Systemauslegung und Simulation von Brennstoffzellensystemen für ausgewählte Transportanwendungen

Abstract

In dieser Arbeit wird der Einsatz von Brennstoffzellensystemen (BZ-Systeme) als Hauptantriebssystem für mobile Anwendungen untersucht. Dies erfolgt mittels Systemanalysen und Simulation der funktionalen Zusammenhänge der Hauptkomponenten eines BZ-Systems. Es wurde eine Methodik entwickelt, mithilfe derer eine geeignete Brennstoffzellensystemauslegung sowie Parameter für einen optimalen Betrieb gefunden werden können. Der Leistungsbedarf eines anwendungstypischen Missionsprofils sowie definierte Umgebungsbedingungen dienen als Ausgangspunkt für verschiedene Parameterstudien, mit denen die Dimensionierung eines Brennstoffzellensystems unter Abwägung unterschiedlicher Anforderungen optimiert werden kann. Insbesondere eine gezielte Überdimensionierung des Brennstoffzellenstapels durch Vorgabe einer maximal zulässigen Stromdichte wurde als wichtiger Einflussfaktor auf die resultierenden Systemkosten, -massen, -effizienzen und -lebensdauern identifiziert. Die vorgestellte Methodik wurde auf die vier Anwendungen schwerer LKW, Zug, Schiff und Regionalflugzeug angewandt. Anhand der Ergebnisse für die einzelnen Anwendungen wurde die Möglichkeit zur Verwendung generischer Komponenten erörtert. Es wurde gezeigt, dass der Einsatz eines Brennstoffzellensystems mit 420 kW Systemleistung für LKW und Zug sowie in 14-facher Ausführung für das Schiff möglich ist. Lediglich für den LKW würden sich signifikante Unterschiede in Form von überdimensionierten System- und Komponentenmassen ergeben. Dafür ergäbe sich allerdings eine verbesserten Effizienz im Vergleich zur Auslegung des Einzelsystems. Für das Regionalflugzeug kann eine generische Gesamtsystemauslegung aufgrund der extremeren Umgebungsbedingungen nicht empfohlen werden. Es wird allerdings gezeigt, dass der Einsatz eines Stacks mit 510 kW Leistung für den Einsatz in allen Anwendungen geeignet wäre.