Computerunterstützte Auslegung eines Brennstoffzellen-Batterie-Hybridsystems für die Bordstromversorgung

Krupp, Carsten; Stolten, Detlef; Eckstein, Lutz

doi:HT018944087

Computerunterstützte Auslegung eines Brennstoffzellen-Batterie-Hybridsystems für die Bordstromversorgung = Computer-aided design of fuel cell battery hybrid systems for auxiliary power units

Krupp, Carsten

2016

VerantwortlichkeitsangabeCarsten Krupp

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag 2016

Umfangiii, 207 Seiten : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-95806-124-8

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt ; 309

Dissertation, RWTH Aachen, 2015

Druckausgabe: 2016. - Onlineausgabe: 2016. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Stolten, Detlef (Thesis advisor) ; Eckstein, Lutz (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-11-26

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-027777
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/572505/files/572505.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/572505/files/572505.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl für Brennstoffzellen (FZ Jülich) (413010)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau (frei) ; fuel cell (frei) ; battery (frei) ; hybrid system (frei) ; diesel reforming (frei) ; APU (frei) ; auxiliary power unit (frei) ; CFD (frei) ; computational fluid dynamics (frei) ; system simulations (frei) ; system start up (frei) ; hybridization (frei) ; packaging (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
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 Brennstoffzellensystemmit Dieselreformierung angewandt. Durch diese Vorgehensweise wurden, nebender 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.

This thesis is concerned with developing a methodology for the further development of a fuel cell system for mobile applications. This methodology was subsequently applied to an existing fuel cell system which is based on a high-temperature polymer electrolyte fuel cell (HT-PEFC) and fuel processing through diesel reforming. The methodology focused on three topics: starting up the system, hybridizing the system, and packaging the fuel processing system. A compact and flow-optimized system design is crucial for packaging. In the methodological approach, calculation methods with various levels of detail were combined with experimental studies. A model for the dynamic simulation of the fuel processing system was compiled to permit a coupled consideration of the issues of start-up and hybridization. In order to optimize the start-up process through spatially resolved fluid dynamic simulations, various models for porous bodies were examined and experimentally validated using transient simulations. The start-up process of the package was optimized by utilizing the validated model and an enhancement of the two-dimensional package model. For the threedimensional optimization of the packages, an optimized meshing methodology was developed to reduce the computation time of the simulations. The overarching objective of developing a holistic methodology for optimizing the system was accomplished in this thesis. The methodology was applied to the further development of a fuel cell system which uses diesel reforming. In addition to the development of the methodology, this approach resulted in further key insights. By pre-heating the reformer through steam and air, the two-dimensional simulations reduced the pre-heating time from 22 minutes to 9.5 minutes. By taking the pipework into consideration in package 6, however, the pre-heating time increased to 30 minutes in the three-dimensional simulation. This shows that the components must be optimized three-dimensionally. For the enhancement to a hybrid system, an active hybrid circuit was used to adapt the power output of the fuel cell and in order to react to varying power demand profiles. In cases where the fuel cell can be heated with waste heat from the application, the efficiency of the hybrid system for the power demand profile increases from 25.3 % to 28.1 %. Starting the reformer electrically by an integrated heating element was demonstrated successfully. The process of pre-heating and supplying steam with the integrated heating element alone was concluded within 30 minutes. This methodology is a starting point for future developments of compact and efficient systems.

OpenAccess:
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