Thermodynamische Analyse, Modellbildung und Simulation eines automobilen Brennstoffzellen-Antriebssystems

Die steigenden Anforderungen an die Mobilität, die zeitgleich den Ausstoß von Emissionen und den Verbrauch auf das Minimalste reduzieren sollen, stellen die Automobilhersteller vor immer größer werdende Herausforderungen, die die herkömmlichen Antriebe nicht mehr erfüllen können. Eine der innovativsten und emissionsärmsten Alternativen stellt die Brennstoffzelle dar. Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein HT-PEMFC-System für den mobilen Einsatz zu entwickeln, das den bestmöglichsten Systemwirkungsgrad erlangt und zugleich geringen Verbrauch und somit eine hohe Reichweite ermöglicht. Weiterhin soll das System die optimale Funktionsfähigkeit aller Teilkomponenten in einem realisierbaren Bauraum, mit einem von Nutzfahrzeugen tragbaren Gewicht und dem geringstmöglichen Kostenaufwand realisieren. Mittels einer Sensivitätsanalyse des Systems werden Verbesserungspotentiale bei der Wasserstoff- und Luftversorgung aufgezeigt. Eine neue entwickelte Strategie zur Reinigung des Anodenkreislaufs von Inertgasen wird vorgestellt (LPS≡ Lastabhängige Purgestrategie). Darüber hinaus werden verschiedene, elektrisch angetriebene Schrauben- und Radialturboverdichter untersucht. Weiterhin wird zur Wirkungsgradsteigerung des Systems eine Systemkonfiguration ausgewählt, die die Einsatzmöglichkeit von Abgasturboladern (ATL) betrachtet, die durch Entspannung der Kathodenabgase Druckenergie zurückgewinnen. Um auf den Wasserstoff-Rezirkulationskreislauf verzichten und damit das System so weit wie möglich vereinfachen zu können, werden weitere Systemkonfigurationen ausgewählt und untersucht. Die erste Variante ist die „thermische Boostvariante“, wobei das Anodenabgas in einem Wasserstoffbrenner verbrannt wird. Die nächste ist die „Stapelkaskadenvariante“, wobei die Anoden- und Kathodenabgase des primären Brennstoffzellenstapels in einem kleineren, nachgeschalteten Sekundär- Brennstoffzellenstapel elektrochemisch umgesetzt werden. Die letzte Variante ist die „Kombivariante“, die die thermische Boost- und die Stapelkaskadenvariante vereint. Hierfür werden Systemsimulationsmodelle mit geeigneter Simulationsumgebung angewendet, die auch anderweitig eingesetzt werden können. Die Simulationsberechnungen bilden die Basis für die Auslegung und den Aufbau eines HT-PEMFC-Systems. Mit dem Einsatz eines Turboverdichters konnten bis zu 3%-Punkte Wirkungsgradsteigerung erreicht werden. Auch ergeben die Untersuchungen mit der Anwendung eines ATL eine Steigerung von bis zu 8%-Punkten, mit dem thermischen Boost von bis zu 10%-Punkten, mit der Kaskade von bis zu 17%-Punkten und mit der Kombivariante von 18%-Punkten. Die neue LPS erzielt eine Verbesserung von bis zu 10%-Punkten.