Thomas Horn (Autor) Gefährdungsbetrachtung von PEM-Brennstoffzellen hinsichtlich des Einsatzes in explosionsgefährdeten Betriebsstätten

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1 Thomas Horn (Autor) Gefährdungsbetrachtung von PEM-Brennstoffzellen hinsichtlich des Einsatzes in explosionsgefährdeten Betriebsstätten Copyright: Cuvillier Verlag, Inhaberin Annette Jentzsch-Cuvillier, Nonnenstieg 8, Göttingen, Germany Telefon: +49 (0) , Website:

2 INHALTSVERZEICHNIS 1 Einleitung Grundlagen der PEM-Brennstoffzellentechnik Elektrochemisches Funktionsprinzip Thermodynamik Spannungs-Strom-Charakteristik Aufbau einer PEM-Brennstoffzelle Membran-Elektroden-Einheit Separatorplatte Brennstoffzellenblock Grundlagen des Explosionsschutzes Zünddreieck Integrierter Explosionsschutz Sicherheitstechnische Kennzahlen Explosionsgrenzen Zündtemperatur Maximaler Explosionsdruck Spezifische Kennzahlen für Wasserstoff/Luft-Gemische Einflussgrößen Geräteklassifizierungen innerhalb des europäischen Explosionsschutzes Gerätegruppe und Kategorie Temperaturklassen Zündschutzarten Methodik der Gefährdungs- und Risikobeurteilung Gefährdung und Risiko Risikobeurteilung im Sinne der Maschinensicherheit Gefährdungsbetrachtung im Explosionsschutz Begriffsvielfalt Methode ix

3 4.4 Bedeutung des Risikobegriffes im Explosionsschutz Verknüpfung der Risikoelemente mit dem Konzept des Integrierten Explosionsschutzes Risikomatrix Risikoreduzierung im Explosionsschutz Einbindung der Risikobeurteilung in die Methode des Explosionsschutzes Methodenentwicklung der Zündgefahrenbeurteilung Problemstellung Festlegung von Beurteilungskriterien Grundanforderungen Quantitatives Toleranzkriterium Entwicklung der Methode Grundlegende Vorgehensweise Auswahl einer Analysemethode zur Zündquellenidentifikation Grundsätzliches Vorgehen zur Einschätzung und Bewertung der Zündquellenauftrittswahrscheinlichkeit Identifikation potentieller Zündquellen Vorbereitung Systemgrenzenfestlegung Systembeschreibung Analyse hinsichtlich potentieller Zündgefahren Vorüberlegungen zu potentiellen Zündquellen Materialversagen Entwicklung einer geeigneten Darstellungsform der Ergebnisse Interpretation des Ereignisablaufdiagramms Ergebnisse der Zündquellenidentifikation Experimenteller Teil der Zündgefahrenbeurteilung Zünddurchschlagsversuche an der Flussfeldstruktur Motivation Fremdzündung am Gaseinlass und -auslass Fremdzündung innerhalb der Flussfelder Sicherheitstechnische Verwertung der Ergebnisse Untersuchungen an Brennstoffzellenversuchsanordnungen x

4 7.2.1 Motivation Versuchsanlage Brennstoffzelle Zündversuche innerhalb der Brennstoffzelle Einfluss der Brenngaskonzentration auf die Brennstoffzellenspannung Temperaturverhalten bei homogener Gemischeinspeisung Versuche mit perforierter MEA Temperaturverhalten im Kurzschluss Temperaturverhalten der Einzel-Zelle bei Eduktverarmung Fehlerszenario mit elektrischer Überbelastung Sicherheitstechnische Verwertung der Ergebnisse Einschätzung bezüglich wirksamer Zündquellen PEM-BZ-System: Praktische Erfahrungen Auftrittswahrscheinlichkeit von Schlüsselereignissen Leckagen Explosionsfähiges Gemisch Hot-Spots Einschätzung der Wahrscheinlichkeit wirksamer Zündquellen Flammen und heiße Gase Heiße Oberflächen Direkte katalytische Umsetzung Zusammenfassung Bestimmung der Gerätekategorie Ansatzpunkte für ein Explosionsschutzkonzept Risikobewertung Vorüberlegungen zur Risikominderung Externe Einflüsse Erhöhung der inhärenten Sicherheit Explosionsschutzkonzept Zündquellenüberwachung Konzepte zur Verhinderung wirksamer Zündquellen Konkretisierung eines möglichen Schutzkonzeptes Zusammenfassung und Ausblick xi

5 Literaturverzeichnis Anhang Datenübersicht PEM-Brennstoffzelle Auszug bekannter Zündschutzarten für elektrische Betriebsmittel Zusammenstellung von Merkmalen deterministischer und probabilistischer Ansätze einer Gefährdungs- bzw. Risikobeurteilung Abfrageschema zur Gefährdungsbeurteilung hinsichtlich Explosionsgefahren. Quelle:[EX- RL] Ereignisablaufdiagramm bezüglich potentieller Zündquellen Versuchsaufbau für Zünddurchschlagsversuche Abmessungen der Separatorplatte Orte der in das Acrylglas eingelassenen Zündelektroden R&I-Fließschema der Versuchsanlage Brennstoffzelle Membran-Elektroden-Einheit Orte der Zündquellen zur Fremdzündung innerhalb der Brennstoffzelle Lokale Schäden der GDL (Anodenseite) sowie der PEM durch Eduktverarmung Massive Schadenauswirkung nach elektrischer Überlastung Zündenergie und maximaler Explosionsdruck in Abhängigkeit der Wasserstoffkonzentration Prozess der MEA-Konditionierung Studentische Arbeiten Lebenslauf xii