fahrzeugautarkes Verdunstungskühlungssystem für schwere Nutzfahrzeuge mit energieeﬃzientem PEM-BrennstoﬀzellenantriebEin

Wagenblast, Max

doi:10.24355/dbbs.084-202312091753-0

Thesis Tue Jan 23 2024 CC BY 4.0

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Ein fahrzeugautarkes Verdunstungskühlungssystem für schwere Nutzfahrzeuge mit energieeﬃzientem PEM-Brennstoﬀzellenantrieb

Wagenblast, Max

German
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Die Einhaltung der Solltemperaturgrenzen bei der Kühlung von Brennstoﬀzellensystemen (BZ) in Fern-Lkw stellt eine große Herausforderung dar. Gegenüber einem Lkw mit Verbrennungskraftmaschine wird bei einem BZ-Lkw nur ein sehr geringer Anteil der anfallenden Abwärme über das Abgas abgeführt. Die BZ-Abwärme muss fast vollständig über das Kühlsystem abgeführt werden.
Der Wärmetransport an die Umgebung wird dabei erschwert, da das Temperaturniveau, bei dem die hohen BZ-Abwärmemengen anfallen, sehr niedrig ist. Bei hohen Umgebungstemperaturen und Lastanforderungen ist die Kühlleistung des konventionellen Flüssigkeitsumlaufkühlsystems unzureichend. Zur Bestimmung der benötigten Kühlleistung unter den typischen Fahrleistungsanforderungen eines Fern-Lkw wird ein Kühlsystemsimulationsmodell entwickelt, das anhand von Prüfstandsversuchen sowie einem prototypischen Fahrzeugaufbau validiert wird. Dieses wird über eine
Co-Simulation in ein Gesamtfahrzeugsimulationsmodell integriert. Als Analyseergebnis wird festgestellt, dass bei einer Umgebungstemperatur von 35 °C eine zusätzliche Kühlleistung von 162 kW und bei 45 °C von 238 kW benötigt wird.

Ein Lösungsweg ist der Einsatz eines fahrzeugautarken Verdunstungskühlungssystems, welches das konventionelle Kühlsystem erweitert. Die Arbeit hat das Ziel, ein solches System exemplarisch am Projektfahrzeug FC-Truck zu konzipieren und ganzheitlich zu untersuchen. Beim Einsatz der Verdunstungskühlung wird die hohe Energieaufnahme des Wassers beim Phasenwechsel vom flüssigen in den gasförmigen Zustand ausgenutzt. Die technische Umsetzung erfolgt durch die Anordnung mehrerer Sprühdüsen an der Fahrzeugfront, die Flüssigwasser in die Kühlluft einspritzen und die Kühleroberfläche benetzen. Auf der Kühleroberfläche verdunstet das Wasser bei simultaner Wärmeaufnahme und führt so zu einer Kühlleistungssteigerung. Das entworfene System umfasst darüber hinaus ein fahrzeugautarkes Wasserrückgewinnungssystem. Dieses gewinnt von den BZ produziertes Wasser zurück, indem es das Abgas mit einem Luft-Abgas-Wärmeübertrager unter die Taupunkttemperatur kühlt. Das entstehende Kondensat wird in einem Tank gesammelt. Das wesentliche Funktionsprinzip des Verdunstungskühlungssystems besteht in der Entkopplung der Wasserrückgewinnung von der Erhöhung der Kühlleistung durch Besprühen der Kühleroberfläche mit Wasser. Dies erfolgt durch Zwischenspeicherung und Wasserbereitstellung aus dem Tanksystem. Während der Fahrt wird kontinuierlich Wasser gewonnen. Das konventionelle Kühlsystem sowie das Verdunstungskühlungssystem werden auf einer typischen Benchmarkstrecke (Neumarkter Rundstrecke) und einer Passauﬀahrt (Brennerpass) unter üblichen Einsatzrandbedingungen eines Fern-Lkw untersucht. Bei Einsatz des Verdunstungskühlungssystems können bei beiden Fahrzyklen kritische Temperaturbereiche vollständig ausgeschlossen werden. Gegenüber dem konventionellen Kühlsystem kann die Zeitdauer der kritischen Kühlmitteltemperaturüberschreitungen bei einer Umgebungstemperatur von 35 °C auf der Neumarkter Rundstrecke um 2,2 % und bei 45 °C um 24,3 % reduziert werden. Bei der Brennerpass-Auﬀahrt wird bei einer Umgebungstemperatur von 45 °C die Zeitdauer kritischer Kühlmitteltemperaturüberschreitungen um 35,2 % und bei 35 °C um 17,6 % gesenkt. Der Wasserstoﬀverbrauch kann dabei
auf der Neumarkter Rundstrecke um bis zu 10 % reduziert werden, bei der Brennerpass Auﬀahrt um bis zu 16,5 %. Im Weiteren kann durch den Einsatz des Verdunstungskühlungssystems die erzielbare Fahrgeschwindigkeit bei 35 °C bei der Brennerpass-Auﬀahrt um bis zu 21 km/h erhöht werden.
Im Ergebnis stellt der Einsatz eines Verdunstungskühlungssystems sicher, dass Lkw mit PEM-Brennstoﬀzellenantrieb die für die Klasse der schweren Fern-Lkw erforderlichen Fahrleistungen erreichen. Mit einem konventionellen Kühlsystem ist dies nicht möglich.

Keeping the target coolant temperature for cooling Fuel Cell Systems (FC) in heavy-duty long-haul trucks is a major challenge. Compared to a truck with an Internal Combustion Engine, only a very small part of the waste heat generated by the FC is dissipated via the exhaust gas. The FC waste heat must be dissipated almost entirely by the cooling system. The heat transfer to the environment is made more difficult because the temperature level at which the high amounts of FC waste heat are generated is very low. At high ambient temperatures and load conditions, the cooling power of the Conventional Liquid Cooling System is not sufficient. To quantify the required cooling power under typical driving power demands of a heavy-duty long-haul truck, a cooling system simulation model is developed and validated using test bench experiments as well as a prototype truck. The simulation model is integrated into a whole vehicle simulation model via Co-simulation. As an analysis result, it is identified that an additional cooling power of 162 kW is required at an ambient temperature of 35°C and 238 kW at 45°C.

One possible way for solving this problem is the use of a Spray Cooling System with Onboard Water Recovery that extends the Conventional Cooling System. The aim of this work is to design such a system using the FC-Truck project vehicle as an example and to investigate it holistically. When using Spray Cooling, the high energy absorption of water during the phase change from the liquid to the gaseous state is used. The technical implementation is achieved by arranging several spray nozzles at the front of the truck, which spray liquid water into the cooling air and on the heat exchangers surface. On the heat exchanger surface, the water evaporates while simultaneously absorbing heat, leading to an increased cooling power. The designed system also includes an Onboard Water Recovery System. This recovers water produced by the FC by cooling the exhaust gas below the dew point temperature with an air-exhaust-heat exchanger. The resulting liquid water is stored in a tank. The main operating principle of the Spray Cooling System is to decouple the water recovery from the increase in cooling power by spraying water on the heat exchangers surface. This is done by intermediate storing and water supply from the tank system. Water is continuously recovered while the vehicle is in operation.

The Conventional Cooling System and the Spray Cooling System are analysed on a typical route (Neumarkter Rundstrecke) and a pass route (Brennerpass) under normal operating conditions for a heavy-duty long-haul truck. When the Spray Cooling System is used, critical temperature ranges can be completely avoided in both driving cycles. Compared with the Conventional Cooling System, the duration of critical coolant temperature exceedances can be reduced by 2,2 % at an ambient temperature of 35°C on the Neumarkter Rundstrecke and by 24,3 % at 45 °C. For the Brennerpass, at an ambient temperature of 45 °C, the duration of critical coolant temperature exceedances is reduced by 35.2 % and at 35°C by 17.6 %. Hydrogen consumption can also be reduced by up to 10 % on the Neumarkter Rundstrecke and by up to 16.5 % on the Brennerpass. Furthermore, the use of the Spray Cooling System can increase the achievable vehicle driving speed at 35 °C by up to 21 km/h on the Brennerpass.

As a result, the use of a Spray Cooling System ensures that heay-duty long-haul trucks with PEM-FC powertrains can achieve the driving performance required for the heavy-duty long-haul truck class, which is not possible by using a Conventional Cooling System.\par