Experimentelle Entwicklung einer H2-Purge-Strategie zur Maximierung der Effizienz einer PEM-Brennstoffzelle

Abstract

Die Verwendung von Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PEM-BZ) als Energiequelle für Fahrzeugantriebe bietet ein großes Potential im Hinblick auf die Dekarbonisierung des Transportsektors. In der PEM-BZ wird an der Kathode Luftsauerstoff und an der Anode Wasserstoff als Reaktant zugeführt. Wasserstoff, welcher an der Anode rezirkuliert, wird während des Betriebs der BZ durch die Diffusion von Stickstoff und Wasser von der Kathode verunreinigt. Das heißt, die Wasserstoffkonzentration nimmt stetig ab. Die anodenseitige Akkumulation von Stickstoff und Wasser bedingt nicht nur eine Abnahme der Zellspannung, sondern kann auch zu langfristigen Schäden der BZ führen. Dementsprechend muss die Anode in regelmäßigen Abständen mit frischem Wasserstoff gespült werden. Dieser Spülvorgang wird in der Literatur als Purge-Vorgang bezeichnet.Im Sinne einer effizienten Entfernung von Stickstoff und Wasser ist es Ziel dieser Diplomarbeit eine optimierte H2-Purge-Strategie zu entwickeln. Nach Darlegung theoretischer Grundlagen bezugnehmend auf die Stickstoffdiffusion und das Wassermanagement während des Betriebs einer PEM-BZ folgen experimentelle Untersuchungen, welche auf dem 25 kW-Brennstoffzellensystemprüfstand am Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik (IFA) der TU Wien durchgeführt werden. Dabei erfolgt durch den Einsatz eines Massenspektrometers die Messung der anodenseitigen Gaszusammensetzung.Basierend auf den erhaltenen Messdaten wird eine H2-Purge-Strategie entwickelt, welche durch die Reduzierung der Purge-Verluste einen brennstoffsparenden Betrieb und damit eine verbesserte Wasserstoffausnutzung ermöglicht. Im Sinne der Vermeidung einer Degradation der BZ aufgrund einer lokalen Unterversorgung an Wasserstoff, sowie der Verbesserung des dynamischen Verhaltens der BZ folgt die Entwicklung einer weiteren H2-Purge-Strategie. Deren Ziel stellt die Minimierung der Stickstoffkonzentration an der Anode dar.Die Evaluierung beider Strategien erfolgt durch die Vermessung eines stationären Lastzyklus, sowie eines dynamischen WLTC-Fahrzyklus. Gemäß der Zielsetzung führt ein Betrieb mit der brennstoffsparenden Strategie zu geringeren Purge-Massen, wobei die festgelegten Untergrenzen der Wasserstoffkonzentrationen stets eingehalten werden. Die stickstoffmindernde Strategie ermöglicht hohe Wasserstoffkonzentrationen über den gesamten Lastbereich der BZ, allerdings führt der Betrieb mit dieser Strategie zu erhöhten Purge-Verlusten. Abschließende Wirkungsgradbetrachtungen des BZ-Systems zeigen jedoch, dass eine Minderung der anodenseitigen Stickstoffkonzentration bei einer gleichzeitigen Absenkung der Antriebsleistung der Nebenaggregate erzielt werden kann. Damit wird sowohl ein verbessertes dynamisches Verhalten der BZ als auch ein erhöhter Wirkungsgrad des BZ-Systems ermöglicht.

The use of hydrogen-powered polymer electrolyte membrane fuel cells (PEM-FC) as an energy source for vehicle propulsion offers great potential concerning the decarbonization of the transport sector. In the PEM-FC, atmospheric oxygen is supplied as a reactant at the cathode and hydrogen at the anode. Hydrogen, which is recirculated at the anode, is contaminated by the diffusion of nitrogen and water from the cathode during the operation of the FC. That is, the hydrogen concentration decreases steadily. The anode-side accumulation of nitrogen and water causes a decrease in cell voltage and can lead to long-term damage to the FC. Accordingly, the anode must be flushed with fresh hydrogen at regular intervals. This process is referred to as purge in the literature.In terms of efficient removal of nitrogen and water, this diploma thesis aims to develop an optimized H2-purge strategy. After the theoretical basics concerning nitrogen diffusion and water management during the operation of a PEM-FC are presented, experimental investigations follow, which are carried out on the 25 kW fuel cell system test bench at the Institute of Powertrains and Automotive Technology (IFA) of the TU Wien. By using a mass spectrometer, the anode-side gas composition is measured.Based on the measurement data obtained, an H2-purge strategy is developed, enabling a fuel-saving operation and thus improved hydrogen utilization by reducing the purge losses. To avoid degradation of the FC due to fuel starvation and to improve the dynamic behavior of the FC, another H2-purge strategy is being developed. It aims to minimize the nitrogen concentration at the anode.Both strategies are evaluated by measuring a stationary load cycle and a dynamic WLTC driving cycle. According to the objective, operation with the fuel-saving strategy leads to lower purge masses while maintaining the beforehand specified limits of the hydrogen concentrations. The nitrogen-reducing strategy enables high hydrogen concentrations over the entire load range of the FC, but operation with this strategy leads to increased purge losses. However, final efficiency considerations of the FC system show that a reduction in the anode-side nitrogen concentration can be achieved with a simultaneous decrease in the power demand of the auxiliary units. This enables both improved dynamic behavior of the FC and increased efficiency of the FC system.