Systemtechnik

Die Forschung an innovativen Systemen beinhaltet die Systemanalyse, die stationäre und dynamische Systemmodellierung, das „basic“- und „detailed engineering“, den Systemaufbau, entsprechende Systemtests und die Bewertung der Ergebnisse für die spätere Systemanwendung. Die Entwicklung von Brennstoffzellensystemen für die Bordstromversorgung ist am IEK-14 an der Definition eines Technologie Marktreifegrades (engl.: „Technology Readiness Level“), wie er allgemein in der Luft- und Raumfahrt verwendet wird, ausgerichtet. Die Systemarbeiten in diversen Förderprojekten stützen sich im Wesentlichen auf den Marktreifegrad 5, wobei die Entwicklung der Reaktoren bereits einen höheren Reifegrad aufweist. Am IEK-14 werden Teilsysteme zur Brenngaserzeugung entwickelt und getestet und integrierte Systeme mit Brennstoffzellen-Stacks aufgebaut. Zukünftig werden für einige Anwendungsfälle Hybridsysteme entwickelt.

Das IEK-14 verfolgt das Konzept, das den Test von Komponenten und Systemen in sogenannten Modulen vorsieht. Im Modul sind alle Laborkomponenten wie Messinstrumente, Ventile und Regler verbaut, die für wissenschaftlich-technisch orientierte Untersuchungen notwendig sind. Das eigentliche System mit seinen Komponenten wird in sogenannten Packages aufgebaut. Ein Package enthält nur diejenigen Bauteile, die für den späteren Betrieb in einer Anwendung notwendig sind. Daraus ergibt sich eine klare Sichtbarkeit der Komponenten.

Am IEK-14 wurden Brenngaserzeugungssysteme in sechs Generationen mit einer thermischen Leistung von bis zu 28 kW ausgelegt und charakterisiert. Des Weiteren wurde ein integriertes HT-PEFC System mit Brenngaserzeugung für 5 kW_e entwickelt, aufgebaut und getestet. Das System wurde mit den Kraftstoffen GtL-Kerosin, BtL-Diesel und Premium Diesel (Aral Ultimate) erfolgreich betrieben und erreichte eine maximale Leistung von 5,5 kW_e.

Um eine bedarfsgerechte Stromversorgung an Bord eines Fahrzeuges sicher zu stellen, wird dem mit begrenzter Dynamik ausgestatteten Brennstoffzellensystem ein hochdynamisches Batteriesystem zur Seite gestellt. Die Hybridisierung durch eine geeignete Batterie gewährleistet, dass das Brennstoffzellensystem schneller angefahren werden kann und vor schädlichen Betriebssituationen sowie starken Lastschwankungen geschützt wird. Das Hybridsystem ermöglicht es, den nur für kurze Zeiten angeforderten Spitzenlastbedarf mittels der Batterie zu decken. Damit kann das Brennstoffzellensystem kompakter und effizienter ausgelegt werden.

Die Ergebnisse der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten im Gebiet der Brenngaserzeugung für Brennstoffzellensysteme sind in die Entwicklung eines kompakten Brennstoffzellensystems mit Dieselreformierung in der 7,5 kW_e Klasse eingeflossen. Das APU System S2 wurde mit Hilfe von multifunktionellen Reaktoren zur Brenngaserzeugung aufgebaut. Dabei wurden kommerziell verfügbare Stacks und Peripheriekomponenten eingesetzt. Das autarke System weist eine hohe Energiedichte von 35 W_e/l und eine Startzeit von 22 min auf. Die Expertise aus diesen Aktivitäten steht für künftige Projekte zur Verfügung.