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Sauerstoffanreicherung durch Druckwechseladsorption für Membran-Brennstoffzellensysteme

Wolfgang Lengerer

ISBN 978-3-8325-2107-3
224 Seiten, Erscheinungsjahr: 2008
Preis: 37.50 €
Bei der Integration eines Prozesses zur Sauerstoffanreicherung in ein Brennstoffzellensystem sind die bekannten Vorteile der Erhöhung der Leistungsdichte der Brennstoffzelle sowie einer Entschärfung der Befeuchtungsproblematik gegenüber dem offensichtlichen Mehraufwand abzuwägen. Hier sind vor allem der Energiebedarf für die Lufttrennung sowie der Platzbedarf, das Gewicht und die Kosten für die zusätzlich benötigten Apparate zu nennen. Hinzu kommt, dass sich die Komplexität des Gesamtsystems erhöht und eine Anpassung des Trennprozesses an die meist sehr dynamischen Leistungsanforderungen des Gesamtsystems erforderlich ist. Damit ist die Integration nur dann lohnenswert, wenn entweder die effektive Leistung des Gesamtsystems mit Sauerstoffanreicherung deutlich höher ist als beim herkömmlichen Betrieb mit Luft oder aber die Befeuchtungsproblematik bei vergleichbaren Leistungsdaten deutlich entschärft wird.

Mit Hilfe einer Simulationsstudie wird gezeigt, dass sich die effektive Brennstoffzellenleistung durch die Sauerstoffanreicherung durch Druckwechseladsorption deutlich steigern lässt. Trotz verfahrensbedingter Verluste des Trennprozesses können um bis zu 50% höhere Leistungswerte des Gesamtsystems erreicht werden. Aufgrund des geringeren Inertgasbalastes kann au"serdem auf die Befeuchtung des Kathodengases verzichtet werden. Des weiteren ist der Betrieb der Brennstoffzelle bei deutlich höheren Temperaturen als im Luftbetrieb möglich, wodurch sich das Wärmemanagement der Brennstoffzelle vereinfacht. Für den zur Integration des Trennprozesses zusätzlich benötigten Platzbedarf ergeben sich bei konventionellen Druckwechseladsorptionsprozessen Werte zwischen 2 und 80 l/kWel. Für stationär betriebene Brennstoffzellensysteme ist damit eine Integration des Trennprozesses denkbar. Der Einsatz in mobilen Anwendungen ist kritisch.

Um zu klären, in wie weit der Platzbedarf für die Druckwechseladsorptionsanlage minimiert werden kann, wird im zweiten Teil dieser Arbeit eine Simulationsstudie durchgeführt, bei der die wesentlichen Limitierungen von kompakten Druckwechseladsorptionsprozessen identifiziert werden. Es wird gezeigt, dass die energetische Effizienz des Trennprozesses aufgrund der Wärmetönung bei der Adsorption, des Druckverlustes in der Festbettschüttung und kinetischer Limitierungen umso geringer wird, je kompakter die Anlage ausgeführt wird. Ausgehend von diesen Ergebnissen wird ein Adsorberkonzept entwickelt, mit dem der Platzbedarf auf ca. 1 l/kWel gesenkt werden kann.

Keywords:
  • Brennstoffzelle
  • Sauerstoffanreicherung
  • Druckwechseladsorption
  • Simulation
  • Adsorberkonzept

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