Studie zum Betrieb einer PEM-Brennstoffzelle in einer Verschublok unter transienter Hochlast

Abstract

Der Großteil der derzeit im Rangierbetrieb eingesetzten Lokomotiven ist mit konventionellen Dieselverbrennungsmotoren ausgestattet. Viele dieser Fahrzeuge sind bereits seit mehreren Jahrzehnten im Einsatz, wodurch der Dieselverbrauch und folglich der Emissionsausstoß auf einem hohen Niveau liegen. Da die Anschaffung neuer Lokomotiven mit hohen Investitionenverbunden ist, ist eine fundierte und nachhaltig belegte Auswahl des zukünftigen emissionsfreien Antriebs unerlässlich. Aus diesem Grund beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit dem Aufbau und der Simulation eines Brennstoffzellenantriebsstranges für eine Rangierlokomotive. Es wird ein hybrides, analytisch-numerisches 3D-Simulationsmodell einer Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle einschließlich der notwendigen Balance of Plant-Komponenten vorgestellt. Das Modell ist in der Simulationssoftware AVL CruiseTM M aufgebaut. Die Auswahl und Dimensionierung der Antriebskomponenten basiert auf den realen Anforderungen an den Antriebsstrang einer Rangierlokomotive. Das Simulationsmodell ist durch Messdaten aus dem Rangierbetrieb einer Brennstoffzellenhybrid-Rangierlokomotive validiert. Es werdendie Dynamik- als auch die Lastanforderungen der Rangierlokomotive erfüllt und das System kann über einen Zeitraum von mehr als zwei Stunden ohne Energiezufuhr über die Oberleitung betrieben werden. Im Rahmen der Auswertung der Simulationsergebnisse erfolgt eine Gegenüberstellung der Systemausführung ohne und mit externer Befeuchtung der Kathodenluft sowie eine Variation der Betriebs- und Umgebungsbedingungen. Der Schwerpunkt der Ergebnisanalyse liegt auf dem Wassermanagement und der Untersuchung der Stoffströme, da diese Prozesse erheblichen Einfluss auf den Wirkungsgrad, die Degradation und die Lebensdauer der Brennstoffzelle haben. Auf Basis der Simulationsergebnisse erfolgt eine Empfehlung für die Ausführung des Antriebssystems mit externer Befeuchtung der Kathodenluft. Die Empfehlung erfolgt aufgrund der verbesserten Membranfeuchtigkeit, der daraus resultierenden verbesserten Effizienz und reduzierten Degradationsgefahr der Brennstoffzelle. Darüber hinaus verdeutlichen die Ergebnisse der Parametervariation, dass ein Betrieb bei erhöhten Temperaturen ohne zusätzliche Befeuchtungsmaßnahmen zur Austrocknung der Membran und folglich zu einer signifikant reduzierten Lebensdauer führen kann. Des Weiteren wird die dynamische Regelung des Anodendruckes in Abhängigkeit des Differenzdruckes zwischen Anode und Kathode empfohlen. Die dynamische Anodendruckregelung führt zu einem stabileren Verlauf der Wasserstoffkonzentration in der katalytisch aktiven Schicht und verhindert ein Absinken der Konzentration bei dynamischen Laständerungen.

The majority of locomotives currently used in shunting operations are equipped with conventional diesel combustion engines. Many of these vehicles have already been in use for several decades, which means that diesel consumption and consequently emissions are at a high level. As the purchase of new locomotives is associated with high investments, a well-founded and sustainable selection of the future emission-free propulsion system is essential. For this reason, this thesis deals with the design and simulation of a fuel cell powertrain for a shuntinglocomotive. A hybrid, analytical-numerical 3D simulation model of a polymer electrolyte membrane fuel cell including the necessary balance of plant components is presented. The model is set up in the simulation software AVL CruiseTM M. The selection and dimensioning of the drive components is based on the real requirements for the drive train of a shunting locomotive. The simulation model is validated by measurement data obtained from the shunting operation of a fuel cell hybrid shunting locomotive. The dynamic and load requirements of theshunting locomotive are met, and the system can be operated for more than two hours without power supply via the overhead line. In the evaluation of the simulation results, a comparison is made between the system designwithout and with external humidification of the cathode air, as well as a variation of operating and ambient conditions. The analysis of the results focuses on water management and the investigation of reactant flows, as these processes have a significant influence on the efficiency, degradation and lifespan of the fuel cell. Based on the simulation results, a recommendation is made for the design of the drive system with external humidification of the cathode air. The recommendation is based on the improved membrane humidity, which results in an enhancedefficiency and a reduced risk of degradation of the fuel cell. Furthermore, the results of the parameter variation show that operating at elevated temperatures without additional humidification measures can lead to membrane drying and, consequently, a significantly reduced lifespan. In addition, dynamic control of the anode pressure as a function of the differential pressure between the anode and cathode is recommended. The dynamic anode pressure control leads to a more stable hydrogen concentration in the catalyst layer and prevents a drop in concentration during dynamic load changes.