Brennstoffzellen: Grundlagen, mobile und stationäre Anwendungen 06.07.2015 Dipl. Ing. (FH) Peter Pioch Weiterbildungszentrum für innovative Energietechnologien der Handwerkskammer Ulm (WBZU) Eine Veranstaltung im Rahmen des Technologietransfer-Managers EFRE Gefördert durch das Ministerium für Finanzen und Wirtschaft Baden-Württemberg …eines Morgens auf dem Weg zur Arbeit: Stellen Sie sich vor: Sie möchten noch schnell tanken und finden diese Situation vor: 2 1 So mir geschehen am 2. Mai 2011 3 Ich konnte tanken. Gas kommt per Pipeline. 4 2 Umweltfreundlichkeit der Erdgasfahrzeuge Erdgas ist umweltfreundlich. Biogas – saubere Antriebskraft Quelle. P.Pioch, WBZU In Zukunft können wir Biogas verwenden, was besonders umweltfreundlich ist. 5 Pionierzeit Quelle. Wikipedia Der Twike – etwas für Individualisten. Nicht für die Masse. 6 3 Und nun…. Sehr alternative Antriebe….. 7 Holzvergaserautos Quelle. www.gengas.se 8 4 Holzvergaserautos Helena och Lars gillar att åka med sin gengasbil. ”Det är billigt, och så träffar man så manga roliga människor”, sägar de. Quelle. www.gengas.se Helena und Lars lieben es mit ihren Holzvergaserauto zu fahren. „Das ist billig, und dabei trifft man so viele lustige Menschen“, sagen sie. (Die beiden fahren wöchentlich die Entfernung von 270 km zwischen Haus und Sommerhaus) Quelle: Husvagn & Camping 7/03 9 Was erwartet Sie? Grundlagen Brennstoffzellen Dipl. Ing. Peter Pioch Funktion und Aufbau eines PEFC-Stacks Komponenten und Funktion eines Brennstoffzellen-Systems Übersicht Brennstoffzellen-Typen Mobile Anwendungen Brennstoffzellen in der Hausenergieversorgung Industrielle Anwendungen von Brennstoffzellen 10 5 Funktion und Aufbau eines PEFC-Stacks: Elektrolyt, GDL, Bipolarplatte Geschichtliches zur Brennstoffzelle Frühe Märkte Sir W. Grove Bildquelle: englische Wikipedia Geburt der Brennstoffzelle 1839: Die Entdeckung der Brennstoffzelle durch Sir W. Grove Renaissance der Brennstoffzelle: Raumfahrt 60er Jahre: Entwicklung und Einsatz Apollo‐ Programm 80er Jahre: Entwicklung und Einsatz für Space‐ Shuttle‐Programm Bildquelle: NASA, gemeinfrei 12 12 6 Geschichtliches zur Brennstoffzelle Frühe Märkte Seit ca.1990: Wiederentdeckung der Brennstoffzelle Seit ca.2000: Prototypen und Vorserienprodukte Derzeit stehen bereits kommerziell erhältliche Produkte zur Verfügung. Andere stehen vor der Markteinführung. Unterbrechungsfreie Stromversorgung Direktmethanolzelle PKW Hausenergieversorgung Bildquelle: SFC Energy AG , WBZU, Daimler, Baxi 13 13 Funktionsprinzip am Beispiel der PEFC Rest-Brenngas Wasser H2O H2 H 2 H+ H2 H+ H+ H -O 2 Elektrolyt H+ H O H O Kathode (+) Anode (-) - - H H+ O2 Katalysator Oxidationsmittel (Luft / O2) Brenngas (H2) Quelle: eigene Darstellung (T.Aigle, WBZU) Anode 2 H2 2H2 4H 4e Gesamtreaktion Membran 4H Kathode O2 4H 4e- 2H2O 2H2 O2 2H2O O2 2 H2O 14 7 Der kleine aber feine Unterschied... e- Knallgasreaktion: + sehr viel Wärme + eKontrollierte elektrochemische Reaktion e+ H + + elektrische und thermische Energie 2H 2 O 2 e- kontollier t 2H 2O elektrisch e Energie Wärme 15 Stackaufbau PEFC - 1 H2 Bipolarplatt e Endplatte Bipolarplatte H2 Endplatte H2 Bild: PEM-Brennstoffzelle (ZSW-Ulm) EME GDL Schaltet man mehrere Einzelzellen in Reihe, so spricht man von einem Brennstoffzellenstack (Stapel). Die Spannungen der Einzelzellen addieren sich zur Gesamtspannung. 16 8 Stackaufbau PEFC - 2 EME Bipolarplatte Dichtungselement GDL Bild: Modell PEM-Stack (ZSW-Ulm) 17 Begriffe „Stackaufbau“ 1. Elektrolyt (Membran) Sorgt für den Ionentransport und trennt Anode und Kathode. 2. Elektroden Hier finden die elektrochemischen Reaktionen statt. 3. EME Elektrode Membran Einheit: „Herzstück“ der Brennstoffzelle. 4. Gasdiffusionslagen Sind für die Versorgung und Verteilung der Reaktionsgase notwendig. 5. Bipolarplatten Feine Kanäle in den Platten sorgen für die Zufuhr und Verteilung von Wasserstoff und Sauerstoff. Außerdem dienen sie als „Elektronensammler“. 18 9 1. Elektrolyt / Membran Anforderungen an den Elektrolyten (hier: Membran): gasdicht gute Protonenleitfähigkeit geringe elektrische Leitfähigkeit stabil gegen Sauerstoff und Brennstoff (z. B. H2) hohe mechanische Stabilität Struktur von Nafion® Material/Eigenschaften: Membran aus Polyperfluorsulfonsäure 30 bis 175 µm dick Protonenleitfähigkeit s 0,2 S/cm (Nafion® 117, 100%RH, 50°C) 19 2. Elektroden Anforderungen an die Elektroden: gute elektrische Leitfähigkeit große Kontaktfläche mit dem Elektrolyten (hohe Oberfläche) gute Transporteigenschaften für Gase gute Transporteigenschaften für Ionen (H+) gute katalytische Eigenschaften stabil gegen H2 und O2 Bild: REM Aufnahme einer Elektrode (ZSW-Ulm) Material: Anode: Pt/Ru (0,4 mg/cm2) auf Kohlenstoff Kathode: Pt (0,4 mg/cm2) auf Kohlenstoff 20 10 3. Elektroden Membran Einheit (EME) Verbindung der Membran mit den beiden Elektroden Elektrolytschicht Katalysatorschicht Gasdiffusionsschicht Reaktionsort: 3-Phasengrenze Photo einer EME Kohlepartikel Katalysatorpartikel katalysatorbelegte Kohle Polymerelektrolyt (z. B. Pt 1,5-5 nm) 21 4. Gasdiffusionslage (GDL) Anforderungen an die Gasdiffusionslage (GDL): gute Transporteigenschaften für Gase „Bereitstellung“ von Wasser an der Anode Abtransport von Reaktionswasser an der Kathode gute elektrische Leitfähigkeit Bild: REM Aufnahme einer GDL (ZSW) Material: graphitisiertes Papier hydrophobisiert (tefloniert, Belegung ca. 25%) 22 11 5. Bipolarplatte Anforderungen an die Bipolarplatten: gasdicht gute elektrische Leitfähigkeit stabil gegen Sauerstoff und Brennstoff mechanische Stabilität flächige Zuführung der Reaktionsgase an GDL Material/Eigenschaften: Graphit-Composit-Thermoplast gute chemische Stabilität geringe Material- und Fertigungskosten Bild: Graphit-Composit BBP (ZSW-Ulm) Mäander- oder Netz-Flowfield Alternativen: Graphit Edelstahl Aluminium Titan 23 Komponenten und Funktion eines Brennstoffzellen-Systems 12 Komponenten Brennstoffzellen-BHKW Bild: Labor WBZU (Heliocentris HP300) Quelle: Fa. Heliocentris / P. Pioch Übersicht Brennstoffzellen-Typen 13 Eigenschaften Brennstoffzellen-Typen PEFC DMFC AFC Temperatur niedrig Kat. Material edel Gasanforderung Reinstgase Zell-Wirkungsgrad niedrig System-komplexität hoch Start-Up-Time sofort Dynamik hoch PAFC <100°C Platin MCFC SOFC bis 1000°C hoch Metalle Weniger edel 4-5.0 H2 CnHm Weniger rein 40-50% 50-60% hoch Reformer Interne Ref. niedriger Sekunden Stunden hoch niedrig Quelle: eigene Darstellung (T.Aigle, WBZU) 27 Welcher Typ für welche Anwendung? Source: Jörissen/Garche 2000,17. Own additions 28 14 Kennlinien und Kenndaten: Strom, Spannung, Leistung, U-I Kennlinie Kalte und Warme Verbrennungen Warme Verbrennung (Wärmekraftmaschine): unkontrollierter Reaktionsverlauf die freiwerdende Wärme wird auf ein Arbeitsmedium übertragen (z.B. Wasser, Wasserdampf) das Arbeitsmedium durchläuft einen Kreisprozess und treibt eine Turbine mit Generator an Brennstoff Wärme Bewegung Elektrizität Turbine Generator Kalte Verbrennung (Brennstoffzellen): kontrollierter Reaktionsverlauf (keine Flamme) direkte Umwandlung von chemischer in elektrische Energie Umweg über ein Arbeitsmedium ist nicht notwendig ! H O H Brennstoff - Elektrizität 30 15 Theorie: Wirkungsgradvergleich WKM und BZ theoretischer elektrischer Wirkungsgrad [%] 100% 75% 50% 25% H2-O2 Brennstoffzelle WKM, Carnot (T2=100°C) 0% 0 200 400 600 800 1000 1200 Tempeperatur [°C] eigene Darstellung Wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen arbeiten bei einem niederen Temperaturniveau schon effizient ! 31 Und wie sieht die Praxis aus ? 32 16 U-I Kennlinie 1 UH Urev Zellspannung U UG= U0 U UN UN UD UZ UR UDiff IZ U= Urev+ UN+ UD+ UR+ UDiff Zellstrom I eigene Darstellung (T.Aigle, WBZU) 33 U – I Kennlinie einer Einzelzelle eigene Messung, WBZU 34 17 Mobile Anwendungen Mobile Anwendungen Autos Boote Motorräder U - Boot 36 18 Varianten der Hybridfahrzeuge Quelle: e-mobil-bw.de 37 Brennstoffzellen Plug-in Fahrzeug Ein Brennstoffzellen Fahrzeug hat eine Batterie für z.B. 50 Fahrkilometer. Diese wird für Kurzstrecken - Fahrten zur Arbeit etc. genutzt und nach Verfügbarkeit einer Tankstelle geladen. Bei längeren Fahrten wird bereits bei Fahrtbeginn dies der Steuerung vom Auto per Knopfdruck mitgeteilt. Die Batterie wird dann bei 75% SOC als Puffer genutzt und die Brennstoffzelle gestartet. Die Brennstoffzelle dient als Range – Extender und erlaubt Reichweiten ähnlich einem Erdgasauto. Quelle: e-mobil-bw.de, bearbeitet 38 19 Gesamtwirkungsgrad BZ-Auto (Bsp. Daimler) 100 % H2 62,2 % BZ-Ausgang 45,8 % Umrichtereingang 37,7 % Rad 37,8 % Abwärme 16,4 % Nebenaggregate 8,1 % Umrichter, Motor, Getriebe, Differential Quelle: Daimler 2003 37,7 % Gesamtwirkungsgrad Tank-Rad A-Klasse, B – Klasse 45 % 39 Konzepte für BZ-Fahrzeuge Daimler entwickelte einen Prototypen (Necar5) mit einem Methanol-on-BordReformer. Fast alle Fahrzeughersteller (auch Daimler) konzentrieren sich auf direkte Wasserstoffspeicherung. Die meisten Fahrzeuge nutzen Druckwasserstoff. Stand der Technik sind 350-bar und 700-bar-Tanks. Flüssigwasserstoff wird in Kryogentanks gelagert. Wasserstoff verflüssigt sich bei -253°C. 2. Brennstoffzellen-Fahrzeuge Quelle: Aigle/Marz 2006, 85 40 20 Beispiel: B-Klasse mit Brennstoffzelle Next generation of the cell-power train: fuel • Higher stack lifetime (>2000h) • Increased power • Higher reliability • Freeze start ability • Li-Ion Battery B-Class F-Cell A-Class F-Cell Range +150% Technical Data Vehicle Type Consumption - 16% Technical Data Vehicle Mercedes-Benz A-Class (Long-Version) Mercedes-Benz B-Class Type Fuel Range Top Speed Battery Fuel Cell System [l/100km] Engine Output (Continuous / Peak): 45 kW / 65 kW (87hp) Max. Torque: 210 Nm PEM, 80 kW (108 hp) IPT Engine Output (Continuous/ Peak) 70kW / 100kW (136hp) Engine Power +30% Size - 40% Hydrogen (35 MPa / 5,000 psi) Max. Torque: 320 Nm Fuel 105 miles (170 km / NEDC) Range 88 mph (140 km/h) Top Speed NiMh, Output (Continuous / Peak): 15 kW / 20 kW (27hp);Capacity: 6 Ah, 1.2 kWh Battery [kW] Engine PEM, 72 kW (97 hp) [km] Fuel Cell System Hydrogen (70 MPa / 10,000 psi) 250 miles (400 km) 106 mph (170 km/h) Li-Ion, Output (Continuous/ Peak): 24 kW / 30 kW (40hp); Capacity 6.8 Ah, 1.4 kWh 41 Quelle: Daimler AG, Dr. Wind Entwicklungsphasen Brennstoffzellen-Fahrzeug • • • • • • • • Generation 1 Generation 2 Generation 3+4 Generation 5 Technologie-Demonstration Kundenakzeptanz Kostenreduzierung + Markteinführung Massenfertigung Hohe Effizienz Keine/ kaum Emissionen Leise Hoher Fahrkomfort Leistung, Bauraum & Gewicht Nutzung alternativen Kraftstoffs Neues Fahrzeug-Konzept Demonstration von Kundennutzen 2004 • Lebensdauer Stack of 2000h • Leistungssteigerung (65kW100kW) • Höhere Verlässlichkeit • Höhere Reichweite (160km400km) • Kaltstart-Funktion • Li-Ion Batterie • Gesenkte Komponentenkosten 2010 • • • • • • • Kleinerer/ kein Befeuchter Neue Kompressor-Generation Verbesserter Stack Optimiertes Luftmodul Vereinfachte H2-Zirkulation Verbesserte Betriebsstrategie Vereinfachtes Anoden-Modul 2017 Fahrzeug reif für den Massen-Markt • Kleinerer Stack • Mehr Leistung • Mehr Drehmoment • Höhere Kraftstoff-Effizienz • Exzellenter Kaltstart 2020 Quelle: Daimler AG, Dr. Wind 42 21 Stacks für mobile Anwendungen (Bsp. Ballard) beeindruckende technische Errungenschaften über die letzten 10 Jahre Ballard ist der weltweit bekannteste Stack-Hersteller für Automobile Hürden stellen Kosten, Lebensdauer und Kaltstart dar; aber nur ein „kleiner” Abstand zur Leistung heutiger Verbrennungsmotoren Ballard MK902 Heavy Duty (HD) 2002 2003 2004 2005 derzeit Leistungsdichte [W/l] 777 905 1205 1470 2500 Lebensdauer [h] 200 700 2000 2160 3000 Kaltstart, 50 % Leistung [s] 150 50 8 16 30 (bei 15°C) (bei -15°C) (bei -15°C) (bei -20°C) (bei -30°C) 125 120 81 73 30 Kosten [US$/kW] Ballard MK902 Light Duty (LD) Werte: Ballard, G. Budd 2006, eigene Abbildung 43 Einsatzfelder Brennstoffzellenbusse 27 Citaro-Busse wurden zwischen 2003 und 2005 in 9 europäischen Städten getestet. Stack-Technologie von Ballard: Zwei Module “MK902 Heavy Duty“ mit 300 kW Tanksystem 9 CGH2-Behälter mit 350 bar können 1845 Liter speichern. Reichweite 200 bis 250 Kilometer Höchstgeschwindigkeit ca. 80 Kilometer Quelle: Fuel Cell Bus Club 2004 44 22 H2-Tankstellen - weltweit Quelle: H2stations.org Bilder: H2-Tankstelle am Stuttgarter Flughafen 186 Tankstellen weltweit! Stand 2014 45 Wasserstoff Test von Brennstoffzellen Autos in Oslo am 26.11.2011 140 Oslo citizens drove new fuel cell vehicles About 10.000 people got a chance to see the latest FCEVs brought to Oslo by the EU-project “H2moves Scandinavia”. After a new hydrogen station had been opened on Monday 21st in Oslo, the public was invited to test low-carbon cars to make sure that they offer the same comfort and luxury as more conventional vehicles. - 4 Mercedes-Benz B-Class F-CELL, - 2 Hyundai ix35 FCEV and Quelle: www.hyer.eu - 4 Th!nk City Cars with fuel cell range extender The vehicles were offered for a free test-drive to everyone showing their driver’s license on November 26 2011. 46 23 Batterie oder Elektroauto – oder beides? 47 Brennstoffzellen Boote (Quelle: www.netinform.net) Alsterwasser Prototyp 100 kW electrical engine Derzeit wird entschieden, ob für das Boot eine neues Wasserstofftankstelle gebaut wird. 48 24 Brennstoffzellen U - Boot Bild: marine.de PEMFC: 306 kW Metallhydridspeicher, diese benötigen die Abwärme der Brennstoffzelle um den Wasserstoff frei zu geben. Das Boot fährt damit ohne Wärmesignatur 49 Gabelstapler mit Brennstoffzelle Quelle: still.de 50 25 Vergleich Brennstoffzelle zu Batterie Brennstoffzellen Powerpack Batterie 6PzS840 Dimension: Länge 855 mm 855 mm Breite: 1028 mm 999 mm Höhe: 784 mm 784 mm Gewicht: 1150 kg 2178 kg Leistung: (Maximal/15s) 30 kW Leistung (Dauer): 10 kW 12 kW Nennspannung: 80 V 80 V Energieinhalt: 25 kWh 50 kWh Quelle: still.de 51 Vorteile Kein Batteriewechsel nötig kurzer Stopp zum Tanken Minimierte Unterbrechungen des Einsatzes Eine Betankung des Wasserstofftanks im Stapler dauert nur 5 Minuten.. Problemloser Mehrschichtbetrieb Volle Leistung bis zum Ende des Wasserstoffvorrates Saubere Energie Der Betrieb eines Staplers mit Wasserstoff hat keinerlei Schadstoffausstoß zu Folge. Als „Abgas“ der Reaktion von Wasserstoff mit dem Sauerstoff aus der Luft tritt lediglich reines Wasser in Form von Wasserdampf aus. Quelle: still.de 52 26 Betrieb des Gabelstaplers in „reinen“ Räumen Es wird lediglich sauerstoffreduzierte Luft emittiert. Diese ist mit Wasser angereichert. Allerdings weniger als beim Betrieb mit Benzin oder Diesel frei werden würde. Problematisch sind allerdings: • Schwefelhaltige Atmosphäre • Salzhaltige Luft • Extrem feuchte Luft 53 Herausforderung Bordstrom bei LKW LKW benötigen eine Bordstromversorgung die auch im Stand zur Verfügung steht. Speziell bei Trucks mit Schlafkabine oder Kühltransportern wird ständig Strom benötigt. Eine APU (auxiliary power unit) kann das Problem lösen. Bei Leistungen im niedrigen kW Bereich muss der Strom für Geräte und evtl. Klimatisierung zur Verfügung gestellt werden. Quelle: PowerCell Sweden AB Brennstoffzellen sind extrem leise und können umweltfreundlich aus dem Diesel auf elektrochemischem Weg Strom erzeugen. 54 27 Funktionsweise der Bz - APU Erdgas: CH4 Benzin: CH2,25 Diesel: CH2,5 Kerosin: CH2,2-2,3 Methanol: CH3OH 55 Alstom Pressemitteilung, September 2014 www.alstom.com/de/press-centre 56 28 Südbahn Die nicht elektrifizierte Strecke von Ulm bis Friedrichshafen ist 104,4 km lang. Die Elektrifizierung ist seit langem geplant, wurde aber immer wieder vertagt. Eine Verwendung von Zügen mit Brennstoffzellen könnte die Elektrifizierung überflüssig machen. Voraussetzung ist, dass die geplante Nutzung möglich ist. Der Leistungsbedarf ist bis etwa 1500 kW, das ist mit der Kaskadierung einiger BzSysteme möglich. Ein H2 Tank mit 1000 Nm³ Inhalt kann dem Zug eine Fahrdauer von etwa 1 h bei Volllast ermöglichen. 57 Brennstoffzellen in der Hausenergieversorgung 58 29 Status Quo Hausenergieversorgung 59 BlueGen von CFC mit SOFC Brennstoffzelle Technische Daten: Elektrische Leistung: 0 bis 2000 Watt Max. elektrischer Wirkungsgrad: 60 % bei 1.500 W Thermische Leistung: ca. 300 W bis 1.000 W Abhängig von Stromleistung und Rücklaufttemperatur (Abgas auf 30° gekühlt) Anlaufzeit: 25 Stunden Abkühlung: Quelle: CFC Netzspannung verwenden (ca. 36 zu 72 Stunden zur sicheren Abkühlung) Gewicht ca.: < 200 kg 60 30 Fließbild BlueGen Quelle: CFCL 61 Energiebilanz BlueGen Quelle: CFCL 62 31 Beispiel: Direkt – Methanol BZ - System 50 Watt Brennstoffzelle (DMFC) für Wohnmobile etc. der Firma SFC (Smart Fuel Cells) Quelle: WBZU 63 Beispiel: Direkt – Methanol BZ - System Daten zum System: 50 Watt Dauerleistung Konzipiert als Batterieladegerät für 12 V Batterien Gewicht 8 kg 5 l Methanolkartusche – Gewicht 4,3 kg. Abgas: 50 Nl CO2 pro Stunde (etwa so viel wie ein Kind) Verbrauch 1,3 l pro kWh bei Volllast (1,56 l pro Tag) Eine Kartusche reicht für die Produktion von 3,85 kWh (neu 4,1 kWh) Bild Version 2012, Quelle SFC GmbH Geräuschentwicklung: 47 dB(A) (ein Meter Abstand) Das Produkt ist serienmäßig hergestellt und bereits auf dem Markt. In Hymer Wohnmobilen der S – Klasse wird es serienmäßig eingesetzt Lebensdauer 2000 Stunden garantiert, 3000 Stunden erwartet mit 70% der Ausgangsleistung 64 32 Beispiel: Direkt – Methanol BZ - System Hymer Wohnmobile der S – Klasse haben eine Solaranlage gekoppelt mit einem DMFC System. Dadurch steht auch dann Strom zur Verfügung wenn die Sonne nicht scheint. Quelle: SFC 65 Bloom Energy Quelle: bloom energy Im Einsatz bei ebay und anderen Firmen 100 kW elektrisch pro Einheit (800.000 US-Dollar) In derzeitigen Stand keine Wärmeauskopplung Elektrischer Wirkungsgrad > 50% hochsicherer netzparalleler Betrieb 66 33 Technische Daten 193,7 kW Quelle: bloom energy 67 Sichere Stromversorgung und Brandschutz PAFC Versorgung eines Rechenzentrums, Kühlung und Brandschutz Brennstoffzellensystem im „Dauereinsatz“ - 100 kWel PAFC - Netzparalleler Betrieb - 50 kWth auf 55°C - 50 kWth auf 90°C Quelle: N2telligence - Über Kraft-Wärme-Kälte Kopplung Erzeugung von Kälte für Klimatisierung möglich. (40 kW statt 90 Grad Wärme) - Erdgasbetrieb - Voraussichtliche Betriebsdauer 15 Jahre 68 34
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