Wärmemanagement von Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen (PDF)

Als Ziel dieser Arbeit wurde ein optimiertes ganzheitliches Wärmemanagement für ein Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug entwickelt, das den Betrieb auch unter extremen Umgebungsbedingungen und Fahrzuständen sicherstellt. Dazu wurde mit Hilfe von Berechnungsmodellen das Fahrzeug bezüglich seiner kühlungsrelevanten Komponenten abgebildet, hiermit die Einflußgrößen analysiert und dann Konzepte und Regelstrategien abgeleitet.
Damit die Brennstoffzellen-Technologie eine echte Alternative zu einem verbrennungsmotorischen Antrieb im Fahrzeug darstellt, muß unter anderem die Alltagstauglichkeit gegeben sein. Diese wird nach einem Aufzeigen der Funktionsweise einer Brennstoffzelle und des Brennstoffzellen-Systems bezüglich der Kühlungsanforderung und des Kaltstartverhaltens diskutiert.
Die Analyse der Wärmequellen und senken unter den verschiedensten Randbedingungen, sowohl stationär als auch instationär, liefert die Ansatzpunkte, die zu einer optimalen Kühlung führen. Es werden speziell der Brennstoffzellen-Stack, der Wärmeübertrager, der Fahrzeuglüfter, ebenso wie weitere Komponenten geprüft, sowie eine Sensitivitätsanalyse des Kühlkreislaufs durchgeführt.
Die hieraus abgeleiteten Konzepte und Regelstrategien werden dargestellt. Bei der Optimierung der konventionellen Kühlung werden die Kreuz-Gegenstrom-Anordnung eines Fahrzeugkühlers mit doppelter Tiefe, ein Graphit-Schaum-Wärmeübertrager und Nanofluide betrachtet. Ein neuartiges Lüfterkonzept, bei dem die Lüfter seitlich abströmen, wird untersucht. Die Einbindung einer R744-Kälteanlage in das Kühlsystem eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs mit den resultierenden Vor- und Nachteilen wird aufgezeigt. Ebenso wird ein neues Kühlsystem in Form einer 2 Phasen-Verdampfungskühlung erarbeitet. Die Potentiale, die sich durch einen Wärmespeicher oder durch ein Purpose Design Fahrzeug ergeben, werden beschrieben. Abschließend wird der Kaltstart konzeptionell begutachtet.