Die Jagd nach dem besten Wirkungsgrad

Das H2M Team wurde 2009 an der Hochschule von ProfessorInnen und Studierenden gegründet. Seit nun mehr als 12 Jahren hat das Team Erfahrung vor allem im Bereich der Brennstoffzelle (BZ) sammeln können. Im Jahr 2009 hatte die damalige BZ von Ballard Systems namens Ballard Nexa Power Module noch 1,2 kW Nennleistung und eine Masse von 13 kg. Die Leistung und die Masse konnten aufgrund der Steigerung des Wirkungsgrades des Gesamtfahrzeugs mit der heutigen BZ von Baltic Fuel Cells auf 450 W verringert werden. Die Abmaße des Systems wurden von damals zu heute um 50 % reduziert, weiter hat die BZ nun nur noch eine Masse von 3,9 kg.

Die eingesetzte BZ von Baltic Fuel Cells ist eine Niedertemperatur PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell). Dabei dient eine Tetrafluorethylen-Polymer Membran als Feststoffelektrolyt, welcher die Ionen von Anode zu Kathode durchlässt, nicht aber elektrisch leitend ist. Die Betriebstemperatur liegt bei ca. 50 °C. Die BZ hat eine sogenannte offene Kathode, d.h. die Umgebungsluft wird für Kühlung sowie Sauerstoffversorgung verwendet und durch einen Lüfter zugeführt.

Zudem konnte auch die Komplexität der BZ-Peripherie über die Jahre, wie zum Beispiel der Steuerung oder der Superkondensatoren, die als Pufferspeicher zwischen der BZ und der Antriebseinheit verwendet werden, über die Jahre verringert werden. Die externe Peripherie wie Kühlung, Frischluftkompressor, sowie die H2-Druckregelversorgung konnten über die Zeit immer besser an den Wettbewerb angepasst, werden. Dadurch konnten Gewicht, Komplexität und vor allem H2 eingespart werden.

Im ursprünglichen BZ System wurden keine Rückstromsicherung zwischen der Kathode und Anode und zum Pufferspeicher berücksichtigt. Dieser Rückstrom kann bei häufigem Start-Stopp-Zyklen auftreten, wenn die Kathoden- oder Anodenseite der BZ mit zu wenig H2 oder O2 versorgt wird. Weiter muss eine Rückspeisung von dem Pufferspeicher in die BZ verhindert werden, da sonst die BZ stark beschädigt wird. Das Auftreten von Rückströmen wird durch eine eigens entwickelte Steuerungs- und Sicherheitsplatine verhindert.

Zur weiteren Optimierung des Antriebstrangs wurde 2019 im Labor für Energietechnik ein eigener Brennstoffzellenprüfstand aufgebaut. Am Prüfstand können für die gesamte Leistungsspanne der Zelle unter anderem die charakteristischen Parameter der Zu- und Abluft, Strom, Spannung und Wasserstoffdurchfluss ermittelt werden.

Zuerst wurden charakteristische Kennlinien wie die Strom-Spannungs-Kennlinie, Wirkungsgrad- und Leistungskennlinien erfasst. Anschließend wurden unter anderem die Auswirkungen des Luftzustands (z. B. Luftfeuchtigkeit) auf die BZ untersucht.

Der Wasserstoff wird im „dead-end“ Betrieb zugeführt. Ohne Austrittsmöglichkeit wird durch den Speicherüberdruck der aktuell benötigte Wasserstoff kontinuierlich nachgeführt. Verstopfungen und Verunreinigungen können somit nicht wie kathodenseitig von der Luft weggeströmt werden. Daher wird in bestimmten Intervallen ein Ventil geöffnet, welches dem Wasserstoff erlaubt, durch die BZ zu strömen und Verunreinigungen auszuspülen. Dieser Vorgang wird als Purgen bezeichnet.

Da der austretende H2 nicht als Reaktant verwendet werden kann, ist dieser Vorgang für einen geringen H2-Verbrauch so selten wie möglich anzuwenden. Eine angepasste Purgeregelung wurde für das Fahrzeug erstellt. Die Spüldauer und das Zeitintervall zwischen den Spülvorgängen sind die zwei Stellgrößen der PurgeStrategie.