Analyse der Energieeffizienz eines Brennstoffzellenstapels im Kaltstartbetrieb

Tang, Tian

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.

This dissertation deals with the cold start challenge in a PEM fuel cell powertrain. The aim of the dissertation is to draw basic scientific suggestions for the development of thermal and energy management. The investigation is done by drive cycle simulations of a fuel cell power train model which incorporates a multiphase fuel cell stack model specifically developed for such purpose. The specially established fuel cell stack model features the capability of 2D discretization and can simulate two phase effects that are prone to occur during cold start. These effects include: the sorption process in the triple-phase zone between the membrane and the catalyst layer; the condensation, freezing and evaporation in the porous layers; the two phase flow in the gas channels. The fuel cell stack is modeled with the acausal modeling language Modelica and validated with freeze start experiment data. The stack model is then incorporated into a full hybrid fuel cell vehicle model, in which the auxiliary energy consumption including cabin heating is taken into consideration. A Rapid-Warmup-Operation method is introduced as an effective freeze start method to quickly elevate stack temperature from -20°C to +5°C within 30s. The vehicle model simulates the cold start and Artemis drive cycle at -20°C ambient condition. The energy consumption statistics and exergy analysis show that the inefficient energy consumption occurs mainly in the city stage shortly after the successful freeze start. Despite contributing the largest irreversible loss, the fuel cell stack reaches a good exergy efficiency of nearly 73% throughout the entire drive cycle. The statistics show that the inefficiency is mainly due to the amount of thermal mass of the other subsystem components, especially the heat exchangers in the cooling circuits. The energy efficiency improvement should be thus focused in the low power demand stages, with the specific aim to minimize the thermal inertia. The established models offer a methodology for such thermo- and energy-management investigations.

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Tang, Tian: Analyse der Energieeffizienz eines Brennstoffzellenstapels im Kaltstartbetrieb. 2016.

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