DEMON - Brennstoffzellen-Versuchsanlage für Multi-Stack-Energiesysteme
Die Versuchsanlage DEMON am Institut für Technische Thermodynamik des DLR in Hamburg dient der Untersuchung des transienten Betriebs von Brennstoffzellensystemen für die Energieversorgung mit einem Fokus auf der Luftfahrtanwendung. Über die Integration mehrerer Brennstoffzellenstacks mit gemeinsamer Medienversorgung werden Mechanismen zur Leistungsskalierung untersucht. Ihre dynamische Charakteristik wird in Experimenten ermittelt und durch Automation und Regelung weiter verbessert.
Forschungsaufgaben: Betrieb und Regelung von Brennstoffzellensystemen
Die Dekarbonisierung im Heavy-Duty-Bereich des Verkehrssektors, insbesondere im Luftverkehr, erfordert die Entwicklung neuartiger Energiekonzepte und die Anpassung ihrer Betriebsweisen. Ein Ansatz ist die möglichst energieeffiziente und gewichtssparende Verschaltung mehrerer Brennstoffzellenstacks in ein sogenanntes Multi-Stack-Brennstoffzellensystem (MFCS) zur Leistungsbereitstellung. Dabei stellt nicht nur das Design dieser Systeme eine Herausforderung dar. Auch die Steuer- und Regelungstechnik erfordert intelligente Lösungen, da sie die zuverlässige Leistungsbereitstellung der hoch integrierten Systemarchitektur in allen Betriebsszenarien gewährleisten muss. Die Untersuchungen an der Anlage DEMON widmen sich daher den Forschungsfragen in folgenden Bereichen:
- Charakterisierung des transienten Verhaltens der Leistungsbereitstellung durch hoch integrierte MFCS.
- Modellbasierte Entwicklung von Reglern für Balance-of-Plant-Komponenten (BoP-Komponenten).
- Testen unterschiedlicher Automationsansätze und Betriebskonzepte für Brennstoffzellensysteme.
- Validierung von Betriebsstrategien.
Betriebsweisen und Untersuchungsmöglichkeiten
Folgende Betriebsweisen sind möglich:
- Inhomogener Betrieb beider Stacks.
- Einzelbetrieb spezifischer Subsysteme.
- Verwendung von Dummy-Stacks zum Überbrücken der Medienversorgung.
- Wechsel zwischen interner Radiatorkühlung und externer Kühlung.
Damit lässt sich eine Vielzahl von Untersuchungen durchführen, zum Beispiel:
- Dynamische Betriebsszenarien im Heavy-Duty-Bereich wie schneller Lastwechsel.
- Kritische Systembedingungen wie verminderte Kühlleistung.
- Abfahren skalierter Missionsprofile eines Flugzeugs als Lastprofile für die Leistungsbereitstellung unter hoch aufgelöster Datenerfassung.
- Einfluss einzelner BoP-Komponenten auf das Gesamtsystemverhalten, z. B. Einfluss parasitärer Hilfsleistung aus dem 24-VDC- und 230/400-VAC-Netz.
Daniel Reinhardt
Medienver- und -entsorgung
Über die Medienversorgung der Labore des Zentrums für Angewandte Luftfahrtforschung (ZAL) werden gasförmiger Wasserstoff sowie Prozessluft der benötigten Reinheit zum Betrieb der Anlage bereitgestellt. Zudem ermöglicht die Versorgung mit Stickstoff Spülung und Inertisierung der wasserstoffführenden Anlagenteile. Das Wasserstoffgas wird auf den Betriebsdruck des Stacks entspannt und mit rückgeführtem Anodenabgas gemischt. Die Zufuhr von Prozessluft wird kathodenseitig über einen Massenstromregler gesteuert und vor dem Eintritt in den Stack befeuchtet. Beide Systeme sind für die Versorgung von Brennstoffzellenstacks mit einer nominellen elektrischen Leistung von bis zu 12 kW und einem relativen Betriebsdruck bis zu 2 bar ausgelegt. Die feuchten Abgase der Anlage werden auskondensiert und über den Kamin des Gebäudes entsorgt.
Erweiterte Untersuchungsmöglichkeiten
- Elektrisches Lastmanagement und Szenarien zur Rekonditionierung der Brennstoffzellenstacks.
- Alternative Abfuhr der Verlustwärme über ein extern zugeschaltetes Kühlaggregat.
- Auswirkungen alternativer Balance-of-Plant-Komponenten auf das Gesamtsystem.
- Betrieb in Randbereichen, beispielsweise An- und Abfahrprozesse.
- Untersuchung von Alterungseffekten durch Accelerated Stress Tests (AST).
- Degradationsanalyse mittels Gasanalytik und Impedanzspektroskopie.