TY - THES

T1 - Konstruktion und Auslegung eines Brennstoffzellensystems für ein Side-by-Side-Fahrzeug

AU - Jörg, Volker

N1 - gesperrt bis 29-08-2029

PY - 2024

Y1 - 2024

N2 - Österreich und die Alpen sind besonders stark betroffen von der Klimaerwärmung, verglichen mit dem globalen Durchschnitt ist der Temperaturanstieg doppelt so stark und lag im Jahr 2022 bereits bei +2,3 °C über dem vorindustriellen Niveau. Konkrete Maßnahmen zur Erreichung der nationalen und internationalen Klimaziele beinhalten unter anderem den massiven Ausbau der erneuerbaren Energieträger, sowie die Dekarbonisierung des Mobilitätssektors. Im Rahmen des Leuchtturmprojekt HyFleet - Decarbonisation of Mobility by Hydrogen Powered Special Vehicle Fleets wird eine innovative Gesamtlösung für den Betrieb von emissionsfreien Fahrzeugflotten im Alpenraum demonstriert. Dazu wird ein wasserstoffbetriebener Brennstoffzellenantrieb für die universell einsetzbare Side-by-Side-Fahrzeugklasse entwickelt und unter realen Bedingungen in der Wanderregion Hinterstoder-Wurzeralm getestet. In diesem Zusammenhang wird in der vorliegenden Masterarbeit das dafür benötigte Brennstoffzellensystem, bestehend aus Brennstoffzellen-Stack und Nebenaggregate ausgelegt und konstruiert. Ziel der Arbeit ist die Integration des Brennstoffzellenantriebsstrangs in ein Side-by-Side Prototyp-Fahrzeug. Die Integration der Komponenten in das Fahrzeug basiert auf einer umfassenden Bauraumuntersuchung und Package-Analyse mit Fokus auf eine optimale Positionierung der Komponenten zueinander in Bezug auf Funktionalität und Systemeffizienz. Dazu wird im ersten Schritt eine Anforderungsanalyse durchgeführt und die Ziele für das Fahrzeug allgemein sowie für die Subsysteme werden in einem Lasten und Pflichtheft zusammengefasst. Danach werden geeignete Bauräume für die Komponenten des Brennstoffzellensystems im Prototyp-Fahrzeug definiert und die Komponenten werden hinsichtlich Dimensionen, Volumen und Masse analysiert. Im Zuge des Packagings werden die technisch realisierbaren Positionierungen für die zu verbauenden Komponenten identifiziert und drei Package-Varianten für das Brennstoffzellensystems konstruiert. Die Konstruktion erfolgt angelehnt an das V-Modell und der VDI 2221 mittels PTC Creo, eine 3D-CAD Software. Die unterschiedlichen Varianten werden anhand einer Nutzwertanalyse in Bezug auf Schwerpunktlagen, Leitungslängen, Komponentenzugänglichkeit und Integrität des Fahrzeugrahmens bewertet. Dabei erzielt Package-Variante 3 das beste Ergebnis und erfordert keine Änderung am bestehenden Fahrzeugchassis. Ausgehend von der gewählten Package-Variante wird die Detailkonstruktion der einzelnen Subsysteme (Kathodensubsystem, Thermalmanagement und Wasserstoffspeichersystem) realisiert. Durch die in dieser Arbeit entwickelten Designkonzepte wird eine innovative und kompakte Gestaltung der Subsysteme erzielt, dass die Integration des Brennstoffzellensystems in das bestehende Fahrzeugchassis ermöglicht. Die gesammelten Ergebnisse können als Basis für eine Serienentwicklung von wasserstoffbetriebenen Spezialfahrzeugen dienen.

AB - Österreich und die Alpen sind besonders stark betroffen von der Klimaerwärmung, verglichen mit dem globalen Durchschnitt ist der Temperaturanstieg doppelt so stark und lag im Jahr 2022 bereits bei +2,3 °C über dem vorindustriellen Niveau. Konkrete Maßnahmen zur Erreichung der nationalen und internationalen Klimaziele beinhalten unter anderem den massiven Ausbau der erneuerbaren Energieträger, sowie die Dekarbonisierung des Mobilitätssektors. Im Rahmen des Leuchtturmprojekt HyFleet - Decarbonisation of Mobility by Hydrogen Powered Special Vehicle Fleets wird eine innovative Gesamtlösung für den Betrieb von emissionsfreien Fahrzeugflotten im Alpenraum demonstriert. Dazu wird ein wasserstoffbetriebener Brennstoffzellenantrieb für die universell einsetzbare Side-by-Side-Fahrzeugklasse entwickelt und unter realen Bedingungen in der Wanderregion Hinterstoder-Wurzeralm getestet. In diesem Zusammenhang wird in der vorliegenden Masterarbeit das dafür benötigte Brennstoffzellensystem, bestehend aus Brennstoffzellen-Stack und Nebenaggregate ausgelegt und konstruiert. Ziel der Arbeit ist die Integration des Brennstoffzellenantriebsstrangs in ein Side-by-Side Prototyp-Fahrzeug. Die Integration der Komponenten in das Fahrzeug basiert auf einer umfassenden Bauraumuntersuchung und Package-Analyse mit Fokus auf eine optimale Positionierung der Komponenten zueinander in Bezug auf Funktionalität und Systemeffizienz. Dazu wird im ersten Schritt eine Anforderungsanalyse durchgeführt und die Ziele für das Fahrzeug allgemein sowie für die Subsysteme werden in einem Lasten und Pflichtheft zusammengefasst. Danach werden geeignete Bauräume für die Komponenten des Brennstoffzellensystems im Prototyp-Fahrzeug definiert und die Komponenten werden hinsichtlich Dimensionen, Volumen und Masse analysiert. Im Zuge des Packagings werden die technisch realisierbaren Positionierungen für die zu verbauenden Komponenten identifiziert und drei Package-Varianten für das Brennstoffzellensystems konstruiert. Die Konstruktion erfolgt angelehnt an das V-Modell und der VDI 2221 mittels PTC Creo, eine 3D-CAD Software. Die unterschiedlichen Varianten werden anhand einer Nutzwertanalyse in Bezug auf Schwerpunktlagen, Leitungslängen, Komponentenzugänglichkeit und Integrität des Fahrzeugrahmens bewertet. Dabei erzielt Package-Variante 3 das beste Ergebnis und erfordert keine Änderung am bestehenden Fahrzeugchassis. Ausgehend von der gewählten Package-Variante wird die Detailkonstruktion der einzelnen Subsysteme (Kathodensubsystem, Thermalmanagement und Wasserstoffspeichersystem) realisiert. Durch die in dieser Arbeit entwickelten Designkonzepte wird eine innovative und kompakte Gestaltung der Subsysteme erzielt, dass die Integration des Brennstoffzellensystems in das bestehende Fahrzeugchassis ermöglicht. Die gesammelten Ergebnisse können als Basis für eine Serienentwicklung von wasserstoffbetriebenen Spezialfahrzeugen dienen.

KW - Fuel Cell System

KW - Powertrain

KW - Hydrogen

KW - Special Purpose Vehicles

KW - Mobility

KW - Packaging

KW - Brennstoffzellensystem

KW - Brennstoffzellenantriebsstrang

KW - Wasserstoff

KW - Spezialfahrzeuge

KW - Mobilität

KW - Bauraumuntersuchung

U2 - 10.34901/mul.pub.2024.245

DO - 10.34901/mul.pub.2024.245

M3 - Masterarbeit

ER -