Untersuchung, Optimierung und Modellierung einer Wasserstoff-Expansionsmaschine zur Effizienzsteigerung mobiler Brennstoffzellenanwendungen

Abstract

Diese Masterarbeit untersucht die Expansion von Wasserstoff mithilfe einer Hubkolben Expansionsmaschine zur genauen Quantifizierung der erzielbaren Expansionsleistung sowie der dabei auftretenden Verlustprozesse und erzielbaren Wirkungsgrade. Die Erkenntnisse daraus dienen zur Bewertung der Verwendbarkeit der Hubkolben-Expansionsmaschine im Anwendungsfall von Brennstoffzellen-Lastkraftwagen. Die theoretischen Betrachtungen stellen die besondere Bedeutung der thermodynamischen Kreisprozesse als Vergleichsprozesse dar. Dabei erfolgt die Unterscheidung zwischen idealen und realen Kreisprozessen, welche die Realgaseigenschaften von Wasserstoff berücksichtigen. Als Vergleichsprozesse wurden hierbei der Seiliger-Prozess, sowie die isotherme und isentrope Expansion berücksichtigt, die sich aus den Hubkolben-Verbrennungsmotoren und Kompressoren ableiten lassen. Daraus werden Erkenntnisse zu den Hauptverlustgrößen Reib-, Drossel- und Wärmeverluste abstrahiert. Unter Berücksichtigung der zeitabhängigen Verluste erfolgt die dynamische Betrachtung der Wasserstoff-Expansionsmaschine in der Simulationssoftware Dymola. Weitere Randbedingungen werden aus dem Anwendungsfall des Brennstoffzellen Lastkraftwagens herausgearbeitet. Dazu gehören die Dimensionierung des Hubkolbens zur Gewährleistung typischer Wasserstoffmassenströme eines Lastwagen-Autobahnfahrzyklus. In der Arbeit wird gezeigt, dass das Druckpotential zwischen dem Wasserstofftank von 350 bar und dem Druckbedarf der Brennstoffzelle von 3-5 bar mit einer Leistung von 4,2 kW bis 7,2 kW gewinnbringend ausgenutzt wird. Dabei werden isotherme Wirkungsgrade von 39 % bis 72 % erreicht, die vergleichbar mit denen der Wasserstoff-Hubkolben-Kompressoren sind. Die Untersuchung unterschiedlicher Parametervariationen ergibt, dass sich eine Drehzahlbegrenzung und eine Stufendruckbegrenzung sowie eine erhöhte Ausgangstemperatur des Wasserstoffs besonders positiv auf den Wirkungsgrad auswirkt. Als problematisch zu beurteilen ist eine erhöhte Wärmeentwicklung an den Kolbendichtelementen, welche die Temperaturdauerbelastbarkeit marktüblicher Dichtelemente übersteigt. Erste thermische Abhilfemaßnahmen, welche die niedrige Wasserstofftemperatur bei Expansion nutzen, werden beschrieben. Abschließend bieten die erzielbaren Wirkungsgrade und Leistungen der Wasserstoff-Expansionsmaschine ein zusätzliches Effizienzpotential im Lastkraftwagenbereich, das zu einer Reichweitenverlängerung von ca. 5 % Prozent führen kann.