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July 2010
Torsten Schwarz
Das Wasserstoffsubsystem und sein Einfluss auf die Kenngrößen des Brennstoffzellenantriebes
Kurzfassung
Im Rahmen dieser Arbeit wird untersucht in welchem Umfang das Wasserstoffsubsystem die Kenngrößen eines Brennstoffzellenantriebes beeinflusst. Im Vordergrund stehen dabei vor allem Sicherheit, Emissionen, Wirkungsgrad und Lebensdauer. Zu Beginn werden Grundlagen zur Wasserstoffsicherheit und zu den Degradationsmechanismen von Brennstoffzellen erarbeitet. Es folgt die Beschreibung der notwendigen Entwicklung eines ultraschallbasierten Messverfahrens zur nicht-invasiven online Gasanalyse. Ausgehend von den Erfahrungen mit dem Brennstoffzellenaggregat des Volkswagen HyMotion2 wird ein vollständig neuer Konzeptansatz entwickelt und experimentell untersucht. Durch den Einsatz einer aktiven Rezirkulation wird die Komplexität verringert und eine Reihe neuer Betriebsstrategien lassen sich realisieren. Das Auftreten von degradationsfördernden Zuständen kann damit deutlich vermindert werden. Der Betrieb mit 30 % Stickstoff in der Wasserstoffrezirkulation ermöglicht eine wesentliche Verringerung der Wasserstoffverluste und damit eine Steigerung des Aggregatewirkungsgrades im Neuen Europäischen Fahrzyklus auf ca. 48 %. Dabei wird mit dem HyMotion3-Antriebsstrang ein Zykluswirkungsgrad von etwa 33 % erreicht (vom Tank zum Rad). Wasserstoffemissionen können zudem durch eine katalytische Umsetzung an der Kathode nahezu vollständig vermieden werden, die maximal auftretenden Abgaskonzentrationen betragen weniger als 0,2 %.
Abstract
The objective of this work is to investigate how the hydrogen subsystem can influence the characteristics of a fuel cell power train. In the main focus are the aspects safety, emissions, efficiency, and durability. At the beginning fundamentals of hydrogen safety and degradation mechanisms of fuel cells are investigated. Afterwards the necessary development of a non-invasive online measuring system that is based on ultrasound is described. Starting from the experiences with the VW HyMotion2 fuel cell engine a completely new concept has been developed and tested. Due to the use of an active recirculation the complexity can be reduced and there is the possibility for the implementation of several new operating strategies. Therefore the occur-rence of conditions which cause degradation can be reduced considerably. Operating the anode recirculation with 30 % nitrogen allows a significant reduction of the hydrogen losses and therefore increases the fuel cell engine efficiency in the New European Driving Cycle to approx. 48 %. Thus the HyMotion3 drive train has a tank to wheel efficiency of approx. 33 %. Additionally hydrogen emissions can almost completely be avoided by catalytic combustion at the cathode. The maximum exhaust concentration is less than 0,2 %.
Im Rahmen dieser Arbeit wird untersucht in welchem Umfang das Wasserstoffsubsystem die Kenngrößen eines Brennstoffzellenantriebes beeinflusst. Im Vordergrund stehen dabei vor allem Sicherheit, Emissionen, Wirkungsgrad und Lebensdauer. Zu Beginn werden Grundlagen zur Wasserstoffsicherheit und zu den Degradationsmechanismen von Brennstoffzellen erarbeitet. Es folgt die Beschreibung der notwendigen Entwicklung eines ultraschallbasierten Messverfahrens zur nicht-invasiven online Gasanalyse. Ausgehend von den Erfahrungen mit dem Brennstoffzellenaggregat des Volkswagen HyMotion2 wird ein vollständig neuer Konzeptansatz entwickelt und experimentell untersucht. Durch den Einsatz einer aktiven Rezirkulation wird die Komplexität verringert und eine Reihe neuer Betriebsstrategien lassen sich realisieren. Das Auftreten von degradationsfördernden Zuständen kann damit deutlich vermindert werden. Der Betrieb mit 30 % Stickstoff in der Wasserstoffrezirkulation ermöglicht eine wesentliche Verringerung der Wasserstoffverluste und damit eine Steigerung des Aggregatewirkungsgrades im Neuen Europäischen Fahrzyklus auf ca. 48 %. Dabei wird mit dem HyMotion3-Antriebsstrang ein Zykluswirkungsgrad von etwa 33 % erreicht (vom Tank zum Rad). Wasserstoffemissionen können zudem durch eine katalytische Umsetzung an der Kathode nahezu vollständig vermieden werden, die maximal auftretenden Abgaskonzentrationen betragen weniger als 0,2 %.
Abstract
The objective of this work is to investigate how the hydrogen subsystem can influence the characteristics of a fuel cell power train. In the main focus are the aspects safety, emissions, efficiency, and durability. At the beginning fundamentals of hydrogen safety and degradation mechanisms of fuel cells are investigated. Afterwards the necessary development of a non-invasive online measuring system that is based on ultrasound is described. Starting from the experiences with the VW HyMotion2 fuel cell engine a completely new concept has been developed and tested. Due to the use of an active recirculation the complexity can be reduced and there is the possibility for the implementation of several new operating strategies. Therefore the occur-rence of conditions which cause degradation can be reduced considerably. Operating the anode recirculation with 30 % nitrogen allows a significant reduction of the hydrogen losses and therefore increases the fuel cell engine efficiency in the New European Driving Cycle to approx. 48 %. Thus the HyMotion3 drive train has a tank to wheel efficiency of approx. 33 %. Additionally hydrogen emissions can almost completely be avoided by catalytic combustion at the cathode. The maximum exhaust concentration is less than 0,2 %.
Keywords: Wasserstoff; PEM; Brennstoffzelle; Anode; Wasserstoffsystem; Rezirkulation; Stickstoff; Crossover; Purgen; Wirkungsgrad; Degradation; Emissionen; Verbrauch; Sicherheit; Fahrzeug; ZEV
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DOI 10.2370/9783832292607
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