Computerunterstützte Auslegung eines Brennstoffzellen-Batterie-Hybridsystems für die Bordstromversorgung

In dieser Arbeit wurde eine Methodik zur Weiterentwicklung eines Brennstoffzellensystems für eine mobile Anwendung erarbeitet. Diese Methodik wurde anschließend auf ein bestehendes Brennstoffzellensystem, basierend auf einer Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (HT-PEFC) und der Brenngaserzeugung durch Dieselreformierung, angewendet. Der Schwerpunkt der Methodik lag auf den drei Themengebieten Startvorgang des Systems, Hybridisierung des Systems und Packaging des Brenngaserzeugungssystems. Beim Packaging steht die kompakte und strömungsoptimierte Bauform des Systems im Mittelpunkt. Als methodischer Ansatz wurden Berechnungsmethoden mit unterschiedlichem Detaillierungsgrad mit experimentellen Untersuchungen verknüpft. Es wurde ein Modell zur dynamischen Simulation des Brenngaserzeugungssystems erstellt, welches eine gekoppelte Betrachtung der Themen Startvorgang und Hybridisierung ermöglicht. Um den Startvorgang durch ortsaufgelöste strömungsdynamische Simulationen optimieren zu können, wurden verschiedene Modelle für poröse Körper in transienten Simulationen untersucht und experimentell validiert. Durch die Erweiterung dieses Modells zum zweidimensionalen Packagemodell wurde der Startvorgang des Packages optimiert. Für die dreidimensionale Optimierung der Packages wurde eine optimierte Vernetzungsmethodik erarbeitet, um die Rechenzeit der Simulationen zu verringern. In dieser Arbeit wurde das übergeordnete Ziel der Entwicklung einer Methodik zur gesamtsystemischen Optimierung des Systems erreicht. Die entwickelte Methodik wurde auf ein Brennstoffzellensystem mit Dieselreformierung angewandt. Durch diese Vorgehensweise wurden, neben der Entwicklung der Methodik, weitere wesentliche Erkenntnisse erzielt. Die parallele Aufheizung durch den Dampf- und den Luftweg verkürzte in zweidimensionalen Simulationen die Aufheizzeit von 22 Minuten auf 9,5 Minuten. Durch die Berücksichtigung der Verrohrung steigt die Aufheizzeit in der dreidimensionalen Simulation jedoch auf 30 Minuten an. Dies zeigt, dass die Komponenten dreidimensional optimiert werden müssen. Für eine Erweiterung zum Hybridsystem wurde die aktive Hybridverschaltung ausgewählt, um die Leistung der Brennstoffzelle anpassen und auf wechselnde Leistungsbedarfsprofile reagieren zu können. Für den Fall, dass die Brennstoffzelle durch Abwärme der Anwendung aufgeheizt werden kann, steigt der Wirkungsgrad des Hybridsystems für das verwendete Leistungsbedarfsprofil von 25,3 % auf 28,1 % an. Ein elektrischer Startvorgang des Reformers durch ein integriertes Heizelement wurde erfolgreich demonstriert. Der Aufheizvorgang und die Bereitstellung von Wasserdampf konnten, alleine mit dem integrierten Heizelement, innerhalb von 30 Minuten abgeschlossen werden. Die entwickelte Methodik bildet den Ausgangspunkt für zukünftige Entwicklungen von kompakten und effizienten Systemen.