Hybridisierung und Regelung eines mobilen Direktmethanol-Brennstoffzellen-Systems

Direktmethanol-Brennstoffzellen (DMFCs) zeichnen sich dadurch aus, dass sie die chemische Energie des flüssig zugeführten Brennstoffs Methanol direkt in elektrische Energie umwandeln. Methanol hat eine hohe Energiedichte und lässt sich vergleichsweise einfach speichern. Aufgrund dieser Vorteile eignen sich Direktmethanol-Brennstoffzellen- Systeme z. B. als Batterieersatz für den Bereich leichte Traktion in der kW-Klasse. Da das Nachtanken im Vergleich zum Laden einer Batterie viel schneller realisierbar ist, folgt hieraus ein nahezu unterbrechungsfreier Betrieb. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es daher ein Direktmethanol-Brennstoffzellen-System für den Bereich leichte Traktion zu entwickeln. Die systemtechnische Entwicklung und Charakterisierung eines mobilen Direktmethanol-Brennstoffzellen-Systems erfolgt zuerst allgemein und anschließend angewandt auf das Beispiel Horizontalkommissionierer aus der Klasse der Flurförderfahrzeuge. Hierfür soll sowohl ein Hybridisierungs- als auch ein Regelungskonzept entwickelt werden. Die gewählte Vorgehensweise gliedert sich in die Charakterisierung der Anwendung, die theoretische Konzeptentwicklung und eine abschließende Systemanalyse mithilfe von Untersuchungen am Teststand und Simulationen. Aus der Charakterisierung folgt der charakteristische Fahrzyklus der Anwendung. Die Eckdaten, wie maximale Peakleistungen beim Beschleunigen und Bremsen sowie die Durchschnittsleistung bilden die Grundlage für die Konzeptentwicklung. Die theoretische Entwicklung eines Hybridisierungskonzeptes erfolgt zweistufig auf Basis eines reinen Brennstoffzellenfahrzeuges. Eine Systemanalyse aller möglichen Konzepte bezüglich der Kriterien Brennstoffzellenleistung, Gesamtsystemwirkungsgrad und dynamische Brennstoffzellenbelastung führt schließlich zum favorisierten Konzept einer indirekten Kopplung. Das dafür entwickelte Regelungskonzept eines Kaskadenreglers mit Kennfeldregelung hält den Energiespeicher auf einem konstanten Ladezustand und sieht für die Brennstoffzelle einen Alterungsschutz sowie eine Alterungserkennung vor. Für die Dimensionierung von Brennstoffzelle und Energiespeicher spielen der Fahrzyklus, die Betriebszustände des Fahrzeugs und die Einzelwirkungsgrade der Komponenten eine entscheidende Rolle. Eine Parametervariation führt zu einer minimal benötigten Brennstoffzellenleistung von 1,3 kW und einer minimalen Energiedichte von 66 Wh/l bzw. einer minimalen Leistungsdichte von 355 W/l für den Energiespeicher. Die hohe benötigte Energiedichte und die Tatsache, dass der Energiespeicher immer auf einem Teilladezustand betrieben werden muss, was vor allem Bleibatterien schneller altern lässt, führt als Ergebnis zu einer Lithiumbatterie als Energiespeicher