Polymerelektrolyt-Brennstoffzellensystem für ein autonomes Unterwasserfahrzeug

Aachen / Fraunhofer VErlag (2017) [Buch, Doktorarbeit]

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Kurzfassung

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Auslegung und dem Aufbau einesBrennstoffzellensystems für ein autonomes Unterwasserfahrzeug (AUV). Die verwendete Polymerelektrolytmembran (PEM)-Brennstoffzelle wird mit dem Batteriesystem des AUV hybridisiert, mit dem Ziel die Einsatzdauer des AUV zu erhöhen und die Nachladezeit zu reduzieren.Die Herausforderung der Arbeit besteht darin, das Brennstoffzellensystem in einem nichtvorgesehenen Betriebsumfeld einzusetzen und den kommerziellen Stack über die Systemführung dafür anzupassen. Dazu müssen im ersten Schritt die Randbedingungen für den Einsatz unter Wasser und die aus dem Einsatz im AUV resultierenden Randbedingungen definiert werden, um im zweiten Schritt daraus eine Entwicklungsstrategie abzuleiten. Zunächst wird der Stand der Technik dereinzelnen Teilsysteme diskutiert. Das wichtigste Merkmal des Systems ist der gehinderte Stoffaustausch mit der Umgebung. Resultierend wurde ein geschlossenes System mit reinem Sauerstoff als Oxidationsmittel entwickelt. Großen Einfluss auf die Auslegung hatte dabei der Eintrag von Inertgas, welches als Verunreinigung in den Druckgasen vorliegt. Das eingetragene Inertgas reduziert die Betriebsdauer im Dead-End-Betrieb, abhängig vom Volumen des Gasversorgungssystems, indem es die Eduktgase lokal verdrängt. Im vorliegenden System war ein Betrieb von bis zu 1,8 Stunden möglich. Durch die Verwendung einer beidseitigen Ejektorrezyklierung konnte die Betriebsdauer auf 71 Stunden erhöht werden, da die Eduktgase homogen verdünnt werden. Im speziellen Fall hatte der verfügbare Bauraum einen großen Einfluss auf die Systemauslegung. Dieser wurde in der Entwicklung als primärer Optimierungsparameter verwendet und im Anschluss mit den Parametern Betriebsstabilität, Betriebsdauer und Wirkungsgrad verknüpft. Um den Bauraum des Systems zu reduzieren, wurde auf eine Gaskonditionierung verzichtet. DerBetrieb konnte mittels empirischer Messungen validiert werden. Zusätzlich konnte das Bauraumvolumen durch die Verwendung von Ejektoren statt Verdichtern um 39 % reduziert werden.Der Einfluss des Inertgases beim Dead-end-Betrieb eines geschlossenen Brennstoffzellensystems wurde anhand eines eigens dafür entwickelten Messaufbaus untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass ein stabiler Betrieb des Brennstoffzellenstacks bis zu einem Inertgasanteil imGasversorgungssystem von 3 % möglich ist. Mit dem ausgelegten Dead-end-System war kein 24-Stunden-Betrieb möglich, weswegen eine beidseitige Rezyklierung ausgelegt wurde. Das ausgelegte Brennstoffzellensystem wurde im Labor aufgebaut und getestet. Der stabile Betriebwurde dabei in einer 8-Stunden-Messung validiert.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Hitscherich, Manuel

Gutachterinnen und Gutachter

Stolten, Detlef
Scherer, Viktor

Identifikationsnummern

  • ISBN: 978-3-8396-1251-4
  • URN: nbn:de:0011-n-4741146
  • REPORT NUMBER: RWTH-2017-10572

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