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Automotive 02 2025 Elektronik 35 dualverkehr Ihre Vorteile Sie zeichen sich durch ein geringeres Gewicht als Batterien bei höherer Leistungsdichte aus sind schneller nachfüllbar und erzielen eine hohe Reichweite Zudem eignen sie sich für den Dauerbetrieb HFC-Antriebe sind daher für Schwerlast-Lkw Busse Züge Seeschiffe und auch Flugzeuge von hohem Interesse Bild 1 In all diesen Bereichen laufen derzeit Anwendungstests was auch dadurch erleichtert wird dass sich Tankanlagen für Wasserstoff in diesen Sektoren leichter zentralisieren lassen und somit keine flächendeckende Infrastruktur erforderlich ist Herausforderungen bei der HFC-Entwicklung Am weitesten verbreitet in den genannten Anwendungen sind Polymerelekt roly t-Membran-Brennstoffzel len PEM-FCs auch Protonenaustausch-Brennstoffzellen genannt Ihre Modellierung stellt aber für Ingenieure eine erhebliche Herausforderung dar Denn auch wenn das Konzept einfach klingt sind PEM-FCs in ihrer Gesamtdynamik hochkomplex Sie bestehen aus dem Zellstapel mit Elektroden und Membran sowie unter anderem dem Tank Druckreduzierer Kompressor sowie Bestandteilen zum Feuchtigkeitsund thermischen Management All diese Komponenten müssen dimensioniert optimiert aufeinander abgestimmt und getestet werden um eine möglichst hohe Effizienz und Leistung bei langer Lebensdauer zu garantieren Besonders aufwendig ist die Dynamik des eigentlichen Zellstapels in dem neben elektrochemischen Prozessen auch Transportphänomene von Gasen Wasserdampf und Wassertröpfchen zu berücksichtigen sind Mit konventionellen Entwicklungsmethoden und hardwarebasierten Prototypentests ist das allein wegen der schieren Menge der zu optimierenden Parameter kaum zu bewältigen Segula Technologies setzt darum auf Model-Based Design zur Entwicklung maßgeschneiderter HFC-Anwendungen für die genannten Branchen Als Grundlage dienen dem Unternehmen Matlab Simulink Simscape sowie KI-Methoden Mit Simscape erfolgt die Modellierung physikalischer Systeme in der Simulink-Umgebung Das Simscape-Modell als Startpunkt Einer der Ausgangspunkte für die HFC-Entwicklung bei Segula ist das Simscape-Brennstoffzellenmodell von MathWorks Bild 2 Dies umfasst alle oben genannten Peripheriekomponenten sowie den Zellstapel Es enthält eine in Simscape erzeugte Custom Domain die unter anderem die Dynamik sämtlicher vier beteiligten Gase dynamisch erfasst Stickstoff Sauerstoff Wasserstoff und Wasserdampf Dies ist entscheidend um sowohl die Leistung als auch die Langlebigkeit des Zellstapels zu optimieren Mithilfe dieses Modells konnten die Ingenieure allein die Anfangsphase ihrer Entwicklung um vier bis sechs Wochen verkürzen Die Segula-Ingenieure entschieden sich dieses Modell zu nutzen und weiterzuentwickeln weil für sie die Transportphänomene im Zellstapel von besonderem Interesse waren Für den Zellstapel enthält das MathWorks-Modell nämlich bereits die Dynamik des Wasserdampftransports sowie der Stickstoffakkumulation auf der Anodenseite die beide weiter verfeinert wurden Zusätzlich sollten die Strömung von Wassertröpfchen im System sowie der mit diesem Transport verbundene Wärmefluss berücksichtigt und so die Genauigkeit des Modells weiter erhöht werden Die Physik des Zellinneren wurde dazu mit 3D-Modeling-Tools dargestellt und so der Wasserund Wärmefluss sehr genau erfasst Die dabei gewonnenen Daten wurden anschließend in das ursprüngliche Simscape-Modell integriert Mit dieser nun erfassten Dynamik werden nachfolgende Simulationen auf der Ebene des Gesamtsystems beschleunigt und flexibler gestaltet Anwendungsbreite des dynamischen Modells Das erweiterte genauere Simulationsmodell des physikalischen HFC-Systems lässt sich auf vielfältige Weise nutzen Anfangs dient es zur Auswahl und Dimensionierung von Komponenten Danach lassen sich an ihm Parameter und Betriebsstrategien optimieren Gegen das Modell als Regelstrecke können außerdem Regelungsstrategien Bild 1 Der Einsatz von Wasserstoff-Brennstoffzellen wird bis 2050 stark zunehmen besonders in Seeschiffen Bild Segula Technologies Bild inthasone stock adobe com