Konzeption und Auslegung eines H2-Expansionsmaschinen-Turbolader-Systems zur Effizienzsteigerung von Brennstoffzellenfahrzeugen

Abstract

In dieser Masterarbeit wird die Effizienzsteigerung von Brennstoffzellenfahrzeugen durch die Integration eines H2-Expansionsmaschinen-Turbolader-Systems untersucht. Ziel ist es, die Reichweite und den Wirkungsgrad der Fahrzeuge zu erhöhen, indem die durch die Expansion des Wasserstoffs gewonnene Energie zur Luftverdichtung genutzt wird. Der Lösungsansatz beinhaltet die Entwicklung und Simulation eines Systems, das die H2-Expansionsmaschine und den Turbolader integriert. Dabei werden die thermodynamischen Prozesse der isothermen und isentropen Expansion und Verdichtung analysiert. Es erfolgt eine Recherche der technischen Grundlagen und des Standes der Technik, einschließlich Brennstoffzellentechnologien, Wasserstoffverbrennungsmotoren und Expansionsmaschinen. Die Grundlagen der Turbolader-Technologie und deren Anwendung in der Luftverdichtung werden ebenfalls erläutert. Anschließend werden die Randbedingungen und der Energiebedarf für die kathodische Luftverdichtung sowie die spezifischen Anforderungen in Brennstoffzellenfahrzeugen analysiert. Die technischen Voraussetzungen für den effektiven Einsatz der H2-Expansionsmaschine werden ermittelt. Die Analyse umfasst Druckverhältnisse, Temperaturanforderungen und benötigte Luftmengen für einen effizienten Betrieb der Brennstoffzelle. Danach werden die Anforderungen an den Turbolader und die Fahrzeuganwendung definiert. Der Hauptteil der Arbeit besteht aus der technischen Auslegung des H2-Expansionsmaschinen-Turbolader-Systems. Das System wird konzipiert, die Funktionsweise erläutert und die Systemintegration beschrieben. Thermodynamische Gleichungen dienen als Grundlage für die Modellierung und Simulation, um die isothermen und isentropen Expansion- und Verdichtungsprozesse zu analysieren. Die Ergebnisse zeigen, dass die Integration einer H2-Expansionsmaschine mit einem Turbolader zur Luftverdichtung signifikante Verbesserungen der Reichweite und des Wirkungsgrades von Brennstoffzellenfahrzeugen ermöglicht. Durch die Nutzung der durch die Expansion des Wasserstoffs gewonnenen Energie zur Luftverdichtung kann der Energiebedarf des elektrischen Verdichters deutlich reduziert werden. Die Analysen umfassen verschiedene Fahrzeugparameter und Betriebsbedingungen, um die Effizienzgewinne unter unterschiedlichen Szenarien zu quantifizieren. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass insbesondere bei hohen Massenströmen und optimierten Lambda-Werten erhebliche Einsparungen möglich sind. Schließlich wird ein realer Fall am Beispiel eines VECTO-Zyklus simuliert. Die Simulation zeigt, wie die Reichweitensteigerung unter realen Fahrbedingungen ausfällt und bestätigt die theoretischen Berechnungen durch praktische Anwendungsszenarien.