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

Kurzfassung

Die Brennstoffzellentechnologie kann Dank des hohen Wirkungsgrades bei der Energieumwandlung einen gewissen Teil zu Energieversorgungssystemen abseits konventioneller Energieumwandlung beitragen. In allen Anwendungsbereichen bieten sich Möglichkeiten vorhandene Versorgungssysteme durch Brennstoffzellen zu ersetzten oder sie um diese zu erweitern. Für jeden Anwendungsbereich existieren spezifische Technologien, die einen Einsatz ermöglichen. Für stationäre Anwendungen sind Hochtemperaturbrennstoffzellen (SOFC) die typischen Vertreter. Im mobilen und portablen Bereich werden überwiegend Niedertemperaturbrennstoffzellen (PEMFC und DMFC) eingesetzt. Die Versorgung mit Wasserstoff bereitet jedoch noch technische Probleme. Andere Energieträger, aus denen Wasserstoff für die Reaktion bereitgestellt werden kann, sind derzeit Erdgas und Methanol. Bei einer Verwendung von Erdgas muss ein Reformierungsschritt integriert werden, in dem das Methan in Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid (CO2) umgewandelt wird. Dafür sind hohe Temperaturen erforderlich. Das Methanol kann ebenfalls reformiert, jedoch auch direkt einer Zelle zugeführt werden. Das hat den Vorteil, dass keine hohen Temperaturen für den Betrieb erforderlich sind. Weiterhin ist Methanol gut lagerfähig und lässt sich in entsprechenden Kunststoffbehältern mit dem jetzigen Stand der Technik gut speichern. Ein Vertrieb ist ebenfalls ohne nennenswerte technische Probleme möglich. Die Vorteile des Brennstoffs Methanol machen die DMFC insbesondere für portable Anwendungen im kleinen Leistungsbereich attraktiv. An diesem Punkt setzt das vom DLR koordinierte Projekt ‚BZ-Battext’ an. In Zusammenarbeit mit Industriepartnern wird ein 100W DMFC-System als Batterieextender für ein Solarboot entwickelt, welches auch in weiteren portablen Anwendungen genutzt werden kann. Das System soll sich durch einfache Bedienung, reduzierte Komponenten, eine hohe Energiedichte und durch neuartige Membrankonzepte auszeichnen. System und Stack werden in separaten Unterprojekten entwickelt. Die Stackentwicklung hat zum Ziel, den Bedarf an Katalysatormaterial, den Luftbedarf sowie das Temperaturniveau zu reduzieren und neue Konzepte der Dichtungstechnologie zu entwickeln. Die Entwicklung des Systems hat das vorrangige Ziel, die Anzahl der Systemkomponenten insbesondere der verwendeten Pumpen und Verdichter zu reduzieren. Die Vereinfachung der Konstruktion und der Steuerung bzw. Regelung steht nach der Betriebsstabilität an erster Stelle. So sollen ein geringer parasitärer Energieverbrauch sowie eine geringe Ausfallwahrscheinlichkeit des Systems erreicht werden. Im Zuge dieser Arbeit sind die Systementwicklung vorangetrieben und weitere noch zu optimierende Bereiche aufgezeigt worden. In einer vorangegangen Diplomarbeit1 wurde bereits ein Laborsystem konzipiert und aufgebaut. Zu diesem Zweck wurden alle benötigten Komponenten angeschafft und angeschlossen. Die jetzt vorlegte Arbeitet hat zum Ziel, das bereits bestehende System zu optimieren. Insbesondere sind die Bereiche - Luftversorgung - Wassermanagement - Wärmemanagement - Methanolmanagement - Konstruktion Gegenstand der Untersuchung. Die vorgelegte Arbeit gliedert sich in einen Grundlagen- in einen Optimierungs- und in einen Schlussteil. Im ersten Teil werden grundlegende technische Funktionsprinzipien zur Brennstoffzellentechnologie erläutert. Weiterhin werden der vorhandene Laborteststand und die an diesem durchgeführten Arbeiten erläutert. Im anschließenden Teil wird die Optimierung der bereits genannten Bereiche des Systems beschrieben. Um eine vollständige Nachvollziehbarkeit der durchgeführten Arbeiten und Versuche zu gewährleisten, sind detaillierte Rechnungen, Herleitungen sowie Versuchsaufbauten, -beschreibungen und -ergebnisse im Anhang dokumentiert. Im Schlussteil werden die erhaltenen Ergebnisse zusammengefasst und die Auswirkungen einzelner Optimierungen auf andere Bereiche des Systems dargestellt. Darüber hinaus wird ein Ausblick der noch durchzuführenden Tätigkeiten gegeben.