Aufbau, Optimierung und Integration eines portablen PEM-BZ Hybridsystems, Hochschule Heilbronn

Kurzfassung

In anbetracht des weltweit immer weiter steigenden Energiebedarfs, vor allem in Schwellenländern, und den damit verbundenen Umweltbelastungen durch Schadstoffe, wird es in Zukunft nötig sein ungenutzte, effizientere und umweltfreundlichere Energie-Quellen und Speichersysteme zu entwickeln.[1] Heute wird der größte Teil der Energie aus fossilen Energieträgern gewonnen. Allen voran werden Erdgas und Öl bei konstantem Verbrauch der bekannten Vorräte in wenigen Jahrzehnten zur Neige gehen. Dabei entstehen erhebliche Umweltbelastungen sowohl bei der Gewinnung als auch bei der Nutzung. Mit Blick auf den Klimawandel zum Beispiel durch bei der Verbrennung gebildetes CO2. Die offensichtlichen Nachteile von fossilen Energieträgern Energieträger liegen in ihrer Begrenztheit und der Belastungen für die Umwelt. Die Atomenergie stellt in diesem Punkt keine wirkliche Alternative dar. Da bei ihr nach wie vor die Lösung des Problems der radioaktiven Abfälle aussteht und die bekannten Uran- Vorkommen endlich sind. Das Uranium Institute London schätzt deren Reichweite auf einen Zeitraum zwischen den Jahren 2050 und 2100. [1] All das sind Probleme zu deren Lösung die Brennstoffzellen Technologie einen Beitrag leisten kann. Vor allem ihre hohen Wirkungsgrade bieten klare Vorteile. [1] Die Einsatzmöglichkeiten von Brennstoffzellen sind vielfältig. Sie können stationär als auch mobil verwendet werden und werden auch bereits vielfältig eingesetzt. Portable Kleingeräte stellen einen wichtigen Bereich der Energiewirtschaft dar. Wie zum Beispiel, Laptops, tragbare Generatoren uvm. . Die Zahl solcher Anwendungen hat sich in den Letzten Jahren stark erhöht und wird wohl auch in Zukunft, in einer immer flexibleren Welt, weiter steigen. [2] [3] [4] Die Energieversorgung im Bereich der portablen Geräte beherrschen bisher Akkumulatoren (Akku). Sie haben aber verschiedene erhebliche Nachteile, wie eine niedrigere Energiedichte gegenüber fossilen Brennstoffen, verbunden mit hohem Gewicht. Oder lange Ladezeiten, die kombiniert mit mangelnder Zyklenstabilität zu großen Schwierigkeiten führen können. [2] [3] [4] Dem gegenüber steht die Brennstoffzelle mit den Vorteilen eines Energiewandlers, im Vergleich zu einem wie es Akkumulatoren darstellen. Die Energiedichte eines Brennstoffzellen Systems steigt mit größer werdendem Brennstoffspeicher an und übersteigt rasch die Energiedichte eines Akkumulators. Das wechseln eines Wasserstoff- oder Methanolspeichers ist einfacher und schneller als das Laden eines Akkumulators. Besonders wenn kein Netzt als Stromquelle zur Verfügung steht. Für portable Brennstoffzellenkleinsysteme im niedrigen Leistungsbereich gibt es bereits verschiedene Beispiele die unter anderem am DLR entwickelt wurden (siehe Kapitel 2.1.2). Allerdings haben Brennstoffzellen den Nachteil einer mangelnden Peakleistung. In diesem Punkt haben wiederum Akkumulatoren einen Vorteil. Um von den Vorteilen sowohl des Akkumulators als auch der Brennstoffzelle zu profitieren bietet es sich an beide zu kombinieren. Dann erhält man ein Hybridsystem bei dem sowohl die hohe Spitzenleistung des Akkumulators als auch die hohe Energiedichte und Unabhängigkeit von externen Stromquellen der Brennstoffzelle gegeben sind. Hier setzt nun dieses Projekt, zur Entwicklung eines Hybrid Brennstoffzellenkleinsystems, an. [3] [4] Die Entwicklung eines PEM-BZ-Hybridsystems (Protonaustauschmembranbrennstoffzellen- Hybridsystems) wurde mittels Optimierung eines bestehenden Aufbaus (s. Kapitel 3.2) und weiterer Entwicklungsschritte in dieser Arbeit fortgesetzt. Ziel des Projekts ist es ein autark arbeitendes direkt mit Wasserstoff versorgtes PEM-BZ-Hybridsystem zur Versorgung stark wechselnder Lasten im kleinen Leistungsbereich (<1000W) zu entwickeln. Unter anderem soll das PEM-BZ-Hybridsystem zur Versorgung eines Palettenumreifungssystems dienen. Der Brennstoffzellenstack hat dort in erster Linie die Aufgabe einen Akkumulator, nachdem dessen Kapazität aufgebraucht ist, zu laden. Während der Ladephase soll jedoch der Brennstoffzellestack auch Leistung für die externe Lastanforderungen liefern können. Lastspitzen die diese Anforderung übersteigen, sollen wiederum kurzfristig vom Akkumulator abgedeckt werden.