung
  • H2/O2-Systeme für maritime und Luftfahrtanwendungen
  • Bordstromversorgungen
  • Antriebssysteme von Nutzfahrzeugen

Zusätzlich unterstützt das ZSW Industriepartner mit der Erprobung und Qualifizierung von Systemkomponenten, mit Sicherheitsbewertungen, Packaging-Studien und bei der Produktzertifizierung.

Übersicht über 20 Jahre Entwicklungen im Systembereich:

  • "Selbstatmende" Systeme für Taschenlampen und Modellautos
  • Integration von Brennstoffzellensystemen in Airport- und Auto-Scooter
  • Bau von Brennstoffzellensystemen mit Wasserstoff- und Ethanol-Betrieb für netzunabhängige Stromversorgungen
  • Hausenergieversorgungsanlagen für den Brennstoff Erdgas
  • 10 kW-Multifunktionssysteme für die Luftfahrtindustrie
  • 2-kW-Wasserstoff/Sauerstoff-Systeme für Forschungs-U-Boote
  • 30 kW Notstromsystem für Flugzeuge
  • 50 kW-Methanol-Brennstoffzellensystem für einen Bus
CAD-Auslegung eines Methanol-Brennstoffzellen-Systems für Busse. ZSW/ECS
CAD-Auslegung eines Methanol-Brennstoffzellen-Systems für Busse. ZSW/ECS
Systemsimulation

Für Brennstoffzellensysteme verfügt das ZSW über Modellierungstechniken, die einen herausragenden Ansatz zur Systemoptimierung und –vereinfachung liefern. Wir können im Hinblick auf stationäre und instationäre Systemzustände modellmäßige Vorhersagen ermitteln und  damit in iterativen Prozessen ein optimiertes System entwickeln und im Kundenauftrag aufbauen.

Beispielhaft können folgende Themenstellungen bearbeitet werden:

  • Auslegung, Entwicklung und Bau von Reformer- und Brennstoffzellensystemen für alle Anwendungsbereiche
  • Entwicklung Systemkomponenten inkl. Hardware-in-the-Loop Tests
  • Systemsimulationen und Betriebsstrategien
  • Systemanalysen und Systemerprobung
Beispiel eines mit IPSE-Pro modellierten Gesamtsystems
Beispiel eines mit IPSE-Pro modellierten Gesamtsystems

// Simulation stationärer und dynamischer System-Zustände

Stationäre Zustände werden am ZSW mit dem Programm Ipse-Pro simuliert, welches eine umfassende Modellierung auch komplexer Systeme erlaubt und so eine genaue vergleichende Beurteilung verschiedener Systemkonzepte ermöglicht.

Desweiteren erolgen Untersuchungen zur Dynamik von Brennstoffzellensystemen. In diesem Fall führen wir die Simulation bevorzugt mit der Software Matlab-Simulink durch.

Lesen Sie auch Kapitel Modellierung und Simulation.

Reformertechnologien

Die meisten Brennstoffzellen werden mit Wasserstoff betrieben. Wasserstoff bietet viele Vorteile, hat aber (derzeit noch) die Nachteile, dass er ein aufwändiges Speichersystem benötigt und noch nicht überall verfügbar ist und eine mittlere volumetrische Energiedichte aufweist.

Flüssige Brennstoffe wie Methanol oder Ethanol sind aufgrund ihres hohen volumetrischen Energieinhaltes und der einfachen Speicherung von großem Interesse. Sie können über einen chemischen Prozess (Reformierung mit anschließender Eduktaufbereitung) in ein wasserstoffreiches Gas umgewandelt werden, das als Brennstoff für Brennstoffzellen geeignet ist.

CAD Zeichnung eines hochkompakten Reformers für Methanol PEM-Brennstoffzellen.

// Entwicklung und Bau von hochkompakten Refomern

Erdgas und Flüssiggas sind kostengünstig flächendeckend erhältlich und können über einen ähnlichen Reformierungsprozess ebenfalls in für Brennstoffzellen geeignetes wasserstoffreiches Gas transformiert werden.

Das ZSW entwickelt hochkompakte Reformer für Methanol und baut integrierte Reformer-Brennstoffzellensysteme für Methanol, Ethanol, Erdgas und weitere Brennstoffe. Ebenso wie bei Wasserstoff-Brennstoffzellensystemen gehören die umfangreiche Systemplanung, die simulationsunterstütze Systemauslegung und der Aufbau und die Charakterisierung von Prototypen zum Leistungsspektrum.