Vergleich effizienter Aufladestrategien für Brennstoffzellenanwendungen

Autoren

Dr. A. H. Taylor  PhD, BMTS Technology US Corp, Plymouth; P. Naik, S. Nibler, Dr. N. S. Al-Hasan, BMTS Technology GmbH, Stuttgart:

Jahr

2023

Druckinfo

Eigenproduktion ÖVK

Zusammenfassung

Ein Luftkompressor ist ein notwendiger Bestandteil von Brennstoffzellen, da diese ohne Unterstützung keine Luft ansaugen können. Es gibt viele Optionen für die Luftversorgung von Brennstoffzellen, wobei derzeit verschiedene Technologien eingesetzt werden, jede mit ihren eigenen Vor- und Nachteilen. Die eingesetzten Technologien sind z.B. Schraubenkompressoren, elektrisch angetriebene Radialverdichter, elektrisch unterstützte Turbolader mit Wastegate (WG) und mit variabler Turbinengeometrie (VTG). In dieser Arbeit werden drei verschiedene Turbinenstufen verglichen: Eine Wastegate Turbinenstufe mit geringem Durchsatz, die für einen niedrig lastigen Betriebspunkt bei konstanter Fahrzeuggeschwindigkeit ausgelegt ist, eine Wastegate Turbinenstufe mit großem Durchsatz, die für die Nennleistung optimiert ist und eine VTG, die beide Betriebspunkte bedienen kann. Zusätzlich wird gegen einen rein elektrisch angetriebenen Radialverdichter verglichen. Diese Studie zeigt, dass eine optimierte VTG-Turbinenstufe den PEMFC-Wirkungsgrad bei Nennleistung um 3 % bzw. 1.5 %-Punkte im Vergleich zum elektrisch angetriebenen Radialverdichter ohne Turbine verbessert. Die Wastegate-Turbine kann nicht für alle Abgasmassenströme dimensioniert werden. Die Turbine, die für den niedrig lastigen Betriebspunkt optimiert ist, muss bei Nennleistung das Wastegate öffnen, wodurch nicht mehr die gesamte Abgasenthalpie genutzt werden kann. Die Turbine, die für die Nennleistung optimiert ist, baut im niedrig lastigen Betriebspunkt zu wenig Gegendruck auf, das Gegendruckventil muss teilweise geschlossen werden und die Turbinenleistung ist gering. Somit ist bei der großen, als auch bei der kleinen Wastegate-Turbine im Vergleich zur VTG die Wellenleistung geringer. Zusätzlich kann bei dem Einsatz einer VTG das Gegendruckventil entfallen.

ISBN

978-3-9504969-2-5