Modellierung, experimentelle Untersuchung und Simulation für Direkt-Methanol-Mikrobrennstoffzellen (MikroDMFC)

Der Verbund "Modellierung, experimentelle Untersuchung und Simulation für Direkt-Methanol-Mikrobrennstoffzellen" (MikroDMFC) wurde im Rahmen des Programms "Netzwerke Grundlagenforschung erneuerbare Energien und rationelle Energieanwendung" durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung im Zeitraum von 2005-2008 gefördert. Ziel des Verbundes war es, auf der Grundlage experimenteller und numerischer Untersuchungen ein vertieftes Verständnis des Verhaltens von Direkt-Methanol-Brennstoffzellen (DMFC) zu gewinnen, und auf dieser Grundlage Materialien und Design für Mikrobrennstoffzellen für den portablen Einsatz weiterzuentwickeln. Die Spannweite der im Verbund vertretenen Arbeitsgruppen reichte von Vertretern der Mathematik über Vertreter der experimentellen Grundlagenforschung bis hin zu ingenieurtechnisch orientierten Arbeitsgruppen. Dieser Bericht fasst die Ergebnisse der Arbeit des Verbundes zusammen und beschreibt die unternommenen Aktivitäten auf Verbundebene. Details zu den Arbeiten finden sich in den enthaltenen Einzelberichten der Arbeitsgruppen

Zum Stofftransport in Brennstoffzellenmembranen : Untersuchungen mit Hilfe der konfokalen Mikro-Raman-Spektroskopie

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Pervaporation von Wasser und Alkohol durch Direkt-Alkohol-Brennstoffzellenmembranen aus Nafion mit Hilfe der konfokalen Mikro-Raman-Spektroskopie untersucht. Durch den Vergleich von gemessenen Beladungsprofilen mit Simulationsrechnungen wurden bei unterschiedlichen Pervaporationsraten Diffusionskoeffizienten und Phasengleichgewichtsdaten bestimmt

Experimentell-theoretische Untersuchungen zur Optimierung eines SOFC-Systems mit Anodengasrezirkulation

In Zeiten zunehmender Rohstoffknappheit und fortschreitendem Klimawandel zeigt sich ein starker Trend im mobilen Sektor hinsichtlich Alternativen in der Energiebereitstellung. [14, 52] Die Solid-Oxide-Fuel-Cell (SOFC)-Technologie kann mit einem elektrischen Wirkungsgrad von über 50 % eine unmittelbare wirtschaftliche Alternative zu handelsüblichen Dieselgeneratoren (< 40 % elektrischer Wirkungsgrad) darstellen. [51] Die Realisierung hocheffizienter Systeme durch Kombination eines SOFC-Systems mit der Reformierung höherer Kohlenwasserstoffe ist mit einigen technischen Herausforderungen verbunden, für die es Lösungen zu finden gilt. Das hohe Marktpotential und die Flexibilität des Systemdesigns wird in dieser Arbeit durch die Identifikation von verfahrenstechnischen Optimierungsmöglichkeiten mittels einer experimentell-theoretischen Analyse verdeutlicht. Einem Überblick über die Komponenten eines hocheffizienten SOFC-Systems mit Anodengasrezirkulation folgt die Darstellung der softwarebasierten Modellierung. Das Modell wird mit Hilfe vorliegender experimenteller Versuchsdaten aus dem Fördervorhaben „Schiffsintegration Brennstoffzelle“ (SchIBZ) im Rahmen des „Nationalen Innovationsprogramms Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie“ (NIP) validiert. Im Zuge des Vorhabens wurde ein skalierbarer 50 kW Versuchsträger entwickelt, der für die maritime Anwendung zugelassen ist und zu Demonstrationszwecken an Land betrieben wird. Als Energieträger dient schwefelarmer Diesel, welcher bei unter 600 °C in einem Reformer in ein Synthesegas umgesetzt und der Brennstoffzelle zugeführt wird. Auf der Modellierung des Versuchsträgers aufbauend werden unterschiedliche Betriebskonzepte in Abhängigkeit des Temperaturniveaus der Rezirkulation diskutiert. Die theoretische Analyse der Betriebskonzepte zeigt, dass im Zuge einer Temperatursteigerung der Rezirkulation von 120 °C auf 350 °C bereits eine Effizienzerhöhung um 14 % erreicht werden kann. Diese Optimierung resultiert insbesondere aus den maximierten Rezirkulationsraten (> 60 %) und der im Vergleich zur experimentellen Prozessführung hohen Brennstoffnutzung (> 50 %). Die Brennstoffflexibilität der SOFC ermöglicht zukünftig die Abkehr von fossilen Rohstoffen. Die Verwendung alternativer Energieträger kann neben der erhöhten Nachhaltigkeit des Systems auch prozessuale Vorteile darstellen. Vornehmlich werden in Anlehnung an die Trendanalysen in [14, 52, 77, 87] Liquified Natural Gas (LNG), Ammoniak und Isopropanol als Alternativen zum Diesel betrachtet. Abschließend werden in einer analytischen Herangehensweise Potentiale zur Steigerung der Leistungsfähigkeit aufgedeckt. Aus einer theoretischen Betrachtung der Degradationsmechanismen eines SOFC-Systems und durch Verknüpfung der Erkenntnisse mit den empirischen Erfahrungen, werden Rückschlüsse zur Erhöhung der Langlebigkeit eines Systemdesigns gezogen. Neben materialwissenschaftlichen Aspekten trägt die geschickte Abstimmung von Betriebsparametern zu einer Degradationshemmung bei. Als Beispiel seien hier der Einfluss der Partialdrücke auf die Nickeloxidation an der Anode sowie der Feuchtigkeit des Brenngases auf die Phasenübergänge des Chroms genannt. Die technischen Herausforderungen hinsichtlich der Leistungsbegrenzungen, die durch Experimente mit dem Versuchsträger identifiziert werden konnten, werden systematisch in Kapitel 4.2 dargelegt und Lösungsansätze zur optimalen Ausgestaltung eines langlebigen und effizienten Systems entwickelt. Schlüsselindikatoren sind die Wasserverdampfung, das Wärmekonzept sowie die Ausgestaltung der Rezirkulation. Abgeschlossen wird die Leistungsfähigkeitsanalyse durch die Konzeptionierung eines holistischen Fehlermanagements. Die ganzheitliche Betrachtung berücksichtigt sowohl Degradationsmechanismen als auch leistungshemmende Betriebsfaktoren sowie korrelierende Effekte. Das Konzept unterstützt die Definition von Steuerungs- und Überwachungsfunktionen in zukünftigen Systemdesigns und bereitet auf eine präemptiv gestaltete Automation vor

Subspace-Identification zur Modellierung von PEM-Brennstoffzellen-Stacks

Der theoretische Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in einem Vergleich und einer einheitlichen Beschreibung der in der Literatur existierenden Subspace-Identification-Verfahren. Im Anwendungsteil kommen diese zum Einsatz, um PEM-Brennstoffzellen-Stacks in einem für die Anwendung im Automobil relevanten Betriebsbereich nachbilden. Es werden außerdem zwei modellbasierte Ansätze vorgestellt, mit denen im Automobil nicht messbare Eingangsgrößen des Stacks geschätzt werden können

Parametrierung elektrischer Äquivalentschaltbilder von PEM Brennstoffzellen

In dieser Arbeit ist das statische und dynamische Klemmenspannungsverhalten von PEM Brennstoffzellen untersucht worden. Auf Grundlage der experimentellen Ergebnisse ist ein elektrisches Äquivalentschaltbild für statische und dynamische Zeitbereiche entwickelt und parametriert worden.&nbsp;&nbsp

Berichte aus der Energietechnik

Das wichtigste Ziel bei der Weiterentwicklung der derzeitigen Energieversorgungsstruktur stellt die Schaffung eines ausgewogenen Verhältnisses von Versorgungssicherheit, Nachhaltigkeit undWirtschaftlichkeit dar. Der absehbare, weltweit stark zunehmende Energieverbrauch wird die bei der Nutzung fossiler Brennstoffe auftretenden Probleme wie Ressourcenknappheit sowie Schadstoff- und CO2-Emissionen weiter verschärfen. Der verstärkte Einsatz regenerativer Energiequellen, wie Wind- und Solarenergie stellt eine Lösungsoption dar, wobei die teilweise stark schwankende Erzeugung durch intelligente Netzstrukturen inklusive Energiespeichern sowie sogenannte Schattenkraftwerke, befeuert mit regenerativen und im abnehmendem Umfang fossilen Brennstoffen, dem Bedarf angepasst werden muss.Umdie Anforderungen der sich abzeichnenden zukünftigen Energieversorgungsstruktur erfüllen zu können, müssen Energieversorgungsanlagen bei moderaten Investitions- und Betriebskosten hocheffizient und damit u. a. mit Blick auf Abwärmenutzung dezentral, emissionsarm und in Hinblick auf Anwendung und Betrieb hochflexibel sein. Hochtemperatur-Brennstoffzellen- Systeme erzielen durch die direkte Umwandlung von in Kohlenwasserstoffen gespeicherter chemischer Energie in elektrische Energie auch bei geringen Leistungen hohe Wirkungsgrade und erfüllen auch die anderen oben aufgeführten Anforderungen. In der Arbeit werden innovative Konzepte für baulich, thermisch und stofflich hochintegrierte oxidkeramische Brennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cell (SOFC))-Systeme mit optionaler CO2-Abscheidung entwickelt und untersucht. Zunächst erfolgt die Ausarbeitung von Möglichkeiten zur Wirkungsgradsteigerung, wie die Verschaltung der Gaserzeugungseinheit mit der Brennstoffzelle nach dem Prinzip der chemischen Wärmepumpe oder die serielle elektrische Verschaltung der Einzelzellen. Diese Optionen werden anschließend bezüglich ihrer thermodynamischen Grenzen, wie maximal erzielbare Wirkungsgrade oder maximal möglicher interner Abwärmenutzung, evaluiert. Darauf aufbauend erfolgt unter Beachtung des Stands der Technik eine methodische Konzeption und Konstruktion eines SOFC-Systems, bei dem Reformierungsreaktor, Brennstoffzelle sowie die thermische Gaskonditionierung in einem Stack-Modul vereint sind. Diese Grundeinheit kann den Anwendungs-, Betriebs- und Brennstoffanforderungen angepasst werden und stellt aufgrund des hohen baulichen Integrationsgrades sowie der nur geringen Anzahl an zusätzlich benötigten peripheren Komponenten ein sehr kompaktes System dar. Der zweite Teil der Arbeit beschreibt die mathematische Modellierung der entsprechenden Systemkomponenten sowie die Modellimplementierung in das institutseigene, C++ basierte Kreislaufsimulationsprogramm ENBIPRO (Energie-Bilanz-Programm). Mittels der mathematischen Modelle werden SOFC-Systeme basierend auf dem entwickelten integrierten Stack- und System-Konzept für verschiedene Brennstoffe und Systemverschaltungen simuliert. Die Simulationsergebnisse dienen als Grundlage für eine abschließende Analyse und Bewertung des entwickelten Stack-Designs und zugehöriger Systemverschaltungen. Sie zeigen deren grundsätzliche Funktionalität und Machbarkeit sowie das hohe Potential des Konzeptes bezüglich der Erfüllung der eingangs erwähnten Anforderungen, wie elektrische Systemwirkungsgrade z.B. für Methan als Brennstoff von bis zu 70% und nur geringe Wirkungsgradeinbußen bei CO2-Abscheidung.The most important aim concerning the further development of the existing energy supply is to create a balanced relation between sustainability, supply guarantee and profitability. The increasing energy demand is going to tighten the problems related to the use of fossil fuels as limited resources and pollutants- and CO2- emissions. The augmented use of renewable energy sources represents a possible solution, but the fluctuating energy production e.g. of wind- and solar-farms has to be adapted to the energy demand by applying smart grids and energy storage devices. To meet the demands of a future energy supply, generating stations have to be high efficient, high flexible, cost effective and suitable for decentralized combined heat and power productionas and have to have low-emission. Due to the direct electrochemical conversion of hydrocarbons, Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) achieve high electrical efficiencies even at low power outputs and have a great potential to meet also the other listed demands. In this thesis, innovative concepts for structurally, thermally and materially integrated SOFC-systems with optional CO2-capture are developed and analyzed. Initially, options to increase the electrical system-efficiency as coupling of fuel reforming and fuel cell based on the principle of the chemical heat pump and a electrically cascaded stack structure are developed and evaluated regarding e.g. theoretically achievable efficiencies. Based on this evaluation and the state of the art, a new planar stack- and system-design with direct internal reforming and without bipolar plates is systematicly constructed. This basic unit can be adopted to different fuel-, operation- and application-requirements and represents a compact system with only few balance-ofplant- components. Due to the thermal and material couplings, the SOFC-waste heat can be directly used to supply the necessary heat for the endothermic reforming process. Additionally, a part of the hot anode off-gas, consisting mainly of water vapor, is recycled as a reforming agent. Therefore, based on the principle of the chemical heat pump, depending on the fuel used, system efficiencies of more than 60% can be achieved, even though the SOFC itself reached only an electrical efficiency of approximately 50%. Because of the cascaded SOFC structure resulting in high fuel utilization, postcombustion of the waste gases is no longer necessary. Due to the fact that SOFC membrane allows only an oxygen-ion flow and thus represents an air separation unit and the SOFC design without the mixing of anode and cathode flows, a simple CO2-separation can be realized by condensing the water vapor out of the anode off-gas. In the second part of the thesis mathematical models of the SOFC-system-components are developed and implemented in the C++ based cycle simulation software ENBIPRO (Energie-Bilanz-Programm) owned by the institute. Applying the mathematical models different stack- and system-concepts for several hydrocarbons as fuel are simulated. The simulation results serve as base for the final evaluation of the stack- and system-design concerning operation and feasibility and show the capability of the concept to meet the demands listet above as high electrical system-efficiencies up to 70% and nearly efficiency-neutral CO2-separation

Untersuchungen zum Einsatz von Reformat aus flüssigen Kohlenwasserstoffen in der Hochtemperaturbrennstoffzelle SOFC

In dieser Arbeit werden Untersuchungen an Hochtemperaturbrennstoffzellen-(SOFC) unter Bedingungen durchgeführt, wie sie in elektrischen Bordnetzversorgungssystemen (APU-Systemen) im mobilen Bereich auftreten. Hierzu werden in Messungen Betriebspunkte identifiziert, an denen die Zelle ohne verstärkte Degradation der elektrischen Leistung betrieben werden kann. Mit Hilfe mathematischer Modelle werden der Methanumsatz, der Konzentrationsverlauf der Gase und die Stack-Leistung wiedergegeben

Bewertung von alternativen Antriebskonzepten in Fahrzeugen mit unterschiedlichen Einsatzcharakteristiken

Der weltweit steigende Mobilitätsbedarf führt in der Zukunft zur weiteren Zunahme des Primärenergiebedarfs. Die Rohstoffvorräte unserer Erde sind begrenzt. Rohstoffe, die heute verbraucht werden, stehen zukünftigen Generationen nicht mehr zur Verfügung. Die sparsame und effiziente Nutzung der Ressourcen stellt deshalb den Schlüssel zu einer nachhaltigen Entwicklung dar. Im Mittelpunkt steht dabei der Energieverbrauch. Vor allem die Industrieländer stehen vor der Herausforderung, ihren Verbrauch an begrenzten Energierohstoffen Schritt für Schritt zurückzufahren. Der Wirtschaftsbereich der Europäischen Union kann dabei eine positive Bilanz vorweisen. Eingeschlossen in diese Bilanz ist der Verkehrsbereich. Die modernen Fahrzeugflotten konnten durch die ständige Weiterentwicklung den Streckenkraftstoffverbrauch und die Abgasemissionen erheblich absenken. Eine Entwicklung, die noch nicht am Ende ist. Trotz dieser positiven Tendenz gerät die globale Bilanz durch eine dramatische Zunahme der Fahrzeugflotten, besonders in den Entwicklungsländern, kontinuierlich in eine Schieflage. Die Energieverbräuche steigen und die Ressourcen der Energieträger Öl, Gas und Kohle nehmen ab. Es ist bekannt, dass weltweit besonders in hochentwickelten Industrieländern dieser Entwicklung durch Alternativ-Konzepte entgegengesteuert wird. Im Verkehrsbereich sind dies unter anderem veränderte Fahrzeugkonzepte (z. B. Hybridfahrzeuge) sowie die mittel- und längerfristige Substitution der konventionellen, mineralölstämmigen Kraftstoffe durch Erdgaskraftstoffe (SynFuel, nach der Shell-Mittel-Destillat-Synthese, SMDS, hergestellt) oder Kraftstoffe (Sun Fuel) aus regenerativen Energieträgern wie Restholz, Energiepflanzen oder Biomüll. Diese Entwicklungen werden durch eine permanente Reduzierung der Abgasemissionen von verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzeugen begleitet. Insbesondere sind dies einerseits die limitierten Schadstoffe, welche in den einzelnen Ländern gesetzlich verankert sind, und andererseits die CO2-Emission, die z. B. noch auf einer freiwilligen Selbstverpflichtung der Automobilindustrie (in Deutschland 140 g/km CO2 &amp;amp;#8211; Ausstoß) basieren. Kapitel 1: Einführung 2 Alle diese Entwicklungen gilt es im Voraus abzuschätzen bzw. mit fundierten Betrachtungen in den Entwicklungsprozess einzuordnen. Dies gilt besonders für solche Länder, z. B. Ägypten, die den Technikfortschritt aus ökonomischer und ökologischer Betrachtung in sehr kurzer Zeit einzuführen haben. Die Simulationswerkzeuge aller Art werden bekannterweise dazu genutzt, um Fehlentwicklungen zu vermeiden. Je nach Aufgabe und Zielstellung sind diese Werkzeuge fachgerecht anzupassen und zu verifizieren. Im Speziellen werden konventionelle und alternative Antriebskonzepte für Fahrzeuge der verschiedensten Einsatzbedingungen mit einem Simulationswerkzeug bewertet. 1.1 Aufgabenstellung und Zielstellun

Erzeugung von Wasserstoff mittels katalytischer Partialoxidation höherer Kohlenwasserstoffe an Rhodium

Diese Arbeit befasst sich mit der Untersuchung der katalytischen Partialoxidation (CPOX) höherer Kohlenwasserstoffe an mit Rhodium beschichteten Wabenkörpern. Die Reaktion ermöglicht die autotherme Generierung von Wasserstoff aus Kraftstoffen wie Benzin und Diesel zur Versorgung von Brennstoffzellen aus bestehenden Versorgungsnetzen