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................................................................