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www.hycenta.atThe information contained in this presentation remains the property of HyCentA.
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
Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik
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]
DI Dr. techn. Alexander Trattner
+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
44
Masterarbeit
08.05.2020
Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik
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]
DI Dr. techn. Alexander Trattner
+43 (316) 873-9502, [email protected]
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Masterarbeit
08.05.2020
Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik
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
Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik
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]
DI Dr. techn. Alexander Trattner
+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
Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik
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
Duration ca. 6 months
Compensation € 2.600
Contact DI Dr.mont. Claudia Kerschbaumer
+43 (316) 873-9498, [email protected]
DI Dr. techn. Alexander Trattner
+43 (316) 873-9502, [email protected]
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Masterarbeit
08.05.2020
Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik
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
Duration ca. 6 months
Compensation € 2.600
Contact DI Dr.mont. Claudia Kerschbaumer
+43 (316) 873-9498, [email protected]
DI Dr. techn. Alexander Trattner
+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
Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik
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
Bezahlung: € 2.600,00
Kontakt: DI Dr. techn. Marie Macherhammer
+43 (316) 873-9521, [email protected]
DI Dr. techn. Alexander Trattner
+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
Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik
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:
• Literaturrecherche und Anforderungsanalyse (1 Monat)
• 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
Bezahlung: € 2.600,00
Kontakt: DI Dr. techn. Marie Macherhammer
+43 (316) 873-9521, [email protected]
DI Dr. techn. Alexander Trattner
+43 (316) 873-9502, [email protected]
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Masterarbeiten
08.05.2020
Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik
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
Bezahlung: € 2.600,00
Kontakt: DI Dr. techn. Marie Macherhammer
+43 (316) 873-9521, [email protected]
DI Dr. techn. Alexander Trattner
+43 (316) 873-9502, [email protected]
Quelle: Abdalla, Abdalla M.
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Masterarbeiten
08.05.2020
Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik
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:
• Literaturrecherche und Anforderungsanalyse (1 Monat)
• 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
Bezahlung: € 2.600,00
Kontakt: DI Dr. techn. Marie Macherhammer
+43 (316) 873-9521, [email protected]
DI Dr. techn. Alexander Trattner
+43 (316) 873-9502, [email protected]
Quelle: Projekt KeyTech4EV
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Masterarbeiten
08.05.2020
Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik
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
• Literaturrecherche und Anforderungsanalyse (1 Monat)
• 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
Bezahlung: € 2.600,00
Kontakt: DI Dr. techn. Marie Macherhammer
+43 (316) 873-9521, [email protected]
DI Dr. techn. Alexander Trattner
+43 (316) 873-9502, [email protected]
Quelle: Helmolt, Eberle 2007