Von der Komponente zum Stack: Entwicklung und Auslegung von HT-PEFC-Stacks der 5 kW-Klasse
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Beschreibung
In zahlreichen Anwendungsbereichen wie der Luftfahrt oder dem
Schwerlasttransport gibt es mittelfristig keine Alternative zu den derzeit genutzten
Mitteldestillaten Diesel oder Kerosin. Sowohl aus ökonomischen wie auch aus
umweltpolitischen Gründen wird daher die Optimierung der Effizienz der genutzten
Systeme angestrebt. Dazu bietet sich der Einsatz von Brennstoffzellen an, die
aufgrund der fehlenden Wasserstoffinfrastruktur mit einer On-Board-Versorgung
ausgestattet sind. Für diese Anwendungen ist die HT-PEFC (High-Temperature-
Polymer-Electrolyte Brennstoffzelle) aufgrund ihrer hohen CO-Toleranz, des
einfachen Wasser- und Wärmemanagements sowie der moderaten
Werkstoffbelastungen besonders gut geeignet.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines Stackkonzeptes für ein
5 kW-HT-PEFC System. Dazu wird zunächst für jede Komponente der Stand der
Technik möglicher Materialien und Prozesskonzepte diskutiert. Darauf aufbauend
werden drei mögliche Stackkonzepte typischer Ausprägung entwickelt und mithilfe
einer eigens dazu erarbeiteten Bewertungsmethodik auf praktische Eignung
untersucht. Zwei als vielversprechend eingestufte Stackkonzepte werden weiter
detailliert, ausgelegt und mittels Shortstackversuchen charakterisiert.
Der Vergleich der Stackkonzepte zeigt eine prinzipielle Eignung beider
Konzepte für den Einsatz in einem HT-PEFC-System mit On-Board-Versorgung.
Allerdings weichen die Leistungsdaten der Stackkonzepte z.T. stark voneinander
ab. Das für den Einsatz in einem HT-PEFC-System bevorzugte Stackkonzept
zeichnet sich durch robustes Betriebsverhalten und reproduzierbare Leistungsdaten
auf hohem Niveau aus. Darüber hinaus ermöglicht das Stackkonzept bei kompakter
Bauweise (120W/l bei 60 W/kg) eine flexibel an die jeweilige Anwendung
anpassbare Kühlung mit Wärmeträgeröl oder Luft. Des Weiteren kann im Betrieb ein
definierter Temperaturgradient eingestellt werden, der die CO-Toleranz um bis zu
10 mV erhöht. Das im Rahmen der vorliegenden Arbeit entwickelte
Shortstackkonzept bietet somit eine geeignete Basis für die Entwicklung eines
5 kW-HT-PEFC-Systems. Themenfelder für weiteren Forschungsaktivitäten liegen
dabei in der Leistungssteigerung durch Gewichts- bzw. Volumenreduktion sowie der
Optimierung des Wärmemanagements.
Autor*in
Anne Bendzulla