Die Realisierung erdferner bemannter Explorationsmissionen in den kommenden Jahrzehnten hängt maßgeblich von der Entwicklung tragfähiger und effizienter Technologien und Konzepte auf dem Gebiet der Lebenserhaltungs-, Energie- und Antriebssysteme ab. Die synergetische Einbindung einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEFC) ermöglicht die Vernetzung von Lebenserhaltungssystem (LSS) und Energiesystem über die Infrastruktur für Sauerstoff, Wasserstoff und Wasser. Die Umsetzung erfolgt durch den Betrieb der PEFC mit verschiedenen Kathodengasen. Das heißt, man verwendet (Kabinen-)Luft, die mit Sauerstoff aus physikochemischen oder biologischen Prozessen angereichert wird. Dies erweist sich sowohl technisch als auch aus der Systembetrachtung als vorteilhaft gegenüber dem Betrieb mit reinem Sauerstoff. Unter dem Aspekt der Sicherheitssteigerung werden ungleiche Redundanzen im LSS geschaffen. Zukünftige Lebenserhaltungssysteme werden voraussichtlich auch biologische Komponenten enthalten, um Kohlendioxid in essbare Biomasse und Sauerstoff zu regenerieren. Die Kultivierung von Mikroalgen wie die Spezies Chlorella vulgaris in einem Photobioreaktor (PBR) gilt hierfür als sehr aussichtsreich. Aus der synergetischen Vernetzung von PEFC und PBR in ein Luftaufbereitungssystem zur Sauerstoffregeneration resultieren bereits Nachschubeinsparung aufgrund von in situ Nahrungsproduktion und zusätzlich verfügbarer elektrischer Energie. Im Rahmen einer Gesamt-LSS-Analyse wurden unterschiedliche LSS-Modelle in verschiedenen Szenarien simuliert, um eine Bewertung der synergetischen Einbindung vorzunehmen. Die auf die PEFC zurückzuführende synergetische Masseeinsparung hängt vor allem von den Eklipsenzeiten einer Mission ab. Für eine künftige technische Umsetzung wurden experimentelle Untersuchungen an der PEFC mit zwei Schwerpunkten durchgeführt. Der erste Schwerpunkt umfasst die Beimischung von Sauerstoff in Luft. Dies bewirkte eine Erhöhung der Leistungsausbeute aufgrund des Rückgangs von Diffiisionsverlusten. Bei einer Sauerstoffkonzentration von 50% im Kathodengas wurden bis zu 90% der maximalen Leistungsausbeute erzielt. Der zweite Schwerpunkt umfasst die Ausbreitung von Kontaminanten aus biologischen Prozessen. Hier muss man auf eine geschickte Verschaltung der Komponenten untereinander zurückgreifen, bevor Reaktionsprodukte in Speicher gelangen und sich in der Infrastruktur ausbreiten können und somit eine potenzielle Gefährdung für den Menschen darstellen. Um Degradationseffekte zügig detektieren zu können, wurde PBR-Abluft direkt als Kathodengas verwendet. Die in der PBR-Abluft vorliegenden Spurenstoffe können dem Metabolismus der Mikroalgen, dem Nährsubstrat und dessen Abbauprodukte zugeordnet werden. Der Betrieb der PEFC mit PBR-Abluft zeigte kurz- und langfristig Leistungsverluste. Die synergetische Einbindung der PEFC in das LSS bedeutet auch die Nutzung des anfallenden Wassers als Trinkwasser. Analysen des Wassers, welches aus dem Kathodenabgasstrom kondensiert wurde, identifizierten Materialbestandteile aus der PEFC als Degradationsprodukte sowie Bestandteile des Nährsubstrats. Die Konzentrationen lagen selten über den Grenzwerten, so dass eine Einbindung in die Wasseraufbereitung des LSS als unkritisch angesehen wird. Auf den Ergebnissen aufbauend wurde ein Konzept für ein Weltraumexperiment im Columbus-Modul auf der Internationalen Raumstation erarbeitet.
The realisation of human exploration mission far from Earth in the coming decades will depend strongly on the development of sustainable and efficient technologies and concepts in the fields of life support, power and propulsion systems. The synergetic integration of a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEFC) enables the cross-linking of the life support system (LSS) and energy system by the infrastructure for oxygen, hydrogen and water. It is realised by operation of the PEFC cathode with various gases, i.e. (cabin) air enriched with oxygen from physicochemical or biological processes. This proves to be advantageous both technically and from a system point of view, compared to operation with pure oxygen. From a safety aspect dissimilar redundancies in the LSS are created. Future life support systems are also expected to contain biological components, regenerating carbon dioxide into edible biomass and oxygen. The cultivation of microalgae such as Chlorella vulgaris in a photobioreactor (PBR) is very promising. Resupply mass savings due to in situ food production and additional available electrical energy result from the synergetic cross-linking of PEFC and PBR in an air conditioning system. For complete LSS analysis, different LSS models in different scenarios were simulated in order to evaluate the synergetic cross-linking. The synergetic mass savings attributable to the PEFC depend strongly on the eclipse times of a mission. For a Mars mission corresponding to NASA's Design Reference Architecture, over 5% of the equivalent system mass can be saved due to storage reduction if the PEFC and PBR are synergistically cross-linked in the transfer vehicle remaining in the Mars orbit. The result for a Moon station on the lunar equator, however, shows no synergetic mass benefits. For a future technical realisation, experimental studies on the PEFC were conducted on two main points. The first point concerns the admixture of oxygen in air. This showed an increase of power output due to the decrease of diffusion losses. At oxygen concentration of 50% in the cathode gas, up to 90% of maximum power production was achieved. The second point concerns the spread of contaminants from biological processes. Here a sophisticated interconnection between the components must be conceived in order to avoid reaction products reaching storage and dispersing in the infrastructure, what may represent a potential hazard for humans. In order to quickly detect degradation effects, PBR exhaust air was used directly as cathode gas. The trace substances contained in the PBR exhaust air are of organic and inorganic nature, which could be assigned to the metabolism of microalgae, the growing medium and its decomposition products. The operation of the PEFC with PBR exhaust air showed short- and long-term power loss. The synergetic integration of a PEFC in the LSS also means the use of the accumulated water as drinking water. Analyses of the water, which was condensed from the cathode exhaust gas stream, showed material components of the PEFC as degradation compounds and components of the growing medium. The concentrations were seldom above the limits, so that integration in the water treatment is assessed as not critical. Based on these results, a concept for a space experiment in the Columbus module on the International Space Station was developed.
Untersuchungen zur synergetischen Einbindung von Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen in Lebenserhaltungssysteme
Investigations to synergetic integration of polymer electrolyte membrane fuel cells for life support systems
2012
143 Seiten, Bilder, Tabellen, Quellen
Hochschulschrift
Deutsch
TIBKAT | 2005
|Dynamik und Effizienz von Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen
TIBKAT | 2009
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