Analyse der Energieeffizienz eines Brennstoffzellenstapels im Kaltstartbetrieb

Diese Dissertation befasst sich mit den Herausforderungen des Kaltstarts in einem Brennstoffzellenantriebsstrang. Ziel der Dissertation ist der Gewinn grundlegender wissenschaftlicher Erkenntnisse bezüglich der Weiterentwicklung des Thermo- und Energiemanagements in dem Brennstoffzellenantriebsstrang. Die Untersuchung wird anhand der Gesamtfahrzeugsimulation eines Antriebstrangmodells durchgeführt, wobei dieses ein speziell entwickeltes Mehrphasen-Brennstoffzellenstapelmodell beinhaltet. Das für diese Arbeit erstellte Brennstoffzellenstapelmodell verfügt über die Möglichkeit einer 2D Ortsauflösung und kann Zweiphaseneffekte simulieren, die während der Kaltstartbetriebsbedingungen auftreten können. Diese Effekte beinhalten: die Sorption in der Dreiphasenzone zwischen der Membran und der Katalyseschicht; die Kondensation, Vereisung und Verdampfung in den porösen Schichten; die Zweiphasenströmung in den Gaskanälen. Der Brennstoffzellenstapel wird mit der akausalen Modellierungsprache Modelica modelliert und mit Froststartexperimenten validiert. Das Brennstoffzellenstapelmodell wird anschließend in ein Brennstoffzellenfahrzeugmodell integriert, welches den Zusatzenergieverbrauch einschließlich der Fahrgastraumheizung mitberücksichtigt. Eine Rapid-Warmup-Operation-Methode wird als eine wirksame Froststartmethode eingeführt, um die Stapeltemperatur innerhalb von 30s von -20°C auf +5°C zu erhöhen. Das Gesamtfahrzeugmodell simuliert den Froststart und einen anschließenden Artemis-Fahrzyklus bei -20°C Umgebungstemperatur. Die Energieverbrauchsstatistik und Exergieanalyse zeigen, dass der ineffiziente Energieverbrauch hauptsächlich in der Stadtphase nach dem Froststart stattfindet. Der Brennstoffzellenstapel erreicht über den gesamten Fahrzyklus bereits eine Exergieeffizienz nahe 73%, auch wenn er für den größten irreversiblen Verlust verantwortlich ist. Die Statistik zeigt, dass die Ineffizienz wegen der thermischen Massen der Subsystem-Komponenten entsteht, insbesondere aufgrund der Anzahl von vielen Wärmeübertragern in den Kühlkreisläufen. Die Verbesserung der Energieeffizienz sollte sich daher auf die Niedriglastfälle konzentrieren, um die thermische Trägheit der Subsystem-Komponenten zu reduzieren. Die in dieser Arbeit entwickelten Modelle stellen eine Methodik für solche weiteren Thermomanagement- und Energiemanagement-Untersuchungen dar.