NEUES OPTIMIERUNGSTOOL FÜR DIE ANODE VON BRENNSTOFFZELLEN ZUR VERRINGERUNG DES H2-VERBRAUCHS
Im COMET-Projekt HyTechonomy arbeiten Experten aus Wissenschaft und Industrie zusammen an der Entwicklung von Technologien für H2 Erzeugung, Speicherung, Verteilung sowie der Anwendung über die Brennstoffzelle im Mobilitäts-, Industrie- und Energiesektor. Darüber hinaus sollen Optimierungspotenziale durch Sektorkopplung von Energie, Industrie und Mobilität sowie die ideale Kombination der Schlüsseltechnologien identifiziert werden.
Das Sub-Projekt Hyfficient hat sich zum Ziel gesetzt, stationäre Brennstoffzellensysteme zu optimieren. Um einen verlässlichen Betrieb zu garantieren und Schädigungen zu vermeiden werden Brennstoffzellen über-stöchiometrisch betrieben. Dies führt dazu, dass der nicht genutzte Wasserstoff rückgeführt werden muss um Effizienzverluste zu vermeiden und den Wasserstoffverbrauch zu reduzieren. In herkömmlichen Brennstoffzellensystemen wird dies über ein Wasserstoff-Rezirkulationsgebläse bewerkstelligt. Der Stromverbrauch für das Gebläse wirkt sich negativ auf die Gesamteffizienz aus und gehört, neben anderen, zu den größten Verbrauchern der Nebenaggregate um den Brennstoffzellen-Stack optimal betreiben zu können. Ersetzt man das Gebläse durch eine Einheit, bestehend aus einem Wasserstoffinjektor mit nachgeschaltetem Ejektor, der nach dem Strahlpumpenprinzip arbeitet, kann der elektrische Verbrauch für die Rezirkulation um ca. 85 % reduziert werden. Durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit des im Ejektor expandierenden Wasserstoffs wird ein Impuls erzeugt und der rezirkulierte Wasserstoff mittels Impulsaustausch angesaugt ohne dafür zusätzlich Energie aufwenden zu müssen.
Die Herausforderung in der Auslegung des Systems besteht darin, die Rezirkulationsrate zu optimieren und diese auch im Teillastbetrieb zu gewährleisten. Gleichzeitig ist ein tiefes Verständis der thermo-dynamischen Vorgänge und der Strömungsprozesse erforderlich, um mit geeigenten Maßnahmen Druckpulsationen möglichst zu vermeiden.
Wirkungen und Effekte
Im Rahmen von Hyfficient wurde eine generische Methode unter Verwendung von 1D- und 3D-CFD-Simulationen weiterentwickelt, um das optimale Design des Ejektors zu generieren. Die Methode ist für unterschiedliche Brennstoffzellensystemgrößen und Betriebsstrategien anwendbar.
Für die Optimierung des Wasserstoffverbrauchs (Anodenseite) wurde die entwickelte Methode angewendet und ein Ejektor für das spezifische Brennstoffzellensystem des Projektpartners Fronius ausgelegt und optimiert. Im zweiten Projektjahr wird auf dieser Basis ein Ejektor-Prototyp gebaut und getestet. Mit den Messergebnissen werden die Simulationsmodelle validiert und weiter verbessert.
Projektparnter
- AIT, AUT
- AVL, AUT
- BEST Research, AUT
- Fronius, AUT Henn, AUT
- Henn, AUT
- Profactor, AUT
- Postbus, AUT
- TU Graz (CEET, IWT, ITNA), AUT
- Verbund, AUT