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Thermodynamische Analyse eines Brennstoffzellensystems zum Antrieb von Kraftfahrzeugen

Berger, Oliver

Ziel der vorliegenden Arbeit ist die thermodynamische Analyse und Optimierung eines Brennstoffzellensystems zum Antrieb von Kraftfahrzeugen. Der Fokus ist im Wesentlichen auf die Kühlung des Brennstoffzellenstapelmoduls gelegt, wobei aufgrund der Vielzahl an Schnittstellen zwischen der Kühlung und den anderen Teilsystemen (Wasserstoff- und Luftversorgung) auch eine ganzheitlichere Betrachtung erforderlich ist. Ausgangspunkt der Untersuchungen ist ein bestehendes Brennstoffzellenfahrzeug, anhand dessen in einem ersten Schritt experimentelle Untersuchungen auf Systemprüfständen und im Klimawindkanal durchgeführt werden. Die gewonnenen Messdaten dienen zum einen der Darstellung des Ist-Zustands und zur Ermittlung des Grenzbereichs der Wärmeabfuhr an die Umgebung über das Brennstoffzellen-Kühlsystem. Zum anderen werden sie zur Validierung eines dynamischen Kühlsystemsimulationsmodells herangezogen. Mittels dieses Simula-tionsmodells werden anschließend im Rahmen von Sensitivitätsanalysen die wesentlichen Einflussfaktoren zur Steigerung der Wärmeabfuhr an die Umgebung ermittelt. Die daraufhin durchgeführten Optimierungen betreffen die Verschaltung der Systemkomponenten sowie deren Auslegung und Platzierung im Fahrzeugvorderwagen. Auf Basis dieser und weiterer Erkenntnisse wird ein weiteres optimiertes Brennstoffzellenaggregat aufgebaut. In einem weiteren Schritt wird dieses optimierte Aggregat auf einem Gesamtsystemprüfstand vermessen, um ganzheitliche energetische und exergetische Betrachtungen zu ermöglichen. Diese erfolgen über Sankey-Diagramme anhand derer die Energie- und Exergieströme visualisiert werden. Das verwendete Stapelmodul verfügt im betrachteten Betriebspunkt über einen Wirkungsgrad von 61 % wohingegen der Aggregatewirkungsgrad unter Berücksichtigung aller Nebenverbraucher 54 % beträgt. Die wesentlichen Exergieverluste lassen sich dem Brennstoffzellenstapelmodul, dem Befeuchter sowie dem Luftverdichter zuschreiben. Insbesondere zeigt sich ein weiteres Optimierungspotential in der Nutzung der Abgasexergie, die etwa 7,3 % der zugeführten Brennstoffexergie beträgt. Nach der Integration des Brennstoffzellenaggregats in ein neues Fahrzeug wird auch dieses im Klimawindkanal vermessen, um die Optimierungsmaßnahmen auf Seiten des Kühl-systems zu bestätigen. Hierzu wird ein Vergleich der beiden Brennstoffzellenfahrzeuge mit Hilfe des sogenannten Großglockner-Fahrzyklus, der ein Abnahmekriterium für Kühlsysteme von Serienfahrzeugen darstellt, herangezogen. Gemäß der Prüfvorschrift wird hierbei das reale Steigungsprofil des Großglockners auf dem Rollenprüfstand des Klimawindkanals mit einer konstanten Fahrgeschwindigkeit von 55 km/h nachgefahren, ohne dass es dabei zur Überhitzung des Kühlsystems kommen darf. Die durchgeführte Optimierung hinsichtlich der Kühlerauslegung und Positionierung sowie der Verschaltung des Kühlsystems ermöglichen mit dem optimierten Fahrzeug das Einhalten der Prüfvorschrift wohingegen mit dem Vorgängerfahrzeug der Zyklus nur mit einer Fahrgeschwindigkeit von 35 km/h möglich ist. Eine abschließende theoretische Betrachtung zeigt auf, welche weiterführenden Maßnahmen erforderlich sind, um eine ausreichende Kühlung in Ländern mit heißem Klima, wie beispielsweise den USA, zu gewährleisten. Ein wesentliches Ergebnis dieser Untersuchung ist, dass eine Anhebung der Kühlmitteltemperatur von derzeit 90 °C auf ca. 110 °C ausreichen würde, den Bedingungen dieser klimatischen Zonen Rechnung zu tragen.

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Zitierform:

Berger, Oliver: Thermodynamische Analyse eines Brennstoffzellensystems zum Antrieb von Kraftfahrzeugen. 2009.

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