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Theoretische Untersuchungen zur Kühlleistungssteigerung durch innovative Kühlsysteme für Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge
(2009) Reichler, Mark; Müller-Steinhagen, Hans (Prof. Dr. Dr.-Ing. habil.)
Die vorliegende Arbeit beinhaltet theoretische Untersuchungen zu Kühlkonzepten für Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge. Zentrales Thema ist das Potenzial zur Kühlleistungssteigerung durch innovative Kühlsysteme bzw. Maßnahmen zur Steigerung der Leistungsfähigkeit des konventionellen Kühlsystems. Bei Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen muss im Vergleich zu herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor mehr Wärme über das Kühlsystem an die Umgebung abgeführt werden. Die Grenze der Leistungsfähigkeit der konventionellen Flüssigkeitsumlaufkühlung wird bei Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen zunehmend überschritten. Um die Abwärme von Brennstoffzellensystemen bei hohen Antriebsleistungen und hohen Umgebungstemperaturen abführen zu können, sind leistungsfähigere Kühlsysteme notwendig. Als Grundlage für die in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen zu unterschiedlichen Kühlkonzepten dient die „A-Klasse“ der Firma DaimlerChrysler, in der ein Protonenelektrolytmembran-Brennstoffzellensystem integriert ist. Um das Potenzial zur Kühlleistungssteigerung zu ermitteln, werden spezielle Berechnungsmodelle für den Kühlmittelkühler und den Kondensator entwickelt, die es ermöglichen, die Leistung des Kühlsystems zu berechnen. Die Berechnungsmodelle werden mit vorhandenen Daten validiert. Auf Basis einer Patent- und Literaturrecherche wird der Stand der Technik zu Kühlsystemen für Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen dargestellt. Darüber hinaus werden alternative Kühlkonzepte aufgezeigt und hinsichtlich ihres Potenzials als Alternative zur Flüssigkeitsumlaufkühlung untersucht. Die Verdampfungskühlung stellt ein alternatives Kühlkonzept dar, welches mit dem größten Potenzial zur Kühlleistungssteigerung hervorgeht und daher detailliert untersucht wird. Dabei werden zwei unterschiedliche Ausführungsarten untersucht. Bei den Berechnungen werden darüber hinaus unterschiedliche Kältemittel (R113, R236fa und R245fa) untersucht. Abhängig von der Ausführungsart und vom Kältemittel ergibt sich eine rechnerisch ermittelte Kühlleistungssteigerung von 18.2 bis zu 32.6 % im Vergleich zur konventionellen Flüssigkeitsumlaufkühlung. Die Verdampfungskühlung stellt damit eine Alternative für den Einsatz in Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen dar, die es experimentell weiter zu untersuchen gilt.