Brennstoffzellen-Antrieb Funktionsprüfung

Hintergrund

Im Brennstoffzellen-Stack werden zahlreiche Brennstoffzellen, die in Serie geschalten werden, zusammengefasst. In einer sogenannten "kalten Verbrennung" wird in diesen Zellen aus Wasserstoff und Luftsauerstoff elektrische Energie gewonnen. Um diesen Vorgang kontrolliert ablaufen zu lassen, müssen die Wasserstoff- und Luftsauerstoffzufuhr genau geregelt sowie der gesamte Brennstoffzellen-Stack in einem definierten Temperaturbereich gehalten werden.

Der brennstoffzellen-elektrische Antrieb ist meist eine eigene komplette Zulieferkomponente eines Fahrzeugs. Im Verbund mit den anderen Komponenten des Fahrzeug-Antriebsstranges ergibt sich die Gesamt-Fahrzeugleistung und -dynamik. Die Kenndaten, Funktionen und Eigenschaften des Brennstoffzellen-Antriebs werden auf Prüfständen bis zur Auslieferung mit unterschiedlichen Tests nachgewiesen. Dafür müssen Strom, Spannung und Leistung sowie weitere Messgrößen, wie Temperaturen, Durchflussraten, Drücke und Feuchtigkeit, an verschiedenen Punkten im Brennstoffzellen-Stack und Antriebsstrang erfasst werden.

Herausforderung

Die Funktionstests umfassen alle Betriebsfunktionen wie Kühlkreislauf, Kühlregelung, Heizung, Wasserstoffpfade (Anodenpfad), Luftpfade (Kathodenpfad), Hochvoltpfade, Sensorik und Brennstoffzellensteuergerät. Zur Funktionsprüfung und Validierung des Brennstoffzellen-Antriebssystems ist die hochgenaue Messung von unterschiedlichsten physikalischen Parametern erforderlich. Neben Temperaturen, Volumenströmen, Feuchte und Drücken sind Hochvolt-sichere Messungen von hohen Strömen, Spannungen in den Hochvoltpfaden notwendig. Daraus werden die abgegebene Energie, die Leistung und der Wirkungsgrad berechnet.

Mit der Validierung werden die System-Anforderungen wie Leistungsparameter, Reaktionsgeschwindigkeit bei Laständerungen oder Lebensdauer mit Versuchen und Dauerläufen nachgewiesen.

Durch die Strom- Spannungs-, und Leistungsmessung wird der korrekte Betrieb in den verschiedenen Betriebsphasen geprüft. Beispielsweise der Kennlinienverlauf der Leistung während der Warmlaufphase, für Anfahren, Lastwechsel, Teillast- und Spitzenlast sowie verschiedener anderer markanter Betriebspunkte.

Letztlich werden die spezifizierten Wirkungsgradkennlinien des Brennstoffzellen-Antriebs nachgewiesen. Der Wirkungsgrad ist die abgegebene Energie im Verhältnis zum verbrauchten Wasserstoff. Er ist abhängig vom Lastpunkt und der optimalen Versorgung mit den unterschiedlichen Medien: Wasserstoff, Luftsauerstoff, Feuchtigkeit und Kühlung. Eine nichtoptimale Versorgung, beispielsweise der Stackbefeuchtung, führt zu einem Abfall der Stapelspannung.