Zu den aktuellen Hemmnissen, welche einer breiten Kommerzialisierung der Wasserstofftechnik entgegenstehen, zählen u.a. die geringere Lebensdauer der PEM-Brennstoffzelle für dynamische Anwendungen (hohe Anzahl von Lastwechseln) infolge einer stark voranschreitenden Degradation (…die Verschlechterung der Brennstoffzelle während des Betriebs aufgrund steigender innerer Zell- und Übergangswiderstände). Diese liegt mitunter in einer nicht optimalen Betriebsführung begründet, weswegen es an den Zellbestandteilen (besonders an der PEM) zu irreversiblen Schäden und damit zu Effektivitätsverlusten kommen kann. Dieser Effekt verstärkt sich mit zunehmender Betriebsdauer, womit aktuell im dynamischen Betrieb eine um bis zum Faktor 10 verminderte Lebensdauer gegenüber stationären Applikationen festzustellen ist. In den vom DOE 2020 publizierten Zielen für 2030 ist die Lebensdauer jedoch von 10.000 h (2020) auf 40.000 h zu erhöhen. Zusätzlich wird angestrebt die Degradationsrate der Membran deutlich zu senken.
HZwo-DigiTwin setzt hier an, um neue optimierte und flexible Betriebsstrategien zu entwickeln und schließlich die Wirtschaftlichkeit, Betriebssicherheit und die Nutzerakzeptanz der Brennstoffzellentechnologie zu erhöhen. HZwo-DigiTwin versteht darunter die Auswahl der sinnvollsten Betriebsmöglichkeit nach übergeordneten Zielen und das das System so zu steuern, dass irreversible Schädigungen vermieden werden.
Mit dem innovativen Ansatz der Kopplung von Mehrkörpersimulationsmodellen, mit elektrochemischen sowie regelungstechnischen Modellen soll das Betriebsverhalten in MATLAB/Simulink in einem „0D bis 2D-Modell“ und in Ansys in einem „3D-Modell“ im ersten Schritt abgebildet werden. Die Teilmodelle sollen nachfolgend zu modularen für echtzeitfähige Anwendungen ausgelegte Digitale Zwillinge erweitert werden und als Grundlage für eine virtuelle Inbetriebnahme von Brennstoffzellensystemen dienen.
Um dies zu erreichen, setzt HZwo-DigiTwin auf eine Validierungsphase der erstellten Modelle unter realitätsnahen Einsatzbedingungen an geeigneten Prüfständen und einem Mock-Up-Fahrzeug des Partners ICM (vgl. Anhang). Diese zielt darauf ab, eine Optimierung der Regelung zur Minimierung von betriebsspezifischen Degradationsmechanismen umzusetzen. Die optimierten Digitalen Zwillinge sollen nachfolgend als Datengrundlage in ein neu zu entwickelndes Condition Monitoring System für den Betrieb einfließen. Eine daraus abgeleitete Prozessregelung, mit dem Ziel Systemfehler auch für besondere klimatische Einflüsse und Betriebsarten (Kaltstart) zu detektieren, analysieren und korrigieren, soll prototypisch am Referenzfahrzeug erprobt werden.
