Ein Blick auf das Brennstoffzellensystem „Performance Warrior“

Dies bedeutet, dass die Branche eine klarere Antwort auf die Kernfrage „Was zeichnet ein gutes Brennstoffzellensystem aus?“ hat. Das Brennstoffzellensystem beantwortet diese Frage durch praktische Maßnahmen. Mit Fokus auf die beiden Hauptszenarien Automobil und Energieerzeugung leitete Dr. Hou Junbo das technische Team, um Design und Prozessiterationen von Kernindikatoren wie Systemstabilität, Zuverlässigkeit, Wasserstoffverbrauch, Ausfallrate und Lebensdauer zu optimieren und der Branche zwei herausragende Produkte zu präsentieren: ein Automobilmotorensystem und ein Wasserstoff-Energiespeichersystem zur Energieerzeugung.

Im Automobilbereich haben wir die Entwicklung einer Reihe von Brennstoffzellenmotorsystemen mit einem Leistungsbereich von 30 kW bis 235 kW abgeschlossen, die in vielen Fahrzeugen wie Pkw, Stadtbussen, leichten, mittleren und schweren Lkw, Gabelstaplern, Anhängern, Baumaschinen usw. weit verbreitet eingesetzt werden können.

Produkte für Brennstoffzellenmotoren im Automobilbereich (70 kW links, 235 kW rechts)

Darunter haben 17 Wasserstoff-Brennstoffzellenbusse, die mit HYPSR-04-Bordsystemen des Typs 70 kW ausgestattet sind, kürzlich beeindruckende Betriebsdaten geliefert: Diese 17 Busse sind seit fast anderthalb Jahren ununterbrochen im Kreis Jiashan, Stadt Jiaxing, Provinz Zhejiang, im Einsatz, haben eine Gesamtlaufleistung von 800.000 Kilometern und einen durchschnittlichen Wasserstoffverbrauch von 3,7 kg/100 km, was weit unter dem Branchendurchschnitt von 5 kg/100 km liegt und somit erhebliche Vorteile für die Energieeinsparung und den Umweltschutz im öffentlichen Nahverkehr der Stadt Jiashan bietet.

Bus des Kreises Jiashan

Neben den Anschaffungskosten ist der Energieverbrauch pro 100 Kilometer einer der wichtigsten wirtschaftlichen Indikatoren für ein Fahrzeug. Um Brennstoffzellenfahrzeuge kommerziell zu etablieren, ist es neben der kontinuierlichen Kostenreduzierung in allen Bereichen entscheidend, die Betriebskosten zu senken und den Wasserstoffverbrauch zu reduzieren, um die Kraftstoffeffizienz zu verbessern. Die Betriebsdaten zum niedrigen Wasserstoffverbrauch belegen die solide technische Grundlage des Brennstoffzellensystems und die optimale Abstimmung der Fahrzeugleistung.

Darüber hinaus ist die geringe Ausfallrate ein weiteres Highlight dieser Busse im realen Betrieb. Das 70-kW-Wasserstoff-Brennstoffzellensystem erfüllt nicht nur die Anforderungen des täglichen Busbetriebs, sondern liefert auch bei langfristiger und häufiger Nutzung eine stabile und effiziente Leistung ohne nennenswerte Ausfälle. Dies beweist seine Anpassungsfähigkeit an komplexe Straßen- und Klimabedingungen.

„Die Gesamtlaufleistung beträgt 800.000 Kilometer, der durchschnittliche Verbrauch liegt bei nur 3,7 kg/100 Kilometern. Der reibungslose Betrieb unter verschiedensten Bedingungen beweist eindrucksvoll die Zuverlässigkeit und Praxistauglichkeit unserer Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie und demonstriert deren enormes Potenzial. Der Einsatz von Wasserstoff-Brennstoffzellen hat weitreichende Auswirkungen auf die Stadt Jiashan und den gesamten öffentlichen Nahverkehr und dient zudem als wichtiges Vorbild für weitere Städte, die auf umweltfreundliche Busse umsteigen möchten.“

Neue Energiefahrzeuge sehen sich in ihren frühen Entwicklungsphasen stets mit Fragen der Stabilität und Zuverlässigkeit konfrontiert, und Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge bilden da keine Ausnahme. Jede von Brennstoffzellenherstellern auf den Markt gebrachte Fahrzeuggeneration muss sich nicht nur Markttests unterziehen, sondern auch das Vertrauen lokaler Behörden und Betreiber sowie der gesamten Branche gewinnen.

Um Produkte herzustellen, denen der Markt vertrauen kann und die die Stabilität und Langlebigkeit des Brennstoffzellensystems für Kraftfahrzeuge gewährleisten, hat Liyuan Technology außerordentliche Anstrengungen und Expertise in die Systemarchitektur, den Fehlerdiagnosemechanismus und die Überwachung des Betriebszustands investiert, um sicherzustellen, dass jedes Glied optimiert ist, die Kraft von Wissenschaft und Technologie genutzt, um die Grundlage für Qualität zu schaffen und Sicherheit und Zuverlässigkeit zu einem unverwechselbaren Merkmal des Produkts zu machen.

„Wir haben im Motorsteuerungssystem ein Fehlerdiagnose-Framework entwickelt, das die wichtigsten Fehlertypen wie abnormalen Luftdruck, zu hohe Wasserstoff-Luft-Druckdifferenz, abnormalen Wasserstoffdruck, zu niedrigen Kühlmittelkreislaufdruck, zu hohe Kühlmitteltemperatur und blockierte Ablassventile schnell diagnostizieren kann. Zudem haben wir einen Schutzmechanismus für Fehler eingerichtet, die schwerwiegende Folgen haben könnten, um Schäden am Stack so weit wie möglich zu vermeiden“, erklärte Dr. Hou Junbo.

Gleichzeitig ist jedes bordeigene Brennstoffzellensystem mit einer TBOX (siehe Abbildung unten) integriert, die das Steuerungssystem in Echtzeit auf Leistungsverschlechterungen mit längerer Laufzeit überwachen und warnen kann und entsprechende Fehlerbehebungsstrategien bereitstellt. Das auf der TBOX basierende Echtzeit-Daten-Upload-System ermöglicht die Fernüberwachung des Betriebszustands des Brennstoffzellensystems und die Fehlerbehebung aus der Ferne. Gleichzeitig kann der stetig wachsende Betriebsdatensatz zur Analyse, zum Lernen und zur Auswertung der darin enthaltenen Fehlerinformationen genutzt werden, um den datengesteuerten intelligenten Diagnosemechanismus kontinuierlich zu verbessern.

TBOX Fernüberwachungssystem

Es besteht kein Zweifel daran, dass dieser Brennstoffzellen-"Neuling" mit seiner hohen Stabilität, dem geringen Wasserstoffverbrauch und den langlebigen Eigenschaften des Brennstoffzellensystems die Tür zum Billionen-Dollar-Markt für Wasserstofffahrzeuge geöffnet hat.

Neben Anwendungen im Automobilbereich werden auch stationäre Stromerzeugungsanlagen kontinuierlich weiterentwickelt. GGII prognostiziert, dass die kumulierte installierte Leistung von Brennstoffzellen-Energiespeicheranlagen in China bis 2030 voraussichtlich 5 GW erreichen wird und der zusätzliche Markt für Brennstoffzellen-Stromerzeugungssysteme von 2023 bis 2030 24 Milliarden Yuan übersteigen wird.

Mit Fokus auf die vier Schlüsseleigenschaften Modularisierung, Intelligenz, Stabilität und Langlebigkeit sowie Zuverlässigkeit haben stationäre Stromerzeugungssysteme bereits Einzug in den Markt für Wasserstoffenergiespeicher gehalten.

Die Nennleistung des Schaltschrank-Stromerzeugungsmoduls beträgt 100 kW, die Ausgangsspannung 380 V AC; die Nennleistung des Containermoduls beträgt 1 MW, die Ausgangsspannung 10 kV AC.

Stromerzeugungsmodul in Schrankbauweise (links), Stromerzeugungsmodul in Containerbauweise (rechts)

Das Stromerzeugungsmodul kann autark betrieben werden und unterstützt die Parallelschaltung mehrerer Module. In Kombination mit Transformatoren und Energiespeichern ermöglicht es die flexible Realisierung dezentraler Stromerzeugungsanlagen mit einer Kapazität von 100 kW bis 100 MW. Es zeichnet sich durch standardisierte Fertigung, integrierten Transport und einfache Montage vor Ort aus.

Zweitens verfügt jedes Stromerzeugungsmodul über unabhängige, selbstkonsistente Steuerungsfunktionen, die die Intelligenz des gesamten Stromerzeugungssystems gewährleisten, um das Ziel der Reduzierung des Wasserstoffverbrauchs und der Dämpfung zu erreichen.

Das containerbasierte Modul verfügt über vier integrierte Brennstoffzellensysteme. Der Mikronetz-Controller empfängt externe Befehle und sendet Steuersignale an jedes Brennstoffzellensystem und den Wechselrichter. Im Parallelbetrieb mehrerer Module werden die Betriebsdaten jedes Brennstoffzellensystems auf Modulebene übertragen und in Echtzeit mit dem umfassenden intelligenten Energiemanagementsystem verbunden. Dies ermöglicht eine cloudbasierte, zentrale Planung sowie Fernsteuerung und -wartung.

Das intelligente Energiemanagementsystem optimiert die Ausgangsleistung jeder Brennstoffzelle in Echtzeit auf Stack-Ebene, verbessert den durchschnittlichen Wirkungsgrad jedes Stacks, reduziert den Gesamtwasserstoffverbrauch des Systems und berücksichtigt die Begrenzung der Leistungsschwankungen, um den Leistungsabfall des Stacks zu verzögern. Auf Systemebene passt das Energiemanagementsystem den Stromverbrauch selbstständig an und wählt automatisch den optimalen Stromerzeugungsmodus entsprechend den Stromverbrauchseigenschaften, um häufiges Starten und Stoppen, häufige Lastwechsel und andere verlustreiche Zustände zu vermeiden.

Drittens stellen stationäre Kraftwerke extrem hohe Anforderungen an die Stabilität und Langlebigkeit von Brennstoffzellenprodukten. Liyuan Technology hat Optimierungen auf Material-, Komponenten- und Systemebene vorgenommen. So hat beispielsweise das Forschungs- und Entwicklungsteam für Membranelektroden durch die Auswahl wichtiger Rohstoffe wie PEM, GDL und Katalysator sowie durch die Strukturoptimierung der MEA eine Membranelektrode mit vierlagiger Rahmenstruktur entwickelt. Diese ermöglicht die für stationäre Kraftwerke erforderliche Langlebigkeit der MEA. Durch die Optimierung der Systemreaktionsstrategien unter Start-Stopp-, variabler und hoher/niedriger Last sowie anderen Betriebsbedingungen werden Materialverluste, beispielsweise bei der Protonenaustauschmembran, dem Katalysator und der Gasdiffusionsschicht, vermieden und die Lebensdauer des Stacks verlängert.

Viertens werden auf der Ebene der Systemauslegung und -steuerung verschiedene Methoden kombiniert eingesetzt, um die Zuverlässigkeit des Brennstoffzellenstapels zu verbessern.

Für das Druckluftsystem wurde eine koordinierte Regelungsmethode für den Luftkompressor und das Gegendruckventil entwickelt, die eine Entkopplung von Luftstrom und Ansaugdruck ermöglicht, sodass beide schnell und präzise auf die Systemanforderungen reagieren können und auch bei stark wechselnden Arbeits- und Umgebungsbedingungen eine hohe Robustheit beibehalten wird. Dadurch werden Schäden am Schornstein aufgrund unzureichender Luftversorgung unter variablen Lastbedingungen wirksam vermieden.

Für das Wasserstoffzirkulationssystem wurde eine Methode der Proportionalventil-Vorsteuerung mit adaptiver Regelung des Wasserstoffausstoßventils entwickelt, die den Zeitpunkt der Öffnung des Wasserstoffausstoßventils und die Änderung der Proportionalventilöffnung genau aufeinander abstimmt und die durch die Öffnung des Wasserstoffausstoßventils verursachten Druckschwankungen auf beiden Seiten der Membranelektrode wirksam unterdrücken kann, wodurch das Risiko einer Perforation der Membranelektrode erheblich reduziert wird.

Für den Membranwassergehalt wurde ein Zustandsbeobachter entwickelt, der den Flüssigwassergehalt auf der Anoden- und Kathodenseite des Stapels auf der Grundlage der Schätzung des Wasserstoffflusses an der Anode und der Druckdifferenz am Ein- und Auslass des Kathodenstapels schätzt und den Membranwassergehalt in Echtzeit in einem vernünftigen Bereich durch Anpassen der Öffnungszeit des Wasserstoffauslassventils und des Luftüberschussverhältnisses regelt, wodurch die Häufigkeit von Membrantrockenheits- und Überflutungsausfällen effektiv reduziert wird.

„Unser Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem ist wirklich stabil und zuverlässig und eignet sich für stationäre Kraftwerke verschiedener Größen“, schloss Liyuan Technology.

Es wird davon ausgegangen, dass im Rahmen des Demonstrationsprojekts für kohlenstofffreie intelligente Energieerzeugung auf dem Werksgelände des Unternehmens das Kraftwerksprojekt, das auf Wasserelektrolyse zur Wasserstofferzeugung und Brennstoffzellen-Stromerzeugungstechnologie basiert, stabil arbeitet und einen Wirkungsgrad der Strom-Wasserstoff-Strom-Umwandlung von 35 % aufweist, was einen deutlichen Effizienzvorteil in der Branche darstellt.

Im Hinblick auf die Industrie wurde die Wasserstoffspeicherung als Vertreter der Langzeitspeichertechnologie in die offizielle Förderung neuer Energiespeicher aufgenommen. Mit sinkenden Kosten für Wasserstoffproduktion, -speicherung und -transport dürfte die Verbreitung dezentraler Stromerzeugungsanlagen gefördert werden.

Obwohl die Anwendung der Brennstoffzellen-Stromerzeugung noch in den Anfängen ihrer Entwicklung steckt und mit vielen Schwierigkeiten und Herausforderungen konfrontiert ist, die es zu bewältigen gilt, hat das Unternehmen als Pionier in der Branche mit Weitblick und entschlossenen Schritten Anwendungsszenarien eingehend erforscht und technische Schwierigkeiten nacheinander überwunden, wodurch ein solider Weg für die Entwicklung von Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanwendungen geebnet wurde.