FKZ 03ET6133A
Projekthintergrund
Mit Hilfe von Brennstoffzellensystemen kann der Flexibilisierungsgrad und die Versorgungssicherheit eines auf erneuerbaren Energien basierenden Energiesystems zukünftig erhöht werden. Die Brennstoffzelle wandelt die in Wasserstoff gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie und Wärme um:
Der Schwachpunkt heutiger Brennstoffzellen- und Elektrolysesysteme, insbesondere in Bezug auf die sogenannte Sektorenkopplung, ist dabei die nicht beeinflussbare Reaktionsgeschwindigkeit aufgrund des nicht beeinflussbaren Membranverhaltens. Deshalb reagieren die Brennstoffzellen mit einer begrenzten Dynamik auf schnelle Laständerungen. Insbesondere für mobile Anwendungen werden darüber hinaus höhere Leistungsdichten angestrebt. Aus diesem Grund wird an der Professur für Elektrische Energiesysteme der Helmut-Schmidt-Universität an neuen Lösungsansätzen zur internen Steuerung von Brennstoffzellensystemen gearbeitet. Hauptaugenmerk ist hierbei die Erforschung der gezielten Beeinflussung des Transportprozesses in der Membran durch elektrische Felder. Durch die interne Steuerbarkeit soll die Dynamik dieser Systeme und damit vor allem die Reaktion auf Lastsprünge optimiert werden.
Projektziel
Ziel dieses Teilprojektes ist die Modifizierung und Verbesserung des stationären und dynamischen Betriebsverhaltens von PEM-Brennstoffzellen. Dies wird durch die Entwicklung einer elektrisch steuerbaren Membraneinheit für Brennstoffzellen realisiert. Konkrete Ziele umfassen:
- Die Entwicklung eines Prototyps einer steuerbaren Brennstoffzelle mit modifiziertem stationärem und dynamischem Verhalten
- Die Charakterisierung und Optimierung der Steuerbarkeit der Brennstoffzelle, sowie die Entwicklung der Ansteuerungsmethode
Methodisches Vorgehen
Zur Bearbeitung des Projekts werden in einem ersten Schritt die neuartigen Membraneinheiten mit elektrischem Steuergitter (EFM, Electric Field Modifier) sowohl als physikalisches Modell in der Software COMSOL Multiphysics® umgesetzt und analysiert, als auch als Einzelzellen-Laborprototypen aufgebaut und getestet. Für die Charakterisierung von Brennstoffzellen steht die Ausrüstung des Brennstoffzellenlabors der Professur zur Verfügung.
Die Simulationsergebnisse und die Charakterisierungsergebnisse der Prototypen dienen als gegenseitige Optimierungsgrundlage für die elektrisch steuerbaren Membraneinheiten. Anschließend werden in einem zweiten Schritt Dynamik- und Lebensdauertests mit den optimierten Prototypen durchgeführt. Am Ende dieses Teilprojekts soll ein Brennstoffzellen-Stack mit neuartiger, elektrisch steuerbarer Membraneinheit realisiert werden.
Publikationen
Friedrich, J.
Estimation of the Influence of Novel Control Lattices within Fuel Cell Membranes using a 2D Steady-State Model
Vortrag auf dem Electrochemistry Workshop an der Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg,
12. – 14. November 2018, Hamburg, Germany
Schumann, M.; Grumm, F.; Friedrich, J.; Schulz, D.
Transient PEM Fuel Cell Control by an Electric Field Modifier
2nd European Conference on Electrical Engineering and Computer Science (EECS 2018), Bern, Switzerland, 20-22 December 2018
Schumann, M.; Grumm, F.; Friedrich, J.; Schulz, D.
Electric Field Modifier Design and Implementation for Transient PEM Fuel Cell Control
WSEAS TRANSACTIONS on CIRCUITS and SYSTEMS, vol. 18, pp. 55-62, 2019, ISSN (Online): 2224-266X
Friedrich, J.; Schumann, M.; Schulz, D.
Effects, Position and Density of Novel Control Lattices for PEM Fuel Cells
7th Eur. Conf. Ren. Energy Sys. 10-12 June 2019, Madrid, Spain
Friedrich, J.; Schumann, M.; Schulz, D.
Manipulating the Current Density and the Transient Behavior of Fuel Cells by novel Electric Field Modifiers
CARISMA 2019, 27-30 August, Duisburg, Germany
Schumann, M.; Friedrich, J.; Kötter, A.; Schulz, D.
Entwicklung von Elektrisch Steuerbaren Membran-Elektroden-Einheiten in PEM Brennstoffzellen zur Verbesserung der Dynamik,
In: Hamburger Beiträge für den technischen Klimaschutz,
Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr, Professur für Elektrische Energiesysteme, Hamburg, Oktober 2019,
Bd. 1, S. 111-115, ISSN (Druck) 2698-8798, ISBN (Druck) 978-3-86818-247-7, ISSN (Online) 2698-8801, ISBN (Online) 978-3-86818-248-4
Projektpartner
Das Projekt StBZuEL – Entwicklung und Test von elektrisch steuerbaren Membraneinheiten in Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen und Elektrolyseuren mit interner Methanisierung im Auslasskanal wird in Kooperation mit der Firma Altran Deutschland S.A.S. & Co. KG bearbeitet.
Patente
[1] Schulz, D.: Brennstoffzellenmembraneinheit, steuerbare Brennstoffzelle und Hochdruckelektrolysezelle, 15.12.2011, Patent DE 10 2011 088 613
[2] Schulz, D.: INTERNALLY CONTROLLABLE FUEL CELL, United States Patent, Patent No.: US 9,437,887 B2, Sep.6, 2016
[3] Schulz, D.: INTERNALLY CONTROLLABLE FUEL CELL, European patent No. 2791392, 16.08.2017
[4] Schulz, D.: INTERNALLY CONTROLLABLE FUEL CELL, Chinese patent, Patent No.: ZL2012800617937, 6.12.2017
[5] Schulz, D.: HIGH EFFICIENCY FUEL CELL, European patent No. 2978875, 07.03.18
[6] Schulz, D.: HIGH EFFICIENCY FUEL CELL, Chinese patent, Patent No.: ZL 2014800178483, 22.06.2018
[7] Schulz, D.: HIGH EFFICIENCY FUEL CELL, United States Patent, Patent No.: US 1050235506 B2, Jul. 17, 2018
[8] Schulz, D.: HIGH EFFICIENCY FUEL CELL, Japanese Patent Number 6462660, 11.01.2019
[9] Schulz, D.: INTERNALLY CONTROLLABLE FUEL CELL, Japanese Patent Number 8486105, 01.03.2019
[10] Schulz, D.: INTERNALLY CONTROLLABLE FUEL CELL, Korean Patent Number 10-2001703, 12.07.2019
Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. habil. Detlef Schulz (Projektleiter)
Marc Schumann, M.Sc.
Carsten Cosse, M.Sc.
Fakultät für Elektrotechnik
Elektrische Energiesysteme
Letzte Änderung: 14. März 2022