Quantifizierung des Wirkungsgrads von PEM-Wasserstoff-Brennstoffzellen anhand von Echtzeit-Massendurchflussdaten

Das „Supermileage“-Team der University of Toronto nimmt jährlich am Shell Eco-Marathon Americas teil, bei dem die Fahrzeuge nach einem einzigen Kriterium bewertet werden: Wie effizient sie eine 16-Kilometer-Strecke zurücklegen. Ihr „Urban Concept“-Fahrzeug wird mit Wasserstoff betrieben und von einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEM) angetrieben, die Wasserstoffgas in den Strom umwandelt, der das Fahrzeug antreibt. Um ganz vorne mitfahren zu können, musste das Team nicht nur wissen, wie viel Leistung ihre Brennstoffzelle erzeugte, sondern auch genau, wie viel Wasserstoff sie dafür verbrauchte.

Ohne Daten zum Wasserstoffdurchfluss konnte UTSM zwar die elektrische Leistung erfassen, jedoch weder den tatsächlichen Wirkungsgrad berechnen noch den während des automatischen Spülzyklus der Brennstoffzelle verlorenen Wasserstoff berücksichtigen oder Leistungseinbußen zwischen den Testdurchläufen feststellen. Frühere Versuche, den Wasserstoffverbrauch anhand des Faradayschen Gesetzes zu schätzen, scheiterten: Die Methode stützt sich auf theoretische Annahmen, die die tatsächlichen Betriebsbedingungen nicht widerspiegeln, und kann den während der Spülung entweichenden Wasserstoff nicht erfassen. Ein Rotameter wurde ebenfalls geprüft und aufgrund mangelnder Genauigkeit sowie fehlender digitaler Datenerfassungsfunktion verworfen.

“Durch die Analyse des Wasserstoffverbrauchs bei unterschiedlichen Belastungen können wir unsere Rennstrategie und die Auslegung unseres Antriebssystems optimieren.”

 

— Supermileage-Team der Universität Toronto, Abteilung „Urban Concept Powertrain“

UTSM stattete seinen Prüfstand mit einem Massendurchflussregler der Alicat MC-Serie aus, der mittels laminarer Differenzdruckmessung (DP) gleichzeitig Massendurchfluss, Volumendurchfluss, Temperatur und Druck misst. Einige Eigenschaften dieser Technologie entsprachen direkt den Anforderungen der Brennstoffzellenprüfung.

Dank des großen Regelbereichs des Reglers konnte ein einziges Messgerät den gesamten Testbereich des Teams abdecken, ohne dass zwischen den einzelnen Stromstufen die Hardware ausgetauscht werden musste. Als der Strom der Brennstoffzelle von 5,0 A auf 19,2 A anstieg, stieg der Wasserstoffdurchfluss von etwa 2 SLPM auf über 7 SLPM; derselbe Regler behielt über diesen gesamten Bereich hinweg seine Genauigkeit bei.

Eine Reaktionszeit von nur 30 ms war auch für ein Testprotokoll von Bedeutung, das auf diskreten Lastschritten basierte. Bei jedem zweiminütigen Stromschritt musste der Regler schnell einsteigen und einen stabilen Messwert lange genug halten, um einen zuverlässigen Mittelwert im stationären Zustand zu erhalten; ein Gerät mit langsamerer Reaktionszeit hätte in den ersten Sekunden jedes Schritts Unsicherheiten verursacht.

Dank der integrierten Durchflussdaten – darunter der Live-Durchfluss, der Durchschnittsdurchfluss und ein Totalisator – konnte das Team das kumulierte Wasserstoffvolumen für jedes Zwei-Minuten-Fenster direkt erfassen, ohne dass separate Berechnungen oder Nachbearbeitungen erforderlich waren. Dieses summierte Volumen diente als Grundlage für die im Folgenden erläuterten Effizienz- und Auslastungswerte. Die digitale Datenerfassung ermöglichte es dem Team anschließend, die Ergebnisse über monatliche Testsitzungen hinweg zu speichern und zu vergleichen – etwas, das weder das Rotameter noch die Schätzung nach dem Faradayschen Gesetz bieten konnten.

Die Brennstoffzelle wurde bei fünf stationären Stromstufen von 5,0 A bis 19,2 A unter Verwendung von vier 150-W-Lastbänken im Konstantstrommodus getestet. Vor jedem Test wurde der Stack eine Stunde lang bei 488 W rehydriert; ein Anstieg der Leerlaufspannung von 43,5 V auf 46,1 V bestätigte die Betriebsbereitschaft. Der Druck wurde durchgehend zwischen 6 und 9 PSI gehalten und lag damit komfortabel innerhalb des Betriebsbereichs des Reglers.

Anhand des an jedem Betriebspunkt gemessenen Gesamtwasserstoffvolumens konnte das Team den Wirkungsgrad direkt berechnen, indem es die elektrische Ausgangsleistung mit dem eingesetzten Wasserstoffenergieaufwand verglich. Die Ergebnisse zeigten einen deutlichen Trend: Der Wirkungsgrad nimmt mit steigender Stromstärke ab und sinkt von 42,56% bei 5,0 A auf 35,03% bei 19,2 A. Dieser Rückgang folgt dem Abfall der Stapelspannung im gleichen Bereich und spiegelt die Verluste wider, die sich bei höheren Stromdichten ansammeln.

Für den Shell Eco-Marathon-Wettbewerb hat dies direkte Auswirkungen: Die Brennstoffzelle arbeitet am effizientesten am unteren Ende ihres Strombereichs, daher besteht die optimale Rennstrategie darin, nur so viel Strom zu entnehmen, wie zur Aufrechterhaltung der erforderlichen Fahrzeuggeschwindigkeit unbedingt notwendig ist.

Der Alicat-Totalisator ermöglichte zudem die Berechnung des Wasserstoffausnutzungsgrads der Zelle an jedem Betriebspunkt, indem der tatsächlich gemessene Durchfluss mit der aus dem Ausgangsstrom abgeleiteten theoretischen Verbrauchsrate verglichen wurde. Die Ausnutzung liegt bei niedrigen Stromstärken bei etwa 90% und steigt bei höheren Stromdichten auf etwa 97% an. Der verbleibende Wasserstoff entweicht über den Spülzyklus – ein Wert, der vor der Einführung der Durchflussmessung nicht erfassbar war.

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• Alikakos, K., & Dawoodally, Z. (2026). Bewertung der Leistung einer Protonenaustauschmembran-Wasserstoff-Brennstoffzelle mit einem Alicat-Durchflussmesser zur Ermittlung ihres praktischen Wirkungsgrads. Supermileage-Team der Universität Toronto. Rezensiert von R. Perez Vicente.