AlpeDHues – Alterungsanalyse und Performanceoptimierung von Brennstoffzellen im hochdynamischen Betrieb
Projektbeschreibung
Überblick
Der Einsatz von grünem Wasserstoff in Elektrofahrzeugen mittels Brennstoffzellen ist aufgrund zahlreicher Vorteile von großem Interesse – darunter die Eliminierung von CO₂-Emissionen, hohe Effizienz, große Reichweite und kurze Betankungszeiten. Gleichzeitig reagieren Brennstoffzellen empfindlich auf die für Fahrzeuganwendungen typischen dynamischen Belastungen, die Alterung beschleunigen und so zu Leistungsverlusten und kürzerer Lebensdauer führen.
Im Projekt wurden modellbasierte Konzepte zur Überwachung und Regelung entwickelt, um transiente Phasen schädigungsarm zu durchlaufen. Zum Einsatz kamen hochauflösende Simulationsmodelle, echtzeitfähige Performancemodelle und Brennstoffzellen-Prüfstände. Dadurch konnten potenziell schädliche Betriebszustände identifiziert, Regelungsstrategien in Echtzeit umgesetzt und Methoden an realen Messungen validiert werden.
Ziele und Herausforderungen
Ein zentrales Ziel war die Entwicklung virtueller Sensoren, die Einblicke in die inneren Vorgänge der Brennstoffzelle ermöglichen. Mithilfe von Zustandsbeobachtern sollten unmessbare Größen und Parameter aus wenigen verfügbaren Messwerten erschlossen werden. Parallel dazu wurden Regelungskonzepte angestrebt, die einen effizienten und schädigungsarmen Betrieb unter hochdynamischen Bedingungen ermöglichen. Herausfordernd war insbesondere, kritische Betriebszustände zuverlässig zu erkennen und diese in den eingesetzten Regelungsalgorithmen zu berücksichtigen.
Abbildung: Überblick der Projektziele
Ergebnisse und Erkenntnisse
Mit einem entwickelten State-of-Health-Beobachter lassen sich die Auswirkungen von Degradation während des Betriebs ohne zusätzliche Sensorik erfassen. Durch die Differenzierung spezifischer Degradationsparameter können verschiedene Alterungsprozesse in den Komponenten präzise abgeschätzt werden. So entsteht ein virtueller Einblick in die Brennstoffzelle, der eine fundierte Analyse der Alterung und eine frühzeitige Diagnose ermöglicht.
Um lokale Schädigungen zu vermeiden, kamen verteilt-parametrische Beobachter zum Einsatz. Diese erlauben es, interne Zustandsverteilungen wie Feuchtigkeit oder Temperatur anhand räumlich auflösender Modelle und weniger Messgrößen zu rekonstruieren. Darauf aufbauend wurden modellbasierte Regelungskonzepte entwickelt, die nicht nur Zustände erfassen, sondern auch aktiv beeinflussen können, um lokale Alterungsmechanismen zu verlangsamen.
Zur präzisen Gaskonditionierung unter transienten Bedingungen, wie sie in Fahrzeuganwendungen auftreten, wurde ein Regelungskonzept entwickelt, das Massenstrom und Druck im Kathodenkanal entkoppelt und am realen Prüfstand validiert. Dadurch können hochdynamische Experimente an Brennstoffzellen-Prüfständen durchgeführt werden, die sowohl realistische Betriebsszenarien als auch gezielte Alterungstests und Diagnoseverfahren unterstützen.
Highlights
Erlangen eines vertieften Verständnisses für Brennstoffzellenalterung und Effizienz
Entwicklung von fortschrittlichen Überwachungs- und Regelungsstrategien inklusive Implementierung einer dynamischen Gaskonditionierung am Prüfstand
Ergebnisorientierte fachliche Zusammenarbeit zwischen Forschungs- und Industriepartnern
Umfassende Disseminationstätigkeit: 1 Patentanmeldung, 8 wissenschaftliche Artikel in Fachzeitschriften, 17 Beiträge an nationalen und internationalen Konferenzen
Key Findings
Interne Zellzustände lassen sich in Echtzeit überwachen und so manipulieren, dass lokale Alterungsmechanismen verlangsamt werden.
Moderne Regelungsstrategien ermöglichen den hochdynamischen Betrieb hinsichtlich echtzeitfähiger Gaskonditionierung und Vermeidung schädlicher Betriebszustände.
Methoden der Modellbildung und Regelungstechnik (z. B. Modellreduktion, modellprädiktive Regelung, differenzielle Flachheit) schaffen eine präzise und effiziente Überwachung und Steuerung komplexer Systeme.
Die entwickelten Konzepte liefern nicht nur neue wissenschaftliche Erkenntnisse, sondern auch Potenzial für eine wirtschaftlichere Nutzung von Brennstoffzellen in Fahrzeuganwendungen.
Veröffentlichungen
Bartlechner, Johanna, Christoph Hametner, and Stefan Jakubek. "Health-conscious MPC for PEM fuel cells considering main degradation mechanisms of cathode catalyst, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster." IFAC-PapersOnLine 59, no. 5 (2025): 73-78.
Fuchs, Benjamin, Florian Altmann, Martin Vrlić, Stefan Braun, Martin Kozek, Christoph Hametner, and Stefan Jakubek. "Nonlinear distributed-parameter observer design for efficient estimation of internal temperature profiles in polymer electrolyte membrane fuel cells., öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster" Nonlinear Dynamics (2025): 1-25.
Fuchs, Benjamin, Christoph Hametner, and Stefan Jakubek. "Model predictive humidity distribution control for polymer electrolyte membrane fuel cells., öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster" In 2024 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC), pp. 1-6. IEEE, 2024.
Bartlechner, Johanna, Martin Vrlić, Christoph Hametner, and Stefan Jakubek. "State-of-Health observer for PEM fuel cells—A novel approach for real-time online analysis, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster." International Journal of Hydrogen Energy (2024).
Vrlić, Martin, Dominik Pernsteiner, Alexander Schirrer, Christoph Hametner, and Stefan Jakubek. "Reduced-dimensionality nonlinear distributed-parameter observer for fuel cell systems., öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster" Energy Reports 10 (2023): 1-14.
Kooperationspartner
Projektdauer
- Jänner 2022 - Juni 2025
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