Optimierung eines Hochdruckelektrolysesystems für regenerative Brennstoffzellensysteme

Abstract

Diese Dissertation fasst die Entwicklung eines Hochdruckelektrolysesystems mit einem Betriebsdruck von 100 bar als Teil eines regenerativen Brennstoffzellensystems (RFCS) für Luft- und Raumfahrtanwendungen zusammen. Die Entwicklung basiert auf den zuvor durchgeführten Optimierungsmaßnahmen eines alkalischen Wasserelektrolyseurs, dem ein Zelldesign mit immobilem Elektrolyt und direkter Wasserzufuhr in ein Doppeldiaphragma zugrunde liegt. Die Probleme bei diesem Elektrolyseur liegen in der Unterbrechung der ionischen Leitfähigkeit durch Inhomogenitäten in der Elektrolytkonzentration und Gasansammlungen im Elektrolytbereich, die im Betrieb auftreten, sowie in der Versorgung der Kathode mit Wasser. Dies wird experimentell abgebildet und theoretisch beschrieben. Verschiedene Maßnahmen zur Behebung der Probleme werden vorgestellt, jedoch kann kein zufriedenstellender Betrieb erreicht werden, was zu einer Änderung des Zelldesigns führt. Anstatt einer direkten Wasserversorgung ins Doppeldiaphragma wird eine Elektrolytzirkulation durch den Kathodenraum implementiert und ein Diaphragma entfernt. Diese Änderungen bringen eine Separationseinheit für Wasserstoff vom Elektrolyt sowie eine zusätzliche Pumpe mit sich, der Elektrolyt liegt nun mobil vor. Somit erhöht sich die Systemkomplexität, die uneingeschränkte Raumfahrttauglichkeit ist zunächst nicht gegeben. Dieses neue Elektrolysesystem wird anschließend in zahlreichen Testreihen charakterisiert. Erzielt werden auf Zellebene eine maximale Effizienz von 90.4 % bei 0.509 A/cm², ein möglicher Stromdichtebereich bis 0.76 A/cm², ein Betriebsdruck von 100 bar (Wasserstoff und Sauerstoff) und ein Temperaturbereich von 30-90 °C. Die so gewonnenen Versuchsdaten bilden, zusammen mit theoretischen Grundlagen und weiteren experimentellen Daten, die Basis für eine Modellierung des Systems. Diese Modellierung wird in Matlab/Simulink erstellt und bildet das gesamte Elektrolysesystem ab. Mithilfe der Modellierung können Betriebsparameter des Elektrolysesystems optimiert sowie das Verhalten des Systems in bestimmten Betriebspunkten vorhergesagt werden. Das Modell selbst kann in eine RFCS Gesamtsystemmodellierung implementiert werden. Des Weiteren werden in dieser Arbeit Untersuchungen zur Gasreinheit des Elektrolysesystems durchgeführt. Dies beinhaltet theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Gasverunreinigung von Elektrolysegasen sowie Konzepte und Untersuchungen zur Reinigung dieser Gase. Für die für regenerative Brennstoffzellensysteme spezifische Anforderung der Passivphase des Elektrolysesystems wird ein Betriebskonzept erarbeitet. Das Elektrolysesystem ist so umfangreich theoretisch abgebildet, was eine akkurate Auslegung und Anpassung zulässt, auch für Anwendungen außerhalb regenerativer Brennstoffzellensysteme.