Smartes Monitoring der Alterung und Regenerierung von Truck-H2-Brennstoffzellen mittels neuronaler Netze und Impedanztomographie (SMART-H2)
Im Projekt SMART-H2 (Smartes Monitoring der Alterung und Regenerierung von Truck-H2-Brennstoffzellen mittels neuronaler Netze und Impedanztomographie) will die Technische Hochschule Nürnberg Wasserstoff im Transportsektor attraktiver machen. Um die Lebensdauer von Brennstoffzellensystemen in Trucks und Bussen zu verlängern, sollen bisher nur unzureichend untersuchte Deaktivierungsprozesse in der Brennstoffzelle ermittelt werden. Das Projekt wird von Prof. Maik Eichelbaum geleitet.
Herausforderung
Der Transportsektor ist nach wie vor von fossilen Brennstoffen abhängig und trägt mit etwa 15 Prozent spürbar zu den weltweiten Kohlendioxidemissionen bei. Da es in diesem Sektor auf hohe Leistungsdichten und eine lange Lebensdauer ankommt, ist der Antrieb mittels Wasserstoff-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle eine echte Alternative. Sie ist im Gegensatz zur Batterie in den benötigten Größenordnungen skalierbar, hat keine langen Ladezeiten, bietet gegenüber alternativen Treibstoffen einen höheren System-Wirkungsgrad und ist zudem lokal emissionsfrei. Dass auf den Straßen nicht längst mehr Wasserstoff-Trucks fahren, liegt neben den hohen Anschaffungskosten und der mangelnden Infrastruktur vor allem an der Alterung der Brennstoffzellen. Dieses Problem lässt sich erst beheben, wenn die zugrundeliegenden Deaktivierungsprozesse unter realistischen Betriebsbedingungen verstanden sind und effektive Zustandsmonitoring-Maßnahmen etabliert wurden.
Ziele und Vorgehen
Im Projekt SMART-H2 wird ein Laborprüfstand entwickelt, mit dem die Alterung der Brennstoffzelle systematisch untersucht werden kann. Ein Vergleich mit synchron in Industrieprüfständen durchgeführten Versuchen an Brennstoffzellsystemen von bis zu 100 Kilowatt ermöglicht es dem Projektteam, beschleunigte Alterungstests und Regenerierungsmaßnahmen zu entwickeln. Zudem wird ein Verfahren entwickelt, mit dem die Alterung von Brennstoffzell-Membraneinheiten auf Basis der elektrischen Impedanztomographie (EIT) ortsaufgelöst charakterisiert werden kann. Dies soll den Einsatz eines Onboard-Monitorings von Brennstoffzellsystemen in einem Fahrzeug ermöglichen. Die Modellierung und Simulation der Zellalterung wird gemeinsam mit dem Kooperationspartner MAN Truck & Bus für den realen Fahrbetrieb durchgeführt, um unter anderem eine effiziente Regelung für Zellen zu entwickeln.
Innovationen und Perspektiven
Die Deaktivierung von Brennstoffzellen in Nutzfahrzeugen ist bisher unzureichend erforscht. Die in diesem Projekt geplante Anwendung der EIT an Brennstoffstellen – ein nichtinvasives bildgebendes Verfahren, mit der die zwei- oder dreidimensionale Verteilung der Impedanz auf der Oberfläche ermittelt wird – ist bisher einmalig und kann einen entscheidenden Durchbruch bringen, insbesondere wenn die Umsetzung des Onboard-Monitorings gelingt. Eine weitere Innovation des Vorhabens ist der Ansatz, mit synchronisierten Labor- und Industrieversuchen praxisrelevante Alterungstests für Nutzfahrzeuge zu entwickeln und zu verstehen. Perspektivisch können die beschleunigten Alterungstests, Analysemethoden und Prognosemodelle auch auf die Untersuchung weiterer elektrochemischer Energiewandler wie Batteriezellen und Elektrolyseure angewendet werden.