AiF-FV-Nummer 14199

Regelsystem zur optimierten Befeuchtung für einen eigensicheren, effizienten und dynamischen Betrieb von PEM-Brennstoffzellen

Status & Laufzeit

Abgeschlossen: 01.10.2004 bis 31.03.2007

Forschungsstellen

  • Institut für Umwelt & Energie, Technik & Analytik e. V.
    Bliersheimer Str. 58 - 60, 47229 Duisburg
    http://www.iuta.de

  • Universität Duisburg-Essen Technik der Energieversorgung und Energieanlagen
    Universitätsstr. 15, 45117 Essen
    http://www.tee.uni-essen.de

Zusammenfassung

Zielstellung des Vorhabens war die Entwicklung eines Regelsystems auf Basis einer Einzelzell-spannungsüberwachung, mit dem die optimale Befeuchtung von PEM-Brennstoffzellen-Stacks unter jedem Betriebszustand der Brennstoffzelle sichergestellt wird. Das Vorhaben beinhaltete folgende Hauptarbeitspakete: - Entwicklung eines Befeuchtungssystems - Aufbau eines Versuchsstands und experimentelle Untersuchungen zur optimalen Befeuchtung - Entwicklung eines Systems zur Regelung der optimalen Befeuchtung In dem vorliegenden Abschlussbericht werden zunächst die für das Verständnis benötigten theoretischen Grundlagen zur PEM-Brennstoffzelle und zu deren Wasserhaushalt dargestellt. Zudem werden die in der Praxis am häufigsten angewandten Befeuchtungsmethoden vorgestellt und bewertet. Anschließend wird der in dem Vorhaben entwickelte Versuchsaufbau vorgestellt. Mit diesem Versuchsstand wurden die experimentellen Untersuchungen an 20-zelligen Stacks der ZBT gGmbH durchgeführt, die zu folgenden wesentlichen Ergebnissen führten: - Eine unzureichende Befeuchtung führt im Betrieb zu einem schnell verlaufenden kontinuierlichen Absinken der Einzelzellspannungen. Ausgangspunkt sind die mittleren Zellen des Stacks, da diese bauartbedingt die höchsten Temperaturen aufweisen. - Eine zu starke Befeuchtung führt im Betrieb zu einem schlagartigen Abfall der Zellspannungen einzelner Zellen. Dies betrifft zunächst die äußeren Zellen des Stacks, da diese bauartbedingt die niedrigsten Temperaturen aufweisen. - Nur bei optimaler Befeuchtung ist ein dauerhafter störungsfreier Betrieb möglich, mit dem außerdem die höchsten Leistungsdichten erzielt werden können. Die Ergebnisse zeigen, dass über die Erfassung der Einzelzellspannungen eindeutige Aussagen über den Befeuchtungszustand des Stacks getroffen werden können. Daraus lassen sich Strategien für ein Regelsystem ableiten, um für jeden Betriebszustand des Stacks geeignete regelungstechnische Maßnahmen, insbesondere zum Schutz der Zellen bei kritischen Zustän-den, zu ergreifen. Die Schaltung dieses Regelsystems sollte kostengünstig, kompakt und möglichst mit Standardbauteilen modular aufgebaut werden. Es sollte universell für (fast) beliebig große Stacks einsetz-bar sein und daher die Messung von bis zu 400 Zellspannungen mit einer Messgeschwindigkeit von zehn pro Sekunde ermöglichen. Ausgehend von diesen Bedingungen wurde zunächst das Schaltungskonzept EZÜ-v1 entwickelt. Das Konzept wurde realisiert und seine Funktionalität nachgewiesen. Es hatte jedoch den Nachteil, dass noch keine eigenständige Auswertung und Verarbeitung der Zellspannungen möglich war und somit ein übergeordnetes Hardwaresystem benötigt wurde. Zudem waren die Bauteilkosten sehr hoch. Daher wurde ein komplett neues Schaltungskonzept EZÜ-v2 entwickelt. Für den Mikrocontroller wurde die benötigte Software zur Adressierung und Ansteuerung der Logikbausteine, Messung der Zellspannungen und Übertragung der Daten an den PC entwickelt. Erste Messungen und Tests konnten teilweise erfolgreich abgeschlossen werden. Aufgrund nicht vorhersehbarer Einschränkungen des Betriebsverhaltens der elektronischen Bausteine im Realbetrieb war die 100%ige Funktionalität weiterhin nicht vollständig gegeben. Fehleranalysen des Konzepts EZÜ-v2 ergaben, dass ein Re-Design des Platinenlayouts erforderlich ist. Es entstand das Konzept EZÜ-v3 mit entsprechenden Erweiterungen und Verbesserungen. Das Schaltungskonzept wurde in Form einer Platine umgesetzt. Erneut wurden Funktionstests und Messungen sowohl für Aufbau als auch Betrieb durchgeführt. Die entsprechenden Messungen und Tests konnten teilweise erfolgreich abgeschlossen werden. Die uneingeschränkte Funktionalität während des realen Betriebs konnte jedoch trotz der Fortschritte nicht erreicht werden. Aufgrund der nicht erreichten 100%igen Funktionalität des Gesamtsystems wurde das Projekt-ziel daher nur zum Teil erreicht: Durch die experimentellen Untersuchungen an der Forschungs-stelle 1 konnten die notwendigen Regelstrategien zur optimalen Befeuchtung abgeleitet werden, die Umsetzung in ein Regelsystem scheiterte jedoch an einem nicht lokalisierbaren Fehler in der Hardware. Die Entwickler der Hardware (Forschungsstelle 2) sind jedoch davon überzeugt, dass der Fehler nicht im Konzept, sondern in der Konzeptumsetzung liegt. Es erscheint daher sinnvoll, das Platinenlayout weiter bzgl. Fehler zu analysieren, wobei professionelle Layout-Firmen einbezogen werden sollten. Nach Auffinden des Fehlers und dessen Beseitigung könnte das Regelsystem wie geplant realisiert werden und einen entscheidenden Beitrag zum zuverlässigen und eigensicheren Betrieb von PEM-Brennstoffzellen-Systemen liefern. Das Projektziel wurde nur zum Teil erreicht.

Förderhinweis

Das Forschungsvorhaben der Forschungsvereinigung Umwelttechnik wird / wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Dokumente