Entwicklung eines Direkt-Methanol-Brennstoffzellen-Systems im kleinen Leistungsbereich

Abstract

Ziel dieser Diplomarbeit war es, ein funktionsfähiges Konzept für ein Direkt-Methanol-Brennstoffzellensystem im Leistungsbereich von 100 W zu erarbeiten. Um dieses Vorhaben systematisch umzusetzen, wurden zunächst die verschiedenen Subsysteme Treibstoffversorgung, Wasser-/Kohlenstoffdioxid-Abtrennung, Wassermanagement, Wärmemanagement, Sensorik und Steuerung untersucht und daraus mögliche Systemarchitekturen abgeleitet. Anschließend erfolgte die Berechnung der für den Betrieb des Systems notwendigen Stoffströme. Anhand dieser Daten wurde die Komponentenrecherche durchgeführt und eine Auswahl getroffen, welche Komponenten im System eingesetzt werden. Ein weiterer Kernpunkt dieser Arbeit war der Teststandaufbau zum Betreiben eines DMFC-Laborsystems. Dieser beinhaltete neben dem Aufbau des DMFC-Laborsystems den Aufbau einer Messdatenerfassung und die Erstellung einer Steuerung, welche an den Betrieb einer DMFC und den gewählten Komponenten angepasst ist. Nach Abschluss des Teststandaufbaus wurde das Laborsystem in Betrieb genommen und die verwendeten Komponenten des DMFC-Systems getestet und charakterisiert. Im weiteren Verlauf der Arbeit wurden experimentelle Untersuchungen zur Methanolkonzentrationsregelung, zur Steuerung der Anodenversorgung und zur Regelung der Kathodenversorgung durchgeführt. Die Versuche zeigen, dass der Aufbau eines kompakten DMFC-Systems dieser Leistungsklasse mit kommerziell verfügbaren Komponenten möglich ist. Die Leistung des Laborsystems entsprach jedoch noch nicht den Anforderungen für ein Kompaktsystem, da zum Zeitpunkt des Systemaufbaus noch nicht alle Komponenten in der geplanten Ausführung zur Verfügung standen. Die Methanol-Konzentrationsregelung konnte ohne Sensor erfolgreich realisiert werden. Ebenso zeigte sich die Steuerung des Methanol/Wasser-Volumenstroms durch die Anode unproblematisch. Zur Kontrolle der Methanolkonzentration mittels eines Coriolismessers zeigte sich eine Bestimmung der Methanolkonzentration nach den Stoffdaten von Methanol und Wasser als besser geeignet, als die bisherig verwendete, experimentell bestimmte Kalibrierung des Coriolismessers. Für die Regelung des Kathoden-Luftvolumenstroms ohne Sensor konnte zwar für das Laborsystem eine ausreichende Lösung gefunden werden, für die Umsetzung im späteren kompakten DMFC-System muss hierbei jedoch noch Entwicklungsarbeit geleistet werden. Die langfristigen Fortschritte bei der Entwicklung von DMFC-Systemen hängen vor allem von der Entwicklung neuer Elektrolyt-Membranen und verbesserter Membran-Elektroden-Einheiten ab. Gelingt es, die derzeitigen Leistungsdichten auch bei Temperaturen um 50°C zu erreichen, ist ein Verzicht auf den Kondensator möglich, was zu einer erheblichen Verringerung von Volumen, Gewicht und Kosten des Gesamtsystems führen würde.