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Fachhochschule Karlsruhe - University of Applied Sciences - Fachbereich Elektro- und Informationstechnik Studiengang Elektrische Energietechnik DIPLOMARBEIT Nr. 1302 Konzeption und Inbetriebnahme eines automatisierten Dauerteststandes zur Untersuchung der Degradation von PEM-Brennstoffzellen vorgelegt von Patrick König Matrikel-Nr.: 008432 Hauptreferent: Prof. Dr. rer. nat. Klaus Wolfrum Korreferent: Prof. Dipl.-Ing. Guntram Schultz Betreuerin: Dipl.-Ing. Ursula Wittstadt Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme

Diplomarbeit - KIT - IAM: Startseite · PDF fileInhaltsverzeichnis 5.3 AUTOMATISIERUNG MIT LABVIEW ™.....56 5.3.1 Beschreibung der Software

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  • Fachhochschule Karlsruhe - University of Applied Sciences -

    Fachbereich Elektro- und Informationstechnik

    Studiengang Elektrische Energietechnik

    DIPLOMARBEIT Nr. 1302

    Konzeption und Inbetriebnahme eines automatisierten Dauerteststandes

    zur Untersuchung der Degradation von PEM-Brennstoffzellen

    vorgelegt von

    Patrick Knig Matrikel-Nr.: 008432

    Hauptreferent: Prof. Dr. rer. nat. Klaus Wolfrum Korreferent: Prof. Dipl.-Ing. Guntram Schultz Betreuerin: Dipl.-Ing. Ursula Wittstadt

    Fraunhofer-Institut fr Solare Energiesysteme

  • Eidesstattliche Erklrung

    Eidesstattliche Erklrung Hiermit versichere ich, die vorliegende Diplomarbeit mit dem Thema Konzeption und

    Inbetriebnahme eines automatisierten Dauerteststandes zur Untersuchung der Degradation

    von PEM-Brennstoffzellen ohne unzulssige fremde Hilfe selbstndig verfasst und keine

    anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt zu haben.

    Freiburg, den 4. Mrz 2002

    ______________________

    Patrick Knig

    II

  • Danksagung

    Danksagung

    Mein Dank fr die hervorragende Betreuung dieser Arbeit gilt Herrn Prof. Dr. Klaus

    Wolfrum von der Fachhochschule Karlsruhe.

    Fr die Betreuung am Fraunhofer-Institut fr Solare Energiesysteme mchte ich mich bei

    Frau Dipl.-Ing. Ursula Wittstadt besonders bedanken.

    Ebenso gilt mein Dank Dipl.-Ing. Tom Smolinka, Dipl.-Ing. Ansgar Rau, Dipl.-Ing. (FH)

    Thomas Jungmann, Michael Czok und besonders Dipl.-Ing. (FH) Dirk Timm sowie allen

    Kollegen, durch deren fachliche Untersttzung und so manche Anregung diese Arbeit in

    freundschaftlicher Atmosphre geschaffen wurde.

    Dank gebhrt rckblickend meinen Freunden, speziell Torsten Bro, Klaus Dieter Eckert,

    Frank Meier und Ulrich Mohr, die stets dafr sorgten, dass whrend des Studiums auch der

    Spa nie zu kurz kam.

    Ein besonderer Dank geht an meine Eltern Isolde und Alfred Knig und meine Brder

    Marc und Dominik, ohne deren Liebe, Vertrauen und Untersttzung -moralisch, fachlich

    und musikalisch- das Studium nicht mglich gewesen wre.

    Fr die liebevolle, moralische und seelische Untersttzung mchte ich mich vor allem bei

    Simone bedanken.

    III

  • Kurzfassung / Abstract

    Kurzfassung Zur Untersuchung der Alterungsmechanismen in Polymermembran-Brennstoffzellen

    (PEMFC) wurde in der vorliegenden Diplomarbeit im Rahmen eines

    Verbundforschungsprojektes ein automatisierter Teststand entwickelt und in Betrieb

    genommen.

    Mit Hilfe einer Gasdosierungseinheit ist es neben der Versorgung des Teststandes mit Luft

    mglich, definierte Gasmischungen von Wasserstoff und Stickstoff einzustellen, um den

    Einfluss der Brenngaskonzentration auf die Degradationsmechanismen ersichtlich zu

    machen. Durch nachgeschaltete temperierte Befeuchtereinheiten wird eine Gasbefeuchtung

    von 0% bis 100% rel. Feuchte in einem Temperaturbereich von bis zu 140C realisiert, was

    eine Untersuchung der Einflsse von Feuchte und Temperatur ermglicht. In den Teststand

    ist eine elektronische Last integriert, die eine definierte Belastung der Brennstoffzellen

    zulsst. Mit einem Eingangsspannungsbereich der Last von 0 V bis 40 V sind dabei genaue

    Lastsimulationen auch bei geringsten Spannungen mglich (sog. 0-Volt-Funktion).

    Mit Hilfe eines Datenerfassungssystems bestehend aus Datenlogger, Messplatzrechner und

    LabVIEW-Software wurde eine vollstndige Automatisierung realisiert.

    Durch eine umfangreiche Inbetriebnahme wurde abschlieend die korrekte Funktion aller

    Komponenten des Teststandes nachgewiesen.

    Abstract In the context of an alliance research project for the investigation of aging mechanisms in

    proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) in this diploma thesis an automated test

    facility was developed and put into operation.

    The test facility includes a gas proportioning unit supplying the fuel cells with hydrogen

    and air as well as to regulate well-defined mixtures of hydrogen and nitrogen in order to

    determine the influence of different gas concentrations on the degradation mechanisms.

    With temperature regulated humidifier units downstream a gas moisturisation of 0% to

    100% relative humidity at temperatures up to 140C is possible, showing the influence of

    temperature and humidity. The test fuel cells are able to be characterised exactly by an

    electronic load including an integrated 0-Volts-feature. A LabVIEW based data

    acquisition system consisting of a data logger and an adjacent computer was also

    implemented. The correct operation of all components of the test facility was finally

    proven by an extensive initiation.

    IV

  • Inhaltsverzeichnis

    Inhaltsverzeichnis

    1 EINLEITUNG .......................................................................................... 1 1.1 MOTIVATION .............................................................................................................1 1.2 ZIELSTELLUNG ..........................................................................................................2

    2 GRUNDLAGEN DER BRENNSTOFFZELLE .................................... 4 2.1 EINFHRUNG .............................................................................................................4 2.2 ALLGEMEINE FUNKTIONSWEISE ..............................................................................5 2.3 TYPEN VON BRENNSTOFFZELLEN.............................................................................6

    2.3.1 AFC Alkalische Brennstoffzelle.....................................................................7 2.3.2 PEMFC Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle.................................8 2.3.3 DMFC Direktmethanol-Brennstoffzelle .........................................................8 2.3.4 PAFC Phosphorsaure Brennstoffzelle ............................................................8 2.3.5 MCFC Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle.......................................................9 2.3.6 SOFC Oxidkeramische Brennstoffzelle..........................................................9

    3 DIE PEM-BRENNSTOFFZELLE ....................................................... 10 3.1 AUFBAU EINER PEMFC..........................................................................................10 3.2 CHEMISCHE GRUNDLAGEN.....................................................................................12

    3.2.1 Zellreaktion......................................................................................................12 3.2.2 Gasumsatz und Stchiometrie .........................................................................12

    3.3 THERMODYNAMISCHE GRUNDLAGEN ....................................................................14 3.4 KINETISCHE GRUNDLAGEN ....................................................................................15 3.5 LEISTUNG DER BRENNSTOFFZELLE........................................................................17 3.6 WIRKUNGSGRADE ...................................................................................................17 3.7 EINFLUSSGREN UND BETRIEBSPARAMETER.......................................................19 3.8 DEGRADATION UND LANGZEITVERHALTEN ...........................................................20 3.9 BESCHLEUNIGTE ALTERUNGSTESTS ......................................................................22

    3.9.1 Vorberlegungen .............................................................................................22 3.9.2 Konventionen...................................................................................................23 3.9.3 Beschleunigungsmodelle .................................................................................25

    4 KONZEPTION DES TESTSTANDES ................................................ 30 4.1 ALLGEMEINE ANFORDERUNGEN UND RANDBEDINGUNGEN ..................................30 4.2 BRENNSTOFFZELLEN...............................................................................................31 4.3 GASDOSIERUNG .......................................................................................................33 4.4 GASBEFEUCHTUNG..................................................................................................36 4.5 FEUCHTEMESSUNG ..................................................................................................43 4.6 TEMPERATURMESSUNG...........................................................................................45 4.7 DRUCKMESSUNG......................................................................................................47 4.8 ELEKTRONISCHE LAST ...........................................................................................48 4.9 STROMVERSORGUNG...............................................................................................49

    5 AUTOMATISIERUNG DES TESTSTANDES .................................. 51 5.1 MESS-, STEUER- UND REGELSTELLEN ...................................................................51 5.2 HARDWARE ZUR DATENERFASSUNG ......................................................................54

    5.2.1 Datenlogger......................................................................................................54 5.2.2 Messplatzrechner .............................................................................................55

    V

  • Inhaltsverzeichnis

    5.3 AUTOMATISIERUNG MIT LABVIEW....................................................................56 5.3.1 Beschreibung der Software................................................................