Autarkes thermisch hochintegriertes SOFC-Brennstoffzellen-System kleiner Leistung auf Propanbasis

Als Alternative zu den Generatoren wird in diesem interdisziplinären EFRE-Projekt ein autarkes Brennstoffzellensystem entwickelt, bei dem einen Gesamtwirkungsgrad von 35% angestrebt ist. Als Brenngas kommt Propan/Flüssiggas zum Einsatz, das aufbereitet durch einen Reformer der Festoxidbrennstoffzelle (SOFC) zugeführt wird. Vorteile der SOFC sind der hohe Wirkungsgrad von 50% und ein Verzicht von Platin als Katalysator. Für die Lebensdauer konnten von Baxi in Feldtests schon mehr als 10.000 wartungsfreie Betriebsstunden nachgewiesen werden. Die Ausgangsspannung des Systems ist über Umrichter auf 230V AC und 12V DC festgelegt. Den Start und das Abfedern der Leistungsspitzen übernimmt eine Batterie.

Bild 1: Festoxidbrennstoffzelle der Firma Staxera mit applizierter Sensorik

Als Innovation in dieser Leistungsklasse werden die einzelnen Systemkomponenten planar gestaltet und gestapelt, um eine bessere thermische Integration bei kompakter Bauweise zu realisieren. Darüber hinaus verfügt das System über eine Anodenabgasrückführung, um den Wirkungsgrad zu erhöhen. Hierbei wird das heiße, aus Wasserdampf und Kohlendioxid bestehende Anodenabgase partiell zum Reformer rückgeführt und mit Propan zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid gewandelt.

Hauptaufgabe des IEE ist der Entwurf und die Umsetzung einer Betriebsführung, die über ein intelligentes dynamisches Energie- und Lademanagement verfügt. Zielsetzung ist neben der zu maximierenden Leistung und des Systemwirkungsgrads auch eine hohe Zuverlässigkeit und Sicherheit. Darüber hinaus ist die Betriebsführung so zu gestalten, das auf konstruktive Änderungen des Aufbaus während der Projektphase flexibel reagiert werden kann.

Als kostengünstige und modular leicht zu erweiternde Steuerungshardware kommt ein System von Bachmann zum Einsatz. Die größte Herausforderung bei der softwareseitigen Auslegung der Regelung ist das über die Anodenabgasrückführung rückgekoppelte System. Um dieser Problematik zu begegnen, wird ein hinreichend genaues Modell von minimaler Komplexität erstellt, mit dem zuverlässige Vorhersagen des Systemverhaltens möglich sind. Auf Basis dieses Modells wird dann die Regelung entworfen, am Teststand implementiert und angepasst.

Grundsätzlich kann die Betriebsführung dabei mit steigender Anzahl Messstellen besser auf das System reagieren. Für Stellen, an denen aus Kostengründen nicht gemessen wird, oder wo eine Messung prinzipiell unmöglich ist, wird der Einsatz eines Beobachters geprüft. Dieser schätzt anhand bekannter Messgrößen und Daten des Systemaufbaus unbekannte Parameter ab.

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