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DIPLOMARBEIT

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1. 25 Abbildung 4 1 Schema des Brennstoffzellen Teststandes ese 31 Abbildung 4 2 Schematische Darstellung der Testzelle ZSW 32 Abbildung 4 3 Dichtungskonzept mit Viton 13 und Endplatte mit Flowfield ZSW 33 Abbildung 4 4 Digitaler Massendurchflussregler EL FLOW III 34 Abbildung 4 5 Messprinzip der thermischen Massendurchflussmessung 17 34 Abbildung 4 6 Schematische Darstellung der Gasdosierung suus 35 Abbildung 4 7 Str mungsbereiche in Blasens ulen TI8l een 31 Abbildung 4 8 Schnittdarstellung eines Befeuchters sse 40 Abbildung 4 9 Bodenflansch mit angeschwei ter Sinterscheibe ssss 4 Abbildung 4 10 Blindflansch mit Rohrwendel seen 42 Abbildung 4 11 Befeuchter mit Heizband Thermoelementen und Heizschl uchen 43 Abbildung 4 12 Feuchtef hler ROTRONIC HYGROMER Lo 44 Abbildung 4 13 Feuchtemesskatifnet seus iet rrt Seet Ant LH Red 45 Abbildung 4 14 Mantel Thermoelement mit Ausglechsletung esses 46 Abbildung 4 15 KELLER Drucksensor Serie 33 47 Abbildung 4 16 Klemmenkasten Frontansicht und Verdrahtung sess 50 Abbildung 5 1 Verfahrensflie bild des Teststandes sse 22 Abbildung 5 2 Hauptbildschirm System Conte FA 57 XI Abbildungs und Tabellenverzeichnis Abbildung 5 3 Hauptbildschirm Flussdiagramm F1 eee 59 Abbildung
2. 81 9 ANHANG CD ROM u 83 VI Abk rzungen Formelzeichen Indizes Abk rzungen A D Analog Digital AFC Alkalische Brennstoffzelle eng alkaline fuel cell ALT Beschleunigte Alterungstests eng Accelerated Life Tests abs absolut BHKW Blockheizkraftwerk BZ BSZ Brennstoffzellen DDE Dynamic Data Exchange DI deionisiert DIN Deutsche Industrie Norm DMFC Direktmethanol Brennstoffzelle eng direct methanol fuel cell FhG Fraunhofer Gesellschaft GDL Gasdiffusionslage G Mode Konstantleitwert Modus der elektronischen Last GPIB General Purpose Interface Bus IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers I Mode Konstantstrom Modus der elektronischen Last VO Input Output ISE Institut f r Solare Energiesysteme MCFC Schmelzkarbonat Brennstoffzelle eng molten carbonate fuel cell MEA Membran Elektroden Einheit eng Membrane Electrode Assembly MOS FET Metal Oxide Semiconductor Feldeffekttransistor MSR Messen Steuern Regeln PAFC Phosphorsaure Brennstoffzelle eng phosphoric acid fuel cell PC Personal Computer PCI Peripheral Component Interconnect PEFC Proton Exchange Fuel Cell PEM Proton Exchange Membrane Polymer Elektrolyt Membran PEMFC Proton Exchange Membrane Fuel Cell PTFE Poly Tetra Fluor Ethylen ppm parts per million RAM Random Access Memory rel relativ rF relative Feuchte VII SOFC subVI U Mode VI Vol 96 ZSW v E Abk rzungen Formelzeichen Indizes
3. Gas EIN Blindflansch Dicke 10 mm Gas AUS i Gas AUS Dicke 10 mm Schwei flansch Y B NUT Nut f r O Ring Gasraum DIN Edelstahlrohr 100 mm DIN 114 3x2 mm A Destilliertes Wasser Beheizung Temperatur bis zu 130 C Heizband s pee 700 mm Rohrwendel aus 6 mm Edelstalrohr DIN Edelstahlrohr 76 1 x 2 mm mit befestigtem Stahlsinterelement zu Gasdispersion LM EEE Y Schweissfitting u Wasser EIN Gas EIN Patrick K nig Fraunhofer ISE Abteilung ENT Durchmesser 114 3 mm Abbildung 4 8 Schnittdarstellung eines Befeuchters Wie in der Abbildung 4 8 dargestellt ist wurden DIN Edelstahlrohre mit einem Au endurchmesser von 114 3 mm und einer Wandst rke von 2 mm verwendet Als Bodenflansch dient eine 10 mm dicke Vollmaterialscheibe Damit man bei einem l ngeren Testbetrieb Wasser mit einer Pumpe o nachf llen kann ohne den kompletten Befeuchter ffnen zu m ssen ist im Bodenflansch neben dem Rohranschluss f r die Gaseinleitung auch ein Anschluss zur Wassernachf llung angebracht 40 Konzeption des Teststandes Um eine Dispersionsscheibe zur Gasverteilung oberhalb des Gaseinlasses im Stahlbeh lter befestigen zu k nnen und zu vermeiden dass Gas seitlich der Scheibe vorbeistr mt musste eine geeignete Konstruktion gefunden werden Die Firma
4. H 55 Fachhochschule Karlsruhe Hi A University of Applied Sciences ZE Fachbereich Elektro und Informationstechnik KARLSRUHE Studiengang Elektrische Energietechnik DIPLOMARBEIT Nr 1302 Konzeption und Inbetriebnahme eines automatisierten Dauerteststandes zur Untersuchung der Degradation von PEM Brennstoffzellen vorgelegt von Patrick K nig Matrikel Nr 008432 Hauptreferent Prof Dr rer nat Klaus Wolfrum Korreferent Prof Dipl Ing Guntram Schultz Betreuerin Dipl Ing Ursula Wittstadt Fraunhofer Institut f r Solare Energiesysteme Eidesstattliche Erkl rung Eidesstattliche Erkl rung Hiermit versichere ich die vorliegende Diplomarbeit mit dem Thema Konzeption und Inbetriebnahme eines automatisierten Dauerteststandes zur Untersuchung der Degradation von PEM Brennstoffzellen ohne unzul ssige fremde Hilfe selbst ndig verfasst und keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt zu haben Freiburg den 4 M rz 2002 Patrick K nig II Danksagung Danksagung Mein Dank f r die hervorragende Betreuung dieser Arbeit gilt Herrn Prof Dr Klaus Wolfrum von der Fachhochschule Karlsruhe F r die Betreuung am Fraunhofer Institut f r Solare Energiesysteme m chte ich mich bei Frau Dipl Ing Ursula Wittstadt besonders bedanken Ebenso gilt mein Dank Dipl Ing Tom Smolinka Dipl Ing Ansgar Rau Dipl Ing FH Thomas Jungmann Michael Czok und besonders Dipl
5. Datendisplay F2 Brennstoffzelle F3 sind ber Mausklick oder die entsprechenden F Tasten zug nglich Zudem ist es jederzeit m glich das Programm ber die Tastenkombination Ctrl F12 zu beenden und somit eine softwarem ige Sicherheitsabschaltung vorzunehmen Abbildung 5 2 Hauptbildschirm System Config F4 57 Automatisierung des Teststandes Neben den Statusanzeigen des KEITHLEY Datenloggers und der BRONKHORST Durchflussregler sind ber den Hauptbildschirm System Config F4 Einstellungen zur Messwerterfassung und Datensicherung m glich Der Benutzer w hlt Laufwerk Pfad und Dateiname sowie das Speicherintervall zur Abspeicherung der Messdaten Bei der Wahl des Speicherintervalls besteht zudem die M glichkeit der kontinuierlichen Speicherung as fast as possible entsprechend der Abtastrate des Datenloggers oder der zeitabh ngigen Speicherung Angabe in Minuten Wird zus tzlich zur zeitabh ngigen Speicherung die Aufbereitung der Daten gew nscht werden die Messwerte kontinuierlich erfasst und daraus bis zur endg ltigen Abspeicherung entsprechend dem gew hlten Speicherintervall Mittelwert Minimum Maximum und Standardabweichung ermittelt Diese Werte werden dann zus tzlich zu dem aktuellen Messwert mit abgespeichert Die oben erl uterten Funktionen werden auf jeden Messwert angewandt der zuvor im Men Wahl der zu speichernden Messwerte angew hlt wurde Das Starten und Beenden der Datenspeic
6. isoliert 4 5 Feuchtemessung Damit nun Aussagen ber den internen Wasserhaushalt und dessen Einfluss auf die Degradation der Brennstoffzellen gemacht werden k nnen ist eine Feuchtemessung am Ein und Ausgang der Zellen von Vorteil Ferner gibt die Kenntnis der anodenseitigen Feuchtegehalte Aufschluss ber Wassertransporteffekte durch die Membran Mit der eingangsseitigen Feuchtemessung wird zudem die korrekte Funktion der Befeuchter berpr ft Durch den relativ kleinen Rohrinnendurchmesser der Gasleitungen von 4 mm wurden Feuchtesensoren mit m glichst geringen Abmessungen ben tigt um Temperatur und Str mungsverluste gering zu halten Dies gestaltete sich aber durch die gew nschte hohe Gastemperatur im Teststand von bis zu 130 C als u erst schwierig da auf dem Markt nur Standard Miniatursensoren mit einem Einsatzbereich von bis zu 100 C zur Verf gung stehen 43 Konzeption des Teststandes Die schweizer Firma ROTRONIC bietet passive F hler d h ohne integrierte Elektronik an die mit einem Temperatureinsatzbereich von 50 bis 150 C einer L nge von 10 cm und einem Durchmesser von 15 mm als guter Kompromiss angesehen werden k nnen vgl Abb 4 12 Abbildung 4 12 Feuchtef hler ROTRONIC HYGROMER I 1000 Diese temperaturkompensierten Feuchtef hler mit angeschlossenem Messumformer besitzen einen integrierten Pt100 Sensor zur gleichzeitigen Temperaturmessung und bestimmen die relative Feuchte im Bereich vo
7. Oxidkeramische Brennstoffzelle eng solid oxide fuel cell untergeordnetes Virtuelles Instrument LabVIEW Unterprogramm Konstantspannungs Modus der elektronischen Last Virtuelles Instrument LabVIEW Programm Volumenprozent Zentrum f r Sonnenenergie und Wasserstoff Forschung Prozent vom Endwert Formelzeichen Indizes A AF AI G S AG AG AG H2 H O aktive Elektrodenfl che A cm Beschleunigungsfaktor eng Acceleration Factor Aluminium Gold absolute Feuchte a kg m Degradationsparameter Degradationsparameter Calcium Kohlenmonoxid Kohlendioxid spezifische W rmekapazit t cp J K kg Degradationsparameter Degradationsparameter Aktivierungsenergie AE eV Elektron Faraday Konstante F 96485 3 As mol Modellgleichung f r ein Belastungsniveau freie Reaktionsenthalpie reversible Reaktionsarbeit f r fl ssiges Wasser AG 273 3 kJ mol rev Reaktionsarbeit f r gasf rmiges Produktwasser AG 228 6 kJ mol Wasserstoffion Proton Wasserstoff Wasser VIII Reaktionsenthalpie oberer Heizwert Stromst rke theoretischer elektrischer Strom Stromdichte konstanter Faktor Boltzmann Konstante Normliter bei To und po Molmasse Masse Massenstrom Stickstoff Avogadro Konstante Stoffmengenstrom umgesetzte Stoffmenge Sauerstoff elektrische Leistung Platin Partialdruck Standarddruck Leistungsdichte Partialdampfdruck S ttigungsdampfdruck Ladung univer
8. 0 02 0 05 0 1 0 2 05m 1 Beh lterdurchmesser Dg Abbildung 4 7 Str mungsbereiche in Blasens ulen 15 Bei einem maximalen Volumenstrom von 2 l min Durchflussregler kathodenseitig l sst sich die Durchflussgeschwindigkeit in Abh ngigkeit des Rohrinnendurchmessers berechnen Aus Abbildung 4 7 ergibt sich damit eine homogene Blasenstr mung schon ab einem Beh lterdurchmesser von 4 cm Die Ergebnisse dieser Berechnungen sind dem Anhang B auf CD R zu entnehmen 37 Konzeption des Teststandes Weiter ist nun das ben tigte Wasservolumen des Beh lters zu bestimmen Gas kann bei verschiedenen Temperaturen nur eine gewisse Menge an Wasser aufnehmen Bei einer relativen Feuchte von 100 spricht man von einer S ttigung des Gases Die relative Luftfeuchte beschreibt das Verh ltnis von Partialdampfdruck des Wassers pp zum S ttigungsdampfdruck ps bei der jeweiligen Temperatur 2 o 2 GI 4 2 Ds 9 1 pp ps Pa Um nun jedoch berechnen zu k nnen wieviel Wasser im ges ttigten Gas enthalten ist d h welche Menge Wasser ein Gas bei bestimmter Temperatur aufnimmt muss die absolute Feuchte a bekannt sein 2 m a 7m a kg m Gl 4 3 Mit Hilfe der Zustandsgleichung f r ideale Gase 2 Myo RT Po V an Gl 4 4 R universelle Gaskonstante R 8 314 J K mol M Molmasse M kg mol und der Gleichung 4 2 f r relative Feuchte ergibt sich daraus f r die absolute Feuchte qus DRM R
9. 5 2 1 Datenlogger Neben den Messsignalen der Durchflussregler und der elektronischen Last die schon digital gewandelt ausgegeben werden und direkt in den PC eingelesen werden k nnen m ssen die unterschiedlichen analogen Signale der Temperatur Feuchte und Druckmessung mit Hilfe eines Datenerfassungssystems zuerst digital gewandelt werden Zus tzlich ist f r die Temperaturregelung der Befeuchter Heizschl uche und Brennstoffzellen sowie zur Steuerung der Magnetventile d h f r die gesamte Ansteuerung der Schaltrelais vgl Kap 4 9 eine Steuereinheit notwendig Zur Umsetzung dieser Anforderungen wird ein Datenerfassungssystem Digitalmultimeter vom Typ DMM 2700 der KEITHLEY Instruments GmbH verwendet Das Modell 2700 ist ein Mehrpunkt Mess und Steuerungssystem mit zwei Modulsteckpl tzen f r Anwendungen mit bis zu 80 Kan len Durch die Wahl von verschiedenen Schalt und Steuermodulen l sst sich das System entsprechend der jeweiligen Anwendung konfigurieren Hier wird zum einen ein 7706 All in One I O Modul verwendet welches neben zwei analogen Ausg ngen Z hlfunktion und Frequenzmesser 20 analoge Eing nge und 16 digitale Ausg nge besitzt Die analogen Eing nge sind sowohl zur Spannungsmessung ACV DCV als auch zur Temperaturmessung Thermoelement Thermistor Widerstandstemperaturf hler geeignet Zum Anschluss von Thermoelementen ist zus tzlich ein isothermer Block mit Referenztemperaturmessung integriert der eine ex
10. Automatisierung des Teststandes 5 3 3 Programm der elektronischen Last Zur Erfassung der Messwerte f r Spannung Strom und Leistung der Brennstoffzelle wird ein modifiziertes LabVIEW Programm nach Vorlage des Lastherstellers INDUSTRIE TEAM SERVICE ITS GmbH eingesetzt hnlich der realen Last besitzt das Programm die M glichkeit der Moduswahl U I und G Mode Messbereichswahl f r Strom und Spannung sowie Sollwertvorgabe siehe Kap 4 8 Zudem ist es m glich die Lastfreigabe durch Mausklick zu aktivieren Zus tzlich zur digitalen Anzeige werden im Programm die Messwerte f r Strom und Spannung ber grafische Analogmesswerke ausgegeben vgl Abb 5 14 10 0150 250555 5 0 0 0 40 0 Leistung W Leitwert S A Abbildung 5 14 Frontpanel der elektronischen Last 7141 Z Das Programm der Last wird parallel zum Hauptprogramm des Teststandes gestartet und bermittelt durch globale Variablen die erforderlichen Messwerte f r Spannung Strom und Leistung Das Programm ist im Anhang C auf CD R zu finden 67 Inbetriebnahme des Teststandes 6 Inbetriebnahme des Teststandes Zur berpr fung der korrekten Funktionsweise aller Komponenten des Teststandes erfolgte die Inbetriebnahme in mehreren Schritten Nach berpr fung der korrekten Stromversorgung aller Systemkomponenten und Druckdichtigkeit der gesamten Anlage erfolgte die Kontrolle der Gasdosierung Weiterhin wurde die Gasbefeuchtung mit zugeh riger Temperie
11. emperaturen BEREREREREEEEEER hob PE25220 x 2501 8P emp_RefZELLE emp_ZELLE Abbildung 5 7 Blockdiagramm zur Datenerfassung und aufbereitung 62 Automatisierung des Teststandes Elemente zur Datensicherung In Abbildung 5 8 ist das Blockdiagramm zur Erzeugung der Datei dargestellt in der die Messwerte abgespeichert werden Dem durch den Benutzer im Hauptbildschirm System Config F1 gew hlten Dateinamen wird zus tzlich die Endung dat angeh ngt wodurch die Datei nahezu jedem Datenverwaltungsprogramm zur Bearbeitung zug nglich ist aufwerk zur Datensicherung Abbildung 5 8 Blockdiagramm zur Erzeugung der Messwertdatei Entsprechend den Messwerten die vom Benutzer im Hauptbildschirm System Config F1 zur Datensicherung gew hlt wurden wird nun ein Datei Header aus den Bezeichnungen der Messwerte gebildet Dieser wird in Form einer durch Tabulatoren getrennten Zeichenkette in der zuvor erzeugten Datei abgespeichert vgl Abb 5 9 Aufgrund der Vielzahl an Messwerten wurde auf die vollst ndige Darstellung des entsprechenden Blockdiagramms verzichtet und nur ein Teil stellvertretend abgebildet Abbildung 5 9 Blockdiagramm zur Erzeugung des Datei Headers 63 Automatisierung des Teststandes Nach Erzeugen des Headers werden die erfassten Messwerte ebenfalls als eine durch Tabulatoren getrennte Zeichenkette in Form einer Zeile in der Datei abgespeichert Dabei wird zus tzlich
12. Betriebsverhalten der Brennstoffzelle untersucht Hierzu wurde die Temperatur der Befeuchter wiederum auf 80 C eingestellt die Zelle jedoch mit Hilfe der angebrachten Heizelemente auf 65 C temperiert In Abbildung 6 7 sind die Ergebnisse dargestellt 1100 1000 e Kennlinie O2 100 rF BZ 65 C 900 4 Kennlinie Luft 100 rF BZ 65 C gt 800 lt 4 Kennlinie O2 100 rF ohne Temp E 700 I Ca Kennlinie Luft 100 rF ohne Temp 2 600 z e 500 a o 400 300 200 100 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Stromdichte mA cm Abbildung 6 7 Kennlinien bei Temperierung der Zelle Neben den schon bekannten Unterschieden zwischen den Verl ufen der Kennlinien mit Sauerstoff und Luft ist Jeweils ein h herer Verlauf der Kennlinien bei Temperierung der Zelle auszumachen Im Bereich geringer Stromdichten wird die Reaktionsgeschwindigkeit durch die Temperierung leicht gesteigert was dort zu einer etwas h heren Wasserbildung und besseren Membranbefeuchtung schon zu Beginn f hrt Im weiteren Verlauf der Kennlinien sind dadurch insgesamt h here Leistungsdichten auszumachen Bei den Messungen mit 100 rF und Temperierung wurden entsprechend geringe Ohmsche Widerst nde von bis zu 9 mQ Kennlinie mit Sauerstoff gemessen Leistungsdichte der Zelle Der Unterschied der Leistungsdichte zwischen Luft und Sauerstoffbetrieb soll anhand der Kennlinien mit Temperierung aufgezeigt werden
13. Inbetriebnahme des Teststandes innerhalb der Zelle zu gew hrleisten wurde zus tzlich zur Gasdiffusionsschicht Torray Kohlenstoffpapier Dicke 260 um eingelegt 6 3 1 Allgemeine Durchf hrung der Messungen Um vergleichbare Ergebnisse zu erhalten wurde die Zelle in jeder Messung mit konstanten Gasvolumenstr men betrieben Dabei wurde f r Wasserstoff ein Volumenstrom von 120 ml min eingestellt was etwa einem St chiometriefaktor von A 1 5 bei 500 mV entspricht Kathodenseitig wurde ein St chiometriefaktor von etwa 3 gew hlt siehe Kap 3 2 2 Dies ergibt f r Messungen mit reinem Sauerstoff einen Volumenstrom von 132 ml min und f r Luft 600 ml min ber die Backpressure Ventile wurde ein Systemdruck von 2 bar abs eingestellt Vor Beginn der ersten Messung wurde die Zelle bei einer Spannung von 200 mV belastet um sie so bis zum Erhalt konstanter Stromwerte einzufahren Vor jeder weiteren Messung wurde bei Ruhespannung mit Hilfe eines digitalen Milliohmmeters Agilent 4338B Datenblatt im Anhang D auf CD R der Ohmsche Widerstand der Zelle bestimmt welcher sich aus einer Reihenschaltung der Materialwiderst nde der Bipolarplatten GDL und Membran zusammensetzt Die H he des Ohmschen Widerstandes l sst Aussagen ber den Befeuchtungsgrad der Membran und so ber deren Leitf higkeit zu Zur Aufnahme der einzelnen U I Kennlinien wurde in jeder Messung ausgehend von der sich einstellenden Ruhespannung die Spannung ber
14. SOFC Oxidkeramische Brennstoffzelle solid oxide fuel cell Elektrolyt Kalilauge 30 KOH Polymer membran z B Nafion Dow Polymer membran z B Nafion Dow Konzentrierte Phosphors ure H3PO4 Alkalikarbonat Schmelzen Li2CO K5CO Yttrium stabilisiertes Zirkonoxid ZrO jl YO Brennstoff Reinst Wasserstoff Wasserstoff reformiertes Methanol oder Methan Methanol MeOH Wasserstoff reformiertes Methan Erdgas Kohlegas Biogas Wasserstoff Erdgas Kohlegas Biogas Wasserstoff Grundlagen der Brennstoffzelle elektrischer Wirkungs grad in Prozent 50 bis 70 50 bis 68 20 bis 30 35 bis 55 45 bis 60 50 bis 65 Anwendung Transport Raumfahrt Milit r Elektroantriebe BHKW Batterieersatz Raumfahrt Milit r Elektroantriebe BHKW Strom erzeugung BHKW reine Strom erzeugung Kopplung mit Dampfturbine BHKW reine Strom erzeugung Kopplung mit Gasturbine Tabelle 2 1 Spezifische Eigenschaften unterschiedlicher Brennstoffzellen Typen 3 5 2 9 AFC Alkalische Brennstoffzelle Die Alkalische Brennstoffzelle ist der technisch ausgereifteste Brennstoffzellentyp und zeichnet sich durch hohe Wirkungsgrade aus da die Kinetik der Sauerstoffreduktion in alkalischen Elektrolyten schneller als in sauren Medien abl uft Verwendet wird konzentrierte Kalilauge 3 50 Gew Ein entscheidender Nachteil dieses Elektrolyten ist seine
15. glichen jedoch keine eindeutigen R ckschl sse auf Alterungsprozesse Leistungsverluste mit der Zeit oder gar Ausfallmechanismen Die aktuelle PEFC Technologie weist in der Praxis einen Leistungsverlust von ca 5 bis 10 1000h auf 7 Bisher sind jedoch nur einige wenige Erscheinungen bekannt die wesentliche Degradationen bei PEM Brennstoffzellen hervorrufen Diese Faktoren der Zelldegradation sollen im Folgenden kurz aufgezeigt werden e Durch die Verwendung korrodierender metallischer Bauteile wie Bipolarplatten vgl Abb 3 6 Dichtungsmaterialien und Gasanschl sse und der daraus mit der Zeit entstehenden Korrosionsprodukte wird die lonenwanderung durch die Membran blockiert Diese Kontaminationen durch Metallionen haben auf die Leitf higkeit und die Integrit t von Nafionmembranen einen entscheidenden Einfluss So wei man von anderen Membranprozessen wie Elektrolyse und Elektrodialyse dass z B Ca und Al Spuren im ppm Bereich zu Membranzerst rung f hren 7 20 Die PEM Brennstoffzelle Abbildung 3 6 Korrodierte Bipolarplatte anodenseitig 4 Durch mangelhafte Befeuchtung und bei hoher Temperatur im Betrieb werden chemische und elektrochemische Degradationsprozesse an der Elektrolytmembran in Gang gesetzt Hierbei bestehen Unterschiede zwischen fluorierten Materialien wie z B Nafion und nicht fluorierten Membranen entsprechend ihrer chemischen Struktur So kommt es unter anderem zur Abl sung Delamination der
16. katalytischen Schicht von der Elektrolytmembran in der Membran Elektroden Anordnung Die im Brenngas und der Umgebungsluft zum Teil enthaltenen Spurenbestandteile wie Schwefel und CO haben einen negativen Einfluss auf die Katalysatoren und Elektrolyten der MEA indem sie zu irreversiblen Degradationsprozessen f hren So werden z B durch Schwefel aus dem Brenngas und aus dem Kohlenstofftr ger des Katalysators die Katalysatorpartikel deaktiviert und die Membran vergiftet 7 Die elektrochemische Belastung beim Betrieb hat nicht nur Auswirkungen auf die Polymerverbindungen in den Brennstoffzellenelektroden sondern auch auf den Katalysator Aus Tiefenprofilmessungen an der Wasserstoffelektrode ist bekannt dass die Platinkonzentration an der Elektrodenoberfl che und dem in den Tiefenprofilmessungen zug nglichen Oberfl chenbereich nach l ngerem Betrieb auf weniger als 1 20 der urspr nglichen Konzentration abgenommen hat 4 Diese Abnahme der Platinkonzentration zeigt dass das Platin in Gegenwart von Wasserstoff eine erh hte Mobilit t besitzt und sich vergr erte Platinpartikel gebildet haben die einen deutlich kleineren Oberfl chenanteil besitzen als die urspr ngliche hochdisperse Platinverteilung auf dem Kohlenstofftr ger Diese Alterung des Katalysators hat deutliche Leistungseinbr che zur Folge 21 Die PEM Brennstoffzelle Insgesamt ist zu sagen dass bisher meist nur ein bestimmter Typ einer Zelldegradation vermutet wur
17. 5 4 Hauptbildschirm Datendisplay F2 eee 60 Abbildung 5 5 Hauptbildschirm Brennstoffzelle F3 eese 60 Abbildung 5 6 VIs zur Initialisierung des Datenloggers sss 61 Abbildung 5 7 Blockdiagramm zur Datenerfassung und aufbereitung 62 Abbildung 5 8 Blockdiagramm zur Erzeugung der Messwertdatei sssse 63 Abbildung 5 9 Blockdiagramm zur Erzeugung des Date Header 63 Abbildung 5 10 Blockdiagramm zur Speicherung der Messwerte sss 64 Abbildung 5 11 Blockdiagramm der Zweipunkt Regelung sss 65 Abbildung 5 12 Blockdiagramm zur Temperaturregelung und Magnetventilsteuerung 65 Abbildung 5 13 Blockdiagramm der Durchflussregler Steuerung 66 Abbildung 5 14 Frontpanel der elektronischen Last 7141 Z sss 67 Abbildung 6 1 Anodenseitige Befeuchtung bei unterschiedlichen Volumenstr men 70 Abbildung 6 2 Kathodenseitige Befeuchtung bei unterschiedlichen Volumenstr men 70 Abbildung 6 3 Schrittweise Befeuchtung anoden und kathodenseitig 71 Abbildung 6 4 Temperaturverl ufe des Aufhetzversuches sse 12 Abbildung 6 5 Thermografie Nahaufnahme des Teststandes sess 173 Abbildung 6 6 Kennlinien bei unterschiedlicher Beieuchtung sss 76 Abbildung 6 7 Kennlinien bei Temperierung der Zelle 77 Abbildung 6 8 Verlauf der Leistungsd
18. Dies ist hier bei der Vielzahl an Messstellen und bei der begrenzten Anzahl an Messkan len des Datenerfassungssystems siehe Kap 5 2 von Vorteil In Abbildung 4 14 ist ein Mantelthermoelement mit einer L nge von 10 cm einem Durchmesser von 1 5 mm und 2 m Ausgleichsleitung dargestellt Abbildung 4 14 Mantel Thermoelement mit Ausgleichsleitung 46 Konzeption des Teststandes 4 7 Druckmessung Um den Druck im gesamten Teststand aufrecht zu erhalten sind am Systemausgang d h nach den Feuchtemesskammern am Zellausgang manuelle Druckminderer sogenannte Backpressure Ventile angebracht die sich bei berschreiten des eingestellten Druckes ffnen und das bersch ssige Gas abblasen Die eigentliche Messung und Anzeige des Systemdruckes wird einerseits in den Gaszuleitungen nach den Kugelh hnen und andererseits vor den Backpressure Ventilen durch insgesamt f nf Manometer bernommen Diese Manometer aus Edelstahl mit der Genauigkeitsklasse 1 6 haben einen Messbereich von 0 bis 6 bar rel Zur Bestimmung des Druckabfalls in den Brennstoffzellen durch etwaige Wassereinlagerung o wird im Anoden und Kathodengasstrom vor Eintritt in die Zellen der Druck ber einen Rohrabzweig mittels zweier analoger Drucksensoren der Firma KELLER AG gemessen vgl Abb 4 15 ce 7 Abbildung 4 15 KELLER Drucksensor Serie 33 Diese piezoresistiven Drucksensoren in 2 Leiter Ausf hrung und einem analogen Stromausgangssignal von 4 bis 20
19. Gas und Dampfturbinen jedoch ist dieser Brennstoffzellen Typ von allen vorangegangenen der am wenigsten weit entwickelte Die PEM Brennstoffzelle 3 Die PEM Brennstoffzelle In den folgenden Kapiteln soll kurz auf einige f r die Teststandkonzeption wichtige theoretische Grundlagen der PEM Brennstoffzellen eingegangen werden Nach der Beschreibung des allgemeinen Aufbaus und der Erkl rung chemischer thermodynamischer und kinetischer Grundlagen werden f r das Forschungsprojekt relevante theoretische Grundlagen zu Degradationsmechanismen und beschleunigten Alterungstests aufgezeigt 3 1 Aufbau einer PEMFC Abbildung 3 1 zeigt den schematischen Aufbau einer PEM Einzelzelle Elektroden Membran y Einheit Wasserstoff elektrischer Verbraucher Sauerstoff oder Luft Bipolarplatte Anode Kathode Abbildung 3 1 Schematischer Aufbau einer PEM Einzelzelle 8 Wie der Name schon sagt besteht der Elektrolyt einer PEM Brennstoffzelle aus einer protonenleitenden Membran einer 30 bis 170 um d nnen Folie auf der Basis eines perfluorierten sulfonierten Polymers wie z B das von der Firma DuPont entwickelte Nafion oder das Polymer der Firma DOW Chemicals vgl Abb 3 2 10 NAFION ICE CE MCE CE DOW ICE CE MCE CEA l Die PEM Brennstoffzelle O O CF cr crc ct b SO CF CF SOH Abbildung 3 2 Chemische Formeln verwendeter Polymere 3 Neben der Funktion des Elektrolyten bernimm
20. Ing FH Dirk Timm sowie allen Kollegen durch deren fachliche Unterst tzung und so manche Anregung diese Arbeit in freundschaftlicher Atmosph re geschaffen wurde Dank geb hrt r ckblickend meinen Freunden speziell Torsten Bro Klaus Dieter Eckert Frank Meier und Ulrich Mohr die stets daf r sorgten dass w hrend des Studiums auch der Spa nie zu kurz kam Ein besonderer Dank geht an meine Eltern Isolde und Alfred K nig und meine Br der Marc und Dominik ohne deren Liebe Vertrauen und Unterst tzung moralisch fachlich und musikalisch das Studium nicht m glich gewesen w re F r die liebevolle moralische und seelische Unterst tzung m chte ich mich vor allem bei Simone bedanken II Kurzfassung Abstract Kurzfassung Zur Untersuchung der Alterungsmechanismen in Polymermembran Brennstoffzellen PEMFC wurde in der vorliegenden Diplomarbeit im Rahmen eines Verbundforschungsprojektes ein automatisierter Teststand entwickelt und in Betrieb genommen Mit Hilfe einer Gasdosierungseinheit ist es neben der Versorgung des Teststandes mit Luft m glich definierte Gasmischungen von Wasserstoff und Stickstoff einzustellen um den Einfluss der Brenngaskonzentration auf die Degradationsmechanismen ersichtlich zu machen Durch nachgeschaltete temperierte Befeuchtereinheiten wird eine Gasbefeuchtung von 0 bis 100 rel Feuchte in einem Temperaturbereich von bis zu 140 C realisiert was eine Untersuchung der Einfl sse von Fe
21. T Gl 4 5 Bei idealen Gasen ist die absolute Feuchte unabh ngig vom Tr gergas Aus den Daten f r den S ttigungsdampfdruck f r Wasser bei unterschiedlichen Temperaturen 2 kann nun f r jede beliebige Temperatur und relative Feuchte die absolute Feuchte berechnet werden Als Ma f r die Auslegung der Befeuchtereinheiten wurde eine Befeuchtung von 100 rF bei 80 C zugrunde gelegt Bei einer Temperatur von 353 17 K besitzt Wasser einen S ttigungsdampfdruck von 0 4736 bar 2 Mit einer Molmasse von 18 0153 g mol f r Wasser ergibt sich nun nach Gleichung 4 5 eine absolute Feuchte von a 0 291 kg m Ergebnisse zu weiteren absoluten Feuchtewerten im Anhang B auf CD R 38 Konzeption des Teststandes Mit diesem Ergebnis l sst sich nun der Massenstrom m d h wieviel Wasser pro Zeiteinheit in das Gas diffundiert berechnen EEN 92 ER L 0 03492 Gl 4 6 min m 1000 kg h Da es sich bei der Untersuchung der Degradation an Brennstoffzellen um Langzeitversuche handeln soll ist es von Vorteil wenn diese Versuche unbeaufsichtigt ber l ngere Zeit laufen k nnen Darum wurde bei der Dimensionierung des Wasservolumens in den Befeuchtereinheiten auf eine m gliche Laufzeit von mehreren Tagen geachtet Bei der Wahl des Rohrdurchmessers wurden g ngige DIN Ma e betrachtet um den Fertigungsaufwand m glichst gering zu halten So wurde f r mehrere Rohrdurchmesser das Wasservolumen in Abh ngigkeit von realisierbaren R
22. TRIDELTA SIPERM GmbH aus Dortmund stellte dazu freundlicherweise Musterronden aus 3 mm dickem por sem Edelstahlsintermaterial zur Verf gung Datenbl tter siehe Anhang D auf CD R Diese normalerweise als Gasfilter eingesetzten Sinterscheiben aus rostfreiem Edelstahl mit einer Porosit t von 200 um und einem Durchmesser von 8 cm wurden auf ein St ck Edelstahlrohr geschwei t was wiederum gasdicht mit dem Bodenflansch verschwei t wurde In Abbildung 4 9 ist der Bodenflansch mit Dispersionseinheit dargestellt Abbildung 4 9 Bodenflansch mit angeschwei ter Sinterscheibe Das obere Ende der Befeuchter ist als Flansch ausgef hrt und wird mit einem 10 mm dicken Blindflansch sechs M8 Schrauben und einer O Ring Dichtung druckdicht verschlossen vgl Abb 4 8 Weiter sind an den Blindflansch zwei Anschl sse zur Befestigung von Thermoelementen angebracht die die Temperatur des Wassers und des Gasraumes messen sollen Als Gasauslass dient eine an den Blindflansch angeschwei te Rohrverschraubung Der durch die Gasdosierung eingestellte Gasstrom der zu 100 befeuchtet werden soll wird von unten in das Wasser des Befeuchters eingeleitet Um nun sicherzustellen dass der zur Einstellung des gew nschten prozentualen Feuchtegehaltes notwendige trockene Gasstrom siehe Kap 4 3 die gleiche Temperatur besitzt wie der befeuchtete Gasstrom wird dieser durch eine Rohrwendel geleitet die als Bypass in den Blindflansch eingesetzt ist und in das W
23. WES T C GEN tt ER ren DD A AM eco COH GER Cf Ha d dierfen H HO H H H HOH HO Brenngas E 2 Ti 2 2 2 2 2 2 co coco co Alkalische Polymer phosphor Schmelz Fest BSZ Elektrolyt saure BSZ karbonat elektrolyt Membran BSZ BSZ BSZ Abbildung 2 4 Prinzipdarstellung unterschiedlicher Brennstoffzellen Typen 9 Je nach Art des verwendeten Elektrolyten ergibt sich eine individuelle Betriebstemperatur f r die unterschiedlichen Brennstoffzellentypen Im Bereich von 60 C bis ca 130 C dem sog Niedertemperaturbereich sind die alkalische Brennstoffzelle AFC und die Membran Brennstoffzellen PEFC und die in der Abbildung nicht aufgef hrte Direktmethanol Brennstoffzelle angesiedelt Zum mittleren Temperaturbereich zwischen 160 C und 220 C wird die phosphorsaure Brennstoffzelle gez hlt w hrend die Schmelzkarbonat und die Festelektrolyt Brennstoffzellen im Hochtemperaturbereich betrieben werden In Tabelle 2 1 sind zusammenfassend die wichtigsten Daten der genannten Brennstoffzellentypen dargestellt Temp in Grad Celsius 80 bis 90 800 bis 1000 Internationale Abk rzung und Name AFC Alkalische Brennstoffzelle alkaline fuel cell PEMFC Membran Brennstoffzelle proton exchange membrane fuel cell DMFC Direktmethanol Brennstoffzelle direct methanol fuel cell PAFC Phosphorsaure Brennstoffzelle phosphoric acid fuel cell MCFC Schmelzkarbonat Brennstoffzelle molten carbonate fuel cell
24. da bei den dort eingestellten Parametern die besten Messwerte erzielt wurden In Abbildung 6 8 sind die Kennlinien mit den zugeh rigen Verl ufen der Leistungsdichte dargestellt 77 Inbetriebnahme des Teststandes 1200 300 1100 1000 250 900 E t 800 200 s 700 P 5 600 150 i 500 E 400 100 8 300 w o 200 50 7 100 0 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Stromdichte mA cm Kennlinie O2 100 rF BZ 65 C 1q1m Kennlinie Luft 100 rF BZ 65 C 4 Kennlinie O2 Leistungsdichte 3 Kennlinie Luft Leistungsdichte Abbildung 6 8 Verlauf der Leistungsdichten bei Luft und Sauerstoffbetrieb Die Leistungssteigerung bei Betrieb mit Sauerstoff als Oxidationsgas ist in der Abbildung deutlich zu erkennen Bei einer aktiven Zellfl che von 25 cm liegt hier das Leistungsmaximum f r Luft bei 4 5 W und f r Sauerstoff sogar bei etwa 7 W Mit der Aufnahme der unterschiedlichen U I Kennlinien und der somit vorl ufigen Charakterisierung der zu testenden PEM Brennstoffzellen wurde die Funktion des gesamten Teststandes gezeigt 78 Zusammenfassung und Ausblick 7 Zusammenfassung und Ausblick Zur Untersuchung der Degradations und Alterungsmechanismen in Polymermembran Brennstoffzellen PEMFC wurde in der vorliegenden Diplomarbeit im Rahmen eines Verbundforschungsprojektes ein automatisierter Teststand konzipiert aufgebaut und in Betrieb genommen Diese
25. davor das Datum und die aktuelle Uhrzeit mit eingef gt und abgespeichert Wie in Abbildung 5 10 zu erkennen ist wird im Fall der angew hlten Datenaufbereitung zus tzlich aus jedem Messwert Durchschnitt Minimum Maximum und Standardabweichung ermittelt und anschlie end mit abgespeichert Hier wurde wiederum auf die vollst ndige Darstellung des entsprechenden Blockdiagramms verzichtet und nur ein Teil stellvertretend abgebildet emp AN z1j2 E AM Ein rF RIA Abbildung 5 10 Blockdiagramm zur Speicherung der Messwerte Elemente zur Temperaturregelung und Magnetventilsteuerung Die Temperaturregelung der Befeuchter Heizschl uche und Heizelemente der Brennstoffzellen erfolgt durch eine einfache Zweipunkt Regelung da durch die Tr gheit der einzelnen Heizelemente ein kritisches Schwingen der Regelung verhindert wird Im Fall der Befeuchter wird hierzu der gemessene Wert der Gasraumtemperatur mit dem vorgegebenen Sollwert ber die logische Funktion kleiner als verglichen Um ein berschreiten der erlaubten Heizelementtemperatur zu verhindern wird zus tzlich die Temperatur des Heizelementes mit dem maximal erlaubten Temperaturwert des Heizelementes ber die logische Funktion kleiner gleich als verglichen Die Ergebnisse der beiden logischen Verkn pfungen werden mit dem OFF Schalter der zur softwarem igen Sicherheitsabschaltung der Heizelemente dient logisch UND verkn pft vgl Abb 5 11 64 Automa
26. der Langzeitmessungen zu erhalten Abbildung 4 2 zeigt den schematischen Aufbau der Testzelle deren u ere Abmessungen 9x9x4 cm und die aktive Membranfl che im Inneren der Zelle ca 25 cm betr gt Auf Composit Materialien in der Zelle wurde bewusst verzichtet und darum die Bipolarplatten aus reinem Graphit gefertigt 31 Konzeption des Teststandes um Verunreinigungen durch Korrosionsprodukte o im Laufe der Zeit auszuschlie en 14 Abbildung 4 2 Schematische Darstellung der Testzelle ZSW Um ben tigte Messger te und die elektronische Last besser anschlie en zu k nnen sind au en an den graphitischen Bipolarplatten noch Stromabnehmerplatten aus vergoldetem Kupfer befestigt An beiden Seiten der Testzelle sind auf die Stromabnehmerplatten zus tzlich Silikon isolierte wasserdichte Heizelemente mit einer Heizleistung von jeweils 60 W angebracht um eine gleichm ige Temperierung der Zelle zu erm glichen F r die Abdichtung der Zelle k nnen Dichtungen aus Teflon oder Viton eingesetzt werden Im Rahmen einer parallelen Diplomarbeit am FhG ISE 13 wurde speziell f r diese Zelle ein Dichtungskonzept mit Viton entwickelt welches eine optimale Abdichtung der Zelle bei gleichm igem Anpressdruck erm glicht In den Endplatten aus Graphit befindet sich das Flowfield welches die Reaktionsgase gleichm ig auf die Fl che verteilen soll vgl Abb 4 3 Am oberen und unteren Ende sind f nf Ein und Austritte z
27. die LabVIEW Benutzeroberfl che der Last in 50 mV Schritten abgesenkt und jeweils etwa 5 Minuten beibehalten Nach Erreichen einer minimalen Spannung bei der sich gerade noch vern nftige Stromwerte einstellten wurde die Messung beendet Die gesamten Werte f r Strom und Spannung wurden mit Hilfe des Datenerfassungssystems abgespeichert und anschlie end ausgewertet 6 3 2 Messungen und Ergebnisse Charakterisierung der Zelle unter Ber cksichtigung der Befeuchtung Um den Einfluss der definierten Gasbefeuchtung auf das Betriebsverhalten der Test Zelle zu untersuchen wurden Kennlinien bei einer Befeuchtung von 60 rF und 100 rF aufgenommen Die Temperatur der Befeuchter wurde dabei auf 80 C eingestellt und die Zelle selbst nicht temperiert Es wurden jeweils Kennlinien unter Verwendung von reinem Sauerstoff und von Luft als Oxidationsgas aufgenommen Die in Kapitel 6 2 3 75 Inbetriebnahme des Teststandes beschriebenen Einschr nkungen bei der Einstellung einer definierten temperierten Befeuchtung wurden dabei in Kauf genommen In Abbildung 6 6 sind die aufgenommenen Kennlinien dargestellt 1100 1000 e Kennlinie O2 60 rF 900 qm Kennlinie Luft 60 rF 800 14 Kennlinie O2 100 rF 700 3 Kennlinie Luft 100 rF 600 500 400 300 200 100 Spannung mV 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Stromdichte mA cm Abbildung 6 6 Kennlinien bei
28. die notwendigen Werte der Steuer und Regelgr en zu ermitteln 5 1 Mess Steuer und Regelstellen Die in den Teststand zur Visualisierung berwachung und Datenerfassung integrierten Mess Steuer und Regelstellen sowie Systemkomponenten sind dem Verfahrensflie bild in Abbildung 5 1 zu entnehmen wobei aus Gr nden der bersichtlichkeit auf die Darstellung der Messgr en der elektronischen Last verzichtet wurde Die Kennzeichnung der Messstellen wurde dabei nach DIN 19227 ausgef hrt Die darin verwendeten Symbole werden wie folgt unterschieden i Messstelle vor Ort Messstelle zur Warte von der Automatisierungssoftware erfasst In der folgenden Tabelle 5 1 sind die verwendeten Kennbuchstaben nach DIN 19227 aufgelistet Gruppe 1 Gruppe 2 Messgr e oder andere Eingangsgr e Verarbeitung als Erstbuchstabe als Erg nzungsbuchstabe als Folgebuchstabe Selbstt tige Regelung C Selbstt tige fortlaufende Steuerung E Durchfluss Durchsatz Verh ltnis TE LI y Aae P Duk EE DEEN T Temprau Messumformerfunktion X Sonstige Gr en Sonstige Vereinbarungs hier relative Feuchte Funktionen Tabelle 5 1 Verwendete Kennbuchstaben zur Benennung der MSR Stellen EU des Teststandes isierung Automat 52 JeJepuiu xonJg T d E Jejepuru ponuq ld zellezyoisuueug La epoujey Jeyyonajog InueABe uosxon Z00Z L
29. mA besitzen eine Gesamtgenauigkeit von besser als 0 1 bei einem Messbereich von 0 bis 10 bar abs Das eigentliche Messelement ist eine schwimmend eingebaute Siliziummesszelle mit aufgebrachtem Temperaturaufnehmer Ein Mikroprozessor mit integriertem 13 14 Bit A D Wandler und 5 fach Multiplexer f r die Signaleing nge sorgt mittels einer polynomischen Fehlerkorrektur f r eine hochgenaue digitale Kompensation im Betriebstemperaturbereich von 10 bis 80 C Datenblatt im Anhang D auf CD R Auf die genaue Bestimmung des Differenzdruckes zwischen Ein und Ausgang der Brennstoffzellen durch den Einsatz von zwei weiteren Drucksensoren am Ausgang der Zellen musste aus Kostengr nden und dem Fehlen von zwei weiteren analogen Stromeing ngen im Messwerterfassungssystem verzichtet werden Der Druckabfall entlang 47 Konzeption des Teststandes den Zellen wird somit vorerst aus der Differenz der genauen Druckwerte der Sensoren und der m glichst genau abgelesenen Druckwerte der Manometer ermittelt 4 8 Elektronische Last Anhand des Spannungs bzw Stromverlaufs der Brennstoffzellen bei Belastung ber l ngere Zeit lassen sich Aussagen ber die Langzeitstabilit t treffen und Alterungserscheinungen sichtbar machen Zus tzlich ist eine elektrische Charakterisierung der Test Brennstoffzellen mit Hilfe von Strom Spannungs Kennlinien notwendig Um nun sowohl U I Kennlinien aufnehmen zu k nnen als auch Spannungs und Stromverl ufe ber der
30. of a data logger and an adjacent computer was also implemented The correct operation of all components of the test facility was finally proven by an extensive initiation IV Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis L EINLEITUNG Geseke a 1 11 MOTIVATION EENS dee Eege 1 1 2 A IBN EB ULP 2 2 GRUNDLAGEN DER BRENNSTOFFZELLE 000000000000000000000000 4 2 1 IEN UE A 2 2 ALLGEMEINE FUNKTIONSWEISE cessssssesssssnsnsnsnssssnessensnsnnnssssssnssssnsnsnsnsssssesssssnsssnsssnnee 5 2 3 TYPEN VON BRENNSTOFFZELLEN seessssesscscnsosssssssenessensnsnnnsssssenssnsnsnsnsssssssssssssnsnsnssssnen 6 2 3 1 AFC Alkalische Brennstoffzelle een 7 2 3 2 PEMFC Polymer Elektrolyt Membran Brennstoffzelle 8 2 3 53 DMFC Direktmethanol Brennstoffzelle e 8 2 3 4 PAFC Phosphorsaure Brennstoffzelle nenne 8 2 3 5 MCFC Schmelzkarbonat Brennstoffzelle eee 9 2 3 6 SOFC Oxidkeramische Brennstottzelle 9 3 DIE PEM BRENNSTOFFZELLE eee e eee eene n reor e nere tenen 10 S T AUEBAUEINER PEM FC ed 5i eene eere ehe degen heo Ee ene doe oe Ua doe a Luo ea Une Uo deeg 10 3 20 CHEMISCHE GRUNDLAGEN e ecce ee eese en so oe eese ette tetto saos eee eese tato sees eee e tete tone ee eese eee 12 3 2 elle alte Ee Ee 12 3 2 2 Gasumsatz und St chiometrie esee eene eterna 12 3 3 THERMODYNAMISCHE GRUNDLAGEN ceeessosennssssssssssensnnnnsssssnssnensnsnsssssssssssse
31. unterschiedlicher Befeuchtung Allgemein verlaufen die Kennlinien mit Luft steiler als diejenigen mit Sauerstoff Die in der Luft enthaltenen Inertgase wie Stickstoff oder Kohlendioxid sammeln sich im Flowfield und erschweren somit den Durchtritt der Sauerstoffmolek le wodurch sich der Durchtrittswiderstand in der Zelle erh ht Zus tzlich werden dadurch kleinere Stromdichten als bei Betrieb mit Sauerstoff erzielt was au erdem zu geringerer Wasserbildung und so zu einer geringeren Befeuchtung der Membran f hrt Dies erh ht wiederum den Ohmschen Widerstand der Zelle Die gemessenen Ohmschen Widerst nde f r die Kennlinien mit Luft bewegten sich um 14 mQ wohingegen sich bei Sauerstoff Werte von bis zu 11 mQ ergaben Weiter ist zu erkennen dass die Kennlinien der mit 100 rF befeuchteten Zelle leicht oberhalb der mit 60 rF befeuchteten Kennlinien verlaufen Qualitativ l sst sich damit aussagen dass die h here Befeuchtung leistungssteigernd wirkt Das Einknicken der Sauerstoffkennlinie mit 100 Befeuchtung bei Werten ab etwa 650 mA cm ist jedoch auf eine berm ige Bildung von Wasser in den Kan len des Flowfields siehe Kap 4 2 bei hohen Stromdichten zur ckzuf hren Diese teilweise Zusetzung der aktiven Zellfl che wirkt wiederum leicht leistungsmindernd 76 Inbetriebnahme des Teststandes Charakterisierung der Zelle unter Ber cksichtigung der Temperierung Bei maximaler Befeuchtung wurde der Einfluss der Temperierung auf das
32. vollst ndig erreicht werden Somit sind Messungen bei temperierter Befeuchtung bisher nur eingeschr nkt m glich und aussagekr ftig Dies kann jedoch leicht durch Einbau einer externen Beheizung der Messzellen z B durch temperaturgeregelte Heizb nder behoben werden Im Anschluss an diese Diplomarbeit kann zur Durchf hrung von unbeaufsichtigten Langzeittests ber l ngere Zeit an die Befeuchter ber die vorgesehenen Ventile ein Dosiersystem zur Nachf llung von deionisiertem Wasser DI Wasser angeschlossen werden Da die Sicherheitsabschaltung bislang nur softwarem ig realisiert wird kann zus tzlich eine unabh ngige hardwarem ige Abschaltung durch Thermoschalter und Gassensoren vorgesehen werden 80 8 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Quellen und Literaturverzeichnis Quellen und Literaturverzeichnis Kories R H Schmidt Walter Taschenbuch der Elektrotechnik Grundlagen und Elektronik 4 berarbeitete Aufl Verlag Harri Deutsch Frankfurt am Main 2000 Taschenbuch der Physik Formeln Tabellen bersichten hrsg von Prof Dr H St cker 4 korrigierte Aufl Verlag Harri Deutsch Franfurt am Main 2000 Ledjeff Hey K F Mahlendorf J Roes Brennstoffzellen Entwicklung Technologie Anwendung 2 neu bearbeitete und erw Aufl C F M ller Verlag Heidelberg 2001 Forschungsverbund Sonnenenergie Zukunftstechnologie Brennstoffzelle Themen 1999 2000 Fleischer T
33. von Brennstoffzellensystemen besonders der PEM Brennstoffzellen genauer beschrieben in den nachfolgenden Kapiteln hat in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht Eine Markteinf hrung steht jedoch noch aus was neben den hohen Kosten auf die nicht ausreichende Lebensdauer der Brennstoffzellen zur ckzuf hren ist Die Verminderung der Degradation d h der Alterung von Brennstoffzellen ist somit ein wesentliches Kriterium f r den praktischen Einsatz besonders f r Anwendungen in der Kraft W rme Kopplung im Siedlungs und Hausenergiebereich Die Identifikation lebensdauerf rdernder Betriebsbedingungen bietet die Chance durch geeignete Konstruktion und Betriebsf hrung von Brennstoffzellen Systemen das Einsatzpotential dieser Technologie betr chtlich zu erweitern Die Verf gbarkeit verl sslicher beschleunigter Lebensdauertests erleichtert vor allem die Entwicklung und daher eine fr hzeitige Markteinf hrung dieser Technologie in allen Anwendungsfeldern 7 1 2 Zielstellung Im Rahmen dieser Diplomarbeit soll nun ein Dauerteststand konzipiert automatisiert und in Betrieb genommen werden der in der Lage ist PEM Brennstoffzellen unter verschiedenen Randbedingungen zu betreiben und zu vermessen Detaillierte Untersuchungen der Degradationsprozesse in Brennstoffzellen wurden erst f r einige wenige Fragestellungen begonnen Andere m gliche Problemkreise wurden zum Einleitung Teil noch gar nicht erkannt Die Konzeption des Te
34. wenn die Reaktanden und das Produktwasser bei derselben Temperatur isotherm und bei demselben Druck isobar zu bzw abgef hrt werden Im Standardzustand entspricht diese reversible Reaktionsarbeit AG 273 3 kJ mol f r fl ssiges und AG 228 6 kJ mol f r gasf rmiges Produktwasser 3 Die maximale reversible Zellspannung U ey im Standardzustand ergibt sich somit zu o AG rev 123V Gl 3 9 z F Die nderung der freien Reaktionsenthalpie AG l sst sich ber das Gesetz von Gibbs bestimmen welches eine Aussage erm glicht ob Reaktionen von selbst ablaufen also in der Lage sind Arbeit zu leisten 16 AG AH T AS Gl 3 10 AH Reaktionsenthalpie AH J mol T Reaktionstemperatur T K AS Reaktionsentropie AS J mol K 14 Die PEM Brennstoffzelle Die Reaktionsenthalpie AH stellt den Energieumsatz w hrend der chemischen Reaktion dar Der Term T AS entspricht dem an W rme gebundenen Anteil der in Form von Reaktionsw rme w hrend der Zellreaktion abgegeben wird Die bisherigen Betrachtungen beziehen sich auf Normbedingungen ndert sich bei der Zellreaktion Druck und Temperatur der Gase muss die reversible Zellspannung mit Hilfe der Nernst schen Gleichung ermittelt werden die Druck und Temperaturabh ngigkeit ber cksichtigt 20 GI 3 11 p U T p U ET dr e z F Pu R Gaskonstante R 8 314 J mol K T Temperatur T K pi Partialdruck der Eduk
35. 0 OZ 351 19jouuneij Duo xoured Wniiva NOA LTI31SH3 943d eBiqejbue puejsise pilasseiiJ GejDeissnyuoung epoujey uonejuoszieH FI InusaBelyosyony uyeyjo ny uanyau eyw 0L IL EE Reeg Gei d InuonBeyosyony fe g1e Beissnyuoung Ee Se 194 Id z1e Beussnyuoung uyeyjo ny muanyau ey Verfahrensfliefibild des Teststandes m epouy jejgonojeg E A RA nea Ke pi Ee N KE D E t Leilezyoisuueig 194 E ld A ni v 1ejBeussnyuoung 11e Beussnyuoung uyeyja ny uanyau ey D Ee E 3 i N H 3 A S Ta m IL Cr DI T Automatisierung des Teststandes Nachfolgend sind die im Flie bild dargestellten Messstellen entsprechend ihrer Funktion gegliedert Die Auflistung nach Tabelle 5 2 beinhaltet dabei das Kurzzeichen die Art des Bauteils und dessen Funktion FCI2 Durchflussregler Volumenstrom N5 FCI3 Volumenstrom MIX trocken FCI4 Volumenstrom MIX feucht FCI5 Volumenstrom LUFT feucht FCI6 Volumenstrom LUFT trocken a UEM PH ruck H Eingang PI2 ruck N Eingang PI3 ruck LUFT Eingang PI4 ystemdruck ANODE PI5 ystemdruck KATHODE PI6 ruck ANODE Eingang PI7 ruck KATHODE Eingang HC RENI TI Wassertemperatur Befeuchter ANODE TI2 Thermoelement Gastemperatur Befeuchter ANODE TCI3 Heizelement Befeuchter ANODE TCI4
36. AT Hei Teng KAT HS Temp AN 71 2 Temp KAT 71 2 Temp AN En Teng KAT Ee Temp AN Aus Temp KAT Aus Tero Fett Temp ZEUE zm 2080 0 2060 0 z 290 0 Y 200 0 H E 1980 0 1980 0 200 0 1940 0 19200 7 Patrick K nig 2001 2002 STOP System Ctrl F12 Rastatsve Feuchte in Sep 16 49 59 20 01 2002 16 54 44 tF AN Fin rain fF AN jus TF JAT Aus f AN Le 64 67 Huf fF KAT Ein 6564 Taf TEAN Aus Taf f KAT Aus 162 00 10 0 117 89 ur 00 5 16 48 59 p AN En p KAT Enn mbase sx LAN Fin 1941 p KAT En mbar abs 2064 16 53 01 r Abbildung 5 4 Hauptbildschirm Datendisplay F2 Im Hauptbildschirm Brennstoffzelle F3 vgl Abb 5 5 wird Spannung Strom und Leistung der an die Last angeschlossenen Brennstoffzelle dargestellt E Teststand Langlebige PLIC vi 1811 UZELE Laut H N x acer EH am Qu Ga Patric Keng 2001 2002 Temp KAT Ein IG c Temp AN Em fo 1EAN Eni 6350 wur p KAT tn 1987 mbar abs 11994 m Temp KAT OG 118 6 er d Abbildung 5 5 Hauptbildschirm Brennstoffzelle F3 60 Automatisierung des Teststandes Die Messwerte f r Spannung Strom und Leistung der Brennstoffzelle werden dabei mit Hilfe eines zus tzlichen Programms siehe Kap 5 3 3 von der Last erfasst und ber globale Variablen an das Hauptprogramm bergeben Hier werden sie dann ber den Hauptbildschirm Brennstoffzell
37. Berechnungen Befeuchter e Absolute Feuchte von Gasen e Dimensionierung der Befeuchtereinheiten Anhang C Software e LabVIEW Beispiele f r die BRONKHORST Durchflussregler e LabVIEW Treiber f r den KEITHLEY Datenlogger e LabVIEW Programmierung Hauptprogramm und Programm der Last Anhang D Datenbl tter Technische Zeichnungen e Datenbl tter technische Zeichnungen und Informationsmaterial aller Systemkomponenten und verwendeten Messger te Anhang E Inbetriebnahme e Diagramme und Kennlinien e Ergebnisse der Gaschromatographie e Thermografie Aufnahmen Anhang F Quellen e Downloads der verwendeten WWW Quellen Anhang G Diplomarbeit e Schriftliche Ausarbeitung 83
38. D Oertel TA Projekt Brennstoffzellen Technologie Endbericht hrsg vom B ro f r Technikfolgen Absch tzung beim Deutschen Bundestag TAB Dezember 2000 DIN 19227 Teil 1 Graphische Symbole und Kennbuchstaben f r die Prozessleittechnik Entwurf Berlin 1990 Zentrum f r Sonnenenergie und Wasserstoff Forschung Baden W rttemberg GB3 Projektantrag f r das BMBF Vernetzungsfond Erneuerbare Energien Langlebige PEFC als Voraussetzung f r eine Wasserstoffenergiewirtschaft 2000 Kabza Dr A Homepage PEMFC Proton Exchange Membrane Fuel Cell URL www pemfc de Komplettes Dokument auf CD R im Anhang F 2001 Institut f r Werkstoffe der Elektrotechnik IWE Universit t Karlsruhe Brennstoffzellen und Batterien Vorlesungsfolien WS 2001 02 URL www iwe uni karlsruhe de Komplettes Dokument auf CD R im Anhang F 81 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Quellen und Literaturverzeichnis Clark J A U S Garganese R S Swarz An Approach to Designing Accelerated Life Testing Experiments The MITRE Corporation Bedford 1997 ReliaSoft Corporation Accelerated Life Testing Reference 2001 URL www weibull com Komplettes Dokument auf CD R im Anhang F NIST National Institute of Standards and Technology Information Technology Laboratory Statistical Engineering Division Engineering Statistics Handbook Assessing Product Reliability URL www itl nist gov div898 handbo
39. E auf CD R zu finden Wie der Tabelle zu entnehmen ist liegen die prozentualen Fehler der Messreihen deutlich innerhalb der Fehlergrenzen des Gaschromatographen und der Durchflussregler vgl Kap 4 3 Es ist somit mit groBer Genauigkeit m glich eine definierte Gasmischung von Wasserstoff und Stickstoff einzustellen 68 Inbetriebnahme des Teststandes Stickstoffanteil Soll Stickstoffanteil Ist Mittelwert x Absolutabweichung in 1 20 23 2 20 22 20 21 1 05 3 20 20 1 49 81 2 50 17 50 06 0 12 3 50 22 1 80 38 2 80 16 3 80 44 Tabelle 6 1 Ergebnisse der Gasdosierungskontrolle 6 2 Test der Gasbefeuchtung Die Kontrolle der Gasbefeuchtung erfolgte in mehreren Schritten Zuerst galt es zu berpr fen ob ein Erreichen der maximalen Feuchte von 100 rF bei jedem eingestellten Volumenstrom berhaupt m glich ist Anschlie end wurde durch eine schrittweise Befeuchtung die Einstellbarkeit auf jeden beliebigen Feuchtewert untersucht Da f r alle diese Versuche ein stabiles und einheitliches Temperaturniveau im gesamten Teststand ben tigt wurde um einem m glichen Auskondensieren von Wasser durch Temperaturgef lle entgegenzuwirken wurden die Tests bei Umgebungstemperatur und ohne jegliche Temperierung vorgenommen Um jedoch die gew nschten Feuchtewerte im gesamten geforderten Temperaturbereich einstellen zu k nnen wurden abschlie end mehrere Aufheizversuche zum Erreichen eines h heren Te
40. Grove 1842 Das durch die Entdeckung des elektrodynamischen Prinzips und der Erfindung der ersten Batterien von Werner von Siemens 1816 bis 1892 gegen Ende des 19 Jahrhunderts in Vergessenheit geratene Prinzip der Brennstoffzelle wurde erst Mitte dieses Jahrhunderts f r lautlose Antriebe und zuverl ssige Stromversorgungen in Raumfahrzeugen und U Booten wiederentdeckt Heutige Brennstoffzellensysteme sind haupts chlich f r die Automobilbranche und im Bereich station rer Anwendungen interessant Von den Automobilkonzernen werden zurzeit Aufwendungen f r Forschung und Entwicklung im Umfang von mehreren Milliarden US Dollar get tigt 3 Dar ber hinaus gibt es neben der reinen zentralen oder dezentralen Stromerzeugung auf Erdgasbasis im wesentlichen zwei Entwicklungsrichtungen das Blockheizkraftwerk mit 200 kW bis 300 kW zur Kraft W rme Kopplung und Kleinsysteme mit einer elektrischen Leistung von 1 kW bis 5 kW zur Einzelversorgung von Wohnh usern Grundlagen der Brennstoffzelle Ein weiteres aktuelles Anwendungsgebiet stellen Klein Brennstoffzellen f r den Einsatz als Energieversorgung f r Kleinger te dar die mit einem Leistungsbereich von 1 W bis 500 W Computer und mobile Telekommunikationsger te versorgen k nnen Lastschiffe Dezentrale Energie versorgung Abbildung 2 2 Typische Anwendungen von Brennstoffzellen Siemens 2 2 Allgemeine Funktionsweise Jede Brennstoffzelle besteht aus zw
41. Heizschlauch ANODE T15 Thermoelement Wassertemperatur Befeuchter KATHODE Gastemperatur Befeuchter KATHODE Heizelement Befeuchter KATHODE Heizschlauch KATHODE Gastemperatur Zellel Zelle2 ANODE Gastemperatur Zellel Zelle2 KATHODE Gastemperatur ANODE Eingang Gastemperatur KATHODE Eingang Gastemperatur ANODE Ausgang Gastemperatur KATHODE Ausgang Temperatur Zellel Referenz Zelle Pt100 Pt100 Temperatur Zelle2 Feuchtesensor Relative Feuchte ANODE Eingang Relative Feuchte KATHODE Eingang Relative Feuchte ANODE Ausgang Relative Feuchte KATHODE Ausgang Tabelle 5 2 bersicht der MSR Stellen im Verfahrensfliefibild 53 Automatisierung des Teststandes Wie dem Verfahrensflie bild vgl Abb 5 1 zu entnehmen ist werden insgesamt 16 Temperaturen gemessen Dabei werden die Temperaturen TI bis TI10 mittels einzelner Thermoelemente erfasst wobei die Temperaturen der Heizschl uche TCI4 und TCI8 durch firmenseitig integrierte Thermoelemente gemessen werden Die Erfassung der Temperaturen TI11 bis TI14 erfolgt durch die in die Feuchtesensoren integrierten Pt100 Elemente und den jeweils angeschlossenen Messumformern vgl Kap 4 5 Die Temperaturen TCI15 und TCI16 der beiden Test Brennstoffzellen werden direkt durch Pt100 Sensoren gemessen die vom ZSW in die Zellen eingepasst wurden 5 2 Hardware zur Datenerfassung
42. Lieferumfang der BRONKHORST Durchflussregler enthalten ist erm glicht die Steuerung des FLOW BUS Systems siehe Kap 4 3 Die als DDE Server Dynamic Data Exchange fungierende Software erm glicht Interaktionen mit Microsoft Windows Applikationen FlowDDE muss zu Beginn des Teststandbetriebes noch vor dem LabVIEW Programm gestartet werden und l uft danach im Hintergrund weiter Das Softwarepaket beinhaltet zus tzlich Funktionen zur Programmierung in LabVIEW die in die VIs des Hauptprogramms zur Steuerung und Messwerterfassung der Durchflussregler integriert sind In Abbildung 5 13 ist zur besseren bersicht ein Teil des zugeh rigen Blockdiagramms dargestellt Hier wird zus tzlich am Beispiel der anodenseitigen Gasdosierung die Funktionsweise der Sollwertermittlung deutlich Aus dem Wert des Gesamtdurchflusses dem prozentualen Stickstoffanteil und der relativen Feuchte werden ber einen mathematischen Formelblock die entsprechenden Werte zur bermittlung an die Durchflussregler berechnet FlowN2 Anteil 100 Flow FlowH2 Flow FlowN2 i Flowf rF 100 Flow Flowt Flow Flowf Open Communication ServerzFlowDDE Topic C X cC st Mix trocken Open Communication Server F owDDE Topic C X lowDDE Open Communication Server FlowDDE Topic C X lowDDE S DDE m Open Communicalion ServerzFlowDDE Topic C X Abbildung 5 13 Blockdiagramm der Durchflussregler Steuerung 66
43. Maximaler Belastungsbereich f r Testobjekte 11 Weiterhin unterscheidet man zwischen zeitunabh ngiger und zeitabh ngiger Belastung Wird das Testobjekt ber den gesamten Zeitraum konstant belastet so spricht man von zeitunabh ngiger Belastung vgl Abb 3 8 Stress Time Abbildung 3 8 Konstante Belastung ber die Zeit 11 Diese Art der Belastung hat den Vorteil dass sie sich sehr leicht in die Praxis umsetzen l sst Au erdem sind die meisten Produkte daf r ausgelegt mit konstanter Belastung zu arbeiten und die Degradationsmechanismen lassen sich somit relativ leicht quantifizieren Variiert die Belastung mit der Zeit so spricht man von zeitabh ngiger Belastung F r diesen Fall gibt es mehrere M glichkeiten wie stufenweise Erh hung des stress levels rampenf rmige oder progressive Erh hung oder komplett willk rlicher Verlauf der Belastung vgl Abb 3 9 24 Die PEM Brennstoffzelle Stress Time Stufenweise Belastung Rampenf rmige Belastung Progressive Belastung Komplett zeitabh ngige Belastung Abbildung 3 9 Verschiedene zeitabh ngige Belastungsverl ufe 11 Wird das Testobjekt ver nderlichen Belastungslevels ausgesetzt treten Fehler und Degradationsmechanismen viel schneller auf als bei konstanter Belastung Jedoch sind theoretische Modelle daf r nur schwer zug nglich In der Praxis zieht man darum die zeitunabh ngige Belastung vor da hierf r schon wei
44. Unvertr glichkeit gegen ber Kohlendioxid CO gt welches bei Kalilauge zur Zersetzung durch Reaktion zu unl slichem Karbonat f hrt Diese CO gt Unvertr glichkeit beschr nkt den Einsatz von AFC auf Anwendungen bei denen hochreine Gase zur Verf gung stehen Grundlagen der Brennstoffzelle 2 3 0 PEMFC Polymer Elektrolyt Membran Brennstoffzelle Bei der Membran Brennstoffzelle wird als Elektrolyt eine d nne gasdichte protonenleitende Kunststoffmembran eingesetzt die zugleich die Funktion des Elektroden und Katalysatortr gers bernimmt Fortschritte in der Membrantechnik f hrten in den 90er Jahren zu einem Entwicklungsschub dieses Brennstoffzellentyps 3 Der Wirkungsgrad der PEMFC ist mit dem der AFC vergleichbar jedoch weist die PEMFC h here Stromdichten auf Die Arbeitstemperatur liegt bei 60 C bis 80 C wobei Membran Brennstoffzellen ein beraus gutes Kaltstartverhalten besitzen Das Brennstoffspektrum ist auf Wasserstoff und Sauerstoff beschr nkt Allerdings ist im Unterschied zur AFC auch Luftbetrieb m glich was die Einsatzm glichkeiten der PEMFC deutlich erweitert So eignet sich dieser Brennstoffzellentyp insbesondere f r dynamische Einsatzf lle und wird darum besonders als Stromerzeuger in der station ren Kraft W rme Kopplung in Elektromobilen und sonstigen portablen Anwendungen eingesetzt Auf diesen in dieser Diplomarbeit verwendeten und untersuchten Brennstoffzellentyp soll in Kapitel 3 noch genau
45. Zeit zu messen wird eine elektronische Last 7141 Z der Firma INDUSTRIE TEAM SERVICE ITS GmbH eingesetzt die ber eine RS 232 Schnittstelle mit dem Messplatzrechner des Teststandes verbunden werden kann Die elektronische Last nimmt die von der Brennstoffzelle zugef hrte Leistung auf und gibt sie ber Leistungstransistoren und hocheffektive K hlelemente als W rme an die Umgebung ab Beim Test von Quellen mit kleinen Ausgangsspannungen lt 3V und hoher Stromergiebigkeit wie im Fall der Brennstoffzelle gestaltet sich die Lastsimulation mit einer herk mmlichen elektronischen Last als u erst schwierig Die im Lastkreis eingesetzten Power MOS FETs und die zur Stromgegenkopplung notwendigen Sourcewiderst nde ben tigen eine Mindestspannung die sich je nach Laststufe im Bereich von 2 bis 5 V bewegt Durch eine zus tzliche Spannungsquelle die in Reihe zur pr fenden Quelle geschaltet wird kann dies kompensiert werden Pr zise statische und dynamische Messungen am Pr fling sind in dieser Form jedoch nicht m glich da in das Messergebnis die Reihenschaltung von Pr fling St tzstromversorgung und Lastkreisverdrahtung eingeht 19 Diese notwendige St tzspannung ist in der Last 7141 Z bereits integriert und erm glicht so den Einsatz als sogenannte O Volt Last wodurch sich keine Einschr nkungen bez glich der Eingangsspannung ergeben Zur Erf llung der unterschiedlichen Pr faufgaben stellt die elektronische Last verschiedene Betriebsarten
46. al 130 C erlaubt ist der Teststand auf diese Temperatur auszulegen um den Einfluss erh hter Prozesstemperaturen auf die Degradation untersuchen zu k nnen 30 Konzeption des Teststandes Weiterhin ist zur Bestimmung der Auswirkungen unterschiedlicher Feuchtegrade anoden und kathodenseitig eine Befeuchtung der Gase von 0 bis 100 relativer Feuchte zu realisieren Um nun effektive Langzeittests durchf hren zu k nnen sowie die Messwerte zu erfassen und auszuwerten ist eine vollst ndige Automatisierung erforderlich Darum soll der Teststand mittels eines Messplatzrechners und eines Datenloggers automatisiert und gesteuert werden Als Automatisierungssoftware soll LabVIEW von NATIONAL INSTRUMENTS verwendet werden Abbildung 4 1 zeigt eine schematische Darstellung des Teststandes incu Elektronische Last Gas Dosierung m Wasserstoff H2 Abbildung 4 1 Schema des Brennstoffzellen Teststandes Die Verrohrung des Teststandes Gaszuleitung und verteilung wurde komplett mit Edelstahlrohren Durchmesser 6 mm Wandst rke 1 mm ausgef hrt und mit Swagelok Komponenten gasdicht verschraubt Nachfolgend werden die wichtigsten Komponenten des Teststandes sowie deren technische Umsetzung beschrieben 4 2 Brennstoffzellen Wie zuvor erw hnt siehe Kap 4 1 wurde in Absprache mit den Projektpartnern eine Standardzelle vom ZSW entwickelt die jedem Projektpartner zugeschickt wurde um eine einheitliche Basis
47. asser des Befeuchters ragt vgl Abb 4 10 4 Konzeption des Teststandes Abbildung 4 10 Blindflansch mit Rohrwendel Der Auslass f r das befeuchtete Gas und der Ausgang der Rohrwendel des trockenen Gasstromes werden oberhalb des Blindflansches durch Rohrverbindungen zusammengef hrt und die beiden Gasstr me so vermischt Um nun die gew nschte Betriebstemperatur einstellen zu k nnen ist jeder Befeuchter mit einem 10 m langen Silikon isolierten wasserfesten und flexiblen Heizband umwickelt Diese Heizb nder besitzen eine Leistung von jeweils 1000 W und erreichen eine maximale Heiztemperatur von 200 C Direkt im Anschluss an die Zusammenf hrung des feuchten und trockenen Gasstromes sind den Befeuchtern Heizschl uche L nge 1 m mit einer Heiztemperatur von ebenfalls bis zu 200 C nachgeschaltet die sicherstellen dass der Gasstrom die im Befeuchter eingestellte Temperatur beh lt und kein Wasser auf dem Weg zu den Brennstoffzellen auskondensiert In Abbildung 4 11 sind die Befeuchter mit Heizband Thermoelementen und angeschlossenen Heizschl uchen dargestellt 42 Konzeption des Teststandes F ze T B D a t ES T Abbildung 4 11 Befeuchter mit Heizband Thermoelementen und Heizschl uchen Nach erfolgter Fertigstellung und Einbau in den Teststand wurden die Befeuchter komplett mit aluminiumbeschichteter Steinwollematte KLIMAROCK der Firma ROCKWOOL
48. au definierten Befeuchtung zu hoch da schon bei Temperaturschwankungen von einigen Kelvin geringe Mengen an Wasser im Gasweg auskondensieren und Feuchtemessungen ungenau werden lassen Um zu untersuchen wo an den Feuchtemesszellen oder Gasleitungen eventuell W rmesenken zu finden sind die f r den Temperaturunterschied verantwortlich sein 72 Inbetriebnahme des Teststandes k nnten wurden vom gesamten Teststand Thermografie Aufnahmen mit einem Thermografiesystem VARIOSCAN high resolution der Firma JENOPTIK Laser GmbH gemacht Datenblatt siehe Anhang D auf CD R In Abbildung 6 5 ist eine Nahaufnahme der oberen Feuchtemesszellen isoliert dargestellt weitere Aufnahmen im Anhang E auf CD R An den Befeuchtern links und rechts im Bild sind deutlich die W rmeabstrahlungen durch die abgeklebten Schlitze der Isolierung zu erkennen Ebenso wird die Abstrahlung der Heizschlauchenden am Eingang zu den Messzellen deutlich Diese Abstrahlungen sind jedoch aufgrund der Heizleistung der jeweiligen Heizelemente unerheblich Heizschl uche Befeuchter Feuchte messzellen Abbildung 6 5 Thermografie Nahaufnahme des Teststandes In der Thermografie Aufnahme ist im Bereich der Feuchtemesszellen selbst und entlang der Gasleitungen keine Temperaturschwankung auszumachen Die kleineren Temperatur nderungen an den Befestigungen der Messzellen sind auf reflektierte W rmestrahlung zur ckzuf hren Somit liegt es nahe dass durch die re
49. cher Beschleunigung dass das Testobjekt mit erh hter Belastung wie hoher Temperatur Spannung oder Feuchtigkeit betrieben wird Diese genau zu definierenden berbelastungen f hren dazu dass Fehler oder Degradationsmechanismen mechanische Erm dung Korrosion chemische Reaktionen Diffusion usw am Objekt auftauchen die sich auch bei gew hnlicher Belastung ergeben w rden allerdings in einem verk rzten Zeitrahmen 11 12 Aus den gesammelten Testdaten w hrend eines Belastungsvorganges lassen sich dann mit Hilfe eines theoretischen Modells Aussagen ber Zuverl ssigkeit Fehlerraten oder sogar explizit ber Degradationsmechanismen selbst machen Die Schwierigkeit besteht jedoch darin eben genau diese berbelastungen engl stresses in der Praxis mit speziell entwickelten Tests umzusetzen F r gew hnlich sollten die Belastungslevel so gew hlt werden dass sie zwar die Degradation des Objektes stimulieren nicht jedoch Fehler hervorrufen die im normalem Betrieb berhaupt nicht auftreten w rden Abbildung 3 7 zeigt dass sich die Belastungen ber die Eignungsgrenzen engl specification limits und Funktionsgrenzen engl design limits hinweg im Rahmen der Zerst rungsgrenzen engl destruction limits des Testobjektes bewegen k nnen 23 Die PEM Brennstoffzelle Destruct Limits D Design Lim Specification Limits Stress t Design Lim Destruct Limits Abbildung 3 7
50. chnittstellen COMI und COM eingesetzt ber COMI ist das BRONKHORST Auswerteger t zur Steuerung der Durchflussregler mit einer bertragungsrate von 38400 Baud angeschlossen Die elektronische Last ITS 7141 Z wird mit einer Baudrate von 9600 ber COM2 angesteuert Durch die Belegung der beiden seriellen Schnittstellen des Messplatzrechners muss der Anschluss des KEITHLEY Datenloggers ber dessen GPIB Schnittstelle realisiert werden Der General Purpose Interface Bus GPIB ist ein Schnittstellensystem nach IEEE 488 Industriestandard das mit einer Daten bertragungsgeschwindigkeit von 250 Kilobyte bis 1 Megabyte pro Sekunde programmierbare Ger te verbindet und steuert Dabei ist es m glich an nur einem Bus System bis zu 15 programmierbare Ger te anzuschlie en und zu steuern In den Messplatzrechner wurde darum eine GPIB Interface Karte PCI GPIB von NATIONAL INSTRUMENTS eingebaut die aufgrund ihrer optimalen Kompatibilit t zu dem KEITHLEY Datenlogger und der Automatisierungssoftware LabVIEW siehe Kap 5 3 eine schnelle Anbindung an den PC erm glichte 55 Automatisierung des Teststandes 5 3 Automatisierung mit LabVIEW Neben Konzeption und Aufbau des Teststandes war die vollst ndige Automatisierung mit Hilfe einer geeigneten Steuer und Regelungssoftware ein weiterer Hauptpunkt der Diplomarbeit Dabei sollte die Vielzahl der zuvor genannten Parameter und Messdaten aller Systemkomponenten erfasst und verarbeitet werden k nn
51. cken von etwa 1 3 W Im Fall einer W rmeabgabe von 1 6 des W rmestromes hier nur etwa 0 4 W ergibt sich daraus schon ein Temperaturunterschied von bis zu 10 K Bei Betrieb der Brennstoffzellen mit geringeren Volumenstr men ist dieser Sachverhalt entsprechend ausgepr gter was den W rmeverlust noch gr er und auch die Aufheizzeit l nger werden l sst Aus diesem Grund wird es zus tzlich notwendig sein die Feuchtemesszellen und evtl die Gasleitungen ber Heizb nder o von au en zu beheizen Dadurch sind Messungen bei temperierter Befeuchtung bis dahin nur eingeschr nkt m glich und aussagekr ftig 6 3 Testbetrieb mit einer Brennstoffzelle Zur Charakterisierung der Test Brennstoffzellen und zur berpr fung der ganzheitlichen Funktion des Teststandes wurden als letzter Schritt der Inbetriebnahme mehrere Strom Spannungs Kennlinien einer Brennstoffzelle unter verschiedenen Randbedingungen aufgenommen und ausgewertet Die Test Zelle siehe Kap 4 2 wurde in allen Versuchen mit einer Nafion 117 Membran Dicke 175 um betrieben Auf der eingesetzten Gasdiffusionsschicht von E TEK Dicke 280 um aus Kohlefasern sind sowohl die Elektroden 80 Vulcan 20 PTFE als auch der Katalysator Beladung 0 2 mg Pt cm aufgebracht Die Abdichtung der Zelle erfolgte mit Viton entsprechend dem speziell entwickelten Dichtungskonzept nach 13 Um die Dicke der Viton Dichtungen auszugleichen und somit einen guten Anpressdruck 74
52. day Wirkungsgrad idealer Wirkungsgrad Spannungswirkungsgrad St chiometriefaktor Dichte p kg m relative Luftfeuchte 0 1 Gasvolumenstrom 0 Amin Abbildungs und Tabellenverzeichnis Abbildungs und Tabellenverzeichnis Abbildung 1 1 Energieumwandlungskette nach 8 eene 2 Abbildung 2 1 Schema einer Brennstoffzellen Batterie Sir W Grove 1842 4 Abbildung 2 2 Typische Anwendungen von Brennstoffzellen Siemens 5 Abbildung 2 3 Knallgasreaktion und Reaktionsprinzip der Brennstoffzelle nach 8 5 Abbildung 2 4 Prinzipdarstellung unterschiedlicher Brennstoffzellen Typen 9 6 Abbildung 3 1 Schematischer Aufbau einer PEM Einzelzelle 8 10 Abbildung 3 2 Chemische Formeln verwendeter Polymere 3 00 11 Abbildung 3 3 Chemische Zellreaktion der PEMFC nach IO 12 Abbildung 3 4 Schematische Darstellung einer U Kennlmte sees 16 Abbildung 3 5 Vergleich Carnot Brennstoffzellen Wirkungsgrad nach 9 18 Abbildung 3 6 Korrodierte Bipolarplatte anodenseitig 4 ee 21 Abbildung 3 7 Maximaler Belastungsbereich f r Testobjekte 11 24 Abbildung 3 8 Konstante Belastung ber die Zeit 11 sss 24 Abbildung 3 9 Verschiedene zeitabh ngige Belastungsverl ufe 11
53. de aber eine Einsch tzung der Bedeutung verschiedener Mechanismen f r eine langlebige PEFC wurde ebensowenig vorgenommen wie eine systematische Untersuchung der Degradationsvorg nge 14 Jedoch ist aus Voruntersuchungen an Alkalischen Brennstoffzellen AFC bekannt dass die Zelldegradation keineswegs auf einzelne bestimmte Faktoren zur ckzuf hren ist sondern eine Kombination der einzelnen Degradationsmechanismen darstellt 7 3 9 Beschleunigte Alterungstests Wie bei jedem Produkt System oder Bauteil werden auch bei den Brennstoffzellen im Normalbetrieb die Auswirkungen der Degradation erst nach l ngerer Laufzeit ersichtlich Die Analyse der Degradationsmechanismen gestaltet sich somit recht schwierig und langwierig Will man jedoch systematische Untersuchungen und Einsch tzungen innerhalb einer angemessenen Zeitspanne vornehmen ist es notwendig die Auswirkungen der Degradation zu beschleunigen und voranzutreiben In sogenannten beschleunigten Alterungstests wird darum das Testobjekt hier Brennstoffzelle unter kontrollierten Extrembedingungen betrieben wodurch die Degradationsprozesse schneller ablaufen als unter normalen Bedingungen 3 9 1 Vor berlegungen Vorgehensmuster zur Bestimmung Aufkl rung und Beurteilung der Degradationsprozesse nach Kapitel 3 8 m ssen basierend auf theoretischen Vor berlegungen festgelegt werden Da die Brennstoffzellenforschung ein noch recht junges Forschungsgebiet darstellt bietet sich an
54. e F3 in Form einer digitalen Anzeige ausgegeben wobei der zeitliche Verlauf von Spannung und Strom zus tzlich in einem Graphen dargestellt wird Auch hier wird die Zeitachse mit der aktuellen Uhrzeit Systemzeit dargestellt Zus tzlich ist zum besseren berblick aller Brennstoffzellenparameter ein Teil des Verfahrensflie bildes aus dem Hauptbildschirm Flussdiagramm F1 bernommen Nachfolgend soll nun kurz auf die wichtigsten Elemente des Blockdiagramms eingegangen werden wobei eine Zusammenfassung in funktionale Gruppen vorgenommen wurde Bei Start des Hauptprogramms erfolgt zuerst eine Initialisierung des Datenloggers der Graphen und der Durchflussregler bevor das Programm eine While Do Schleife beginnt die durch die Tastenkombination Ctrl F12 ber die Hauptbildschirme abgebrochen werden kann Sobald das Programm abgebrochen wird erfolgt eine Sperrung der Magnetventile die Durchflussregler werden geschlossen und alle Relais zur Temperierung werden ge ffnet Elemente zur Datenerfassung Im Lieferumfang des KEITHLEY Datenloggers befinden sich vorkonfektionierte VIs die eine softwarem ige Initialisierung des Datenloggers zur Temperatur Spannungs und Strommessung erm glichen Diese VIs sind wiederum in subVIs des Hauptprogramms eingef gt in denen die jeweiligen Kanalnummern die zu messenden Gr fen und die entsprechenden Sensoreinstellungen zur Temperaturmessung entsprechend der Modulbelegung siehe Anhang A an de
55. e ee pub eaa Ve Eae eee vu aea do eiae INS n Vua eva hessen nee 49 5 AUTOMATISIERUNG DES TESTSTANDES ee eee 51 5 1 MESS STEUER UND REGELSTELLEN e ee ee ee eee t ete ee tette tete sete tete tete tete 51 5 2 HARDWARE ZUR DATENERFASSUNG eeeeeeeee sesso nose eese sete tetto sees eese e sete tone esee ee eee 54 52i E Ee 54 212225 Messplatzrechner kn 55 Inhaltsverzeichnis 5 3 AUTOMATISIERUNG MIT LABVIEW seenen 56 5 3 1 Beschreibung der Software s e eie sores ae ers quate le 56 5 3 2 Hauptprogramm des Teststandes i Qt D ett He 56 5 3 3 Programm der elektronischen Last dee i rete redeas 67 6 INBETRIEBNAHME DES TESTSTANDES e eere 68 6 1 TEST DER GASDOSIERUNG ssissnnsssssns ssa nenunantsnunddennueesnnnn dtndnsswn esa ER e eco ace Ed Roe iUe ded 68 6 2 TEST DER GASBEFEUCHTUNG 5 oo irin cepere osbe eege va DERE OPES Ge ES ee 69 6 2 1 Erreichen des maximalen Feuchtewertes esses 69 6 2 2 Schrittwelse Befeuchtunp a ee ee 7 6 2 3 Befeucht ng bei Temipetietuftg sc na dui 6 3 TESTBETRIEB MIT EINER BRENNSTOFFZELLE ee esee essen seen nennen stas tn satu aseo 74 6 3 1 Allgemeine Durchf hrung der Messungen s ssessesessssessessrsseossessrssresseesee 75 6 3 2 Messungen und Ergebnisse a na ie 75 7 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 000000000000000000000000 79 8 QUELLEN UND LITERATURVERZEICHNIS
56. ei Elektroden der Anode und der Kathode die durch einen nur f r Ionen durchl ssigen Elektrolyten voneinander getrennt sind Somit kann im Gegensatz zur bekannten Knallgasreaktion H5 O2 gt H20 bei der Wasserstoff und Sauerstoff unter heftiger Explosion zu Wasser reagieren der Reaktionsablauf so kontrolliert werden dass der bei jeder chemischen Reaktion stattfindende Elektronenaustausch nicht lokal sondern ber einen u eren Stromkreis abl uft vgl Abb od lo e 2 Abbildung 2 3 Knallgasreaktion und Reaktionsprinzip der Brennstoffzelle nach 8 Die genauen chemischen thermodynamischen und kinetischen Vorg nge innerhalb einer Brennstoffzelle werden in Kapitel 3 anhand der PEM Brennstoffzelle ausf hrlich erl utert Grundlagen der Brennstoffzelle 2 3 Typen von Brennstoffzellen Die verschiedenen Brennstoffzellentypen werden in der Regel nach Art des verwendeten Elektrolyten klassifiziert In Abbildung 2 4 ist schematisch das Funktionsprinzip der unterschiedlichen Systeme mit zugeh riger Arbeitstemperatur und der jeweiligen ionischen Spezies die den Ladungstransport durch den Elektrolyten bernimmt dargestellt AFC PEM PAFC MCFC SOFC 80 C 80 C 200 C 650 C 1000 C Oxidations O 0 H O 0 H O CO 0 O Luft gas 2 Elektrolyt Last See Ms d Gd S E SE KERNE en RE E ONT ED RE E E un TRUST E m Ho EE Anode En n Ga T e SR Li Ze d s 2 N 3 Sc SE S ZA 232
57. eichung 3 27 vereinfachend a 0 C 0 und E 0 gesetzt da diese Parameter erst in zweiter Linie die Einfl sse unter den einzelnen Belastungsarten darstellen und somit in erster N herung vernachl ssigbar sind 12 Mit der Wahl weiterer meist empirisch best tigter Parameter vereinfacht sich die Gleichung zu AE t A ent le BH Gl 3 28 wobei folgende Beziehungen gelten 28 Die PEM Brennstoffzelle S InV S2 InRH B p D i V Spannung engl Konvention RH relative Feuchte Obwohl mit dem vereinfachten Eyring Modell nach Gleichung 3 28 nur noch vier unbekannte Parameter bei drei Belastungsarten ermittelt werden m ssen ist ein umfangreicher experimenteller Aufwand notwendig um das Modell entsprechend anzupassen 29 Konzeption des Teststandes 4 Konzeption des Teststandes Ziel des experimentellen Aufbaus ist es die charakteristischen physikalischen Parameter der Test Brennstoffzelle zu erfassen Aufbauend auf den theoretischen Erkenntnissen und Randbedingungen wie in den vorherigen Kapiteln erl utert wurde darum ein Teststand konzipiert der in der Lage ist die wichtigen Einflussfaktoren wie Gasdruck Gasfeuchte Gaszusammensetzung Temperatur und Leistungsverhalten der Brennstoffzelle zu untersuchen und zu bestimmen 4 1 Allgemeine Anforderungen und Randbedingungen Die praktischen Randbedingungen f r die Auslegung des Teststandes ergeben sich zum Teil aus Absprachen mit den Projektpartnern
58. en ohne an bersichtlichkeit und Bedienerfreundlichkeit zu verlieren Die Wahl fiel auf LabVIEW von NATIONAL INSTRUMENTS da diese Automatisierungssoftware eine schnelle Implementierung von verschiedenen Kontrollstrategien und Datenverarbeitungsprozessen erlaubt 5 3 1 Beschreibung der Software LabVIEW steht f r Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench Im Gegensatz zu den g ngigen textorientierten Programmiersprachen wie Pascal oder C erfolgt hier eine grafische Programmierung in der Programmiersprache G wobei grafische Symbole anstelle von Textzeilen benutzt werden um Applikationen zu erstellen Da die LabVIEW Programme in ihrem grafischen Erscheinungsbild und ihrer Funktionsweise physikalischen Messger ten gleichen wird ein solches Programm auch virtuelles Instrument VI genannt Die beiden Hauptbestandteile eines VIs sind das sogenannte Frontpanel und das Blockdiagramm Das Frontpanel stellt die interaktive Benutzeroberfl che dar und enth lt grafische Steuer und Bedienelemente sowie Anzeigen Das zugeh rige Blockdiagramm enth lt die eigentliche Programmierlogik und ist das ausf hrbare Programm Es enth lt den grafischen Quellcode mit elementaren Operatoren vordefinierten Funktionen Konstanten und Ablaufstrukturen Ebenfalls k nnen auch andere VIs als Unterprogramme sogenannte subVIs in das Blockdiagramm eingef gt werden Frontpanel Objekte haben korrespondierende Anschl sse im Blockdiagramm so dass Daten
59. enhang A EM 100 Gl 3 7 u St chiometriefaktor A 7 1 u Umsatz u Da jedoch in der Praxis nicht alle bereitgestellten Brenngase umgesetzt werden ist der Umsatz immer kleiner als 100 und die Brennstoffzelle muss berst chiometrisch d h mit quantitativ mehr Edukten X gt 1 betrieben werden 13 Die PEM Brennstoffzelle 3 3 Thermodynamische Grundlagen F r die PEM Brennstoffzelle l sst sich mit Hilfe der Thermodynamik und der Faraday schen Gesetze Gl 3 4 Gl 3 5 f r energetische Betrachtungen die maximal erreichbare Zellspannung ermitteln Die thermoneutrale oder auch enthalpische Zellspannung Um berechnet sich f r die Bildung von fl ssigem Wasser aus Wasserstoff und Sauerstoff im Standardzustand bei T 298 15K und po 1 013 bar mit Hilfe des oberen Heizwertes f r Wasserstoff AH 285 8 kJ mol zu 0 AH Up E 1 48V Gl 3 8 Z D z Anzahl der an der Reaktion beteiligten Elektronen z 2 F Faraday Konstante Die Reaktionen innerhalb der Brennstoffzelle sind reversibel Eine Reaktion wird als reversibel bezeichnet wenn nach dem 2 Hauptsatz der Thermodynamik die maximal zur Verf gung stehende Energie in Arbeit in diesem Fall elektrische Energie umgewandelt wird wobei die Reaktion isobar und isotherm abl uft 2 Die freie Reaktionsenthalpie AG der Gesamtreaktion nach Gleichung 3 3 entspricht nun der elektrischen Arbeit die maximal von der Brennstoffzelle abgegeben wird
60. er eingegangen werden 2 3 3 DMFC Direktmethanol Brennstoffzelle Die Direktmethanol Brennstoffzelle stellt eine Weiterentwicklung der PEMFC dar Die Besonderheit besteht im verwendeten relativ leicht verf gbaren Brennstoff Methanol Sie kann sowohl direkt mit fl ssigem Methanol 80 90 C oder mit Methanoldampf 120 130 C betrieben werden und stellt darum vor allem f r den Fahrzeugantrieb eine sehr interessante Alternative etwa zum Batteriebetrieb oder zur Wasserstofffahrweise einer PEMFC dar 5 Die DMFC befindet sich jedoch noch im Stadium der Grundlagenforschung und Laborentwicklung bei der Material und Komponentenentwicklung Ihr Wirkungsgrad und ihre Leistungsdichte liegen derzeit noch unter denen anderer Brennstoffzellen 2 3 4 PAFC Phosphorsaure Brennstoffzelle Dieser Brennstoffzellentyp verwendet als Elektrolyt konzentrierte nahezu wasserfreie Phosphors ure in Gelform Die Verwendung von S ure erlaubt den Einsatz von CO haltigen Reaktionsgasen da CO nicht mit der S ure reagiert Auch ist aufgrund der Betriebstemperatur von 200 C die Toleranz gegen ber CO h her Die PAFC wird darum meist mit Wasserstoff aus reformiertem Erdgas als Brennstoff und Luftsauerstoff als 8 Grundlagen der Brennstoffzelle Oxidationsmittel betrieben Ihr Wirkungsgrad ist im Vergleich zu anderen Brennstoffzellen eher niedrig zu dessen Verbesserung aber neben dem atmosph rischen auch ein druckaufgeladener Betrieb m glich ist Atmo
61. ereich halten k nnen Der Vergleich von Carnot Wirkungsgrad und idealem Wirkungsgrad ist in Abbildung 3 5 in Abh ngigkeit der Temperatur dargestellt Idealer Wirkungsgrad der Brennstoffzelle Wirkungsgrad 9o Camot Wirkungsgrad Tu 300 K 0 200 400 600 500 1000 1200 1400 1600 1500 2000 Temperatur To K Abbildung 3 5 Vergleich Carnot Brennstoffzellen Wirkungsgrad nach 9 Die sich real einstellende Klemmenspannung ist aufgrund der im Innern der Brennstoffzelle ablaufenden nicht idealen Prozesse selbst im stromlosen Zustand niedriger als die bei dem jeweiligen Druck und Temperatur geltende reversible Zellspannung Use Mit Hilfe des Spannungswirkungsgrades oder elektrochemischen Wirkungsgrades wird das Verh ltnis der Zellspannung U am Betriebspunkt zur jeweiligen reversiblen Zellspannung Urey dargestellt U U 2 F Gl 3 18 Nu U AG rev Der Gesamtwirkungsgrad oder praktische Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle berechnet sich damit allgemein f r einen bestimmten Betriebspunkt bei einer Temperatur T und einem Druck p aus 3 U z F 7 ges 7 max Nu AH T p Gl 3 19 18 Die PEM Brennstoffzelle Der praktische Wirkungsgrad darf jedoch nicht mit dem Wirkungsgrad eines Brennstoffzellen Gesamtsystems verwechselt werden der im Allgemeinen deutlich niedriger ist da dieser zus tzlich noch die verschiedenen Wirkungsgrade der weiteren Systemkomponenten sowie die Brennstoffausnutzung ber ck
62. g folgenderma en 12 t A T exp E B E s 0 2 Gl 3 27 i k T T T Wie aus der Gleichung 3 27 zu entnehmen ist haben die verschieden Belastungsarten keine gemeinsamen Terme wodurch eine relative nderung einer speziellen Belastung keine Auswirkungen auf die brigen Belastungslevels hat In der physikalischen Realit t k nnen einzelne Belastungs nderungen allerdings Auswirkungen auf andere Belastungsgrade haben jedoch ist die Vereinfachung nach Gleichung 3 27 f r eine erste N herung ausreichend 11 12 Das Eyring Modell beschreibt zwar den Einfluss der Temperatur und beliebiger weiterer temperaturunabh ngiger Faktoren jedoch allein mit zwei involvierten Belastungsarten sind f nf unbekannte Parameter zu bestimmen vgl Gl 3 27 und bei jeder weiteren Belastungsart kommen zwei Parameter hinzu So verlangt die Praxis nach vereinfachten jedoch gen gend genauen Modellen nach dem Prinzip von Eyring In der Literatur sind f r einige Spezialf lle Modelle zu finden die alle auf dem Eyring Modell aufbauen und vereinfachte Terme f r die jeweiligen Belastungsarten besitzen Wie zuvor erl utert siehe Kap 3 8 sind die drei haupts chlichen Einflussfaktoren der Degradation einer Brennstoffzelle Temperatur Spannung und Feuchtigkeit So l sst sich ein vereinfachtes Modell finden welches genau diese Belastungsarten ber cksichtigt und immer noch gen gend genau ist das sogenannte Three Stress Model Hierbei wird in Gl
63. hernd O rF besitzt ist somit jeder gew nschte Feuchtegehalt einstellbar 36 Konzeption des Teststandes Die eigentliche Befeuchtung der Anoden und Kathoden Gasstr me erfolgt in zwei baugleichen Gasbefeuchtern Diese sogenannten Blasens ulen sind vereinfacht dargestellt rohrf rmige Wasserbeh lter in die das Gas von unten eingeleitet wird Das Gas kann zur Feinverteilung zus tzlich durch eine Dispersionsscheibe geleitet werden und steigt in kleinen Blasen auf wobei Wasser in die Gasblase diffundiert Um dieses Konzept in die Praxis umzusetzen und die Beh lter f r die gew nschte Anwendung dimensionieren zu k nnen sind jedoch einige konstruktive Vor berlegungen und thermodynamische Berechnungen notwendig Bei den Berechnungen wurden station re Zust nde betrachtet d h konstante Aufstiegsgeschwindigkeit der Gasblasen im Wasser und reine Diffusion Auf die Berechnung der Strecke die eine Gasblase aufsteigen muss um 100 relative Feuchte zu erlangen wurde verzichtet da diese aus vorherigen institutsinternen Berechnungen schon bekannt war und auch mit wenigen Millimetern vernachl ssigbar klein ist Damit eine homogene Blasenstr mung im Innern des Befeuchterrohres erreicht wird ist bei gegebener Gasflussgeschwindigkeit ein bestimmter Beh lterdurchmesser nach Abbildung 4 7 einzuhalten o e l3 o e SS heterogene Blasenstr mung Kolben Gasleerrohrgeschwindigkeit vg eo e 51 Blasenstr mung
64. herung ist jederzeit ber den Schalter SAVE Data der ber jeden Hauptbildschirm zug nglich ist durch Mausklick m glich Zur eigentlichen Steuerung des Teststandes d h zur Gasdosierung Gasbefeuchtung und Temperierung dient der Hauptbildschirm Flussdiagramm F1 vgl Abb 5 3 Dieser ist dem Verfahrensflie bild des Teststandes nachempfunden und gibt durch die Anzeige jeder Mess Steuer und Regelstelle Aufschluss ber den aktuellen Systemzustand Neben der Steuerung der Magnetventile ber den Schalter Magnetventile AUF ZU ist ber den Hauptbildschrm Flussdiagramm F1 die Einstellung der Gesamtvolumenstr me f r Wasserstoff und Luft m glich wobei anodenseitig zus tzlich zum Wasserstoff der prozentuale Stickstoffanteil am Gesamtvolumenstrom w hlbar ist Anoden wie kathodenseitig ist zudem die relative Feuchte einstellbar Aus den Werten f r die Gesamtdurchfl sse dem prozentualen Stickstoffanteil und den relativen Feuchtewerten werden dann entsprechend der Volumenstromtrennung siehe Kap 4 3 automatisch die absoluten Werte zur Ansteuerung der jeweiligen Durchflussregler ermittelt und an diese bergeben Zur Temperierung der Befeuchter Heizschl uche und Brennstoffzellen ist jeweils eine separate Temperaturwahl m glich Die berwachung der Temperaturwerte erfolgt dabei ber die entsprechenden Thermoelemente und Pt100 Sensoren vgl Kap 4 6 Sobald ein Heizelement aktiv ist Relais zur Temperaturregelung
65. icherheitsabschaltung der 230 VAC Verbraucher und der Magnetventile 24 VDC zu erm glichen sind die Versorgungsstromkreise der Leistungsrelais ber Miniatur Wippenschalter MARQUARDT 2 polig 250 VAC 6 4 A gef hrt die frontseitig am Klemmenkasten angebracht sind Dabei sind nur die beiden Heizb nder der Befeuchter aufgrund ihrer Stromaufnahme von jeweils ca 4 5 A ber zwei separate Wippenschalter gef hrt Die Magnetventile Heizschl uche und Heizelemente sind jeweils gemeinsam schaltbar Zur Versorgung der Gleichstromverbraucher wie Steuerstromkreise der Leistungsrelais Magnetventile Drucksensoren und Messumformer der Feuchtesensoren dient ein prim rgetaktetes Schaltnetzteil SMPS 2410 CONRAD mit einer Ausgangsspannung von 24 VDC 0 5 V und 8 A kurzzeitig 10 A Ausgangsstrom welches an einen Block Reihenklemmen an der mittleren Hutschiene des Klemmenkastens angeschlossen ist Auf der unteren Hutschiene befindet sich ein weiterer Block mit Reihenklemmen der durch die angeschlossene 230 VAC Zuleitung die Wechselstromversorgung und Erdung der jeweiligen Systemkomponenten bernimmt Zur besseren bersicht ist im Anhang A auf CD R ein vereinfachter Stromlaufplan des Teststandes einzusehen 50 Automatisierung des Teststandes 5 Automatisierung des Teststandes Aufgabe der Teststandautomatisierung ist es alle Messgr en der in Kapitel 4 beschriebenen Systemkomponenten zu erfassen und daraus mit Hilfe geeigneter Algorithmen
66. ichten bei Luft und Sauerstoffbetrieb 78 Abbildung 7 1 Gesamtansicht des Teststandes Langlebige DER 80 Tabelle 2 1 Spezifische Eigenschaften unterschiedlicher Brennstoffzellen Typen 3 5 7 Tabelle 5 1 Verwendete Kennbuchstaben zur Benennung der MSR Stellen 51 Tabelle 5 2 bersicht der MSR Stellen im Verfahrensfltef bild 53 Tabelle 6 1 Ergebnisse der Gasdosierungskontrolle sssseeeee 69 XII Einleitung 1 Einleitung Die These dass die zunehmende Freisetzung von Treibhausgasen zu einer Erw rmung der Erdatmosph re f hren k nnte hat sich nach heutigem Kenntnisstand erh rtet Darum muss es das langfristige Ziel in allen Bereichen der Energieversorgung sein den globalen Energiebedarf aus emissionsfreien oder regenerativen Energiequellen zu decken Als vielversprechender und zukunftsweisender Energietr ger wird dabei neben Erdgas und Methanol Wasserstoff diskutiert Im Hinblick auf seine guten energetischen Eigenschaften wie verlustarme Speicherm glichkeit gute und sichere Transportm glichkeit regenerative Herstellung und damit Schonung der Umwelt l sst sich dabei das Ziel einer gesamten Wasserstoffwirtschaft verfolgen Um dieses Ziel zu erreichen ist jedoch ein technologischer Wandel notwendig zu dem die Brennstoffzellentechnologie schon in der bergangsphase einen erkennbaren Beitrag leisten kann 4 1 1 Motivation Die Wasserstoffenergiewirt
67. igte Gas wird vorerst aus der Hausversorgung durch installierte Gash hne im Teststand entnommen Sp ter soll jeder Projektpartner Tests mit standardisierten Gasen aus Gasflaschen durchf hren Um sowohl eine automatische als auch eine manuelle Sperrung der Gaszufuhr zu erm glichen befindet sich in jeder Gaszuleitung jeweils ein Magnetventil 24 VDC 11 W mit nachfolgendem Kugelhahn Am Ausgang der Gasdosierung sind R ckschlagventile eingebaut um die Durchflussregler zus tzlich vor ungewollten Druckr ckschl gen im nachfolgenden Teil des Teststandes und dadurch m glichem Wassereintrag durch die Gasbefeuchtung siehe Kap 4 4 zu sch tzen 4 4 Gasbefeuchtung Der Feuchtegehalt der Prozessgase hat wie in Kapitel 3 erl utert einen entscheidenden Einfluss auf das Degradationsverhalten einer PEM Brennstoffzelle Da die zu testenden Brennstoffzellen bei einer Temperatur von bis zu maximal 130 C betrieben werden sollen muss im kompletten Temperaturbereich anoden wie kathodenseitig ein Feuchtegehalt von 0 bis 100 relativer Feuchte rF gew hrleistet sein Wie schon in Kapitel 4 3 kurz beschrieben basiert das Befeuchtungskonzept auf dem Trennen der Gasvolumenstr me Ein definierter Teil des Gesamtgasstromes feuchter Gasstrom wird auf 100 rF gebracht und mit dem trockenen Gasstrom der durch einen Bypass am Befeuchter vorbeigeleitet wird gemischt Geht man davon aus dass das bereitgestellte Gas zuvor eine Feuchte von ann
68. ittstelle 4 9 Stromversorgung Die gesamte Stromversorgung des Teststandes erfolgt ber in den Laborabzug integrierte Schutzkontaktsteckdosen welche mit einem 16A Sicherungsautomat ABB S261 B16A und einem FI Schutzschalter ABB FS374 40A 0 03 4pol abgesichert sind An eine der vier in den Abzug integrierten Steckdosen ist eine schaltbare Mehrfach Schutzkontaktsteckdosenleiste angeschlossen Hier sind die elektronische Last das BRONKHORST Auswerteger t f r die Durchflussregler ein 24 VDC Netzteil und eine 230V Zuleitung HOSVV F3 x 1 5mm angeschlossen ber den Schalter der Steckdosenleiste ist es somit m glich den gesamten Teststand spannungsfrei zu schalten Zum Anschluss der Systemkomponenten an die Stromversorgung wurde in den Teststand ein Kunststoff Klemmenkasten eingebaut in dem auf drei Hutschienen die Verdrahtung mittels Reihenklemmen vorgenommen wurde vgl Abb 4 16 Zur Temperaturregelung der Befeuchter Heizb nder der Heizschl uche und der Heizelemente der Brennstoffzellen sowie zur Steuerung der Magnetventile werden insgesamt sieben Leistungsrelais 5A 2x UM Standardtyp G2R 2 eingesetzt die mittels Steckfassungen auf der oberen Hutschiene angebracht sind Da die drei Magnetventile der Gasversorgung parallel verschaltet sind werden diese ber ein gemeinsames Relais angesteuert 49 Konzeption des Teststandes Abbildung 4 16 Klemmenkasten Frontansicht und Verdrahtung Um zus tzlich eine manuelle S
69. lativ geringen Gasvolumenstr me und der damit verbundenen geringen W rmeaufnahme derselben schon geringste W rmesenken durch minimale Isolationsl cher oder Ventilation einen nicht unerheblichen W rmeverlust und damit Temperaturabfall im Gasstrom zur Folge haben Ebenso ist die thermische Masse der Feuchtemesszellen unverh ltnism ig gro gegen ber den Gasvolumenstr men wodurch sie eine gro e W rmemenge zum Aufheizen ben tigen und demzufolge den Gasstr men zus tzlich W rme entziehen Um einordnen zu k nnen in welchen Dimensionen sich die auftretenden W rmeverluste bewegen wurden berschl gige Berechnungen zum W rmeinhalt der maximalen Gasstr me f r Luft 2 l min und Wasserstoff 1 l min bei einem Aufheizvorgang von 20 C auf 80 C gemacht 73 Inbetriebnahme des Teststandes Mit der Dichte f r Luft von 1 293 kg m und f r Wasserstoff von 0 0899 kg m ergeben sich mit den jeweiligen maximalen Durchflussraten Massenstr me von 2 586 g min f r Luft und 0 0899 g min f r Wasserstoff Luft besitzt eine spezifische W rmekapazit t von 1 005 J g K und Wasserstoff von 14 05 J gK Mit dem Temperaturunterschied von 60 K und der Gleichung f r den W rmestrom AQ c m AT Gl 6 1 AO W rmestrom AO W Cy spezifische W rmekapazit t cp J g K m Massenstrom m g min AT Temperaturunterschied AT K ergibt sich daraus f r Luft trocken ein W rmestrom von etwa 2 6 W und f r Wasserstoff tro
70. llen auch nach Einbeziehen der Wirkungsgradverluste und der St chiometriefaktoren noch mit gen gend Gas versorgt werden k nnen ist nach Absprache mit dem Zellenhersteller ZSW und den brigen Projektpartnern ein maximaler Gasvolumenstrom von 2 l min Luft und 1 l min Wasserstoff bzw Stickstoff ausreichend Bei der Auswahl der daf r notwendigen Gasvolumenstromregler wurde auf institutsinterne Erfahrungswerte zur ckgegriffen Digitale Massendurchflussmesser regler digital mass flow meter controller der Firma BRONKHORST HI TEC vgl Abb 4 4 haben sich hier als besonders geeignet erwiesen 33 Konzeption des Teststandes Abbildung 4 4 Digitaler Massendurchflussregler EL FLOW 17 Diese Durchflussregler besitzen ein integriertes Regelventil und arbeiten nach dem Prinzip der thermischen Massendurchflussmessung welches gegen ber herk mmlichen Verfahren die Str mungsgeschwindigkeit Volumenstrom oder Differenzdruck messen wesentlich genauer ist da die Masse eines Gases auch bei Temperatur oder Druck nderungen stets konstant bleibt Da die meisten Anwender jedoch mit Volumeneinheiten arbeiten wird der Massendurchfluss auf Normbedingungen T 0 C und p 1 013 bar bezogen in Volumen umgerechnet und die Regler geben so den Volumenstrom pro Minute 1 min an Wie Abbildung 4 5 erkennen l sst wird bei diesem Messprinzip ein Teil der Gasmenge ber einen Messbereichseinsatz sog Laminarstr mungseinsatz im Hauptstrom parallel
71. lumenstromes q in Litern pro Ampere und Minute sinnvoll 12 Die PEM Brennstoffzelle Mit Hilfe der Faraday schen Gesetze 2 Q 1 Gl 3 4 1 nm 2 F e N 96485 3 As mol Gl 3 5 n umgesetzte Stoffmenge n mol Q transportierte Ladung Q C z Ladungszahl pro Molek l F Faraday Konstante Na Avogadro Konstante NA 6 0221367 10 1 mol und dem Molvolumen eines idealen Gases Vmo 22 414 l mol ergibt sich n herungsweise f r den Gasvolumenstrom 1 d um z F min p 0 Amin GI 3 6 Daraus ergibt sich mit der Ladungszahl z 2 f r Wasserstoff vgl G1 3 3 ein theoretisch umgesetzter Gasvolumenstrom von 7 ml A min und f r Sauerstoff 3 5 ml A min Wird die Brennstoffzelle mit Luft anstelle von reinem Sauerstoff betrieben muss durch den Molenbruch x 0 21 geteilt werden da in Luft 21 Vol Sauerstoff enthalten sind und man erh lt 16 6 ml A min 8 Dieser theoretische Gasbedarf f r Anode und Kathode entspricht einem 100 igen Gasumsatz u Da bei diesem Gasumsatz von 100 die Massen der an der Zellreaktion beteiligten Edukte Ausgangsstoffe der Reaktion und Produkte erzeugte Stoffe gleich sind d h die Reaktion vollst ndig abl uft spricht man hier auch von einer St chiometrie von A 1 2 Unter St chiometrie versteht man die Lehre von der mengenm igen Zusammensetzung chemischer Verbindungen und der mathematischen Berechnung chemischer Umsetzungen Es gilt der Zusamm
72. lussregler ber ein Bussystem FLOW BUS Feldbus der Firma BRONKHORST mit einem Auswertesystem verbunden welches ber eine RS 232 Schnittstelle mit zugeh riger Software ansteuerbar ist Das gesamte Konzept zur Gasdosierung ist in Abbildung 4 6 schematisch dargestellt Die Durchflussraten und sonstigen Daten der eingesetzten Durchflussregler k nnen im Anhang D auf CD R nachgelesen werden Stickstoff N Trap N Sei Kj up jJ Ze Mix trocken Wasserstoff H an i emp ED 2 Mix feucht Gel Luft trocken H gt Mech Luft Auswertesystem a Luft feucht I up Cs Abbildung 4 6 Schematische Darstellung der Gasdosierung 35 Konzeption des Teststandes Wie in der Abbildung 4 6 zu erkennen ist anodenseitig ein Wasserstoff Stickstoff Gemisch einstellbar welches anschlie end in einen trockenen und einen feuchten Gasstrom aufgetrennt wird Kathodenseitig beschr nkt sich die Gasdosierung auf die Volumenstromtrennung da hier keine Gasmischung ben tigt wird Da die Durchflussregler werksseitig durch die Mikroprozessortechnik auf jedes beliebige Gas selbst auf Gasgemische kalibriert werden k nnen und dadurch Genauigkeiten von bis zu 0 5 v Messwert plus 0 1 v Endwert durch Kalibrierzertifikate bescheinigt werden siehe Datenbl tter im Anhang D auf CD R ist eine berpr fung der Genauigkeit des eingestellten Volumenstromes bei der Inbetriebnahme nicht mehr notwendig Das ben t
73. m ZSW zwei Pt100 Elemente zur Zelltemperaturerfassung mitgeliefert wurden werden ausschlie lich Thermoelemente Typ K NiCr Ni eingesetzt 45 Konzeption des Teststandes Diese im Gegensatz zu Pt100 Sensoren relativ g nstigen und robusten Thermoelemente werden allgemein in der Abteilung im FhG ISE eingesetzt wodurch auf gute Erfahrungswerte und Firmenkontakte zur ckgegriffen werden konnte So bietet die Firma BROSSEL MESSTECHNIK Mantel Thermoelemente in unterschiedlichen L ngen und Durchmessern an wodurch eine optimale Anpassung an die jeweiligen Erfordernisse m glich war Um den Vorteil der sehr genauen Pt100 Elemente etwas auszugleichen wurden Thermoelemente mit einer Grenzabweichung nach DIN IEC 584 Klasse 1 gew hlt Diese besitzen eine Genauigkeit von 1 5 K oder 0 4 des Messwertes der jeweils gr ere Wert gilt bei einem Messbereich von 40 C bis 1000 C Datenblatt im Anhang D auf CD R Pt100 Sensoren messen die Temperatur nach dem Prinzip der Temperaturabh ngigkeit eines Platinwiderstandes Zur exakten Messung ist dabei eine Messbr cke integriert die jedoch durch die notwendige 4 Punkt Messmethode vier Anschl sse zur Messsignalerfassung ben tigt Im Gegensatz dazu messen Thermoelemente die Temperatur indem bei Temperatureinfluss an der Verbindung eines Paares ungleicher Metalldr hte hier NiCr Ni eine Spannung im Millivoltbereich auftritt So ben tigen Thermoelemente zur Messsignalerfassung nur zwei Anschl sse
74. min 10 0 00 00 05 00 10 00 15 00 20 00 25 00 30 00 Zeit t min Abbildung 6 1 Anodenseitige Befeuchtung bei unterschiedlichen Volumenstr men 10096 Befeuchtung KATHODE 110 100 90 w 80 SZ 70 g 5 60 3 o 50 10 V strom Luft 0 2 l min u 40 25 V strom Luft 0 5 l min bd 30 50 V strom Luft 1 l min 20 75 V strom Luft 1 5 l min iB 100 V strom Luft 2 l min 0 00 00 05 00 10 00 15 00 20 00 25 00 30 00 Zeit t min Abbildung 6 2 Kathodenseitige Befeuchtung bei unterschiedlichen Volumenstr men Wie den Kurvenverl ufen der Abbildungen zu entnehmen ist wird kathodenseitig die gew nschte Feuchte von 100 rF im Rahmen der Messgenauigkeit bei allen eingestellten Volumenstr men erreicht Da durch den jeweils geringeren Volumenstrom auf der Anodenseite die relative Feuchte von 100 rF langsamer erreicht wird als auf der Kathodenseite ist bei Beenden der Messungen noch eine leichte Zunahme der Feuchte zu 70 Inbetriebnahme des Teststandes beobachten Die jeweils gemessenen Maximalwerte liegen jedoch zwischen 98 3 rF und 99 6 rF sodass auch hier im Rahmen der Messgenauigkeit ein Erreichen der maximalen Befeuchtung von 100 rF f r alle eingestellten Volumenstr me der Anodenseite best tigt werden kann 6 2 2 Schrittweise Befeuchtung Wiederum bei Umgebungstemperatur und ausgehend vom kleinstm glichen Feuchtewert wurde die relative Feuchte des anoden und kathodenseitigen Gasstromes in 20 Schritte
75. mperaturniveaus durchgef hrt Die genaue Durchf hrung der Tests und deren Ergebnisse sollen nachfolgend erl utert werden 6 2 1 Erreichen des maximalen Feuchtewertes Ausgehend von einer einheitlichen Temperatur aller Komponenten des Teststandes Umgebungstemperatur wurde durch Sp len mit trockenem Stickstoff anodenseitig und trockener Luft kathodenseitig der kleinstm gliche Feuchtewert eingestellt Um nun festzustellen ob die Befeuchter in der Lage sind verschiedene Volumenstr me vollst ndig zu befeuchten erfolgte der Betrieb der Durchflussregler f r Luft feucht und Wasserstoff Stickstoff Mix feucht Stickstoffanteil 20 mit je 10 25 50 75 und 100 ihres maximal einstellbaren Volumenstromes siehe Kap 4 3 Der Abschluss der einzelnen Messungen erfolgte nach Erreichen des maximalen Feuchtewertes Um bei allen 69 Inbetriebnahme des Teststandes Messungen die gleichen Anfangsbedingungen zu schaffen wurde der Teststand vor jeder Messung wiederum mit trockener Luft und trockenem Stickstoff gesp lt In Abbildung 6 1 und 6 2 sind die Ergebnisse f r die Anoden bzw Kathodenseite dargestellt 100 Befeuchtung ANODE 110 100 90 V 80 70 g 8 60 ZC 50 10 V strom H2 N2 0 1 l min 40 25 V strom H2 N2 0 25 l min E 30 50 V strom H2 N2 0 5 l min EN 75 V strom H2 N2 0 75 l min 100 V strom H2 N2 1 l
76. n bis auf maximale Befeuchtung gebracht Die Durchf hrung erfolgte bei maximalen Volumenstr men Luft 2 l min Hy Na 1 In min und bei einem anodenseitigen Stickstoffanteil von 20 Die Ergebnisse der schrittweisen Befeuchtung sind in Abbildung 6 3 dargestellt Schrittweise Befeuchtung relative Feuchte rF Schrittweise Befeuchtung ANODE Schrittweise Befeuchtung KATHODE 00 00 05 00 10 00 15 00 20 00 25 00 Zeit t min Abbildung 6 3 Schrittweise Befeuchtung anoden und kathodenseitig In beiden Kurvenverl ufen ist bei Messbeginn zu erkennen dass die verwendeten Gase aus der Hausversorgung schon eine gewisse Grundfeuchte besitzen Bei der Mischung dieser nicht vollst ndig trockenen Gasstr me mit den zugeh rigen feuchten Gasstr men zum Erhalt der gew nschten Feuchte macht sich dieser Offset maximal 2 5 rF bei jedem eingestellten Feuchtewert entsprechend bemerkbar Nach Ber cksichtigung der Messgenauigkeit und bei Verwendung absolut trockener Gase kann jedoch gesagt werden dass die unterschiedlichen Feuchtewerte auf der Anoden und Kathodenseite mit gro er Genauigkeit eingestellt werden k nnen 71 Inbetriebnahme des Teststandes 6 2 3 Befeuchtung bei Temperierung Um die gew nschte Befeuchtung der Gase auch im Bereich bis 130 C zu erreichen muss im gesamten Teststand die gleiche Temperatur herrschen damit ein Auskondensieren von Wasser verhindert wird Um nu
77. n 0 bis 100 rF mit einer Genauigkeit von 1 5 rF Datenblatt siehe Anhang D auf CD R Der HYGROMER Feuchtesensor selbst arbeitet nach dem Prinzip der kapazitiven Feuchtemessung welches auf der nderung der dielektrischen Eigenschaften eines polymeren Kunststoffes in Abh ngigkeit der herrschenden relativen Feuchtigkeit basiert Das f r den HYGROMER Sensor verwendete Polymer ist hygroskopisch und hat das nat rliche Bestreben sich mit seiner Umgebung ins Gleichgewicht zu bringen In Abh ngigkeit von der Temperatur und der im Polymer gespeicherten Wassermenge bildet sich ein entsprechender Wasserdampfdruck an der Oberfl che des Polymers Jede Differenz zwischen diesem Wasserdampfdruck und dem Wasserdampfdruck der Umgebung wird durch den Austausch von Wasser so lange ausgeglichen bis die beiden Druckwerte gleich sind 18 Die sich im Polymer einlagernde Wassermenge ver ndert nun die dielektrischen Eigenschaften des Polymers Diese nderungen werden elektrisch gemessen und im Messumformer verst rkt Das Feuchtesignal und das durch den Pt100 Sensor erfasste Temperatursignal wird jeweils als analoges Ausgangssignal ausgegeben welches je nach F hlertyp variiert Gew hlt wurde ein Spannungssignal von 0 bis 10 V bei 0 bis 100 rF und 0 bis 150 C Um nun die Feuchtef hler anoden wie kathodenseitig vor und nach den Zellen einbauen zu k nnen wurden vier Feuchtemesskammern aus Edelstahl konstruiert vgl Abb 4 13 44 Konzeption des Test
78. n Datenlogger bergeben werden vgl Abb 5 6 PIB Config Keithley 2700 Abbildung 5 6 VIs zur Initialisierung des Datenloggers 61 Automatisierung des Teststandes Zur Erfassung der Messwerte wurde ebenfalls ein subVI mit Hilfe der KEITHLEY VIs erstellt Dieses startet die Messwerterfassung des Datenloggers sobald ber einen Hauptbildschirm die Datenerfassung mittels START Datalog aktiviert wurde In Abbildung 5 7 ist das VI mit anschlie ender Datenaufbereitung abgebildet Die Messwerte der Thermoelemente und Pt100 Sensoren der Brennstoffzellen bed rfen keiner Bearbeitung da sie schon in den ben tigten Grad Celsius erfasst werden Die Feuchte und Temperaturwerte der Feuchtesensoren werden als Spannungssignale mit einem Bereich von 0 bis 10 V erfasst siehe Kap 4 5 Bei einem Feuchtebereich von 0 bis 100 rF und einem Temperaturbereich von 0 bis 150 C erfolgt die Messwertanpassung somit durch einen Faktor 10 f r die Feuchte und einen Faktor 15 f r die Temperatur Die Stromsignale der Drucksensoren von 4 bis 20 mA m ssen dem Messbereich von 0 bis 10 bar angepasst werden F r jeden Sensor l sst sich aus dem jeweiligen Datenblatt siehe Anhang D auf CD R eine Kalibrierkurve in Form einer Polynomfunktion 1 Grades ermitteln Mit diesen werden die erfassten Stromwerte im Programm in Druckwerte umgerechnet emp AN H20 emp KAT Heiz 1 EAI DI EAI DI
79. n zu berpr fen ob die W rmemenge der in den Befeuchtern beheizten Gasstr me ausreicht den Teststand auf das gew nschte Temperaturniveau zu bringen wurde darum ausgehend von Umgebungstemperatur eine Temperatur von 80 C in den Befeuchtern eingestellt Der Aufheizversuch wurde mit maximalen Gasvolumenstr men und bei maximaler Befeuchtung durchgef hrt Um ein Auskondensieren schon auf der Strecke zu den Feuchtemesszellen zu vermeiden wurden die berhitzerschl uche auf 85 C eingestellt In Abbildung 6 4 sind die erreichten Temperaturen sowie die Temperaturverl ufe der Heizelemente dargestellt Aufheizversuch 150 140 ANODE_Eingang KATHODE_Eingang 130 AVA YP VW YU Anode Heizband Kathode Heizband 120 Anode Heizschlauch Kathode Heizschlauch 110 Anode Gasraum Kathode Gasraum 100 90 Vu PAIN INNNNNNINANN Nana d f N INNT N Nr NJ 80 SEIT IR RN FRI FIT TIEREN bad AN EN Temperatur C o 00 00 00 10 00 20 00 30 00 40 00 50 01 00 01 10 01 20 01 30 01 40 01 50 02 00 02 10 02 20 Zeitt h Abbildung 6 4 Temperaturverl ufe des Aufheizversuches Wie in der Abbildung zu erkennen ist stellt sich kathodenseitig nach etwa 1 5 h eine Temperatur von 76 C ein Auf der Anodenseite betr gt die Temperatur aufgrund des geringeren Volumenstromes nach Beenden der Messung nur etwa 68 C Diese relativ geringen Temperaturgef lle von 4 K bzw 12 K sind jedoch zur Einstellung einer gen
80. nsnsnsssenee 14 3 4 KINETISCHE GRUNDLAGEN sense issesssenssndsentsssssesehsndeshseeee 15 3 5 LEISTUNG DER BRENNSTOFFZELLE zrrsceccasosenssssesessnnonsnnnnsssssnssnonsnsnsnssssnsssssensnsnsssenee 17 3 0 WIRKUNGSGRADE 4 5 ooa eee eue e va ebe do ene peer aee eR Ye Une EAR ee E otn Sss 17 3 7 EINFLUSSGR REN UND BETRIEBSPARAMETER eee ee ee oe ee ee ee eee ense sese eee e esee etn soon 19 3 8 DEGRADATION UND LANGZEITVERHALTEN eeeee ee eoo o oe eee eee eet enne sese sese eee to neon 20 3 0 BESCHLEUNIGTE ALTERUNGSTESTS e ee esee eee eee eese ee to nose eese estet ense sese eese e tetto see 22 39 T Vor berlesungen uen ote te ate rere eer 22 3 9 2 Konventionen erected les ete ves CREE CE ENEE a Ue UR Fe EN RS uaa 23 3 9 3 Beschleunigungsmodelle ass aan en 25 4 KONZEPTION DES TESTSTANDES eere eee ee eene ne eren nnno 30 4 1 ALLGEMEINE ANFORDERUNGEN UND RANDBEDINGUNGEN eeeeeeeeeees sees es eseeuo 30 4 2 BRENNSTOEEZELLEN EE 31 4 3 GASDOSIERUNG m 33 4 4 GASBEFEUCHTUNG ecce e cee eei eos ec taessa seseo Sse cese ce hee een en se Y aes e pee eee sa EES 36 4 5 EEUCHTEMESSUNG u a EE dE ENEE dE 43 4 6 TEMPERATURMESSUNG 021 0 sinunnislnsnsilnssniedsnsesheenkessengenshsetenee 45 4 7 DRUCKMESSUNG 7 tiae ee een aat NEEN REENEN ege 47 4 8 ELEKTRONISCHE LAST ee eseo en eo inno oret o eo raa no oae ee pta n a aao ie ee Ene ee Nee SE dein EN 48 4 9 STROMVERSORGUNG eere sat eo Task se
81. ohrh hen berechnet und mit dem Wasserverbrauch pro Zeiteinheit die theoretisch m gliche Versuchslaufzeit bei den zuvor genannten Rahmenbedingungen von 100 rF und 80 C ermittelt Gew hlt wurde ein Rohrinnendurchmesser von 11 03 cm nach DIN bei einer Wasserh he von 60 cm woraus sich ein Wasservolumen von 5 73 1 ergibt Bei einem Wasserverbrauch von maximal 80 des Gesamtvolumens ist nach Gleichung 4 6 eine theoretische Laufzeit von ca 5 5 Tagen m glich Gesamte Ergebnisse hierzu im Anhang B auf CD R Da das Befeuchterrohr nicht komplett mit Wasser gef llt sein darf um ein Mitrei en von Wassertropfen bei Austritt des Gasstromes zu verhindern wurde eine Gesamtrohrl nge von 70 cm gew hlt und so ein Gasraum im Rohr mit einer H he von 10 cm erm glicht Um eine Verunreinigung der Gase mit Fremdionen aus dem Wasser zu vermeiden ist der Einsatz von deionisiertem Wasser notwendig was bei einer Betriebstemperatur von bis zu 130 C und durch den Einsatz von Wasserstoff spezielle Anspr che an Materialauswahl und Konstruktion stellt So wurden die Befeuchter komplett in Edelstahl Werkstoff 1 4571 konzipiert um der Korrosivit t von Wasser und feuchten hei en Gasen entgegenzuwirken In Abbildung 4 8 ist ein Schnitt durch einen Befeuchter dargestellt Die gesamten technischen Zeichnungen sind dem Anhang D auf CD R zu entnehmen 39 Konzeption des Teststandes Befeuchter O2 links Skizze Halterung f r Thermoelement
82. ok index Komplettes Dokument auf CD R im Anhang F Timm D Charakterisierung einer Brennstoffzelle unter besonderer Ber cksichtigung von Alterungsprozessen Diplomarbeit Fraunhofer ISE 2002 Forschungsverbund Langlebige PEFC als Voraussetzung f r eine Wasserstoffenergiewirtschaft Zwischenbericht Berichtszeitraum 1 1 2001 31 12 2001 Kraume Dr Ing M Verfahrenstechnik II Skript Institut f r Verfahrenstechnik TU Berlin WS 1996 97 Lindner E J Hoinkis Chemie f r Ingenieure 11 Auflage Wiley VCH Weinheim 1997 BRONKHORST HiTec Digitale Massendurchflussmesser regler f r Gase Benutzerhandbuch 1999 ROTRONIC Feuchte und Temperaturmessung Produktkatalog 2000 2001 Industrie Team Service GmbH Bedienungsanleitung Elektronische Last 7141 Z Larminie J A Dicks Fuel Cell Systems Explained Wiley VCH Weinheim 2000 82 Anhang CD ROM 9 Anhang CD ROM Auf der beiliegenden CD R ist der komplette Anhang entsprechend der unten aufgef hrten Gliederung abgespeichert Die CD R enth lt zus tzlich eine Readme Datei in pdf Format die weitere Informationen zum Inhalt des Anhangs enth lt Falls ben tigt ist eine Version des Adobe Acrobat Reader beigef gt um die verschiedenen Dokumente einsehen zu k nnen Anhang A Stromlaufplan Kanalbelegung Datenlogger e Kanalbelegung KEITHLEY Datenlogger e Stromlaufplan des Teststandes e Verfahrensflie bild des Teststandes Anhang B
83. r T K Der Wert der Aktivierungsenergie AE h ngt ab vom jeweiligen Degradationsmechanismus und den entsprechend daran beteiligten Materialien blicherweise liegen die Werte zwischen 0 3 eV und 1 5 eV oder sogar h her Berechnet man nun gem Gleichung 3 23 den Beschleunigungsfaktor allgemein f r die Temperaturen T und T k rzt sich der unbekannte Skalierungsfaktor heraus und es ergibt AE EEN ea k IT T Das Arrhenius Modell besitzt somit nur den kritischen Parameter der Aktivierungsenergie sich AF ed und ist sehr gut anwendbar auf Fehlermechanismen die mit chemischen Reaktionen Diffusions oder Migrationsvorg ngen zu tun haben 12 Eyring Modell Dieses Modell stellt eine Weiterentwicklung des Arrhenius Modells dar Es basiert auf Theorien der Chemie und Quantenmechanik und wird besonders dann verwendet wenn mehrere Belastungsarten vorhanden sind Aufbauend auf dem Arrhenius Modell ergibt sich nun folgende Gleichung welche zus tzlich zur Temperatur eine weitere Belastungsart einschlie t 12 T t A T ep r2 Gl 3 26 a B C sind Parameter welche die Degradationsbeziehungen zwischen den verschiedenen Belastungskombinationen bestimmen S ist eine zus tzliche Belastungsfunktion wie Spannung Strom oder hnliches Die weiteren Parameter sind dem Arrhenius Modell zu entnehmen 27 Die PEM Brennstoffzelle Sobald eine zus tzliche Belastung hinzukommt erweitert sich die Gleichun
84. r Teststand dient zur Durchf hrung von beschleunigten Alterungstests an Einzelzellen unter standardisierten Bedingungen und zur Verifikation von theoretisch entwickelten Alterungsmodellen Die Gasdosierung des Teststandes bestehend aus sechs digitalen Volumenstromreglern erlaubt einen maximalen Gasvolumenstrom von 2 l min Luft und von 1 l min Wasserstoff bzw Stickstoff Durch die Zufuhr von Stickstoff auf der Anodenseite ist es m glich eine definierte Hy N gt Mischung zur Verd nnung des Brenngases einzustellen wodurch der Einfluss der Brenngaskonzentration auf das Leistungsverhalten und die Alterung der Brennstoffzelle untersucht werden kann Zur Befeuchtung der Gase wurden zwei beheizbare Befeuchtereinheiten konzipiert mit denen jeder Gasvolumenstrom in einem Bereich von 0 rF bis 100 rF definiert befeuchtet werden kann Beide Blasens ulen sind dabei so ausgelegt dass eine 100 ige Befeuchtung ber mehrere Tage hinweg m glich ist Die gew nschte Feuchte wird dabei ber die Gasdosierungseinrichtung durch Zumischen eines trockenen Gasstromes eingestellt der durch einen in den Befeuchter integrierten Bypass an der Befeuchtung vorbeigeleitet wird Zur Untersuchung des Einflusses der Temperatur auf die Alterungserscheinungen in der PEMFC sind die Befeuchtereinheiten zus tzlich bis auf 140 C beheizbar Nachgeschaltete Heizschl uche stellen sicher dass der Gasstrom die im Befeuchter eingestellte Temperatur beh lt und auf dem Weg zu den Brenns
85. rung eingehend berpr ft Um die korrekte Funktion des gesamten Teststandes zu beweisen und die zur Durchf hrung von Langzeittests eingesetzten Brennstoffzellen zu charakterisieren wurden abschlie end mehrere Messungen an den Test Brennstoffzellen durchgef hrt und U I Kennlinien aufgenommen 6 1 Test der Gasdosierung Da auf der Kathodenseite ausschlie lich Luft bzw Sauerstoff zugef hrt wird und darum keine Mischung von Gasen n tig ist beschr nkt sich die Kontrolle der Gasdosierung auf die anodenseitige Mischung von Wasserstoff und Stickstoff Dazu wurden auf der LabVIEW Benutzeroberfl che Gasvolumenstr me mit einem Stickstoffanteil von 2096 50 und 80 eingestellt Um eine konstante Gaszusammensetzung zu gew hrleisten wurde jeweils die erste Menge Mischgas in den Abzug abgeblasen und anschlie end eine Menge von etwa drei Litern in einer Gast te aufgefangen Vor jedem neuen Auffangen wurde die Gast te zuerst mit dem Mischgas vorgesp lt um eine Verunreinigung durch Umgebungsluft oder Restgase zu vermeiden Jede entnommene Mischgasprobe wurde mit einem Gaschromatographen des Typs 6890A G1530A der Agilent Technologies GmbH mit einer Genauigkeit von 1 analysiert Dabei bestand jede der drei Messreihen aus drei Einzelmessungen zur genauen berpr fung der erhaltenen Messwerte durch Bildung des gleichgewichteten Mittels Die Ergebnisse sind in Tabelle 6 1 aufgelistet Ein Auszug aus den detaillierten Messergebnissen ist im Anhang
86. s sich recht m hsam gestaltet f r jeden einzelnen Fehlermechanismus den entsprechenden Beschleunigungsfaktor zu ermitteln und in Beziehung zueinander zu stellen geht man dazu ber komplette Modelle zu entwickeln die die Zeit bis zum Ausfall des Objektes als Funktion der Belastung darstellen 12 Allgemein l sst sich schreiben t 2 G S Gl 3 22 Le time to fail Ausfallzeit G S Modellgleichung f r ein beliebiges Belastungsniveau stress level S Damit berechnet sich allgemein der Beschleunigungsfaktor zwischen zwei Belastungsleveln S und S aus 12 GEI G S AF Gl 3 23 Diese meist empirisch ermittelten Beschleunigungsmodelle werden f r gew hnlich n herungsweise aus physikalischen oder kinetischen Modellen abgeleitet die auf den entsprechenden Degradationsmechanismen basieren Je besser man die Theorie dieser Fehlermechanismen kennt desto genauer wird auch das Beschleunigungsmodell Im Folgenden soll kurz auf Modelle eingegangen werden die auf die Theorie der Brennstoffzelle bertragbar sind Arrhenius Modell Dieses fr he empirische Beschleunigungsmodell wurde in Anlehnung an den vom schwedischen Chemiker Arrhenius im Jahr 1887 beschriebenen Einfluss der Temperatur auf die Reaktionsgeschwindigkeit entwickelt 11 12 26 Die PEM Brennstoffzelle AE t 4 Gl 3 24 A Skalierungsfaktor AE Aktivierungsenergie AE4 eV k Boltzmann Konstante k 8 617 10 eV K T Temperatu
87. schaft wird in Zukunft zur L sung der Energie und Umweltprobleme unumg nglich sein Neben der H gt Erzeugung seiner Speicherung und dem Transport kommt seiner Verstromung eine hohe Bedeutung zu Eine der aussichtsreichsten M glichkeiten zur Gewinnung elektrischer Energie aus Wasserstoff bietet die Brennstoffzelle Herk mmliche W rmekraftmaschinen wie Verbrennungsmotoren Dampfmaschinen oder Turbinen gewinnen Arbeit oder elektrische Energie erst aus der zugef hrten W rmeenergie Dabei wird der theoretische energetische Wirkungsgrad durch einen Gesamtprozess bestimmt der durch den Carnot Faktor nc gekennzeichnet ist abgegebene Arbeit ped c Gl 1 1 eingebrachte W rmeenergie T Die Eintrittstemperatur T des Arbeitsmediums der entsprechenden W rmekraftmaschine ist dabei h her als dessen Austrittstemperatur T2 Der Wirkungsgrad bei der Umwandlung von thermischer in mechanische Energie ist somit theoretisch auf etwa 50 begrenzt 8 In einer Brennstoffzelle jedoch wird die chemische Energie des Wasserstoffs direkt in elektrische Energie umgewandelt ohne dabei im Wirkungsgrad durch den Carnot Faktor begrenzt zu sein vgl Abb 1 1 Einleitung Chemische Energie Kernenergie Wasserkraft Windenergie B ndelung Kernspaltung Thermische Energie Solarzelle Brennstoffzelle Mechanische Energie Solarthermische Kraftwerke Abbildung 1 1 Energieumwandlungskette nach 8 Die Entwicklung
88. schaltet ein siehe Kap 4 9 wird dies durch eine entsprechende grafische Leuchtdiode auf dem Bildschirm 58 Automatisierung des Teststandes kenntlich gemacht Zudem ist es sicherheitstechnisch m glich jedes Heizelement ber einen OFF Schalter softwarem ig von der Temperaturregelung zu trennen Die Regelung der Temperaturen auf die jeweils eingestellten Werte sowie die Anzeige der gesamten Temperatur Feuchte und Druckwerte des Teststandes erfolgt jedoch erst beim Starten der gesamten Datenerfassung des Datenloggers ber den Schalter START Datalog der ber jeden Hauptbildschirm zug nglich ist Abbildung 5 3 Hauptbildschirm Flussdiagramm F 1 Um den zeitlichen Verlauf der Temperatur Feuchte und Druckwerte w hrend der Messung verfolgen zu k nnen werden im Hauptbildschirm Datendisplay F2 die durch den Datenlogger erfassten Messwerte in drei Diagrammen dargestellt vgl Abb 5 4 Die Zeitachsen der drei Graphen f r die Temperatur Feuchte und Druckwerte werden dabei mit der aktuellen Uhrzeit Systemzeit dargestellt und entsprechend dem Scanintervall des Datenloggers aktualisiert Zus tzlich zum Kurvenverlauf werden alle Messwerte in Form einer digitalen Anzeige ausgegeben um deren aktuellen und exakten Betrag ablesen zu k nnen 59 E Teststand Langlebige PEFE vi Automatisierung des Teststandes lal Temp AN H20 Temp AN Gas Temp AN pez Temp AN HS Terp KAT Ion Temp KAT Gas Tero K
89. selle Gaskonstante Abk rzungen Formelzeichen Indizes AH J mol AH kJ mol I 2A Il A j A cm k 8 617 10 eV K M kg mol m kg m kg s NA 6 0221367 10 1 mol N mol s n mol Pa W p bar po 1 013 bar pa W em pp Pa ps Pa Q C R 8 314 J mol K relative Feuchte eng Relative Humidity Ruthenium Belastungsniveau Stress Level Reaktionsentropie Temperatur Standardtemperatur obere Systemtemperatur Umgebungstemperatur Temperaturunterschied AS J mol K T K To 2273 15 K T K Ta K AT K IX V mol V signal V x N nce Nges NLi Nmax 55 D we Abk rzungen Formelzeichen Indizes Ausfallzeit time to fail at stress time to fail at use Zellspannung U V reversible Zellspannung Use V Ruhepotential Un V enthalpische Zellspannung Ua V Spannungsverlust AU V Durchtritts berspannung AUp V Diffusions berspannung AUpir V Widerstands berspannung AUR V reversible Spannungsdifferenz Ale V Volumen V m Spannung eng Konvention V V Molvolumen Vmoi 22 414 I mol Spannungspegel des Ausgangssignals Volumenstrom V l min gleichgewichtetes Mittel Ladungszahl Massendurchfluss Dn kg s Volumendurchfluss mis Degradationsparameter Degradationsparameter Degradationsparameter Carnot Wirkungsgrad Gesamtwirkungsgrad Fara
90. sichtigt So kann z B die Brennstoffausnutzung ber den Faraday Wirkungsgrad bzw Strom wirkungsgrad angegeben werden Dieser stellt den Bruchteil des Stoffmengenstroms N des Reaktanden i dar der durch elektrochemische Reaktion zum Stromfluss I beitr gt 3 rm Tm z F N m Gl 3 20 I von der Zelle gelieferter Strom Im theoretischer elektrischer Strom entsprechend dem Brenngasverbrauch Ni Stoffmengenstrom des Reaktanden i N mol s 3 7 Einflussgr en und Betriebsparameter Neben den rein theoretischen thermodynamischen und kinetischen Faktoren welche die Leistung einer Brennstoffzelle einschr nken gibt es einige technische und konstruktive Parameter die die Charakteristik einer Brennstoffzelle und damit die Kennlinien ver ndern Auf die wichtigsten soll hier kurz eingegangen werden So stellen inzwischen mehrere Firmen gute Membranen und komplette MEAs her die Entwicklung ist jedoch noch lange nicht abgeschlossen da immer noch Forschungsbedarf in Bezug auf Haltbarkeit mechanische Stabilit t Stromdichte usw besteht 8 Auch ist die notwendige teure und aufwendige Katalysatorbelegung in den letzten Jahren stark reduziert worden jedoch ist die Optimierung und die Entwicklung neuer Katalysatormaterialien noch nicht am Ende angelangt Polymermembranen leiten Protonen nur im befeuchteten Zustand Da die Leitf higkeit linear vom Wassergehalt der Membran abh ngt stellt das Wassermanagement eine wichtige Einflu
91. sph rische PAFC sind aus technischer wie aus kommerzieller Sicht f r station re Anwendungen zur Strom und W rmeerzeugung der am weitesten entwickelte Brennstoffzellen Typ 2 3 5 MCFC Schmelzkarbonat Brennstoffzelle Die Schmelzkarbonat Brennstoffzelle wird bei ca 650 C mit einem Elektrolyten in Form geschmolzener Alkalikarbonate betrieben die in einer hochpor sen keramischen Matrix fixiert werden Die MCFC integriert Kohlendioxid in die Zellreaktion und ist daher sehr gut geeignet zur Verstromung von kohlenwasserstoffhaltigen Gasen welche unter Ausnutzung der Abw rme der Brennstoffzelle zu Wasserstoff und CO reformiert werden sog interne Reformierung 3 Der relativ hohe Wirkungsgrad der MCFC im Vergleich zur PAFC ergibt sich aus dem h heren Temperaturniveau 2 3 6 SOFC Oxidkeramische Brennstoffzelle In oxidkeramischen Brennstoffzellen wird ein gasdichter keramischer Festelektrolyt aus Yttrium stabilisiertem Zirkonoxid verwendet Diese Mischoxid Keramik zeigt bei Temperaturen oberhalb von 750 C eine gute O Ionenleitf higkeit bei gleichzeitiger Gasundurchl ssigkeit und vernachl ssigbarer Elektronenleitung Aufgrund der sehr hohen Betriebstemperatur k nnen auch CO haltige Gasgemische aus der internen Reformierung unmittelbar umgesetzt werden und erlaubt somit den Einsatz unterschiedlichster Brenngase wie z B Erdgas Kohlegas und Biogas SOFC Anlagen haben ein hohes Wirkungsgradpotential besonders in Kombination mit
92. ssgr fe im Betrieb einer Brennstoffzelle dar Dazu geh rt auch die Optimierung der flow fields in den Bipolarplatten Es m ssen Strukturanordnungen gefunden werden die sowohl f r eine m glichst gute und gleichm ige Gasverteilung sorgen als auch das entstehende bersch ssige Wasser ohne allzu gro en Druckabfall aus der Zelle abf hren k nnen 19 Die PEM Brennstoffzelle Wird eine Brennstoffzelle jedoch mit erh htem Gasdruck betrieben kann das Produktwasser besser aus den Gasverteilungszonen ausgetragen werden was sich somit positiv auf das oben genannte Wassermanagement auswirkt Ein weiterer wichtiger Parameter stellt die Zelltemperatur dar Zwar nimmt die theoretische Zellspannung mit zunehmender Temperatur ab jedoch erreicht die Brennstoffzelle ihr Leistungsmaximum aufgrund der steigenden Reaktionsgeschwindigkeit bei Betrieb im Bereich von 50 C bis 80 C 8 wodurch auch auf das korrekte Temperaturmanagement geachtet werden muss In Zusammenhang mit den Reaktionsgasen l sst sich beobachten dass die Art und Reinheit der Gase eine erhebliche Rolle spielt Vor allem bei Verunreinigungen des Wasserstoffs mit Schwefel und CO welches besonders bei Verwendung von Reformatgas zum Tragen kommt reagiert die PEM Brennstoffzelle mit Leistungseinbu en 3 8 Degradation und Langzeitverhalten Die zuvor erw hnten Einflussfaktoren lassen ausschlie lich Aussagen ber die momentane Leistungsf higkeit einer Brennstoffzelle zu erm
93. standes d Abbildung 4 13 Feuchtemesskammer Dabei erforderten die Ausma e der Feuchtef hler eine spezielle Konstruktion um den Gasstrom ohne allzu gro e Hindernisse an den Feuchtesensoren vorbeif hren zu k nnen Gleichzeitig durfte jedoch die Messkammer selbst nicht zu gro werden um den Isolierungsaufwand m glichst gering zu halten und den Gasweg zu den Brennstoffzellen nicht zu lang werden zu lassen Nach R cksprache mit der Firma ROTRONIC konnte eine geeignete Dimensionierung gefunden werden Die Feuchtemesskammern bestehen nun jeweils aus einem T St ck konischen Rohrst cken und Swagelok Schwei fittingen zum Anschluss an die Rohrleitungen technische Zeichnung im Anhang D auf CD R Der Feuchtef hler wird dabei druckdicht vertikal von oben eingeschraubt Die konische Anordnung der Edelstahlrohrteile erm glicht zudem einen nahezu verwirbelungsfreien Gasfluss Nach Einbau in den Teststand wurden die Messkammern mit einer 20 mm dicken Isolierung des Typs Armacell HT Armaflex ummantelt Ebenso wurde die brige Verrohrung mit einer 13 mm dicken Schlauchisolierung des gleichen Typs versehen 4 6 Temperaturmessung Um den Einfluss der Temperatur auf die Degradation zu untersuchen ist eine definierte Beheizung der Gase erforderlich Daf r sind Temperaturmessungen an m glichst vielen Stellen n tig Neben den Feuchtesensoren die schon integrierte Pt100 Sensoren besitzen und den Brennstoffzellen selbst zu denen vo
94. ststandes st tzt sich darum auf die Untersuchung m glichst vieler Einflussfaktoren Die Aufgabenstellung dieser Diplomarbeit ist Teil eines Verbundforschungsprojektes zur genaueren Untersuchung der Alterung von PEM Brennstoffzellen unter der Leitung des Zentrums f r Sonnenenergie und Wasserstoff Forschung Baden W rttemberg ZSW Ziele des Vorhabens sind Bestimmung und Aufkl rung der verschiedenen Degradationsprozesse auf Basis des Know hows der Alterungsmechanismen die Alterung pr ventiv zur ckzudr ngen und beschleunigte Alterungstests zu entwickeln Das Fraunhofer ISE hat dabei unter anderem die Aufgabe Langzeittests an Einzelzellen unter standardisierten Bedingungen durchzuf hren Diese Experimente sollen zur Verifikation von theoretisch entwickelten Alterungsmodellen sowie als Kalibrierungsmessungen dienen Grundlagen der Brennstoffzelle 2 Grundlagen der Brennstoffzelle 2 1 Einf hrung Der englische Jurist und Physiker Sir William Grove 1811 bis 1896 entdeckte das Prinzip der Brennstoffzelle vermutlich zuf llig bei seinen Experimenten zur Elektrolyse von Wasser im Jahre 1839 Bei der Elektrolyse wird Wasser durch elektrischen Strom in seine beiden Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt bei einer Brennstoffzelle wiederum wird durch die Verbindung von Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser elektrische Energie erzeugt vgl Abb 2 1 Abbildung 2 1 Schema einer Brennstoffzellen Batterie Sir W
95. t rke im Betriebspunkt I A In der Praxis wird anstelle der Stromst rke meist die Stromdichte angegeben da diese von der Gr e der Zelle unabh ngig ist und dadurch unterschiedliche Brennstoffzellen besser miteinander verglichen werden k nnen I Gl 3 14 EE j Stromdichte j A cm I Stromst rke I A A aktive Elektrodenfl che A cm Damit ergibt sich f r die Leistungsdichte pa einer Brennstoffzelle p 7U j pa Wiem Gl 3 15 3 6 Wirkungsgrade Aus den thermodynamischen Grundlagen l sst sich f r die Brennstoffzelle ein idealer Wirkungsgrad ermitteln Dieser wird auch als reversibler oder maximaler elektrischer Wirkungsgrad bezeichnet und folgt aus der freien Reaktionsenthalpie AG d h der maximal nutzbaren elektrischen Energie bezogen auf die Reaktionsenthalpie AH AG U z F r a Gl 3 16 o o Unter Standardbedingungen betr gt dieser Wirkungsgrad Nmax 83 3 Liegt das Produktwasser in der Gasphase AGO AH vor so betr gt dieser Wert 94 5 Vergleicht man diesen idealen Brennstoffzellen Wirkungsgrad mit dem Carnot Wirkungsgrad herk mmlicher W rmekraftmaschinen siehe Kap 1 1 T na E Gl 3 17 o 17 Die PEM Brennstoffzelle To obere Systemtemperatur T K Tu Umgebungstemperatur Ta K so wird deutlich dass Brennstoffzellen nicht nur h here Wirkungsgrade als ideale Carnot W rmekraftmaschinen erreichen sondern diese auch ber einen weiten Leistungsb
96. t Werkstoffen wird die Spannung abgegriffen In die Bipolarplatten sind Kanalstrukturen eingearbeitet zusammenfassend als flow field bezeichnet die eine fl chige Gaszuf hrung an die Gasdiffusionslage realisieren und f r den Abtransport des erzeugten Wassers sorgen 11 Die PEM Brennstoffzelle 3 2 Chemische Grundlagen 3 2 1 Zellreaktion Wird nun der Anode das Brenngas Wasserstoff und der Kathode das Oxidationsgas Sauerstoff zugef hrt entsteht zwischen beiden Elektroden eine Potentialdifferenz An der Anode wird das Brenngas oxidiert und es entstehen H Protonen die durch die Elektrolytmembran zur Kathode wandern Die Elektronen flie en aufgrund der Potentialdifferenz ber den u eren Stromkreis von der Anode zur Kathode wo der dort bereitgestellte Sauerstoff reduziert wird und das Reaktionsprodukt Wasser entsteht vgl Abb 3 3 H Wasserstoff Sauerstoff Nutzstrom pre Tr Oxidations gas Brenngas T Kathode Elektrolyt Anode Abbildung 3 3 Chemische Zellreaktion der PEMFC nach 9 Damit ergeben sich folgende Reaktionsgleichungen Anodenreaktion H 2H 2e GI 3 1 Kathodenreaktion 2H 0 2e gt HO Gl 3 2 Die Gesamtreaktion lautet demnach H4 x0 H O GI 3 3 3 2 2 Gasumsatz und St chiometrie Um nun aus der Gesamtreaktion nach Gleichung 3 3 eine aussagekr ftige Gr e zur Bestimmung des theoretischen Gasumsatzes einer PEM Einzelzelle zu erhalten ist die Angabe des Gasvo
97. t die Membran bei der PEMFC gleichzeitig die Funktion des Katalysatortr gers f r die anodischen und kathodischen Elektrokatalysatoren und des Separators f r die gasf rmigen Reaktanden So sind auf beiden Seiten der Polymermembran por se Elektroden meist ein Geflecht aus Kohlepartikeln mit einer aktiven Katalysatorschicht aufgebracht vgl Abb 3 1 Als Katalysator dienen fein verteilte Edelmetalle blicherweise Pt kathodenseitig und Pt Ru anodenseitig wobei die Edelmetallbelegung von urspr nglich 0 5 mg cm auf Werte von bis zu 0 1 mg cm reduziert werden konnte 4 Die gesamte Membran Elektroden Einheit wird auch als MEA Membrane Electrode Assembly bezeichnet Auf beiden Seiten der MEA wird zus tzlich eine d nne Gasdiffusionslage GDL backing layer meist aus Kohlefasern oder speziell entwickeltem Graphitgewebe angepresst Diese soll f r eine m glichst optimale Verteilung und Heranf hrung der beiden Reaktionsgase auf die gesamte aktive Elektrodenfl che sorgen Dazu muss die GDL gasdurchl ssig sein und den elektrischen Strom von den Elektroden ableiten k nnen Die Protonenleitf higkeit der Membran und damit die Leistung der PEMFC h ngt in hohem Ma e von ihrem Befeuchtungsgrad ab Im Normalbetrieb besitzt die Membran einen Wassergehalt zwischen 20 und 40 und weist eine spezifische Leitf higkeit von ca 0 1 S cm auf 3 An den Bipolarplatten meist aus Graphit Stahllegierungen oder elektrisch leitf higen Composi
98. t verbreitete Modelle existieren die empirisch best tigt und darum zuverl ssiger sind 11 3 9 3 Beschleunigungsmodelle Geht man von einer linearen Beschleunigung der Alterung aus die proportional zur verstrichenen Zeit voranschreitet so ist die H he der Belastung umgekehrt proportional der Zeit mit der das Testobjekt bis zum Auftreten der entsprechenden Fehler oder gar bis zum Ausfall betrieben wird Daraus ergibt sich ein Beschleunigungsfaktor sog Acceleration Factor AF Multipliziert man die Zeit bis zum Ausfall bei erh hter Belastung mit diesem Faktor so erh lt man die tats chliche Lebensdauer des Testobjektes bei Betrieb mit gew hnlicher Belastung Damit l sst sich folgende Beziehung aufstellen die hier mit englischsprachigen Indizierungen dargestellt ist 12 AF H GI 3 21 tu time to fail at use Ausfallzeit bei gew hnlicher Belastung t time to fail at stress Ausfallzeit bei erh hter Belastung 25 Die PEM Brennstoffzelle Anzumerken ist dass sich ein einziger Beschleunigungsfaktor nie auf mehrere Fehlermechanismen beziehen l sst Der Degradationsprozess setzt sich aus mehreren solcher Fehlermechanismen zusammen die unterschiedlich gro en Einfluss auf den physikalischen Alterungsprozess haben und darum jeweils einen eigenen Beschleunigungsfaktor besitzen So m ssen diese Faktoren bei der Analyse von Daten zur Bestimmung der Degradation nach Fehlermechanismen getrennt ermittelt werden 12 Da e
99. te und des Produktes pi bar 3 4 Kinetische Grundlagen Die zuvor getroffenen Aussagen gelten f r Brennstoffzellen im unbelasteten Zustand Die oben errechnete reversible Klemmenspannung gilt somit nur solange sich das System im thermodynamischen Gleichgewicht befindet Sobald in den Stromkreis einer Brennstoffzelle ein elektrischer Verbraucher geschlossen wird d h die Zelle belastet wird flie t ein Strom und es treten diverse berspannungen auf Der durch die berspannungen auftretende Spannungsverlust AU setzt sich zusammen aus der Durchtritts Reaktions und Transport berspannung an der Kathoden und an der Anodenseite sowie aus der Widerstands berspannung an der Membran Elektroden Einheit Allgemein ergibt sich folgender Zusammenhang 3 AU AU AU AU AU Gl 3 12 Dif AU reversible Spannungsdifferenz Um Urs AUp Durchtritts berspannung Ae Widerstands berspannung AUpir Diffusions berspannung 15 Die PEM Brennstoffzelle Einige berspannungen zeigen ein nichtlineares Verhalten wodurch sich ein typischer Kurvenverlauf f r die Strom Spannungs Kennlinie U I Kennlinie ergibt mit der eine Brennstoffzelle charakterisiert werden kann Bei dieser Kennlinie wird die Zellspannung in Abh ngigkeit der Stromst rke aufgezeichnet vgl Abb 3 4 Spannung Strom Abbildung 3 4 Schematische Darstellung einer U I Kennlinie Zun chst f llt bereits im stromlosen Zustand auf dass das messbare R
100. terne Temperaturvergleichsstelle berfl ssig macht Die 16 digitalen Ausg nge des Moduls 7706 sind in zwei Bytes Kanal 221 und Kanal 222 zusammengefasst und k nnen ber verschiedene Bitmuster angesteuert werden 54 Automatisierung des Teststandes Kanal 221 steuert somit ber Bit0 bis Bit6 die einzelnen Leistungsrelais zur Temperaturregelung und Steuerung der Magnetventile vgl Kap 4 9 Da f r die Drucksensoren zus tzlich zwei analoge Stromeing nge ben tigt werden und die Pt100 Sensoren der Brennstoffzellen jeweils zwei Kan le zur 4 Punkt Messung belegen wird als Zweitmodul eine 7700 Multiplexer Steckkarte verwendet Diese besitzt neben 20 analogen Eing ngen vgl Modul 7706 noch zwei Stromeing nge ACA DCA Die analogen Eing nge sind bei allen Modulen einzeln konfigurierbar wodurch jedem Kanal ein beliebiges Eingangssignal zuordenbar ist Der Anschluss der jeweiligen Sensoren erfolgt ber Schraubklemmen auf dem Steckmodul Im Anhang A auf CD R ist die gew hlte Kanalbelegung der Module mit entsprechender Beschreibung und der erfassten Messgr e ersichtlich Der Datenlogger verf gt sowohl ber eine serielle RS232 Schnittstelle als auch ber einen GPIB Anschluss General Purpose Interface Bus zur Kommunikation mit dem Messplatzrechner 5 2 2 Messplatzrechner Zur Messwertverarbeitung und Steuerung der einzelnen Systemkomponenten wird ein handels blicher PC 256 MB RAM AMD Duron mit zwei seriellen S
101. tisierung des Teststandes leizen OnJOff Abbildung 5 11 Blockdiagramm der Zweipunkt Regelung Gleicherma en wird die Regelung der Heizschl uche realisiert wobei sich jedoch hierbei der Sollwert auf die Temperatur des Heizelementes selbst bezieht Die Temperaturregelung der Brennstoffzellen erfolgt ebenso dem Prinzip der Befeuchterregelung Hier wird jedoch die Temperatur des Heizelementes nicht direkt erfasst Darum wird auf die gemessene Zelltemperatur ein empirisch ermittelter Offset von 40 C addiert und so als Heizelementtemperatur verwendet vgl Abb 5 12 Die maximal erlaubten Temperaturen aller Heizelemente sind noch niedriger als vom Hersteller erlaubt 200 C auf jeweils 140 C begrenzt was eine berhitzung theoretisch unm glich macht empWahl_HS2 lagnetventile AUF ZUI emp ZELLE leizelementtemperatur nicht extra gemessen gt Temperaturzuschlag Abbildung 5 12 Blockdiagramm zur Temperaturregelung und Magnetventilsteuerung 65 Automatisierung des Teststandes Die aus den logischen Verkn pfungen der Temperaturregelung resultierenden Ergebnisse sowie der Status des Schalters zur Steuerung der Magnetventile wird an das VI zur Relais Steuerung bergeben Dieses steuert ber die entsprechenden Bitmuster die digitalen Ausg nge des Datenloggers und damit die jeweiligen Leistungsrelais an siehe Kap 5 2 1 Ansteuerung der Durchflussregler Das Softwarepaket BRONKHORST FIowDDE welches im
102. toffzellen kein Wasser auskondensiert Feuchte und Temperatur der Gasstr me wird vor und nach Eintritt in die Zellen anoden wie kathodenseitig berpr ft Der Systemdruck wird ber zwei manuelle Druckminderer am Systemausgang eingestellt und mittels Manometer und Drucksensoren angezeigt Der Teststand verf gt zus tzlich ber eine elektronische Last mit integrierter 0 Volt Option zur definierten Belastung der Test Zellen und zur problemlosen Aufnahme von U I Kennlinien Die gesamte Steuerung und Automatisierung des Teststandes wurde mittels Datenlogger Messplatzrechner und der Automatisierungssoftware LabVIEW realisiert wobei alle aktiven Komponenten ber RS232 bzw GPIB Schnittstelle mit dem Messplatzrechner verbunden wurden Mit Hilfe eines LabVIEW Programms zur Steuerung und 79 Zusammenfassung und Ausblick Datenerfassung wurde eine komfortable Bedienung aller wichtigen Systemkomponenten sowie eine bersichtliche und umfangreiche Erfassung der Messdaten erm glicht Die komplette Funktionsf higkeit des Teststandes wurde abschlie end durch eine ausf hrliche schrittweise Inbetriebnahme aller Komponenten sowie durch Aufnahme mehrerer U I Kennlinien zur Charakterisierung der Test Brennstoffzellen nachgewiesen Abbildung 7 1 Gesamtansicht des Teststandes Langlebige PEFC W hrend der Inbetriebnahme konnte bei temperierter Befeuchtung der Gase die Zieltemperatur durch kleinere W rmeverluste in den Feuchtemesskammern nicht
103. u erkennen Die Kan le werden jeweils zweimal umgelenkt Die Kanalbreite betr gt 1 mm und vergr ert sich nach der zweiten Umlenkung auf 1 25 mm Die Tiefe der Kan le betr gt 0 8 mm 14 In Abbildung 4 3 ist schematisch das Dichtungskonzept mit Viton und eine Endplatte aus Graphit mit Flowfield dargestellt 32 Konzeption des Teststandes Vitondichtung 0 5mm Abbildung 4 3 Dichtungskonzept mit Viton 13 und Endplatte mit Flowfield ZSW 4 3 Gasdosierung Damit die PEM Brennstoffzellen mit ausreichend Gas versorgt werden k nnen und um vergleichbare Messergebnisse zu erhalten ist ein reproduzierbarer Gasvolumenstrom notwendig Es muss sichergestellt werden dass anodenseitig eine definierte Zumischung von Stickstoff gew hrleistet ist die es erm glicht einen Wasserstoffvolumenstrom theoretisch mit einem Stickstoffanteil von bis zu 100 einzustellen Da aus Kostengr nden keine vorgefertigte Gasbefeuchtungseinheit verwendet werden kann wird mit Hilfe der Gasdosierung auch das Gasbefeuchtungskonzept genauer erl utert in Kap 4 4 realisiert Um anoden sowie kathodenseitig eine Befeuchtung von bis zu 100 zu erhalten wird dabei jeweils der Gasvolumenstrom in einen trockenen und einen feuchten Gasstrom aufgeteilt Durch die definierte Mischung beider Gasstr me ist es dann m glich einen Feuchtegradbereich von 0 bis 100 relativer Feuchte abzudecken Damit die zu vermessenden Brennstoffze
104. uchte und Temperatur erm glicht In den Teststand ist eine elektronische Last integriert die eine definierte Belastung der Brennstoffzellen zul sst Mit einem Eingangsspannungsbereich der Last von 0 V bis 40 V sind dabei genaue Lastsimulationen auch bei geringsten Spannungen m glich sog 0 Volt Funktion Mit Hilfe eines Datenerfassungssystems bestehend aus Datenlogger Messplatzrechner und LabVIEW Software wurde eine vollst ndige Automatisierung realisiert Durch eine umfangreiche Inbetriebnahme wurde abschlie end die korrekte Funktion aller Komponenten des Teststandes nachgewiesen Abstract In the context of an alliance research project for the investigation of aging mechanisms in proton exchange membrane fuel cells PEMFC in this diploma thesis an automated test facility was developed and put into operation The test facility includes a gas proportioning unit supplying the fuel cells with hydrogen and air as well as to regulate well defined mixtures of hydrogen and nitrogen in order to determine the influence of different gas concentrations on the degradation mechanisms With temperature regulated humidifier units downstream a gas moisturisation of 096 to 100 relative humidity at temperatures up to 140 C is possible showing the influence of temperature and humidity The test fuel cells are able to be characterised exactly by an electronic load including an integrated 0 Volts feature A LabVIEW based data acquisition system consisting
105. uhepotential Ug der Brennstoffzelle deutlich unterhalb der reversiblen Zellspannung U von 1 23 V liegt Diese Abweichung wird h ufig auf die Bildung eines Mischpotentials an der Kathodenseite zur ckgef hrt da an der Kathode gleichzeitig Sauerstoff reduziert und Platin oxidiert wird Dar ber hinaus wird auch die Oxidation von Verunreinigungen f r die Ausbildung des Mischpotentials verantwortlich gemacht 3 Wird die Brennstoffzelle zun chst leicht belastet treten bei sehr geringen Stromdichten weitere Spannungsverluste AUp auf die aufgrund des Durchtritts der Elektronen durch die Phasengrenzfl che zwischen Elektrolyt und Elektrode verursacht werden Steigert man nun die Stromst rke weiter wird der Verlauf der Kennlinie zunehmend durch die Ohmschen Verluste AUg in der Zelle bestimmt weshalb in diesem Bereich der Kennlinie die Korrelation zwischen Strom und Spannung entsprechend dem Ohmschen Gesetz nahezu linear ist 3 Bei h heren Str men wird die Reaktionskinetik durch Diffusionsvorg nge Alpe begrenzt da die Nachf hrung der Edukte mit geringerer Geschwindigkeit als die elektrochemische Reaktion erfolgt und die Zellspannung f llt somit schnell ab 8 16 Die PEM Brennstoffzelle 3 5 Leistung der Brennstoffzelle Die elektrische Leistung einer Brennstoffzelle l sst sich ber das Produkt aus Zellspannung und zugeh riger Stromst rke bestimmen P U I P W Gl 3 13 U Zellspannung im Betriebspunkt U V I Stroms
106. und deren Vorgaben sowie aus institutsinternen Erfahrungswerten und Gegebenheiten So werden dem FhG ISE wie jedem Projektpartner zwei baugleiche Brennstoffzellen vom ZSW zur Verf gung gestellt die in den Teststand integriert werden sollen vgl Kap 4 2 Aus Kostengr nden werden beide Zellen nicht in einer parallelen Anordnung integriert sondern nacheinander mit Gas durchstr mt was mit einer einzigen Gasdosierungseinrichtung realisiert werden kann Von den beiden Brennstoffzellen soll nur die zweite mit einer elektronischen Last belastet werden w hrend sich die erste im Leerlauf befindet Damit kann die Degradation die durch die Durchstr mung der ersten Zelle mit Gas verursacht wird von der unter Last auftretenden Degradation in der zweiten Zelle unterschieden werden Da die unbelastete Zelle zuerst durchstr mt wird erreicht man nahezu den selben thermodynamischen Zustand am Eintritt der beiden Zellen Um dies zu berpr fen ist vor Eintritt in die zweite Zelle die Temperatur des Gasstromes zu messen 14 In weiteren Projekttreffen wurde mit den Projektpartnern vereinbart kathodenseitig Luft anstelle von reinem Sauerstoff zu Messzwecken zu verwenden Zur Untersuchung des Einflusses von verschiedenen Wasserstoffkonzentrationen auf die Degradationsmechanismen soll dem Wasserstoff anodenseitig Stickstoff zugef hrt werden um die gew nschte Verd nnung zu erhalten Da der Aufbau der Elektrolytmembran eine Temperaturbelastung von maxim
107. vergleichbare Vorgehensweisen zur Bestimmung der Alterungsprozesse auf anderen Gebieten zu suchen So wird z B in der Automobilindustrie oder bei der Herstellung elektronischer Bauteile mit beschleunigten Lebensdauertests gearbeitet um Lebensdauer und Ausfallzeit der jeweiligen Komponenten zu untersuchen Da es sich in diesen F llen jedoch meist nur um einige wenige Einflussfaktoren wie Temperatur und Feuchtigkeit handelt sind diese Vorgehensweisen nur eingeschr nkt auf das relativ komplexe System der Brennstoffzelle bertragbar Auch sind diese Alterungstests in der Theorie recht vereinfacht und von Firma zu Firma verschieden so dass diese meist auf l ngere praktische Erfahrungswerte 22 Die PEM Brennstoffzelle zur ckgreifen und daraus ihre Testverfahren kontinuierlich anpassen und verbessern k nnen Da es f r Brennstoffzellen weder klare theoretische Vorgehensmuster noch praktische Erfahrungswerte gibt um beschleunigte Alterungstests erfolgreich und aussagekr ftig zu entwickeln m ssen diese beiden grundlegenden Faktoren zuerst erarbeitet werden 3 9 2 Konventionen In der Literatur l sst sich eine Vielzahl an theoretischen Ans tzen und Modellen zu beschleunigten Lebensdauertests finden Diese Modelle zu sogenannten Accelerated Life Tests ALT oder Physical Acceleration unterscheiden sich im theoretischen Grundgedanken kaum voneinander So versteht man allgemein unter Beschleunigten Alterungstests oder Physikalis
108. vom Benutzer an das Programm und umgekehrt bergeben werden k nnen 5 3 2 Hauptprogramm des Teststandes Das VI Teststand Langlebige PEFC stellt das Hauptprogramm der Teststandautomatisierung dar welches die eigentlichen Benutzeroberfl chen enth lt und die verschiedenen subVIs zur Datenerfassung Datensicherung Regelung und Steuerung kontrolliert 56 Automatisierung des Teststandes Nachfolgend werden die vier Hauptbildschirme Frontpanels des Programms erkl rt welche dem Benutzer die gesamte Kontrolle und Steuerung des Teststandes erm glichen Anschlie end soll kurz auf das Blockdiagramm eingegangen werden wobei zur besseren bersicht einzelne Programmteile und subVIs entsprechend ihrer Funktion und Aufgabe zusammengefasst werden Die komplette Programmierung ist im Anhang C auf CD R zu finden Durch die eingestellte Vorkonfiguration des VIs Teststand Langlebige PEFC geht das Hauptprogramm bei Aufruf gleich in den Run Modus ber und ist damit sofort betriebsbereit Voraussetzung f r eine st rungsfreie Funktion und Kommunikation mit der Systemhardware ist allerdings dass sowohl der Datenlogger als auch die Durchflussregler schon zuvor eingeschaltet wurden und der gesamte Teststand betriebsbereit ist Der Benutzer hat nun die M glichkeit ber das zuerst erscheinende Frontpanel System Config F4 vgl Abb 5 2 diverse Systemeinstellungen vorzunehmen Die drei brigen Hauptbildschirme Flussdiagramm F1
109. zu einer durch eine Heizung erw rmte Kapillare geleitet wobei eine Druckdifferenz entsteht Der Laminarstr mungseinsatz ist jedoch so konzipiert dass die Durchflussbedingungen in der Kapillare und dem Laminarpaket vergleichbar sind was zu proportionalen Durchflussraten ber die gesamte Messspanne f hrt Der Temperaturunterschied AT der durch Temperatursensoren in der Kapillare gemessen wird ist abh ngig von der W rmemenge die vom Gasfluss aufgenommen wird 17 Zur Spannungs Versorgung QUU UU QU Str mungsrichter Laminardurchflu element Abbildung 4 5 Messprinzip der thermischen Massendurchflussmessung 17 34 Konzeption des Teststandes Der Zusammenhang zwischen Gasmengenfluss und gewandeltem Ausgangssignal kann damit durch folgende Gleichung ausgedr ckt werden 17 Vua K C Bu 2 Kec PB Signal K konstanter Faktor Gl 4 1 Cp spezifische W rmekapazit t cp K kg p Dichte des Gases p kg m Q4 Massendurchfluss Dnm kg s d Volumendurchfluss mis Jeder digitale Durchflussregler besitzt einen integrierten Mikroprozessor und wird ab Werk auf das jeweils zu messende Gas mittels Polynomfunktion kalibriert welche dann im Durchflussregler abgespeichert wird Das Messsignal des Sensors wird nun somit mit optimaler Genauigkeit und Stabilit t erfasst wodurch ein schnelles Regelverhalten erreicht wird Mit Hilfe der integrierten digitalen RS 485 Schnittstelle werden alle Durchf
110. zur Verf gung Im Konstantstrom Modus I Mode wird die zu pr fende Brennstoffzelle mit einem konstanten Strom belastet welcher im Bereich der zul ssigen Eingangsspannung v llig unabh ngig vom Betrag der Eingangsspannung ist Der Konstantspannungs Modus U Mode h lt die Spannung an den Lastklemmen konstant wobei der Pr fling gerade so stark belastet wird bis sich die gew nschte Spannung einstellt Die Aufnahme von Strom Spannungs Kennlinien ist grunds tzlich in 48 Konzeption des Teststandes beiden Betriebsarten m glich und wird entsprechend dem Ziel der jeweiligen Messung gew hlt Zum Ausgleich des Spannungsabfalls ber den Lastleitungen dient ein sogenannter Sense Anschluss mit Ausgleichsleitung Zus tzlich zu den beiden zuvor genannten Betriebsarten ist auch ein sogenannter G Mode w hlbar 0 bis 40 S wobei sich ein konstanter Leitwert ber mehr als drei Dekaden einstellen l sst Die elektronische Last 7141 Z erm glicht w hlbare Eingangsbereiche f r Spannungen von 0 bis 4 V und 0 bis 40 V sowie f r Str me von 0 bis 10 A und 0 bis 40 A Daraus ergibt sich eine Lastleistung von bis zu 400 W In allen Bereichen wird eine Genauigkeit von 0 1 v E erreicht bei einer Aufl sung von 0 05 v E Datenblatt im Anhang D auf CD R Die Steuerung und Anzeige der Messwerte Spannung Strom und Leistung erfolgt intern ber ein LC Display und Eingabetastatur oder extern ber eine digitale RS 232 bzw eine analoge Schn

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