Forschungen zum Einsatzpotential von Membranverfahren bei mobilen Brennstoffzellen richteten sich auf die Charakterisierung von Membranen und Auslegung von Membranbefeuchtern für das Wassermanagement von Niedertemperatur-PEFC, den Einsatz von Metallmembranen in einem Shift-Membran-Reaktor oder einer Membran-Reformer-Einheit zur on-board Wasserstofferzeugung für APU-Systeme (Auxiliary Power Units) und die verfahrenstechnische Systemmodellierung zur Bewertung des Potenzials der Komponenten mit Membrantechnik gegenüber alternativen Verfahrenschritten. Ein APU-BZ-System mit Membranreformer oder Shift-Membran-Reaktor weist demnach ein ähnlich großes Wirkungsgradpotenzial auf wie ein System ohne Membrantechnik und mit chemischer Brenngasnachbehandlung. Die Reformierung erfolgt bei den Systemen mit Membrantechnik bei erhöhten Drücken. Für ein System mit Membranreformer sind Drücke von ca. 5 bar ausreichend. Das BZ-System mit Shift-Membran-Reaktor wurde dagegen auf einen Reformerdruck von 6 bar ausgelegt. Diese Betriebsdrücke sind erforderlich, um eine entsprechende Triebkraft für die Wasserstoffabtrennung über die eingesetzten Metallmembranen zu gewährleisten. Die einzustellenden Reformerdrücke können abgesenkt werden, wenn die Reformierungstemperatur erhöht oder auf der Permeatseite der Membran als Sweepgas z.B. Wasserdampf eingesetzt wird. Bezüglich der Kompaktheit ist die Konstruktion eines Membranreformers den Systemen mit chemischer Brenngasnachbehandlung oder mit Shift-Membran-Reaktor deutlich überlegen, was darauf zurückzuführen ist, dass für jede zusätzliche Reaktionsstufe weniger Reaktoren und Wärmeüberträger vorzusehen sind. Der katalytische Brenner wird bei den Systemen mit Membrantechnik mit dem Retentatgas des Shift-Membran-Reaktors oder des Retentatgases der Membran-Reformer-Einheit betrieben. Die Module Reformierung und Brennstoffzelle sind dadurch regelungstechnisch nicht mehr miteinander verzahnt. Die Brennstoffzelle kann mit dem Permeat der Membraneinheiten direkt betrieben werden. Bei einer Membran ohne Fehlstellen und bei Betrieb der Membraneinheit ohne Sweepgas besteht das Permeat nur aus Wasserstoff, was sich günstig auf die BZ-Performance auswirkt.
Membrantechnik im Peripheriebereich von Brennstoffzellenfahrzeugen
2009
188 Seiten, Bilder, Tabellen, 99 Quellen
Hochschulschrift
Deutsch
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