Theoretische Untersuchungen zur Kühlleistungssteigerung durch innovative Kühlsysteme für Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge

Abstract

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.

In this work theoretical investigations are carried out for cooling systems, which are used in fuel cell vehicles. This work focuses mainly on the capability of increasing the heat rejection rate by using new alternative cooling systems and by improving the conventional cooling system. Fuel cell vehicles have a higher demand of heat rejection to the ambient than comparable vehicles with combustion engine. The performance of conventional liquid cooling systems, especially at high loads and high ambient temperatures, is often not sufficient anymore. Hence, cooling systems with improved performance are necessary for fuel cell vehicles. The investigations in this work are based on DaimlerChrysler's "A-Class" having a PEM-Fuel Cell system integrated. Specific computational models are developed for radiators and condensers to evaluate the performance of different cooling concepts. The models are validated with experimental data. Based on an intensive investigation in the open literature the state of the art of cooling systems for fuel cell vehicles is depicted. Furthermore new cooling concepts as an alternative to the liquid cooling system are presented. The method of cooling the fuel cell by using two-phase transition shows the greatest capability to increase the cooling performance. Hence, this concept is investigated in detail. Two different concepts with three different refrigerants (R113, R245fa und R236fa) are analyzed. Cooling performance of this concept shows improvement of 18.2 up to 32.6 % compared to the conventional liquid cooling system. Thus, a two phase cooling system represents an alternative cooling system for fuel cell vehicles, which should be closer investigated by experiments.