Konzeption und Aufbau eines Teststands zur Untersuchung eines Kühlsystems für einen Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen-Stack

Abstract

Derzeit wird am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), im Rahmen des europäischen Forschungsprojektes INN-BALANCE, ein Thermomanagementsystem für Brennstoffzellenfahrzeuge entwickelt. In dieser Studienarbeit wird dazu das entsprechende Konzept eines flüssigkeitsbasierten Brennstoffzellen-Kühlkreislaufs entwickelt. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist der Aufbau eines Teststandes, an dem in weiterführenden Arbeiten eine geeignete Regelstrategie für das Kühlsystem erprobt werden kann. Auf Grundlage der vom Stackhersteller gegebenen Kühlanforderungen für den Stack wurde der Kühlkreis dimensioniert. Für den Aufbau des Teststands wurden geeignete Komponenten ausgewählt, die den Anforderungen zur Integration in ein Brennstoffzellen-Kraftfahrzeug entsprechen. Außerdem wurde ein Messsystem ausgearbeitet und implementiert, um Versuchsverläufe aufzeichnen und dokumentieren zu können. Im Projekt INN- BALANCE ist ein Stack mit 100 kW elektrischer Leistung vorgesehen, der beim Betrieb bis zu 115 kW abgibt. Dieser Stack steht jedoch nicht für die Installation an dem Teststand zur Verfügung. Aus diesem Grund wird in einem weiteren Teil dieser Arbeit zusätzlich das Konzept eines Heizkreises ausgearbeitet, der den Wärmeeintrag des realen Stacks ersetzt. In einem elektrisch beheizten Warmwasserspeicher mit 1000 l Volumen wird thermische Energie bereitgestellt und über einen Plattenwärmetauscher an das Kühlsystem übertragen. Nach dem Aufbau des Teststands wurde für den Heizkreis ein Regelkonzept entwickelt, das zwei Aufgaben erfüllt. Zum einen wird der Speicher gezielt mit thermischer Energie beladen um stets ausreichend Wärme für den Testbetrieb zur Verfügung zu stellen. Zum anderen wird anhand der Regelung der im Fahrzeug zu erwartende Wärmeeintrag bei verschiedenen Leistungspunkten realitätsgetreu nachgebildet. Die Analyse des Kühlkreises hat gezeigt, dass mit den derzeit installierten Komponenten noch nicht der verlangte Wärmeertrag von 115 kW an die Umgebung abgeführt werden kann. Grund dafür ist zum einen die Kühler-Lüfter-Einheit, die etwas kleiner ist als die für das Demonstrationsfahrzeug vorgesehen Einheit. Zum anderen führen lange Leitungswege des Teststands zu einem höheren Druckabfall als er später bei engem Bauraum im Fahrzeug zu erwarten ist. Dennoch ist der Teststand bereits in der aktuellen Ausführung geeignet, um Regelungskonzepte für den Kühlkreis in Leistungsbereichen bis 40 kW zu erproben