Es wurden verschiedene Konzepte der Kathodenluftversorgung für PEM-Brennstoffzellensysteme in Fahrzeugantrieben sowohl rechnerisch als auch experimentell untersucht und Aussagen zur optimierten Systemkonzeption sowie zu der Auswahl und Auslegung der Komponenten und deren sinnvollen Betriebsweise erarbeitet. Durch die Vorgabe einer flexibel zu betreibenden und kompakten Luftversorgung für das Brennstoffzellenfahrzeug Hy.Power fiel die Wahl auf ein System mit elektrisch angetriebenem Schraubenverdichter, in den zur Befeuchtung der Kathodenluft eine Wassereinspritzung integriert wurde. Hierzu wurde ein elektromagnetisches intermittierendes Einspritzventil mit Drallzerstäuberdüse verwendet und eine optimierte Regelung adaptiert. Die Wassereinspritzung ermöglicht nicht nur eine exakte Kontrolle der Befeuchtungsleistung, sondern lässt weiterhin die inneren sowie die volumetrischen Verdichterwirkungsgrade leicht ansteigen. Zur Erzielung einer hohen Befeuchtungsleistung wurde eine Ansaugluftvorwärmung integriert, die die Verdichtungswirkungsgrade leicht verringert, was jedoch durch die höheren Brennstoffzellenwirkungsgrade überkompensiert wird. Um eine möglichst große Aussagekraft der Ergebnisse zu erzielen, wurden mehrere Verdichter und Expander unterschiedlicher Prinzipien in Kombination mit unterschiedlichen Befeuchtungskonzepten untersucht. Das Gesamtpotential aller untersuchten Systeme unterscheidet sich im ermittelten Systemwirkungsgrad um knapp 10 Prozentpunkte. Eine Optimierung der Luftversorgung bei der Konzeption neuer Systeme ist daher ein wichtiger, nicht vernachlässigbarer Aspekt. Generell zeigen die Berechnungen einen wirkungsgradoptimalen Ladedruck von bis knapp über 2 bar abs., je nach Befeuchtungskonzept linear ansteigend (Kontaktbefeuchter nach Verdichter, kein Expander) bis degressiv ansteigend (bei Einspritzkonzepten und Systemen mit Expander). Systeme, die bei geringerem Druck betrieben werden, haben den Nachteil der geringeren Leistungsdichte und gesteigerte Anforderungen an die Befeuchtung, da aufgrund der höheren Aufnahmefähigkeit der Luft für Wasserdampf zur Erzielung gleicher Feuchten deutlich mehr Wasser nötig ist.


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    Titel :

    Optimierung von Luftversorgungseinheiten für Brennstoffzellensysteme in Fahrzeugantrieben


    Beteiligte:

    Erscheinungsdatum :

    2007


    Format / Umfang :

    133 Seiten, Bilder, Tabellen, 116 Quellen


    Medientyp :

    Hochschulschrift


    Format :

    Print


    Sprache :

    Deutsch




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