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Andreas Kucht

• Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit bestand darin, die Grundlagen für die Einführung der Brennstoffzellentechnologie in das Unternehmen zu schaffen. Auf diesem Weg kann die BFFT Gesellschaft für Fahrzeugtechnik mbH das bestehende Portfolio im Bereich alternative Antriebe erweitern und neue Aufgabenbereiche schaffen. Das große Interesse an dieser Technologie kommt daher, dass die Brennstoffzelle die Möglichkeit des emissionsfreien Fahrens bei gleichzeitig großer Reichweite bietet. Eine ausführliche Grundlagenforschung half bei der Erstellung eines ersten Überblickes über elektrifizierte Fahrzeuge und der Brennstoffzellentechnologie. Durch die Zunahme der Wasserstoffproduktion aus regenerativen Energiequellen können die Ressourcen an fossilen Brennstoffen geschont werden. Wasserstoff als Energieträger stellt nicht nur eine Alternative zu Batteriespeichersystemen dar, sondern ermöglicht auch die Unabhängigkeit von Öl und Erdgas. Der benötigte Wasserstoff kann an Tankstellen innerhalb weniger Minuten nachgefüllt werden und vermeidet mehrstündige Standzeiten für das Laden der Batterie. Ein weiterer Vorteil liegt in der Reichweite von Brennstoffzellenfahrzeugen, die weit über der eines batteriebetriebenen Fahrzeuges liegt. Somit können in Zukunft die bisher aufgetretenen Probleme gelöst werden. Bei einem angenommenen Tankinhalt von 45000 Liter gasförmigen Wasserstoff kommt ein Brennstoffzellenfahrzeug auf eine Reichweite von 500 bis 600 Kilometern. Im nächsten Schritt erfolgte der Aufbau eines Prüfstandes zu Demonstrations- und Versuchszwecken. Dieser erfüllt neben den geforderten Sicherheitsaspekten auch die Forderung nach Mobilität und Komfort. Verbaute Schnittstellen ermöglichen eine schnelle Anpassung und Erweiterung des Versuchsaufbaus. Auf Grund der Größe des Versuchsraumes können jedoch nur kleine Brennstoffzellen untersucht werden. Für Brennstoffzellen, die in Automobilen zum Einsatz kommen, muss ein größerer Prüfstand aufgebaut werden. Durch die beschriebenen Versuche konnten alle relevanten und benötigten Ergebnisse ermittelt werden. Zur Verifizierung der Messergebnisse wurde ein Simulationsmodell gefordert, dass auf der Basis von Matlab/Simulink arbeitet. Dazu wurde das Programm ADVISOR zur Verfügung gestellt, was sich allerding für die Simulation eines einfachen Brennstoffzellenstacks als ungeeignet erwies. Aus diesem Grund wurde ein eigenes Brennstoffzellenmodell erstellt und die Messergebnisse damit verifiziert. Zwischen den Simulations- und den gemessenen Ergebnissen der untersuchten Brennstoffzelle kam es lediglich zu geringen Abweichungen. Zusätzliche Abhängigkeiten wie Temperatur, Reinheit des Wasserstoffs aber auch die Einbeziehung der Kühlung können diese Differenzen reduzieren. Messungen von weiteren Kenndaten, anstelle von Annahmen, tragen dazu bei, das Brennstoffzellenmodell detaillierter aufbauen zu können, um somit noch genauere Ergebnisse zu erhalten. Für die Gesamtfahrzeugsimulation eignete sich das Programm ADVISOR besser. Auf Grund der einfachen Oberfläche kann eine schnelle Analyse von unterschiedlichen Antriebsarten durchgeführt werden. Jedoch fehlt die Tiefgründigkeit, wodurch dieses nicht für die Fahrzeugsimulation in der Entwicklung empfohlen werden kann. In der Brennstoffzellentechnologie steckt ein großes Entwicklungspotential. Dies erkannten auch die Tankstellen- und Automobilkonzerne. Gemeinsam wird am Aufbau einer Tankstelleninfrastruktur gearbeitet [12]. Mit dem Beginn der Serienproduktion werden die Herstellungskosten weiter sinken, so dass die Brennstoffzelle mit konventionellen Antrieben konkurrieren kann. Den größten Kostenfaktor stellt Platin als Katalysator dar. Forschungen beschäftigen sich jedoch aussichtsreich mit der Suche nach kostengünstigeren Alternativen. Die Speicherung von gasförmigen aber auch flüssigen Wasserstoff benötigt viel Bauraum und erzeugt ein hohes zusätzliches Gewicht. Mit dem Einsatz von neuen Materialien für Wasserstofftanks konnten bereits erste Erfolge bei der Gewichts- und Bauraumreduzierung erzielt werden. Abschließend sei gesagt, dass bei einer Weiterentwicklung der Brennstoffzellentechnologie, diese in Zukunft das Bild auf unseren Straßen prägen wird.
• The objective of this study was to lay the foundations for the introduction of fuel cell technology in the company. In this way, the BFFT Gesellschaft für Fahrzeugtechnik mbH can expand the existing portfolio in the field of alternative drives and create new areas of responsibility. The great interest in this technology comes from the fact that the fuel cell offers the possibility of emission-free driving at the same time long range. A detailed basic research helped create a first overview on electrified vehicles and fuel cell technology. With the increase of hydrogen production from renewable energy sources, the resources can be spared to fossil fuels. Hydrogen as an energy carrier is not only an alternative to battery storage systems, but also allows independence from oil and natural gas. The hydrogen required can be refilled at gas stations within a few minutes and avoids several hours of downtime for charging the battery. Another advantage lies in the range of fuel-cell vehicles, which far exceeds that of a battery-powered vehicle. Thus, the problems encountered can be solved in the future. Assuming a tank capacity of 45,000 liters of gaseous hydrogen to a fuel cell vehicle comes to a range of 500 to 600 kilometers. The next step is the construction of a test bed for demonstration and experimental purposes was carried out. This fulfilled in addition to the required safety aspects, the demand for mobility and comfort. Built interfaces allow rapid adaptation and extension of the experimental setup. Due to the size of the test room but only small fuel cells can be examined. For fuel cells, which are used in automobiles for use, a larger bench shall be constructed. Through the trials described all the relevant and required results could be determined. To verify the results, a simulation model was required that operates on the basis of Matlab / Simulink. Therefore the program ADVISOR was provided, what All thing proved to be unsuitable for the simulation of a simple fuel cell stacks. For this reason, a separate fuel cell model was created and verified the measurement results with it. Between the simulation and the measured results of the studied fuel cell, there was only slight variations. Additional dependencies such as temperature, hydrogen purity but also the inclusion of the cooling can reduce these differences. Measurements of other characteristics, instead of assumptions, contribute to building the fuel cell model in more detail, so as to get more accurate results. For the full vehicle simulation, the program ADVISOR better suited. Due to the simple interface, a rapid analysis can be performed by different drive types. However, the depth, so this can not be recommended for the vehicle simulation in the development is missing. In the fuel cell technology is a great development potential. This was recognized by the retail and automotive companies. Together they worked [12] to build a gas station infrastructure. With the start of series production, the production costs will continue to fall, so that the fuel cell can compete with conventional drives. The biggest cost factor is platinum is as a catalyst. However promising research dealing with the search for lower-cost alternatives. The storage of gaseous and liquid hydrogen, but requires a lot of space and generates high extra weight. With the use of new materials for hydrogen tanks first successes in weight and space reduction has already been made. To conclude that, for a further development of fuel cell technology, this will form the picture on our roads in the future.