Entwicklung eines Direkt-Methanol-Brennstoffzellensystems der Leistungsklasse kleiner 5 kW

Nölke, Marcus; Stolten, Detlef

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-17646

Entwicklung eines Direkt-Methanol-Brennstoffzellensystems der Leistungsklasse kleiner 5 kW = Development of a Direct Methanol Fuel Cell System for the Power Segment Below 5 kW

Nölke, Marcus (Author)

2007

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Marcus Nölke

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2007

Umfang194 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2006

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Stolten, Detlef (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2006-10-20

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-17646
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/52313/files/Noelke_Marcus.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Brennstoffzellen (FZ Jülich) (413010)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften (frei) ; Brennstoffzelle (frei) ; Methanolzelle (frei) ; fuel cell system (frei) ; optimization (frei) ; methanol (frei) ; mobile application (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Attraktivität der Verstromung des flüssigen Brennstoffes Methanol in einer Brennstoffzelle besteht in der einfachen Speicherung bei hoher Energiedichte. Daher eignen sich Direkt-Methanol- Brennstoffzellen (DMFC) für den Einsatz in portablen Systeme und mobilen Anwendungen der kW-Klasse. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes und optimiertes peripheres System zum Betrieb eines DMFC-Stacks der kW-Klasse zu entwickeln und für eine mobile Anwendung zu demonstrieren. Die mobile Anwendung besteht in dem Umbau der Energieversorgung eines „Scooters“. Hierbei sollen die Bleibatterien gegen ein DMFC-System ausgetauscht werden, das den elektrischen Motor mit Strom versorgt. Die notwenige Kompaktierung und Vereinfachung eines DMFC-Systems wird durch ein integriertes Konzept realisiert, das das periphere System und den Stack ideal miteinander kombiniert. Dabei ist eine genaue Analyse des Stacks und der peripheren Komponenten eine wichtige Voraussetzung für ein optimiertes Design. Den Ausgangspunkt zur Systementwicklung bilden die ausführliche Betrachtung der DMFC und die Modellierung des Stackverhaltens. Der Einfluss der wichtigsten Betriebsparameter wie Stacktemperatur, Zellspannung, Stromdichte, Luftzahl und Methanolkonzentration sind mit ausreichender Genauigkeit vom Modell erfasst und experimentell validiert worden. Dies bildet den Grundrahmen für die folgende Entwicklung eines optimierten Systementwurfs. Hier werden für die definierten Aufgaben des peripheren Systems Alternativen untersucht und die optimale Lösung ausgewählt. Bei der Charakterisierung der Fluidenergiemaschinen werden anhand des Systementwurfs und der besonderen Anforderungen an die Komponenten in einem DMFC-System die am Markt verfügbaren Pumpen und Gebläse untersucht. Die Untersuchung und die Modellierung des Abgaskondensators führen zu einem optimierten Designentwurf für das DMFC-System. Des Weiteren ist die Integration des Anodenkreislaufes bestehend aus Versorgungsleitungen, Umwälzpumpe, Anodengasabscheider mit Anodenabgasleitungen in den Stack gelungen. Die Parallelschaltung des Stacks mit einem Lithium-Ionen-Akkumulator wird als Möglichkeit der Konditionierung der elektrischen Leistungsabgabe untersucht. Bei der statischen Systemmodellierung ist der Einfluss der Betriebsparameter auf die charakterisierenden Kennzahlen elektrische Leistung, Wirkungsgrad und Leistungsdichte herausgearbeitet worden, ebenso die Implikationen der Verknüpfung von Wärme- und Wassermanagement. Das System lässt sich nur bezüglich einzelner Zielgrößen optimieren. Zum Beispiel sind für einen maximalen Systemwirkungsgrad eine Zellspannung von 400 mV und eine Stacktemperatur von 70°C ermittelt worden. Im letzten Teil wird die Entwicklung einer Stromversorgung für einen Scooter beschrieben. Hierfür ist ein kompaktes System mit einer elektrischen Nettoleistung von 1230 W realisiert worden. Der Systemwirkungsgrad beträgt 18,8%.

The attractiveness of electrical conversion of liquid methanol in a fuel cell is defined by its simple storage and high energy density. Therefore, direct methanol fuel cell (DMFC) qualifies for applications in portable systems and mobile application in the kW-class. The goal of this work is to develop and demonstrate an improved and optimized peripheral DMFC system compared to the current level of technology. The selected mobile application is the retrofit of the energy supply of a "Scooter" with a fuel cell system. The required size reduction and the simplification of the DMFC system are realized by an integrated concept, which combines ideally the peripheral system and the fuel cell. A profound analysis of the stack and the peripheral components is a prerequisite for an optimized design. A detailed modelling and understanding of the stack behaviour establish the starting point of this work. The influence of the most important operating parameters like stack temperature, cell voltage, current density, air ratio and methanol concentration is captured accurately by the developed model and validated by experimental data. This shapes the frame work of the following system design approach. For this the clearly defined task of the peripheral system are investigated individually for alternatives and the best option is selected for the final solution. For selecting the right pumps and blowers available products and prototypes are characterized and checked for the system requirements. The investigation and the modelling of the exhaust gas condenser lead to an optimized component design for the “Scooter” DMFC design. Additionally, the integration of the anode loop is accomplished consisting of the supply lines, the circulating pump, the gas separator and the exhaust line. The direct coupling of the fuel cell with a lithium-ion battery as an option for electrical conditioning is investigated. In the system modelling the influence of the operational parameter on characteristic performance indicators like electrical power, efficiency, and power density is analysed in combination with the heat and water management of the system. The system can be optimized only for single specific targets. For example the best system efficiency has been evaluated for a cell voltage of 400 mV and a stack temperature of 70°C. In the final part the development of the power supply of a Scooter is described. A compact system witha net power output of 1230 W has been realized. The system efficiency amounts up to 18.8%.

Fulltext:
PDF
(additional files)