Dieser Artikel stellt die Machbarkeitsstudie einer hybriden Hilfsenergiequelle mit einer Leistung von 1000 W für den Einsatz in Kraftfahrzeugen vor. Sie besteht aus einer PEM-Brennstoffzelle (PMFC = Proton Exchange Membrane Fuel Cell) und einem Superkondensator. Das System soll den folgenden Anforderungen genügen: 5 kW Spitzenlast, 2 kW Dauerlast, Gesamtmasse ca. 30 kg, so dass sich eine gewichtsspezifische Leistung von 166 W/kg und eine gewichtsspezifische Energiekapazität von 66 Wh/kg ergibt. Die Brennstoffzelle enthält eine Festelektrolytmembran aus Polymer. Ihre maximale Betriebstemperatur liegt bei 100 Grad C. Die Zelle wird einfachsten und wirtschaftlichsten im geschlossenen Modus unter Überdruck betrieben, so dass der zugeführte Wasserstoff vollständig verbraucht wird. Das erfordert die periodische Reinigung der Anodenseite (Entfernung von Wasserdampf und Abluft), eine Regelung der Druckluftzufuhr auf der Kathodenseite, ein Kühlsystem und ein System zur Rückführung des Wasserdampfes in den Kathodenkreislauf, um die Befeuchtung der Polymermembran sicherzustellen. Die Funktion dieser Komponenten sind durch ein zentrales Regelungssystem aufeinander abzustimmen, so dass hochdynamische Leistungsanforderungen, wie sie in Kraftfahrzeugen (z.B. beim Einschalten der Warmluftzufuhr) auftreten, mit der Brennstoffzelle allein nicht zu erfüllen sind. Bei dem Superkondensator handelt es sich um einen elektrostatischen Energiespeicher mit einer Elektrolytfüllung und zwei Kohleelektroden, an deren Grenzflächen zwischen Elektrolyt und Elektroden eine elektrostatische Doppelschicht ausbildet. Seine gewichtsspezifische Leistung beträgt 10 kW/kg, seine gewichtsspezifische Energiekapazität ist kleiner als 10 Wh/kg. Der Superkondensator wird als Energiequelle für kurze Belastungsspitzen genutzt und anschließend durch die Brennstoffzelle wieder aufgeladen. Dabei kann der Superkondensator, angekoppelt über Gleichspannungsumsetzer, parallel oder seriell mit der Brennstoffzelle und dem Stromversorgungsnetz des Fahrzeugs verbunden werden. Ein Prototyp der seriellen Variante wurde dem folgenden Belastungszyklus unterzogen, das qualitativ dem einer Warmluftheizung mit dauerhaft laufendem Ventilator und periodisch beheizten Widerständen entspricht: 10 Sekunden lang Leistungsabnahme von 1 kW, 60 Sekunden lang Leistungsabnahme von 100 W, danach Wiederholung des Zyklus. Weitere Vorgaben waren: Leistung der Brennstoffzelle im Dauerbetrieb 100 W und während der Aufladung des Superkondensators maximal 300 W, Leistung des Superkondensators zwischen 100 W und 1 kW, wobei die Klemmenspannung 50% des Nominalwerts (2,5 V) nicht unterschreitet, Ausgangsspannung des Stromversorgungssystems 14 V (entsprechend der Spannung des Fahrzeugnetzes). Der Test ergab, dass die Leistungsvorgabe unter Einhaltung dieser Bedingungen erreicht wurde.
Etude et realisation d'une alimentation auxiliaire de puissance (APU) associant pile a combustible et supercondensateurs
Realisierung einer Hilfsenergiequelle mit einer PEM-Brennstoffzelle und einem Superkondensator
Study and realisation of an Auxiliary Power Unit (APU) with fuel cell and supercapacitors
Revue de l'Electricite et de l'Electronique - REE ; 8 ; 91-100
2004
10 Seiten, 8 Bilder, 8 Quellen
Article (Journal)
French
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