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Der Kaltstart von Polymerelektrolytmembran Brennstoffzellen (PEM-BZ) stellt nach wie vor eine wesentliche Herausforderung dar. Passende Betriebsstrategien sind für Start und Shutdown von entscheidender Bedeutung um den BZ-Stack nicht irreversibel zu schädigen. Vor allem das geeignete Wassermanagement muss in den Fokus gerückt werden, da gefrierendes Reaktionswasser sowohl beim Start als auch bei der Lagerung unter Frostbedingungen die Funktionstüchtigkeit der PEMBZ beeinträchtigen können. Im Rahmen des Forschungsprojektes HZwo: InTherm wurde von der Professur Alternative Fahrzeugantriebe ein Teststand für die Untersuchung von Shutdownprozeduren und Froststarts entwickelt. Für die Feuchtemessung wurde ein Taupunkthygrometer verwendet und um die Vorgänge im Stack nachzuvollziehen drei Stromdichte- Temperaturverteilungsmessungen integriert.

Diese Arbeit untersucht Katalysatorheizstrategien auf die Emissionen während des Heizbetriebs, aber auch bei sich unmittelbar anschließender Lastaufschaltung bei verschiedenen Motortemperaturen. Es wird ein Brennverfahren vorgestellt, das auf die Erwärmung des Brennraums abzielt, ohne das Katalysatorheizen zu vernachlässigen. Die Untersuchungen finden an einem Ottomotor statt. Es wird auf die entstehenden Emissionen eingegangen. Außerdem wird die Flammenausbreitung experimentell bewertet.

Zum Thema der Abgaswärmenutzung im Automobil gibt es diverse wissenschaftliche Arbeiten. In der Regel wird hierbei ein System wie zum Beispiel ein durch Abgaswärme betriebene Rankine Prozess, ein thermoelektrischer Generator, oder die direkte Abgaswärmenutzung untersucht. Bewertungskriterien sind hierbei meistens die Kraftstoffeinsparung in gesetzlich vorgeschriebene Verbrauchszyklen oder stationären Betriebspunkten wie z.B. einer Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit. In dieser Arbeit soll über eine Gesamtfahrzeugsimulation der Kraftstoffverbrauchseinfluss durch den Einsatz eines hochtemperaturtauglichen thermoelektrischen Generators, eines Abgaswärmeübertragers zur Getriebeölerwärmung und der Kombination aus beidem für reales und damit stark unterschiedliches Fahrverhalten bewertet werden. Dafür wird das real auftretende Fahrzeugnutzungsverhalten in Deutschland analysiert und daraus entsprechende Fahrtypen erstellt. Physikalische Untermodelle für die entsprechenden Fahrzeugkomponenten wie das Getriebe, die Abgasanlage und die Abgaswärmenutzungskomponente dienen der Berechnung der auftretenden Rückwirkungen im Fahrzeug und werden durch Messungen an den entsprechenden Prüfständen validiert. DesWeiteren wird das Fahrzeugmodell anhand von real durchgeführten Messfahrten überprüft. Da es bisher nur wenige Veröffentlichungen zu detaillierten Untersuchungen an Prototypen von thermoelektrischen Generatoren auf Basis von Hochtemperaturmaterialien für den Einsatz in der Automobilindustrie gibt, liegt hier ein Schwerpunkt dieser Arbeit. Dazu werden leistungsmindernde Verlustmechanismen bewertet und Stellhebel in der Modulauslegung für eine Leistungsoptimierung identifiziert. Weiterhin werden systembedingte und äußere Einflussfaktoren auf die Kraftstoffeinsparpotenziale der Abgaswärmenutzungskonzepte erfasst und bewertet. There are several scientific researches on waste heat recovery in cars. Generally systems like a rankine-cycle, a thermoelectric generator or a direct usage of exhaust heat are topics of research. Usually the evaluation criteria are the reduction of fuel consumption in official regulated driving cycles or static operation points i.e. a drive at constant speed. The topic of this research is the comparison of the influence on the fuel consumption with the usage of a high temperature thermoelectric generator, an exhaust gas heat exchanger for gear box warm up and the combination of both for real and therefor highly different driving behavior with the help of a system simulation. To evaluate this, an analysis on the usage of cars in Germany has been done and equivalent driving types have been built. Physical submodells for the concerned vehicle components like the gear box, the exhaust line and the waste heat recovery units are the base to calculate the influence on the vehicle and have been validated at relevant test benches. In addition the vehicle model has been checked with the help of real driving tests. Because there are only a small number of publications about detailed researches on thermoelectric generators prototypes based on high temperature materials for the usage in automobile industry, this is a main topic of this work. Therefor reasons for decreases in power are evaluated and operating levers to optimize the module dimension have been identified. Furthermore influences on the potential of fuel saving due to the system and the environment are determined and estimated.

Konventionelle Abgaskatalysatoren ben��tigen f��r einen effizienten Betrieb zumindest 300 bis 400 ��C. Unterhalb dieser Temperatur, der sogenannte "Light-Off-Temperatur", kommt es nahezu zu keiner Schadstoff- bzw. Emissionsreduzierung. Bis dato wird sie in deutlich weniger als einer Minute erreicht. Um in dieser kurzen Zeit solch hohe Temperaturen zu realisieren, ist beispielsweise eine Sp��tverstellung des Z��ndwinkels durch kurzfristigen Eingriff in das Motorenmanagement erforderlich. Diese Ma��nahme f��hrt allerdings zu einer erheblichen Verschlechterung des Kraftstoffverbrauches (Wirkungsgrad) und folglich der Effizienz des Kraftfahrzeuges. Ferner w��re beispielsweise noch eine elektrische Aufheizung des Katalysators eine Option. All diese Ma��nahmen erf��llen in erster Linie zwar ihren Zweck einer raschen Temperaturerh��hung, aus energetischer Sicht sind sie jedoch extrem ineffizient. Als Idee dient der Ansatz zur Speicherung der sonst ungenutzten W��rme des Abgases, welche w��hrend des Betriebs ausreichend zu Verf��gung steht. Mit Hilfe eines thermochemischen Materials bzw. Materialverbundes, soll es nach dem Start zu einer m��glichst raschen Temperaturfreisetzung im Katalysator kommen. Daf��r soll die Reaktion, mit dem im Abgas enthaltenen Stoffen wie H2O(g) und CO2, die erforderliche W��rme bereitstellen. Nach Erreichen der Light-Off-Temperatur sollen diese Stoffe, mit Hilfe der Abgasw��rme, wieder abgespalten werden. Ziel der Arbeit ist somit die Suche nach einer geeigneten chemischen Reaktion, welche diese W��rme freisetzt und den Katalysator dadurch auf Betriebstemperatur bringt. Potentiell geeignete Stoffe sollen daf��r auf einem Gasphasenpr��fstand getestet werden. Kann schlie��lich ein geeignetes Material gefunden werden, dann soll dieses auf einem Monolithen beschichtet werden. Daf��r potentiell geeignete Stoffe w��ren beispielsweise Magnesiumoxid, Calciumoxid und Legierungen derer aus Lithium,- Calcium- und/oder Natriumchlorid, aber auch Sorptionsprozesse mit diversen Zeolithen sollen in Betracht gezogen werden. Die Ergebnisse aller Versuche sollen im Rahmen dieser Arbeit vorgestellt werden und ebenso als Basis f��r nachfolgende Projekte auf diesem Gebiet dienen., Conventional catalytic converters for vehicles need a temperature of about 300 ��C to work efficiently. Below this temperature - the so-called "light-off-temperature" - there is almost no reduction of pollutants or emissions. To date, this temperature can be reached in less than a minute. In order to achieve such high temperatures in such a short time, a retardation of the ignition-angle by intervention in the engine management is necessary. Unfortunately, however, this measure leads to a significant deterioration of system effectiveness, fuel economy and, consequently, the overall efficiency of the whole vehicle. For example, there could also be an electrical heating system inside the catalyst as an option. These examples will fulfil their primary purpose of a rapid increase in temperature but are also extremely undesirable in terms of energy efficiency. The idea is the storing of the otherwise unused head energy of the exhaust which is sufficiently available. The reaction and the substances such as H2O (steam) and CO2 should release heat. This substances should also cleaved again, after reaching the light-off-temperature, by using of the heat of the exhaust. It should also come to a rapid release of temperature in the catalyst by using a thermochemical material or a composite material after the start of the engine. The main goal of this thesis is to find a suitable chemical reaction which will release this energy and bring the catalyst to its operating temperature in a short time. Potentially suitable materials would be, for example, magnesium oxide, calcium oxide and alloys of those such as lithium-, calcium- and/or sodium chloride. Also, sorption with various zeolites (molecular sieves) should be considered. At least the potential material or material alloy will be tested on a gas-phase test bed and should also be impregnated onto a monolith. The results of all experiments shall be disclosed in the course of this work and should also be used as a basis for further research in this area.

Im Bereich der Kraftfahrzeugentwicklung ist die weitere Nutzung ��bersch��ssiger thermischer Energie zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades von gro��em Interesse. Deren Speicherung erm��glicht etwa die Erw��rmung der Betriebsfl��ssigkeiten bzw. der Motorstruktur, sowie die Lieferung der notwendigen Aktivierungsenergie f��r die Abgasnachbehandlung. Entsprechende sensible und latente W��rmespeicher wurden bereits bis zur Serienreife entwickelt. Im Speziellen chemische W��rmespeicher lassen aber durch ihre hohe Energiedichte im Vergleich zu anderen Speicherkonzepten auf ein gr����eres Potenzial schlie��en. Im Rahmen der vorangegangen Forschungsarbeit wurde ein Prototyp eines chemischen W��rmespeichers f��r die Anwendung im Kraftfahrzeug entwickelt. Dieser basiert auf der Hydration ausgew��hlter Salze und soll Energie aus dem K��hlkreislauf speichern, um bei einem Kaltstart die schnel-lere Erw��rmung des K��hlmittels zu erm��glichen. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt zun��chst eine Beurteilung des Prototyps durch eine simulative Bewertung der Speicherleistung bei einer Integration in ein entsprechendes Gesamtfahrzeugmodell. Es zeigt sich, dass der Speicher durchaus in Konkurrenz zu anderen Thermomanagement-Ma��nahmen treten kann, die Leistung des Speichers aber noch hinter dem theoretischen Potenzial des Speichermaterials zur��ckliegt. Zur weiteren Erschlie��ung dieses Potenzials werden Untersuchungen zur Verbesserung des Speicherprozesses durchgef��hrt. Der Fokus liegt dabei auf dem Einsatz von Tr��germaterialen zur Bildung eines Verbundwerkstoffes mit den Salzhydraten. Dies soll einerseits die Hydration erleichtern, um somit die gespeicherte Energie schneller und effektiver freisetzen zu k��nnen und andererseits den W��rme��bergang und die Stabilit��t des Speichermaterials positiv beeinflussen. Es werden unterschiedliche Materialien auf deren Eignung ��berpr��ft, darunter Metalle, Kunststoffe sowie anorganische Werk-stoffe wie Glas- bzw. Keramikwerkstoffe. Die Ergebnisse und Erkenntnisse der Untersuchungen dienen in Folge als Grundlage f��r die Weiterentwicklung des Speicherprozesses bzw. den Aufbau eines weiteren Prototyps., Driven by an increasing focus on fuel efficiency, the use of excess thermal energy has attracted significant interest in automotive engineering in recent years. Thermal energy storage systems facilitate a faster increase in both engine and operating liquid temperatures or provide the necessary activation energy for exhaust aftertreatment systems. Whereas systems based on sensible or latent heat storage technologies are already sufficiently mature for production use, thermochemical storage systems that offer a higher energy density and therefore a higher application potential are still in an early stage of development. In prior research a prototype for such a system was developed and tested. It is based on the sorption process using selected salt hydrates and stores thermal energy from the cooling circuit for release during the next cold start procedure. This thesis evaluates the performance of the prototype in an overall vehicle system through computer simulation. Compared to other thermal management methods, the chemical storage system performs adequately, but its output currently remains far below the theoretic potential. To further improve the capability of the technology, exami-nations with emphasis on the application of a carrier material to form a composite with the salt hydrate, are performed. This should enhance the hydration process and lead to faster and more effective heat release. In addition to the heat transfer, the structural stability of the embedded salt is also improved. Various materials such as metals, synthetics and inorganic materials like glass and ceramic are reviewed and evaluated. The outcome of the investigations provides a basis for the improvement of the storage system and the development of an enhanced prototype in the future.

Ill., graph. Darst.