Motivation und Zielsetzung
Brennstoffzellensysteme gelten im Mobilitätssektor – von Nutzfahrzeugen bis zur Luftfahrt – als zentrale Technologie zur Reduktion von Schadstoff- und CO₂-Emissionen. Für einen effizienten und langlebigen Betrieb müssen sowohl die anodenseitige Rezirkulation des unverbrauchten Wasserstoffs als auch die kathodenseitige Luftversorgung zuverlässig und unter variablen Betriebsbedingungen funktionieren. Besonders die Abscheidung von Wassertropfen aus dem Anodenkreislauf, die Regelung der Feuchtigkeit und die Bereitstellung geeigneter Gaszusammensetzungen stellen hohe Anforderungen an Prüfmethoden und Komponenten. Aktuelle Forschungsprojekte am TFD bewegen sich überwiegend auf niedrigen TRLs, während industrienahe Entwicklungen höhere Reifegrade erfordern. Daher wird eine Infrastruktur benötigt, die die Validierung neuer Technologien im Bereich der TRLs 4–7 ermöglicht.
PastA² verfolgt das Ziel, einen Prüfstand zu schaffen, der realistische Betriebsbedingungen für Brennstoffzellensysteme reproduzieren kann und so eine detaillierte Bewertung aerodynamischer, thermischer und struktureller Eigenschaften der Aufladesysteme erlaubt. Dazu sollen variable Befeuchtung, tröpfchenbeladene Strömungen, unterschiedliche Gaszusammensetzungen sowie die Simulation von Stack-Druckverlusten präzise einstellbar sein. Die in PastA² generierten Daten sollen die Grundlage für die Weiterentwicklung von Rezirkulationsgebläsen, Verdichtern, Tropfenabscheidern und weiteren Systemkomponenten bilden und den Transfer experimenteller Erkenntnisse in industrienahe Anwendungen unterstützen. Der Prüfstand ermöglicht damit eine realitätsnahe Technologievalidierung und schafft die Basis für künftige Innovationsprojekte im Brennstoffzellenbereich.
Prüfstand und Funktionen
Der neu entwickelte Prüfstand wird in die bestehende modulare Prüfstandsumgebung des PAE-Systems am CMG integriert und ermöglicht Untersuchungen an Komponenten für Brennstoffzellensysteme bis zu einer Leistung von 600 kW. Wesentliche Funktionen umfassen die Regelung der Eintrittsbedingungen von Druck, Temperatur und Massenstrom sowie die Bereitstellung variabler relativer Feuchtigkeit zwischen 0 und 100 %. Darüber hinaus kann der Prüfstand tröpfchenbeladene Strömungen erzeugen, um Mehrphasenphänomene realitätsnah abzubilden, und Prozessgase wie Wasserstoff, Stickstoff, Helium oder Luft in frei definierbaren Mischungsverhältnissen bereitstellen. Auch Verschmutzungen und Verunreinigungen – etwa CO, NOx oder NH₃ – lassen sich gezielt einbringen, um die Robustheit und Leistung der Prüflinge zu untersuchen.
Zusätzlich ermöglicht die Anlage die Simulation des Druckverlusts eines Brennstoffzellenstacks sowie den Einsatz eines Inline-Analysesystems zur Erfassung von Feuchtegehalt, Prozessgaszusammensetzung und potenziell schädlichen Gasen. Die elektrische Anbindung umfasst Gleichspannungsversorgung und Leistungsmesstechnik auf AC- und DC-Seite, sodass elektro-thermische und mechanische Untersuchungen kombinierbar sind. Dadurch können Rezirkulationsgebläse, kathodenseitige Luftversorgungssysteme und weitere BZ-Komponenten unter realitätsnahen Bedingungen hinsichtlich ihres Betriebsverhaltens, ihrer Effizienz und ihrer strukturellen Belastbarkeit analysiert werden. PastA² schafft damit eine vielseitige Forschungsplattform, die die Entwicklung und Validierung zukünftiger Brennstoffzellentechnologien erheblich beschleunigt.
Verantwortliches Institut
Das Projekt wird verantwortet durch das Institut für Turbomaschinen und Fluid-Dynamik.
