Grundvoraussetzung beim Einsatz der Brennstoffzelle als Bordstromversorgung ist die Verwendung des an Bord verfügbaren Kraftstoffes. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit eines Gaserzeugungssystems, welches den vorliegenden Kraftstoff in Wasserstoff umsetzt und von dem für Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) schädlichen Kohlenmonoxid weitgehend befreit. Die Arbeit setzt auf die Entwicklung eines benzingetriebenen Gaserzeugungssystems. Dabei wird erstmalig der Entwicklungszyklus bis zum Funktionsmusteraufbau eines Systems über Konzeption, Detailauslegung, Simulation, Steuerungsentwicklung und experimentelle Untersuchungen geschlossen vorgestellt. Das System ist für den Betrieb einer PEM-Brennstoffzelle mit 3 kW elektrischer Leistung auf eine thermische Leistung von 9 kW ausgelegt. Der Modulationsbereich beträgt 1:3. Zunächst wurden mögliche Prozessstrukturen charakterisiert und vor dem Hintergrund der Anforderungen des betrachteten Anwendungsfalls bewertet. Die Struktur des am besten geeigneten Systems besteht danach auf der Kombination eines autothermen Reformers mit einem zweistufigen Wasergas-Shift-Konverter, einer selektivem Oxidation sowie einem Anodenrestgasnachbrenner. Durch dieses Konzept ergeben sich kompakte Systeme mit gutem Wirkungsgrad und dem vergleichsweise bestem Startverhalten. Zur Unterstützung des Entwicklungsprozesses wurde ein dynamisches Modell des Gaserzeugungssystems aufgebaut. Die Dynamik des Systems ist maßgeblich durch die thermische Trägheit bestimmt und wird durch die Wärmekapazitäten der Reaktoren und Wärmetauscher abgebildet. Somit lassen sich auch instationäre Vorgänge wie Systemstart oder Lastwechsel simulieren. Mit Hilfe des Simulationswerkzeuges Matlab/Simulink wurde gleichermaßen eine zustandsautomatenbasierte Steuerung entwickelt und am Prüfstand auf einem Rapid-Prototype-Controller appliziert. Die Steuerung besteht aus zwei Komponenten, einem Konzept für die unterschiedlichen Regelkreise sowie einem Automaten zur Ablaufsteuerung mit den Hauptzuständen 'stopped', 'start', 'operation' und 'error'. Das Gaserzeugungssystem wurde bezüglich des stationären und transienten Verhaltens experimentell untersucht. Im Vordergrund der stationären Untersuchungen stand dabei der Nachweis der ausgelegten Wasserstoffausbeute sowie des notwendigen Kohlenmonoxidumsatzes. Bei den instationären Untersuchungen wurde schwerpunktmäßig das Startverhalten sowie die Dynamik bei Lastsprüngen analysiert. Abschließend erfolgte eine simulationsgestützte Abschätzung des Verbesserungspotenzials.


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    Titel :

    Benzinbetriebenes Gaserzeugungssystem für die PKW-Bordstromversorgung auf PEM-Brennstoffzellenbasis


    Beteiligte:

    Erscheinungsdatum :

    2006


    Format / Umfang :

    153 Seiten, Bilder, Tabellen, 139 Quellen


    Medientyp :

    Hochschulschrift


    Format :

    Print


    Sprache :

    Deutsch





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