Fachdokumente Online der Landesanstalt für Umwelt Baden-Württemberg

zur LUBW   zum Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft   zum Ministerium für Ländlichen Raum und Verbraucherschutz   zum Ministerium für Verkehr und Infrastruktur  

Fachdokumente zu "Umweltforschung"

Themen

Neue Fachdokumente

Betrieb von Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC) unter transienten Lastbedingungen

Volltext

Beschreibung

In diesem Projekt wurden Degradation und Leistungsabgabe von Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Systemen unter transienten Lastbedingungen untersucht. Zunächst wurde die Betriebstemperatur als Auslöser für erhöhte Degradation betrachtet. Es wurde davon ausgegangen, dass eine statische elektrische Belastung der Zellen im Betrieb die Temperatur an den elektrochemisch aktiven Grenzflächen in einem Maß erhöht, das zu einer erhöhten Degradationsrate führt. Ferner wurde vermutet, dass zyklische elektrische Belastung eines 100 Hz-Rippels zu schnellen Thermozyklen führen kann. Beides konnte, wie in Kapitel 3 in diesem Bericht ausführlich beschrieben wird, widerlegt werden.

Zum Einen sind die Temperaturerhöhungen, die durch eine elektrische Belastung entstehen, durch ein neuartiges Verfahren bestimmt worden. Die erhaltenen Werte für die Temperaturerhöhung wurden mit > 10 K als nicht kritisch für eine signifikant erhöhte Degradationsrate eingestuft.

Zum anderen sind die durch eine dynamische Messung der Zelltemperatur während eines Stromsprungs ermittelten Zeitkonstanten für die Temperaturerhöhung am Elektrolyten mit ≥ 5 s so groß, dass die Zelltemperatur bei einem angelegten 100 Hz-Rippel dem oszillierenden Strom nicht folgen kann und so gedämpft wird, dass kein ausgeprägter Thermozyklus entstehen kann, der eine Schädigung des Zellverbunds bewirken könnte.

Als weitere mögliche Ursache für eine erhöhte Degradationsrate und für eine Leistungsminimierung unter transienter Belastung wurde eine temporäre Brenngasverarmung an der Anodenseite identifiziert. Dies wird in Kapitel 4 genau beschrieben.

Grundsätzlich kommt es bei hohen Temperaturen und hohen Wasserdampfpartialdrücken ? Bedingungen, wie sie speziell am Gasauslass eines Brennstoffzellenstacks entstehen, zu einer Nickelagglomeration, was zu einer Verringerung von Dreiphasengrenzlänge und Katalysatoroberfläche und damit zur Degradation führt. Bei zyklischer Belastung kann durch inadäquate Regelung des Wasserdampfpartialdrucks durch die Peripheriegeräte am Gasauslass kurzzeitig ein kritisch hoher Wert erreicht wird.

Eine erhöhte Degradation durch solch kritisch hohe kurzzeitige Wasserdampfpartialdrücke wurde bereits im Jahresbericht 2007 anhand von Zellmessungen gezeigt. Für die systematische Untersuchung wurde ein Simulationsmodell aufgestellt, das in seiner letzten Entwicklungsstufe in Kapitel 4 beschrieben wird. Mithilfe dieses Modells konnten die Verläufe von Stromdichte, Spannung und Wasserdampfpartialdruck über die kleinste Wiederholeinheit eines SOFC-Stacks, dem Gaskanal, simuliert und analysiert werden. Mit der am IWE entwickelten Möglichkeit der Aufschlüsselung der physikalischen Prozesse in der Brennstoffzelle konnte die Brenngasversorgung an der Anode als kritische Betriebsgröße identifiziert werden.

Eine zentrale Rolle spielt dabei die Nichtlinearität der Spannungsantwort auf ein Stromsignal, die mit der Ausprägung der Brenngasverarmung an der Anode stark korreliert. Da die weiteren Prozesse im relevanten Betriebsfenster weitestgehend linear reagieren, kann die zentrale Aussage getroffen werden, dass beim Betrieb von Hochtemperatur-Brennstoffzellen unter transienter Last darauf geachtet werden sollte, dass der lineare Strom-/Spannungsbereich nicht verlassen werden sollte, das sich durch eine überproportionales (nichtlineares) Absinken der Betriebsspannung in diesem Bereich die mittlere Leistungsabgabe verringert und ebenso mit einer stark erhöhten Degradationsrate zu rechnen ist.

Metadaten

TitelBetrieb von Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC) unter transienten Lastbedingungen  
Stand 2009 
Seitenzahl42 
Förderkennzeichen ZO4B26019

 

Autoren:

Verknüpfte Schlagworte:

Verknüpfte Themen:

Ist Abschlussbericht von Forschungsprojekt:

Enthalten in Fachsystemen:


Weitere Themenbereiche
Weitere Fachsysteme
 
Seitenanfang Seite drucken

Fachdokumente Online