Charakterisierung, Optimierung und Integration eines Systems zur mobilen Energieversorgung mit PEM-Brennstoffzelle

Abstract

Die permanente Energieversorgung durch das Stromnetz scheint in der heutigen Zeit selbstverständlich. Jedoch gibt es Anwendungen die einen hohen Grad an Mobilität voraussetzen beziehungsweise Orte an denen keine Stromversorgung verfügbar ist. Abhilfe bei diesen Problemen schaffen portable Stromquellen. Bei der Projektarbeit handelt es sich um die Analyse eines solchen portablen Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen-Systems, kurz als PEM-BSZ-System bezeichnet, mit anschließender Optimierung und Systemerweiterung die neue Einsatzbereiche des BSZ-Systems ermöglichen. Hier sollen der kommerzielle Einsatz von Brennstoffzellensystemen und die Verwirklichung der Hybridisierung zur Steigerung der Effizienz im Vordergrund stehen. Es wird dazu das Brennstoffzellensystem-Konzept herangezogen, welches durch aufeinander aufbauende Arbeiten bis hin zur Entwicklung eines Demonstrationssystems, dem sogenannten PowerPack, geführt hat. Bei dem „PowerPack“ handelt es sich um ein tragbares PEM-BSZ-System zur Stromerzeugung im Leistungsbereich bis 300 W. Eine Zielstellung der Arbeit soll die Optimierung einzelner Komponenten und auch des Gesamtsystems sein. Dabei ist auf die Wirtschaftlichkeit des Systems zu achten. Es sollen Wirkungs¬gradsteigerungen, die unproportional hohe Kosten verursachen würden, vermieden werden, um das portable BSZ-System im Hinblick auf eine Produktentwicklung marktwirtschaftlich attraktiv zu gestalten. Die Vorteile des BSZ-Systems sind im Vergleich zu bestehender Technik wie beispielsweise Blei- oder Nickel-Cadmium-Akkumulatoren in einem hohen Wirkungsgrad, hoher Leistungsdichte und guter Umweltverträglichkeit zu sehen. Die Energiebereitstellung wird durch den Einsatz einfach handhabbarer und leicht auswechselbarer Wasserstoffspeicher realisiert. Somit ist auch eine dauerhafte Energiebereitstellung für Systeme, die permanent in Betrieb sein müssen, denkbar. Ein Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Hybridisierung dieser Brennstoffzelle mit einem Akkumulator. Dazu wurden Konzepte entwickelt und getestet. Durch die Hybridisierung des BSZ-Systems lässt sich deren Abgabeleistungsbereich erweitern und an die Anwendung anpassen. Desweiteren kann die Brennstoffzelle gegen Leistungsspitzen geschützt und effizienter betrieben werden. In einem weiteren Schwerpunkt der Arbeit wird das analysierte und charakterisierte System auf eine spezielle Anwendung optimiert. Hierbei ist geplant das Brennstoffzellensystem als sekundären Energielieferant für ein mobiles Paletten-Umreifungssystem zu verwenden. Bei dieser Anwendung zeigt sich deutlich eine Schwachstelle des Batteriebetriebs, nämlich hohe Standzeiten durch die Wiederaufladung der verwendeten Akkumulatoren, die hier als Primärstromquelle dienen. Dies kann in einer industrieellen Anwendung von großem Nachteil sein, vor allem dann wenn die Anwendung eine große Auslastung wie z.B. in einem 3-Schicht-Betrieb erfährt.