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Systemdemonstrator für die Energieversorgung dezentraler Anwendungen mit SOFC-Brennstoffzelle

Problem:

In dezentralen Aufenthaltsbereichen wie Booten, Wohnwagen, Wohncontainern etc. wird vielfach kontinuierlich elektrische Energie und temporär Wärme benötigt. Brennstoff ist in den meisten Fällen Flüssiggas, ein Gemisch aus vorwiegend Propan und Butan. Hier bietet sich ein weites Feld für den Einsatz von Brennstoffzellensystemen.

Ziel:

Im Rahmen dieses Projektes soll in Zusammenarbeit mit anderen Firmen und Instituten ein Systemdemonstrator mit einer Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) erstellt werden. Dieser Demonstrator wird aus den Hauptkomponenten Entschwefelung, Reformer, SOFC-Stack, Nachverbrennung, Heizung und Konditionierung bestehen (Bild 1). Das Institut für Elektrische Energietechnik ist in dem Vorhaben für die Konditionierung der erzeugten elektrischen Energie und die Betriebsführung des Gesamtsystems verantwortlich.

Bild 1: Übersicht über die Komponenten des Systemdemonstrators. Arbeitsgebiet 6 wird im IEE ebenso wie die Regelung und Betriebsführung des Gesamtsystems bearbeitet

Die elektrische Energiekonditionierung muss einen Inselbetrieb mit der üblichen Spannungsqualität sicherstellen. Wichtige Aspekte sind die Umsetzung der erzeugten Spannung auf Netzniveau und Wechselrichtung, die Sicherstellung eines hinreichend sinusförmigen Verlaufs der Spannung, Lieferung und Bezug von Blindleistung und die Realisierung in einer gewicht- und volumensparenden Lösung für die mobile Anwendung.
Die Betriebsführung des Systems übernimmt ein zentrales Management, welches Brennstoffzellenstack, Reformer, Entschwefelung, Gasgemisch- und Regelungsanlage und Nachverbrennung bei jeder Lastsituation so einstellt, dass keine unzulässigen Betriebszustände entstehen und immer ein optimierter Energiewandlungsprozess erreicht wird.

Projektstand:

Das Projekt ist abgeschlossen.

 

Als erster Schritt wurde zur Untersuchung der Brennstoffzellenstacks ein SOFC-Teststand in der CUTEC GmbH aufgebaut. Der Teststand ist seit Dezember 2005 in Betrieb und liefert Messergebnisse, aus denen auf das Betriebsverhalten des Brennstoffzellenstacks zurückgeschlossen werden kann. Das Institut für Elektrische Energietechnik hat beim Testsaufbau die elektrische Verkabelung, Sensoren, Aktoren, Sicherheitsüberwachung und die Programmierung der Steuerung und der Mensch-Maschine-Schnittstelle übernommen.
Außerdem wurde die Elektrische Konditionierung konzipiert, aufgebaut und getestet. Den Aufbau der elektrischen Konditionierung zeigt Bild 2.

Bild 2: Übersicht über das elektrische System.

Der Wechselrichter ist direkt an die Brennstoffzelle angeschlossen, die Batterie ist über einen Gleichspannungswandler angeschlossen und liefert parallel die fehlende Leistung oder nimmt überschüssige Leistung auf. Alle Ströme und Spannungen werden gemessen und einem Energiemanagement zugeführt, das den Batterieladezustand überwacht und die Brennstoffzellenleistung vorgibt.

 

Bild 3 zeigt ein Foto des Gleichspannungsumrichters, mit dem die Batterie an den Zwischenkreis angekoppelt wird. Dieser Gleichspannungsumrichter stellt eine Zwischenkreisspannung ein, die gleichzeitig die Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstacks bestimmt.

Umrichter

Bild 3: Aufbau des Gleichspannungsumrichters mit Halbleitern, Glättungseinrichtungen, Eigenversorgung, Sensoren und Ansteuerung

Industriepartner:

CUTEC Institut GmbH, Clausthal-Zellerfeld

H. C. Starck GmbH, Goslar

Bearbeiter:

Dipl-Ing. Hanno Stagge
Tel.+49 5323 72-2594
Mailstagge@iee.tu-clausthal.de
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