Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Kaltstartkonzeptes für ein Brennstoffzellensystem in mobiler Anwendung. Basierend auf einer Literaturrecherche werden die beim Kaltstart auftretenden Phänomene, wie beispielsweise die Eisbildung auf der reaktiven Fläche der Brennstoffzelle, analysiert und Lösungsansätze erarbeitet und bewertet. Versuche an einem Brennstoffzellensystem der Leistungsklasse 5kW lassen die IdentifIkation der größten Einflussparameter zu. Allem voran beeinflusst die Konditionierung des Stapels vor dein Einfrieren den nachfolgenden Kaltstart stark. Weiterhin führt eine Reduzierung der Zellspannung unter den Standardwert von 0,6 V zu einem hohen Wärmeintrag und somit zu einer schnellen Temperierung von Stapel und Brennstoffzellensystem. Zudem wird der Kaltstart durch eine Reduzierung des Kühlkreislaufes und eine Erhöhung der Wasserstoffdurchströmung begünstigt. Die als Intervall bis zum Erreichen von 50 % der Maximalleistung definierte Kaltstartzeit kann somit beim Start aus - 6 Grad Celsius auf 13 s reduziert werden. Ein Simulationsmodell erweitert den Variationsbereich der Einflussparameter und beinhaltet einen zusätzlichen Heizer auf Hr Basis, der auch einen erfolgreichen Kaltstart unterhalb der systemspezifIschen Grenztemperatur, die experimentell bestimmt bei -12 Grad Celsius liegt, ermöglicht. Das auf den beiden Aspekten Wärme- und Wassermanagement beruhende Kaltstartkonzept wird an einem Brennstoffzellenaggregat für eine mobile Anwendung umgesetzt und verifIziert. Aufgrund der implementierten Betriebsstrategie und der guten Charakteristik des Brennstoffzellenstapels im Temperaturbereich unter 0 Grad Celsius kann bei allen Versuchen ein erfolgreicher Kaltstart realisiert werden. Unter optimalen Bedingungen liegt die Startzeit aus -15 Grad Celsius bei unter 4 s. Auch wenn noch umfangreiche Testreihen mit dem Brennstoffzellenfahrzeug notwendig sind, ist die Kaltstartfähigkeit des Aggregates im Rahmen dieser Arbeit nachgewiesen.
The following thesis aims at the development of the adequate cold start strategy for a fuel cell system in automotive application. Based on literature research the phenomena, which are characteristic for a cold start, like e.g. the building of ice on the reactive surface of the cell are analysed. Solutions .are discussed, evaluated and experimentally investigated at a fuel cell system of about 5 kW rated power. The most influencing parameter is found to the the condition of the fuel cell stack before freezing. Furthermore the reduction of the cell potential below the nominal potential of 0.6 V leads to a high heat production rate as weIl as to a fast warming of the stack and the system. In addition, areduction of the cooling loop as weIl as an increased hydrogen purge rate support a fast cold start. Due to these improvements the cold start time so, which is defined as interval between start of power generation and 50 % of the rated power, can be reduced to 13 s at -6 degree C. A theoretical model including the simulation of a hydrogen bumer increases the field of varied parameters. Thereby the characteristic freeze start temperature, which is experimentally determined to be at -12 deg C, can be further decreased. The cold start strategy, founded on the main aspects heat and water management, is tested and verified with a fuel cell power unit for vehicle application. Due to that implemented strategy and the good characteristics of the fuel cell stack under freezing conditions a successful freeze start could be realised throughout all experiments. On optimal conditions a cold start time 'of less than 4 s can be realised when starting the fuel cell power unit at -15 deg C. Even if extensive test series with the fuel cell vehicle are still necessary, the cold start ability of the power unit is proved by this work.
Entwicklung eines Kaltstartkonzeptes für ein Polymermembran-Brennstoffzellensystem im automobilen Einsatz
Thermodynamik: Energie, Umwelt, Technik ; 18 ; 1-153
2010
153 Seiten, 96 Bilder, 7 Tabellen, 84 Quellen
Theses
German
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