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MasterarbeitsthemenHyCentA Research GmbH - Hydrogen Center Austria

Graz, Mai 2020

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Masterarbeit

08.05.2020

Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik

Kurzbeschreibung:

H2-Fahrzeuge mit Energiewandlung über PEM-Brennstoffzellen (Proton Exchange Membrane Fuel

Cell) ermöglichen eine nachhaltige und umweltverträgliche Mobilität bei gleichzeitig kurzen

Betankungsdauern und gewohnten Reichweiten wie bei fossilen Energieträgern.

Solche Brennstoffzellensysteme bestehen üblicherweise aus mehreren Teilsystemen wie

Wasserstoff- und Luftversorgung, Kühlsystem, Hochvoltsystem und deren Peripherie. Die Interaktion

dieser Komponenten ist dabei äußerst komplex, weshalb für die Auslegung, Entwicklung und

Optimierung die Verwendung eines Simulationsmodells unumgänglich ist.

Im Zuge dieser Masterarbeit soll ein transientes Simulationsmodell eines PEM-Brennstoffzellen-

systems erstellt werden, wobei der modulare Aufbau, gegliedert in die Subsysteme und

Komponenten des BZ-Systems, im Vordergrund steht. Die Umsetzung soll dabei mit dem Programm

Matlab Simulink erfolgen. Das erstellte Simulationsmodell soll im Anschluss anhand von

Prüfstandsmessdaten verifiziert und validiert werden.

Inhalt:

• Literaturrecherche und Konzepterstellung (1 Monat)

• Implementierung (3 Monate)

• Verifizierung und Validierung anhand von vorhandenen Prüfstandsmessdaten

(1 Monat)

• Erstellung der schriftlichen Fassung (1 Monat)

Beginn: ab sofort

Dauer: ca. 6 Monate

Bezahlung: € 2 600,00

Kontakt: DI Dr. techn. Patrick Pertl

+43 (316) 873-9510, [email protected]

DI Dr. techn. Alexander Trattner

+43 (316) 873-9502, [email protected]

Quelle: BRP

Quelle: Klell, M., H. Eichlseder und A. Trattner

(2018): Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik,

Erzeugung, Speicherung und Anwendung

Konzeptionierung und Implementierung eines transienten Simulationsmodells für

Brennstoffzellensysteme in mobilen Anwendungen

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Masterarbeit

08.05.2020


Development of Novel Measurement Techniques for H2 Quality

Determination

Description:

Fuel cell electric vehicles (FCEVs) powered by green hydrogen offer high greenhouse gas

reduction potential for “long distance” and “all purpose” vehicles like large passenger cars,

busses and trucks. The Pt catalysator of the fuel cell (FC) takes up a major part of the total

costs. By lowering the amount of Pt in the FC stack an improving of the operation conditions

and further adhering of quality standards for the supplied hydrogen have to be fulfilled.

The goal of this work is the development of a sampling device for hydrogen refuelling stations

and to evaluate and establish advanced analytical methods to detect all desired hydrogen

quality parameters according to ISO 14687. The evaluated and developed suitable hydrogen

analysis methods and optimized sampling methods will be performed with an Ion-Molecule

Reaction Mass Spectrometer (IMR-MS) and an Fourier Transform Infrared Spectroscope

(FTIR). The analytical equipment will be set-up within the gas quality analysis laboratory at

the independent research institution HyCentA.

Content:

• Development of an sampling device

• Evaluate analytic methods to determine hydrogen quality and detect impurities

• Test the developed methods for quantified gas analysis

• Creation of written master thesis

Start: from now

Duration: approx. 6 months

Thesis will be financially supported (€ 2.600), German / English

Contact:

DI Stefan Brandstätter

+43 (316) 873-9508, brandstä[email protected]


+43 (316) 873-9502, [email protected]

Purge Gas

Calibration Gas

Temperature ConditioningPressure

Conditioning Particulates – Gravimetric Measurement

H2O – Dewpoint Measurement

Components A - Mass Spectrometer

Components B - FTIR

LaboratoryTransportation

1-700 bar

Liquide N2

Source: Mobile device of NOW for taking H2 samples

mailto:brandstä[email protected]

mailto:[email protected]

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Masterarbeit

08.05.2020


Development of Highly Accurate Hydrogen Mass Measurement

DeviceDescription:

Fuel cell electric vehicles (FCEVs) powered by green hydrogen offer high greenhouse gas reduction potential

for “long distance” and “all purpose” vehicles like large passenger cars, busses and trucks. The hydrogen

refuelling station (HRS) network for FCEVs is growing but is still insufficient, and regulatory requirements are

challenging. Moreover, a measurement solution for official verification of dispensed mass according to currently

valid standards is still missing. Basically, the mass measurement of hydrogen is challenging as hydrogen has

the lowest density of all gases. 5-6 kg of hydrogen are sufficient for a driving range of 600 km with a passenger

car due to the high calorific value of hydrogen. Therefore, a high accuracy of mass measurement is required

due to low absolute mass and further research is needed for detection of absolute hydrogen mass measured

directly at the HRS.

The goal of this work is the development of a novel mobile sampling device to determine the dispensed mass of

a HRS. Research on adequate sampling methods for hydrogen mass analysis will be performed. For official

verification of hydrogen mass at officially-operated HRS the novel mobile measurement technique based on the

pVT method will be further refined. The mass measurement sampling device will be tested on the test beds of

the independent research institution HyCentA and will be demonstrated at various officially-operated HRS.

Content:

• Research on methods for hydrogen mass analysis

• Development of a novel mobile sampling device

• Testing and evaluation of the sampling device

• Creation of written master thesis

Start: from now

Duration: approx. 6 months

Thesis will be financially supported (€ 2.600), German / English

Contact:

DI Stefan Brandstätter

+43 (316) 873-9508, brandstä[email protected]


+43 (316) 873-9502, [email protected]

mailto:brandstä[email protected]


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Masterarbeit

08.05.2020


Entwicklung und Optimierung von Betriebsstrategien für eine

dezentrale Wasserstoffproduktionsanlage im Power-to-Gas Verbund

Kurzbeschreibung:

Für den Betrieb dezentraler Wasserstoffinfrastrukturen sind eine Vielzahl

unterschiedlicher Betriebsweisen möglich. Diese werden durch das aktuelle

Energieangebot, die aktuellen Energiepreise für Strom bzw. Gas sowie den

aktuellen Energiebedarf (Wasserstoff, Wärme, Strom) bestimmt. Die

Betriebsweisen haben wesentlichen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit, Effizienz

und Lebensdauer der Wasserstoffanlage. Ziel der Arbeit ist ein bestehenden

Simulationsmodell für Wasserstoffanlagen um notwendige Module zum

Abbilden von Betriebsstrategien zu erweitern und eine konkrete Anlage zu

simulieren. Zielgrößen der Betriebsstrategie sind die Optimierung der H2-

Gestehungskosten, Auslastung, Effizienz und der Reduktion der Start/Stopps.

Inhalt:

• Literaturstudie und Erarbeitung eines Pools von relevanten Betriebsweisen (1 Monat)

• Definieren der Schnittstellen zwischen den Anlagenmodulen und der Steuerung sowie

Entwicklung der Steuerungsmodule (1 Monat)

• Implementierung der Betriebsweisen in ein Matlab-Simulink Simulationsmodell (2 Monate)

• Simulationsstudie mit unterschiedlichen Betriebsweisen anhand einer konkreten Power2Gas

Anlage und Erarbeitung der optimalen Betriebsstrategie (1 Monat)

• Auswertung der Ergebnisse und Erstellung der schriftlichen Fassung (1 Monat)

Beginn: ab sofort

Dauer: 6 Monate

Bezahlung: € 2.600,00

Kontakt:

DI Dr.techn. Sartory Markus

+43 (316) 873-9512, [email protected]

DI Dr.techn. Alexander Trattner

+43 (316) 873-9502, [email protected]



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Masterarbeit

08.05.2020


Compression Pathways for Buses and Automobiles

Description

In order to supply the fuel cell (FC) with sufficient hydrogen and to store it in a limited

space, the low-density gas needs to be compressed up to a pressure of 350 bar for buses

and 700 bar for cars. Today, mostly mechanical compressors such as reciprocating

compressors and membrane compressors are in use. However, these exhibit various

disadvantages such as low efficiency, fast material wear, and strong vibrations. In order to

find innovative and more efficient strategies to compress hydrogen to pressures of up to

1.000 bar a simulation model will be developed which enables the prediction of the most

efficient method for generating, compressing, and dispensing hydrogen.

Content

• Analysis of relevant compression pathways (1 month)

• Development of the simulation model for the prediction of the most efficient method (3

months)

• Concept for 350 and 700 bar hydrogen refuelling station (2 months)

Start 01/2020

Duration ca. 6 months

Compensation € 2.600

Contact DI Dr.mont. Claudia Kerschbaumer

+43 (316) 873-9498, [email protected]


+43 (316) 873-9502, [email protected]

Schorer et al.: Membrane based purification of hydrogen system

(MEMPHYS). International Journal of Hydrogen Energy (2019)

Sdanghi et al.: Review of the current technologies and

performances of hydrogen compression for stationary and

automotive applications. Renewable and Sustainable Energy

Reviews (2019)

77 Anode Simulation for Development of Electrochemical Hydrogen

Compressor

Masterarbeit

08.05.2020


H2, p1

H2, p1

H2, p2

Anode

Source: HyCentA

Metallic flow-field

Source: Reimer, Froning, et.al (2019), FZ Jülich

Microporous layer

Description

Hydrogen plays a key role in the transition of a carbon based energy system towards a system based on

renewable energy sources. Most of the applications in the mobility, industrial and energy storage sector

require high pressure levels of gaseous hydrogen. In contrast to the currently very ineffective mechanical

compression with reciprocating or membrane compressors, the electrochemical hydrogen compression

(EHC) offers a high potential for an energy and cost efficient process with low noise emissions. In order to

develop a novel prototype of an EHC short stack, various anode half cell designs (flow-field vs.

microporous layer) will be evaluated via CFD simulation. Due to the high pressure difference between

cathode and anode, the membrane is subjected to high stresses. Thus, a suitable anode design is

essential to support the membrane without potential damage aiming a long lifetime of the compressor unit.

Content

• Literature research and requirement analysis (1 month)

• CFD simulation of defined anode flow field options (3 months)

• Evaluation of simulation data (1 month)

• Creation of written master thesis in english or german (1 month)

Start 05/2020




+43 (316) 873-9498, [email protected]


+43 (316) 873-9502, [email protected]

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Masterarbeit

08.05.2020


Securing zero-emission hydrogen supply for the bus fleet of Graz

Description

The bus fleet in Graz will be completely decarbonized in the upcoming years. The current

high-emission diesel busses will be replaced by fuel cell (FC) and battery electric buses.

To ensure the continuous and reliable supply of emission-free, high-quality hydrogen,

possible installation sites for production and distribution as well as appropriate technologies

need to be evaluated and compared. Based on a comprehensive economic assessment of

the available options, the best suited concept will be developed in detail.

Content

• Evaluation of suitable hydrogen production and filling station sites (2 months)

• Economic assessment of investment and operational costs (2 months)

• Concept for the zero-emission hydrogen production and distribution (2 months)

Start 01/2020




+43 (316) 873-9498, [email protected]


+43 (316) 873-9502, [email protected]

H2 production and refuelling station

Quelle: New Bus ReFuelling for European Hydrogen

Bus Depots, 2017

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Masterarbeit

08.05.2020


Bipolarplatten für ElektrolysestacksKurzbeschreibung:

Wasserstoff spielt eine entscheidende Rolle bei der vollständigen Umstellung des Energiesystems auf

erneuerbare Energien. Um eine hohe Marktdurchdringung der Wasserstofftechnologien zu erreichen sind

vor allem für die PEM – Elektrolysetechnologie weiterführende Entwicklungstätigkeiten notwendig.

Besonders der Leistungsbereich von 50 bis 500 kW ist noch nicht ausreichend industrialisiert und

kostengünstig genug um eine wettbewerbsfähige Wasserstoffproduktion darstellen zu können.

Im Zuge dieser Masterarbeit sollen die gängigen Bipolarplatten für PEM Elektrolyseure evaluiert, analysiert

und verglichen werden. Zusätzlich sollen auch die Material- und Fertigungstechniken betrachtet, der Einfluss

auf die Kosten analysiert und mögliche Industrialisierungswege aufgezeigt werden.

Inhalt / Zeitplan:

• Literaturrecherche und Anforderungsanalyse (1 Monat)

• Untersuchung von Bipolarplatten für Elektrolyseanwendungen

• Materialtechnik und Fertigung und deren Wechselwirkung mit dem Elektrolyseprozess (auch

hinsichtlich Lebensdauer, Effizienz)

• Einfluss der Materialien und Fertigungstechnologien auf die Kosten

• Entwicklung eines Industrialisierungsprozesses (unter Berücksichtigung der Kosten und der

Stückzahl)

• Auswertung der Ergebnisse und Erstellung der schriftlichen Fassung in deutsch oder englisch (1

Monat)

Beginn: ab sofort

Dauer: ca. 6 Monate


Kontakt: DI Dr. techn. Marie Macherhammer

+43 (316) 873-9521, [email protected]


+43 (316) 873-9502, [email protected]

Goldbeschichtete Bipolarplatte

Quelle: Langemann, FZ Jülich

Zellkomponenten Elektrolyse

Quelle: Langemann, FZ Jülich

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Masterarbeiten

08.05.2020


Wasserstoff EnergiegewinnungUntersuchung der Druckenergie bei mobilen Anwendungen

Kurzbeschreibung

Aktuell wird bei mobilen Brennstoffzellen-Systemen der Wasserstoff von einem 700 bar Tank auf ein regelbares

Druckniveau von rund 10 bar gedrosselt. Diese Druckenergie wird nicht genutzt und wird im Zuge dieser Masterarbeit

analysiert und Potentiale evaluiert.

Die Rahmenbedingungen für die Durchführung dieser Arbeit sind durch ein Brennstoffzellen-Nutzfahrzeug gegeben.

Inhalt / Zeitplan:


• Berechnung der nutzbaren Expansionsenergie und Wirkungsgradgewinn für Nutzfahrzeuge (2 Monat)

• Konstruktion der zuvor berechneten Arbeitsmaschine (2 Monate)

• Schriftfassung in englischer oder deutscher Sprache und Präsentation der Ergebnisse (1 Monat)

Verwendete Methoden

• HS der Thermodynamik, Realgasgleichung, Joule-Thomson-Koeffizient

• Gasdynamik: überkritische Strömung, Rayleigh-Strömung

Beginn: ab sofort

Dauer: ca. 6 Monate



+43 (316) 873-9521, [email protected]


+43 (316) 873-9502, [email protected]

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Masterarbeiten

08.05.2020


Simulationsmodell Wasserstoff Tank FüllstandModell für die Bestimmung des H2 Füllstands in MATLAB/Simulink

Kurzbeschreibung

Bei den aktuellen Speichertechnologien für Brennstoffzellen Fahrzeugen steht der Wasserstoff

unterschiedliche Typen von Hochdruck-Gasspeicher im Vordergrund. Diese Gasspeicher werden

mit bis zu 700 bar mit Wasserstoff befüllt und daraufhin in der Brennstoffzelle aufgebraucht. Die

unterschiedlichen Tanktypen (I – IV) sollen betrachtet und die aktuell vorhandene Wasserstoff

Masse im Druckbehälter soll mit einem MATLAB/Simulink 1D Simulationsmodell bestimmt werden.

Dabei wird Realgasverhalten, Temperaturverteilung in der Behälterwand und Real-Time Verhalten

berücksichtigt. Außerdem soll die Ausdehnung des Volumens durch die Befüllen mitberechnet

werden.

Die Rahmenbedingungen für die Durchführung dieser Arbeit sind durch ein Brennstoffzellen-

Nutzfahrzeug gegeben.

Inhalt / Zeitplan:

• Literaturrecherche thermodynamischer Modelle (1 Monat)

• Aufbau Modell in MATLAB/Simulink (3 Monat)

• Validierung Modell mit vorhandenen Daten (1 Monat)

• Schriftfassung und Präsentation (1 Monat)

Verwendete Methoden

• pVT-Methode: 1. HS, Realgasgleichung, Joule-Thomson-Koeffizient

Beginn: ab sofort

Dauer: ca. 6 Monate



+43 (316) 873-9521, [email protected]


+43 (316) 873-9502, [email protected]

Quelle: Abdalla, Abdalla M.

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Masterarbeiten

08.05.2020


Aufbau eines 3D-CFD Simulationsmodells zur Tankbefüllung eines

gasförmigen Wasserstofftanks

Kurzbeschreibung

Derzeit werden für Brennstoffzellenfahrzeuge Tanksysteme mit gasförmigen Wasserstoff bis 700 bar eingesetzt. Da bei der Betankung und Entleerung des

Tankes große Druckunterschiede entstehen, müssen die damit einhergehenden Temperaturveränderungen im Rahmen der Materialverträglichkeitsgrenzen

des Tankes bleiben.

Um ein genaues Verständnis aufzubauen und gute Voraussagen für experimentelle Untersuchungen von vorhandenen Tanksystemen zu machen, soll im

Zuge dieser Masterarbeit ein 3D-CFD Simulationsmodell aufgebaut und validiert werden.

Inhalt / Zeitplan:


• Aufbau des Simulationsmodells, Untersuchung der Kopplung von CFD mit FEM Berechnungen (3 Monate)

• Validierung des Modells und Optimierung der Berechnungsmethodik (1 Monat)

• Erstellung der schriftlichen Fassung in deutsch oder englisch und Präsentation der Ergebnisse (1 Monat)

Beginn: ab sofort

Dauer: ca. 6 Monate



+43 (316) 873-9521, [email protected]


+43 (316) 873-9502, [email protected]

Quelle: Projekt KeyTech4EV

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Masterarbeiten

08.05.2020


Simulationsmodell Tankbefüllung mit flüssigem Wasserstoff

Kurzbeschreibung

Um eine möglichst rasche Dekarbonisierung unserer Gesellschaft erreichen zu können, müssen vor allem im Verkehr emissionsfreie Antriebe eingesetzt werden.

Besonders der Güterverkehr birgt großes Potential zur Reduktion von Treibhausgasemission, wobei hier auf einen Brennstoffzellenantrieb mit dem Kraftstoff

Wasserstoff gesetzt wird. Um höhere Reichweiten erzielen zu können, soll in Zukunft auch flüssiger Wasserstoff eingesetzt werden.

Im Zuge dieser Masterarbeit soll mithilfe von Simulation eine Tankbefüllung mit flüssigem Wasserstoff aufgebaut werden.

Aufgaben


• Aufbau des Simulationsmodells 0D mit Matlab/Simulink (3 Monate)

• Evaluierung des Modells mit Messergebnissen (1 Monat)

• Erstellung der schriftlichen Fassung in deutsch oder englisch und Präsentation der Ergebnisse (1 Monat)

Beginn: ab sofort

Dauer: ca. 6 Monate



+43 (316) 873-9521, [email protected]


+43 (316) 873-9502, [email protected]

Quelle: Helmolt, Eberle 2007

ausschreibungsfolie master ivt...3 masterarbeit 08.05.2020 institut für verbrennungskraftmaschinen...

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