Ein Brennstoffzellenfahrzeug besteht aus vielen Teilsystemen, zu denen neben der Brennstoffzelle auch Hybridbatterie, Wärmepumpe, Tanksystem, Fahrgastzelle sowie Traktionsmaschine und Leistungselektronik gehören. Jedes dieser Systeme hat bezüglich Temperaturen und Kühl- bzw. Erwärmungsbedarf, je nach Betriebspunkt, unterschiedliche Anforderungen und benötigt für den Betrieb ein Thermomanagementsystem. Im Rahmen der aktuellen Forschungen wird untersucht, ob durch die Verwendung eines aktiven Thermomanagementmoduls die Teilsysteme des Fahrzeugs derart verknüpft werden können, sodass eine Effizienzsteigerung des Gesamtsystems erreicht werden kann. Da sich je nach Betriebszustand und Umgebungsbedingungen Größe und Richtung der Wärmeströme ändern, wird mittels eines simulationsbasierten Ansatzes eine Strategie für die Regelung des Thermomanagementmoduls entwickelt. In dieser Veröffentlichung soll dargestellt werden, welche Vorüberlegungen getroffen wurden, um ein Konzept für ein ganzheitliches Energiemanagement für ein Brennstoffzellenfahrzeug zu entwickeln.

The production of components in polymer electrolyte membrane fuel cells is a widely researched topic and still has a lot of potential for optimization. Especially the reduction of used materials like ionomer and platinum in fuel cell electrodes and the improvement of their performance are highly desired. In this study we discuss the potential of structured cathode catalyst layers by introducing a through plane ionomer gradient. For this purpose different catalyst layers with a platinum loading of 0.25 mg/cm2 have been produced by screen printing, followed by extensive In-Situ characterization in a fuel cell test bench. The results show that combining high amounts of ionomer at the membrane/electrode interface, and decreasing amounts towards the gas diffusion layer enable a good protonic connection of the catalyst layer to the membrane while improving the performance in the high current area due to lower diffusion resistance. This trend was also supported by limiting current measurements, showing increasing diffusion resistances with higher ionomer contents at the gas diffusion layer interface.

The laser tool is predestined for automated manufacturing processes and has already proven its suit-ability in many areas. In particular, joining technologies in the field of hydrogen production, its storage and for bi-polar plates have to meet the highest requirements in terms of seam quality, reproducibility and manufacturing efficiency. By the examples  700 bar car H2 pressure tank with laser welded connection (welding depth 25 mm)  Laser Remote Welding of HT Fuel Cell Stacks  Laser-welded aluminum tube-ground heat exchanger for gas liquefaction the article presents the possibilities of modern laser beam welding technologies. Furthermore, it gives an outlook on future challenges, especially with regard to the requirements of welding bi-polar plates for upcoming applications in the field of mobility

A passive recirculation of hydrogen using ejectors is effective and efficient only in a limited operating window, which kept ejectors until recently from being integrated into automotive fuel cell systems, where a more dynamic operation is expected. Strategies like parallel setup or a PWM-drive employed to expand the operating window demand reliable control algorithms. Such algorithms can greatly benefit from the predictive power a mathematical model. In a fuel cell system, the anode and cathode side cannot be separated, and a mathematical description should encompass all components to a reasonable degree, to allow the model to run on a low power automotive-grade platform in real time. This contribution demonstrates an approach to reduce the computation expense of the mathematical model.

Efficiency-enhancing measures are evaluated for a serial hybrid fuel cell vehicle over a drive cycle. The regarded powertrain consists of fuel cell system, battery, DC-DC converter, inverter and electrical machine. Within the fuel cell system, the air supply is the largest parasitic load. For the lowest dissipation, different air compression architectures are optimized by a scaling algorithm and compared. Phase switching reduces DC-DC losses. Additionally, a variable DC-link voltage increases efficiency of electrical machine and inverter. Dynamic Programming (DP) is used to evaluate these measures. The DP was extended by start-up and shutdown energy of the fuel cell system to model realistic cycle consumptions. Finally, all these efficiency enhancing measures lead to a reduction of energy consumption by 6.4 % for the serial hybrid fuel cell vehicle over a drive cycle.

Aramide and arylene ether multiblock copolymers of (AB)n-type with various degrees of sulfonation have been prepared for use in direct methanol fuel cells. / Aramid- und Arylethersulfon-Multiblockcopolymere vom Typ (AB)n mit unterschiedlichem Sulfonierungsgrad wurden hergestellt und hinsichtlich ihrer Eignung als Polymerelektrolyte in der Direkt-Methanol-Brennstoffzelle getestet.

Die Aufgabenstellung der hier vorgestellten Diplomarbeit befasst sich mit der Integration von nichtfossilen Energieträgern im Eisenbahnbereich. Grundsätzlich soll untersucht werden, inwiefern eine technisch umsetzbare Integrationslösung erarbeitet werden kann, die an ein bereits im Betrieb befindliches Schienenfahrzeug zur Personenbeförderung nachgerüstet werden kann. Durch diese Umrüstung soll das Demonstratorfahrzeug dann in der Lage sein, sowohl die elektrische Energie des Fahrdrahtes als auch die mitgeführte Energie zum Betrieb zu nutzen. Im Ergebnis sollen damit Dieselfahrzeuge ersetzt werden, die bisher auf Strecken ohne Oberleitung eingesetzt werden. Im Ausgangszustand wird ein Triebzug betrachtet, der im ursprünglichen Aufbau für den reinen Oberleitungsbetrieb entwickelt wurde. Aus dem Englischen kommend werden solche Verkehrsmittel auch als EMU bezeichnet, was abgekürzt für Electric Multiple Unit steht. Um solche Fahrzeuge auch ohne Oberleitung mit Energie zu versorgen, bedarf es der Nachrüstung von Energiespeichern am Triebzug. In diesem Fall bildet gasförmiger Wasserstoff den primären Energiespeicher, dessen chemische Energie durch ein Brennstoffzellensystem in elektrische Energie gewandelt werden soll. Außerdem ist aufgrund verschiedener Randbedingungen ein Akkumulatorsystem als sekundärer Energiespeicher notwendig. Grundsätzlich kann das umgerüstete Fahrzeug dann als Hybridfahrzeug bezeichnet werden, im Projektkontext wird allerdings aufgrund der zweifachen Energiezuführung von einem Bi-Mode-Fahrzeug gesprochen. Die Einbauuntersuchung behandelt sowohl volumetrische als auch gravimetrische Fragestellungen, die bei der Integration der genannten Systeme zu beachten sind. So wird beispielsweise durch ein Berechnungsmodell untersucht, welche Auswirkungen die Schwerpunktlage des Wagens auf die Radsatzlasten hat. Im Ergebnis der Untersuchung kann festgehalten werden, dass unter den gegebenen Randbedingungen die Integration der Komponenten eine deutliche Reduzierung der Personenzahlen notwendig wird. / The task of the diploma thesis presented here deals with the integration of non-fossil energy sources in the railroad sector. The basic aim is to investigate the extent to which a technically feasible integration solution can be developed that can be retrofitted to a rail vehicle already in operation for passenger transportation. Through this retrofit, the demonstrator vehicle should then be able to use both the electrical energy of the contact wire and the energy carried for operation. As a result, it is intended to replace diesel vehicles that have been used to date on lines without overhead contact lines. In the initial state, a multiple-unit train is considered that was developed in its original design for pure overhead contact line operation. This type of vehicle is also known as an EMU, which stands for Electric Multiple Unit. In order to supply such vehicles with energy even without an overhead line, energy storage systems have to be retrofitted to the multiple unit. In this case, gaseous hydrogen forms the primary energy storage medium, whose chemical energy is to be converted into electrical energy by a fuel cell system. In addition, due to various boundary conditions, an accumulator system is required as secondary energy storage. In principle, the converted vehicle can then be called a However, in the context of the project, it is referred to as a bi-mode vehicle due to the dual energy supply. The installation study addresses both volumetric and gravimetric issues that need to be considered when integrating the aforementioned systems. For example, a calculation model is used to investigate the effects of the vehicle's center of gravity on the wheelset loads. As a result of the investigation, it can be stated that under the given boundary conditions, the integration of the components will necessitate a significant reduction in the number of passengers.

Das Betriebsverhalten eines elektrischen Turboladers zur Bedruckung des Kathodengassystems eines automobilen Brennstoffzellensystems wird unter Berücksichtigung der feuchten Brennstoffzellenabluft untersucht. Basierend auf den Komponentenkennfeldern von Elektromotor, Leistungselektronik, Lagerung und Turbomaschinenkomponenten werden stationäre und transiente Betriebslinien berechnet, anhand derer eine Betriebspunktverschiebung gezeigt wird. Diese kann auf die Einflüsse der Gaszusammensetzung und Kondensation in der Turbine zurückgeführt werden. Anhand von drei stationären Betriebspunkten wird die Zusammensetzung der Verluste innerhalb der Maschine gezeigt. Die Verzögerung wird zudem als kritisches Manöver im transienten Betrieb durch signifikante Abnahme des Pumpgrenzabstands identifiziert. / The performance of an electric turbocharger for the cathode gas supply system of an automotive fuel cell system is investigated considering moist air off gasses. Based on the component performance maps of electric motor, power electronics, bearings and turbomachinery, steady state and transient operating lines are calculated and a shift of operating points is shown. These can be traced back to the influence of gas composition and condensation within the turbine. Based on three operating points, losses inside the machine are characterized. Furthermore, deceleration is identified as the most critical transient operating scenario due to a significant decrease of the surge margin.

Das Thermomanagement in Brennstoffzellenfahrzeugen (FCEV) stellt eine komplexe Herausforderung dar. Insbesondere, wenn im Zuge thermischer Optimierungen, wie sie bereits im Bereich batterieelektrischer Fahrzeuge etabliert sind, komplexe Verschaltungen der beteiligten Fahrzeugsysteme vorgenommen werden. Im Rahmen des Forschungsprojektes HZwo:InTherm wurden an der TU Chemnitz verschiedene Ansätze zur Simulation von Thermomanagementstrukturen in Brennstoffzellenfahrzeugen (FCEV) sowohl in Matlab/Simulink als auch in KULI untersucht. Augenmerk lag hierbei auf einem stabilen Zusammenspiel der Teilsysteme Brennstoffzelle, Hybridbatterie, Tanksystem, Wärmepumpe, Fahrgastzelle sowie Traktionsmaschine und Leistungselektronik. Als besondere Herausforderung zeigte sich hierbei die Simulation geschlossener Kühlkreisläufe mit inkompressiblem Kühlmedium sowie die Umsetzung eines möglichst generalisierten Modellaufbaus für die implementierten Teilmodelle. Im Rahmen dieses Beitrags sollen sowohl die Modellierungsansätze als auch die erzielten Ergebnisse vorgestellt und diskutiert werden. / Thermal management in fuel cell electric vehicles (FCEV) poses a complex challenge. Especially for thermal optimisations with complex interconnections, as it is already state of the art in battery electric vehicles. Within the research project HZwo:InTherm different approaches for the simulation of thermal management systems of FCEV have been under investigation, in both Matlab/Simulink as well as in KULI. Focus was the stable interaction of the subsystems fuel cell, hybrid battery, tank system, heat pump, passenger cabin as well as traction motors and inverters. A particular challenge is the simulation of a closed coolant loop with incompressible coolant liquid and its model realization with generalized model structures for the different parts of the model. This article presents both the modelling approach as well as the simulation results.

Towards a carbon free society the IHI group is committed to provide products, technologies and services in line with ecological and economical sustainability. Storage and transportation of green energy are major challenges related to the global transition from fossil fuels towards 100% renewables. IHI is active in various areas ranging from SOFC technology via ammonia combustion to smart community demonstrator projects. With respect to mobility hydrogen fuel cell technology is identified as one major pillar for CO2-neutral vehicular propulsion – especially for higher payloads and extended driving distances. Since more than 20 years IHI is providing charging systems for stationary fuel cell applications and since 2004 also for mobile fuel cell applications. IHI´s oil free turbocharger for fuel cell applications is providing state-of-the-art boosting technology to enable emission free propulsion systems. It comprises a turbine, a compressor and, on the same shaft, an electric motor as well as air foil bearings to support the rotor. The turbine utilizes the enthalpy from the stack exhaust to lower the required electric power for driving the compressor. It can provide up to 40% of the needed compressor power and hence substantially increases the system efficiency. Compressor and turbine are optimized for operating conditions in fuel cell systems regarding specified airflow and pressure ratio, which is typically in the range of 3.0.