Fortschritte im Automobilbau
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Abstrakt

Bordeigenes Kälte-Energiespeichersystem für den Wasserstoff-Tankvorgang

Junge Min Kim

Der Wasserstoffspeicherdruck in Brennstoffzellenfahrzeugen wurde von 35 MPa auf 70 MPa erhöht, um eine größere Reichweite zu ermöglichen. Auf der anderen Seite führt ein solcher Druckanstieg zu einem erheblichen Temperaturanstieg im Wasserstofftank während des schnellen Befüllens an einer Tankstelle, was Sicherheitsprobleme aufwerfen kann. Der Einbau eines Kühlers mildert dieses Problem häufig, da er das Wasserstoffgas vor seiner Ablagerung im Tank kühlt. Um sowohl die Verbesserung der Energieeffizienz als auch die Sicherheitsbedenken zu berücksichtigen, wird in diesem Dokument ein Bordsystem zur Speicherung kalter thermischer Energie (CTES) vorgeschlagen, das durch expandierten Wasserstoff gekühlt wird. Während des Fahrzyklus verwendet das vorgeschlagene System einen Expander anstelle eines Druckreglers, um zusätzliche Leistung und kaltes Wasserstoffgas zu erzeugen. Darüber hinaus ist CTES mit Phasenwechselmaterialien (PCM) ausgestattet, um die Kälteenergie des expandierten Wasserstoffgases zurückzugewinnen, die später bei der nächsten Befüllung verwendet wird, um das Hochdruck-Wasserstoffgas von der Tankstelle zu kühlen. Vor einigen Jahren betrug der typische Wasserstoffspeicherdruck in Brennstoffzellenfahrzeugen 35 MPa; ein solcher Druck erzeugte eine sehr geringe volumetrische Energiedichte, um Langstreckenfahrten zu ermöglichen, für die 70 MPa erforderlich wären. In letzter Zeit hat sich die Speicherung von Wasserstoff an Bord, vorwiegend unter hohem Druck von 70 MPa, allgemein durchgesetzt. Dieser Druckanstieg führt jedoch aufgrund der Kompressionswärme und der Joule-Thomson-Ausdehnung beim schnellen Befüllen an einer Tankstelle zu einem deutlichen Anstieg der Temperatur des Fahrzeugtanks. Das Vorkühlen des Wasserstoffs mit einem Kühler vor dem Betanken mildert den Temperaturanstieg, um die maximal zulässige Tanktemperatur zu erreichen, die internationalen Normen und Vorschriften wie dem Protokoll der Society of Automotive Engineers (SAE) und dem Sicherheitscode der International Organization for Standardization (ISO) entspricht (d. h. 85 °C). Ein derartiger Temperaturanstieg während des Tankvorgangs verringert außerdem die Gesamtmenge des im Tank gespeicherten Gases. In einer Reihe von Experimenten quantifizierten Kim et al. die Temperaturänderung im Zylinder des Tanks mithilfe einer Analyse der numerischen Strömungsmechanik (CFD). Miguel et al. beurteilten die Wirkung der Füllrate auf das Gas.