Erprobung des strom- sowie wärmebedarfsgeführten Betriebs des Modells einer Brennstoffzellen-Hausheizung (PDF)

Inhaltsangabe:Zusammenfassung:
In der Diplomarbeit wird die Erprobung des strombedarfsgeführten sowie wärmebedarfsgeführten Betriebs des Modells einer Brennstoffzellen-Hausheizung bearbeitet. Es werden verschiedene Befeuchtungssysteme nach ihren Einsatzmöglichkeiten in der Brennstoffzelle untersucht. Nachfolgend wird das Modell der Brennstoffzellen-Hausheizung unter Einbindung der erprobten Befeuchtungssysteme mit einer elektrischen Leistung von 100W aufgebaut. Beim Aufbau der Zellen kommen Metallgitter als Gasverteilerstruktur zum Einsatz und ersetzen die aufwendigen und teuren Graphitbipolarplatten.
Das so entstandene Stack wird experimentell nach der möglichen Wärmeauskopplung und der dazugehörigen elektrischen Leistung charakterisiert. Zuerst werden die stationären Parameter in Abhängigkeit des Kühlsystems unter Variation des Kühlmittelvolumenstroms und der Rücklauftemperatur aufgenommen. Hier hat sich gezeigt, dass mit dem vorliegenden Befeuchtungssystem die elektrische Leistung unabhängig von dem Kühlsystem ist. Die thermische Leistung hingegen kann auf den Brennwert bezogen werden. Nach Bestimmung der optimalen Parameter wird das dynamische Verhalten der Brennstoffzelle untersucht. Hier wird über eine Sprungantwort das Verhalten der Stackspannung US und der thermischen Leistung aufgezeichnet. Die maximale elektrische Leistung steht nach ca. 40ms zur Verfügung. Die maximale Wärme kann nach ca. 10-15min abgenommen werden. 80% der Wärmeleistung steht jedoch schon nach 3min zur Verfügung.
Mit den gewonnen Daten über die Leistungsfähigkeit der aufgebauten Brennstoffzelle wird das Modell in ein Hausheizungskonzept unter unterschiedlichen Optionen eingebunden.

Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
I.Inhaltsverzeichnis
1.Einleitung1
2.Brennstoffzellen zur Strom- und Wärmeerzeugung3
2.1Geschichte der Brennstoffzelle3
2.2Funktionsprinzip3
2.3Anwendungsgebiete der Brennstoffzelle5
2.4Polymermembranbrennstotfzelle (PEMBZ)6
3.Theoretische Grundlagen der PEMBZ9
3.1Gasdurchfluss9
3.2Elektrische Kenngrößen10
3.3Thermische Kenngrößen12
3.4Wirkungsgrade14
3.5Energiebilanz16
3.6Wasserhaushalt der PEMBZ17
4.Aufbau einer PEM-Brennstoffzelle mit Messtechnik20
4.1Konfiguration einer Einzelzelle21
4.2Experimenteller Aufbau des PEMBZ-Stacks27
4.3Durchführung der Messungen31
5.Ergebnisse und deren Diskussion33
5.1Untersuchung zur Befeuchtung33
5.1.1DRYPOINT33
5.1.2Umluft37
5.1.3Bewertung des Betriebsverhaltens39
5.2Stationäre Parameter [...]