Bereich Industrielle Gemeinschaftsforschung

Projektliste mit Publikationen

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Entwicklung eines stationären Brennstoffzellensystems auf Basis Hochtemperatur-PEM zur Bereitstellung von Strom, Wärme und Kälte

AiF-FV Nummer: 311

Laufzeit:

01.01.2009 - 30.09.2011

Forschungsstellen:

  • Institut für Energie- und Umwelttechnik e.V.
    Bliersheimer Str. 60, 47229 Duisburg
    www.iuta.de

  • Zentrum für Brennstoffzellen gGmbH
    Carl-Benz-Str. 201, 47057 Duisburg
    www.zbt-duisburg.de/

Zusammenfassung:

In dem Vorhaben konnte gezeigt werden, dass mit der Abwärme einer HT-PEMBrennstoffzelle (Leistungsbereich ca. 3 kWel) eine neuartige, nach dem Resorptionsprinzip arbeitende Absorptionskälteanlage (Antriebsleistung nominal 4 kWth, Kühlleistung nominal 2 kWth) angetrieben werden kann, um Nutzkälte z.B. zur Raumkühlung bereitzustellen. Sowohl die flüssiggekühlte HT-PEM-Brennstoffzelle als auch die Absorptionskälteanlage waren in dem geforderten Leistungsbereich kommerziell nicht verfügbar. Die Schwerpunkte des Vorhabens lagen auf der Entwicklung einer geeigneten Brennstoffzelle und der Weiterentwicklung bzw. Anpassung der Kälteanlage. Die thermische Kopplung erfolgte innerhalb eines verfahrenstechnischen Gesamtkonzepts in einer transportablen Anlage. Eine zusätzliche Herausforderung war die Auslegung eines geeigneten Regelungskonzepts. Die Entwicklungsaufgaben im Bereich der Nutzkälteerzeugung und der verfahrenstechnischen Umsetzung übernahm die Forschungsstelle IUTA. An der Integration der Komponenten zu einem Gesamtsystem und an dessen Demonstrationsbetrieb waren beide Forschungsstellen beteiligt. Die Versuchsanlage, die als Ganzes das Funktionsmuster bildet, ist in einen 20?-ISO-Container eingebaut und wird für künftige weitergehende Untersuchungen zur energetischen bzw. verfahrenstechnischen Optimierung und Entwicklung im Rahmen von IGF-Vorhaben weiter genutzt. Die grundlegende Neuentwicklung des HT-PEM-Stacks war notwendig, weil die erforderliche Leistung der HT-PEM-Brennstoffzelle die bisher beim ZBT verfügbare Leistungsklasse um ein Vielfaches überstieg. Daraus ergab sich eine Reihe neuer Herausforderungen, insbesondere in den Bereichen der Führung der Stoffströme, der Wärmeübertragung, der Konstruktion einschließlich der Materialfragen und der Fertigung. In diesem Zusammenhang entstand für die HT-PEM ein neues Flowfield-Design, das zuerst durch Simulationsrechnungen bestätigt werden konnte und später im Funktionsmuster die Eignung bewies. Die Auslegung erfolgte für den Betrieb mit Reformatgas, obwohl zunächst reiner Wasserstoff zum Einsatz kam. Es wurden neue Dichtungskonzepte erprobt, mit den am ZBT vorhandenen Methoden getestet und ein geeignetes Konzept ausgewählt. Ein neues Verspannkonzept wurde der Zellzahl und der Größe der aktiven Fläche entsprechend angepasst, um die thermomechanischen Beanspruchungen abzufangen. Auch das Kühlsystem war zu ändern und den speziellen Materialanforderungen eines HT-PEM-Stacks anzupassen. Der aus diesen Vorarbeiten entstandene funktionstüchtige Stack war zu testen. Für das Betreiben und die Vermessung wurde eine Versuchseinrichtung mit allen notwendigen Peripheriekomponenten geschaffen, weil entsprechend der angehobenen Leistung auch die Peripherie wie Gasversorgung, Kühlung und elektrische Anbindung neu zu bemessen war. Der Stack wurde sowohl im Labor des ZBT als auch integriert in den Versuchscontainer am IUTA und thermisch gekoppelt mit der Absorptionskälteanlage betrieben. Die Absorptionskälteanlage wurde von der Makatec GmbH, Bondorf, erworben. Der Austausch des Ammoniaks erfolgt bei dem gewählten Anlagentyp über zwei Kreisläufe durch Resorption. Kälte wird nicht über die Verdampfung des Kältemittels erzeugt, sondern durch das Austreiben des Kältemittels aus einer Lösung bei entsprechendem Druck. Die Absorptions- und Desorptionsdrücke sind nicht nur temperatur-, sondern auch konzentrationsabhängig. Diese Eigenschaft wird genutzt. Ein Demonstrator wurde ausgiebig am IUTA getestet. Sein konstruktiver Aufbau war jedoch für den im Versuchsbetrieb notwendigen Austausch von Komponenten und Änderungen in der Verschaltung der Anlage ungeeignet. Die Makatec GmbH hat daraufhin die Kälteanlage vollständig überarbeitet und einen geänderten, zweiten Demonstrator bereit gestellt. Damit konnten die vorgesehenen Untersuchungen angegangen und erste Betriebsmessungen durchgeführt werden. Das Betriebsverhalten der Anlage und die Messergebnisse waren Ausgangspunkte für die Entwicklung eines LabVIEW®-basierten Steuerungs- und Regelsystems. Aus der Erfahrung im Umgang mit der Anlagentechnik entwickelte sich nach und nach ein weiterer Demonstrator bei dem die Anzahl der Komponenten erheblich reduziert und damit eine ausgesprochen kompakte Bauweise realisiert werden konnte. Die thermische Kopplung der Brennstoffzelle und der Absorptionskälteanlage erfolgte indirekt über einen dazwischen liegenden Wärmespeicher auf Thermoöl-Basis. Der Speicher erfüllt drei Aufgaben: Neben der Speicherung thermischer Energie die Vergleichmäßigung des Wärmeflusses im dynamischen Betrieb und eine Absenkung des Temperaturniveaus. Die Brennstoffzelle liefert Temperaturen bis 160°C. Die Absorptionskälteanlage kann aber nach dem derzeitigen Entwicklungsstand auf Grund der eingesetzten Materialien nur mit Wärme auf einem Temperaturniveau von maximal 80°C betrieben werden. Als besonders schwierig gestaltete sich der Entwurf eines Regelungskonzepts für die gesamte Anlage. Zu berücksichtigen sind die unterschiedlichen Arbeitskennlinien und die jeweilige Dynamik der aktiven und passiven Elemente. Was für den stationären Betrieb beobachtet wurde, konnte nicht einfach auf den dynamischen Betrieb mit realen Lastprofilen, wie sie z.B. im Hausenergiebereich auftreten, übertragen werden. Hier ist noch weiterer Entwicklungsbedarf gegeben, der sich nicht nur auf die Realisierung einer geeigneten MSR-Technik bezieht, sondern auch über die Betrachtung der Einzelvorgänge hinaus die Optimierung des Gesamtkonzepts einschließt. Das Gesamtsystem läuft und erfüllt die im Projekt angestrebten Merkmale: ? Die HT-PEM-Brennstoffzelle liefert elektrische Energie. ? Die Brennstoffzellen-Abwärme wird in einer Absorptionskälteanlage genutzt. ? Die Kälteanlage liefert Kälte für die Raumkühlung. Im Versuchsbetrieb wurden Messergebnisse gewonnen, die für die Weiterentwicklung und Optimierung und die Anpassung an andere Nutzungskonzepte zur Verfügung stehen. Es wurde eine reformatgastaugliche HT-PEM-Brennstoffzelle mit einer Leistung von 3 kWel entwickelt. Sie liefert in einem Kraft-Wärme-Kälte Funktionsmuster Strom und Kälte. Für die Demonstration des Verbundbetriebs erwies sich die im Antrag verfolgte Idee, die Wirkung der Raumkühlung in einem abgetrennten Besucherbereich ?fühlbar? zu machen, als ausgesprochen überzeugend. Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Förderhinweis:

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

Abschlussbericht:

Abschlussbericht zum Download

Abschlussbericht für das IGF-Forschungsvorhaben 311 ZN: "Entwicklung eines stationären Brennstoffzellensystems auf Basis Hochtemperatur-PEM zur Bereitstellung von Strom, Wärme und Kälte"