Auslegung von generischen Brennstoffzellensystemen mit Stacks großer Zellfläche für ausgewählte Transportanwendungen

Abstract

Die steigende Nachfrage nach emissionsfreien Antriebstechnologien erfordert innovative Lösungen für den Transportsektor. Brennstoffzellensysteme (BZ-Systeme) mit großer Zellfläche gelten als vielversprechender Ansatz, insbesondere für Anwendungen mit hohen Leistungsanforderungen. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Auslegung generischer BZ-Systeme für ausgewählte Transportanwendungen für den Einsatz im Straßen- und Schienenverkehr, sowie in maritimen Systemen und Regionalflugzeugen. Mithilfe von Simulationen und Parameterstudien werden verschiedene Stack-Architekturen und Balance of Plant (BoP)-Komponenten analysiert. Der Fokus liegt dabei auf dem Verdichter und dem Wärmetauscher als kritische Komponenten der Systemauslegung. Die Dimensionierung des BoP-Systems sowie die Berechnung wichtiger Performance-Parameter, darunter Masse und Effizienz des BoP-Systems sowie die Leistungsanteile der Hilfsaggregate, erfolgt mit dem Simulationstool Airfox. Die Ergebnisse zeigen, dass ein Stack-Design mit niedriger Stromdichte Vorteile hinsichtlich Wirkungsgrad und Wasserstoffverbrauch bietet. Aus dem Vergleich der Anwendungen geht hervor, dass für das Flugzeug andere Komponenten benötigt werden als für die Systeme der weiteren Anwendungen. Die meisten Gemeinsamkeiten für den generischen Ansatz können für Zug und Schiff nachgewiesen werden. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die Multi-Stack-Anordnung die BoP-Leistung um 24 % reduziert. Eine weitere vielversprechende Alternative ist die Verwendung eines einzelnen großen Stacks, wodurch eine Reduzierung der Systemmasse erreicht wird. Die Herausforderungen liegen in der Entwicklung geeigneter Verdichter und im Umgang mit erhöhten Strömen und Spannungen. Diese Arbeit demonstriert die Potenziale einer generischen Systemauslegung und gibt Empfehlungen für die Entwicklung von BoP-Komponenten für Brennstoffzellensysteme mit Leistungen bis zu 1,3 MW.