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000710941 245__ $$aPolymerelektrolyt-Brennstoffzellensystem für ein autonomes Unterwasserfahrzeug$$cManuel Hitscherich$$honline, print
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000710941 260__ $$aAachen$$bFraunhofer VErlag$$c2017
000710941 300__ $$a1 Online-Ressource (X, 201 Seiten) : Illustrationen
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000710941 500__ $$aDruckausgabe: 2017. - Onlineausgabe: 2017. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
000710941 5203_ $$aDie 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.$$lger
000710941 520__ $$aThe thesis deals with the design and build-up of a fuel cell system for an autonomous underwatervehicle (AUV). The utilized polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) is hybridized with the battery system in order to increase the mission duration and decrease the reloading time. The challenge in this work is to adapt the PEMFC system to a not foreseen environment while using a commercial fuel cell stack. In a first step, the boundary conditions for an operation under water and in the particular AUV have to be defined. In a second step, the development strategy has to be derived. In this sense, the state of the art of the individual subsystems is discussed. The most important system characteristic is the hindered mass transfer with the surrounding. As a result, a closed system with pure oxygen as an oxidant was developed. The inert gas intake, which resulted from impurities present in the gas bottles, had a strong influence on the design. As a consequence, operation time was reduced in a dead-end setup depending on the volume of the gas supply system. In the developed system an operation time of 1.8 hours was achieved. By using a recirculation on both gas sides the operation time could be further increased to a maximum of 71 hours. In the particular case, the available system volume was a restricting factor for the development of the system. The system volume was used as a primary design parameter. Afterwards, it was linked to further optimization parameters system stability, operation time and overall system efficiency. To reduce the system volume, gas conditioning was relinquished. The operation was validated by empiric measurements. Additionally, by using ejectors instead of compressors, the system volume could be reduced by 39 %.The influence of inert gases during dead-end operation of a closed fuel cell system was examined in an especially developed measuring setup. It could be shown, that a stable operation of the fuel cell system was possible up to an inert gas ratio of 3 %. With the designed dead-end-system a 24 hour operation was not possible. Therefore, gas recirculation was used on the cathodic as well as on the anodic side to allow a 24 hour operation. The developed system was assembled and tested in the laboratory. A stable operation of 8 hours was confirmed in an ex-situ measurement.$$leng
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