Brennstoffzelle: Quo vadis?

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1 Die Brennstoffzelle Brennstoffzelle: Quo vadis? Akademische Jahresfeier Universität Karlsruhe (TH) 4. Dezember 2004 Quelle: Die Typen der Brennstoffzelle Die ersten Brennstoffzellen PEMFC (80 bis 100 C) Niedertemperatur- Brennstoffzelle SOFC (700 bis 1000 C) Hochtemperatur- Brennstoffzelle MCFC (650 C) Schmelzkarbonat- Brennstoffzelle Luft ( ) Luft (, CH 4, C m H n,...) Luft + CO 2 (, CH 4 ) H + CO 3 2- Reaktionsprodukt: O Mobile Anwendungen Reaktionsprodukte: O,CO 2 Reaktionsprodukte: O,CO 2 Sir William Robert Grove ( ) Aufbau einer galvanischen Gasbatterie : Erzeugung von Strom in einer elektrochemischen Zelle mittels Sauerstoff und Wasserstoff. Quelle: IWE, Universität Karlsruhe (TH) Stationäre Anwendungen Quelle: W.R. Grove, On a Gaseous Voltaic Battery; Phil. Mag. XXI, (1842) 1

2 Die ersten Brennstoffzellen Die Diffusionswasserstoffelektrode Elektrolyt: SO 4 (verdünnt) + FeSO 4 Elektroden: Platin : Oxidationsgas: O 2 Leistungsdichte: P max = 1,6 mw/cm 2 Strom / (A 10-4 ) P max Leistung / (mw 10-2 ) Klemmspannung / V Walther Nernst ( ) Erste Leistungskurve einer Brennstoffzelle Nernst-Elektrode Leistungsdichte 1,6 mw/cm² Schmid-Diffusionswasserstoffelektrode Leistungsdichte 71 mw/cm² Quelle: K.-J. Euler: Entwicklung der elektrochemischen Brennstoffzellen, Thiemig-Verlag, 1974 Quelle: A. Schmid, Die kinetische Katalyse, Enke-Verlag, Stuttgart, 1925 Die Diffusionswasserstoffelektrode Gasraum poröse Kohle Platin-Partikel Die Diffusionswasserstoffelektrode elektrochemisch aktiver Bereich 2 H + Platin Elektrode 2 H + Elektrolyt 2 H e - elektrochemisch aktiver Bereich 2 H e - Nernst-Elektrode Schmid-Diffusionswasserstoffelektrode Leistungsdichte 1,6 mw/cm² Leistungsdichte 71 mw/cm² Nernst-Elektrode Leistungsdichte 1,6 mw/cm² Schmid-Diffusionswasserstoffelektrode Leistungsdichte 71 mw/cm² Quelle: A. Schmid, Die kinetische Katalyse, Enke-Verlag, Stuttgart, 1925 Quelle: A. Schmid, Die kinetische Katalyse, Enke-Verlag, Stuttgart,

3 Die Diffusionswasserstoffelektrode poröse Kohle Pioniere der Brennstoffzelle: Gemini 1965, Apollo 1969 Platin-Partikel Kohlenstoff-Partikel ( : nm) 2 H + 2 H e - Schmid-Elektrode Leistungsdichte 71 mw/cm 2 elektrochemisch aktiver Bereich 500 nm Elektrode mit Platin-Nano-Partikeln Leistungsdichte 510 mw/cm² Platin-Partikel ( : 2-3 nm) Vorteile: - Energie für Funkverkehr und Bordcomputer - Emissionsarmer Betrieb - Entstehendes Wasser diente als Trinkwasser - Geringe Gesamtmasse Quelle: A. Schmid, Die kinetische Katalyse, Enke-Verlag, Stuttgart, 1925; Siemens AG 1996 Quelle: NASA, USA Pioniere der Brennstoffzelle: NeCar 1994, NeBus 1997 Pioniere der Brennstoffzelle: Apollo 1969 / NeBus 1997 Vorteile: - Geräuscharm: elektrochemischer Prozess - Umweltfreundlich: emissionsarm Reaktionsprodukt O Leistung: 1,5 kw 2,2 kw (Spitze) Gewicht/Leistung: 60 kg/kw Betriebstemp.: 250 C 3 Einheiten pro Flug Betriebsstunden: h in 18 Missionen Leistung: 200 kw (10 Stacks) Antriebsleistung: 100 kw Gewicht/Leistung: 5,6 kg/kw Betriebstemp.: C -Drucktank: 1050 l, 300 bar v max : 72 km/h Reichweite: 200 km Quelle: DaimlerChrysler Quelle: NASA, USA; DaimlerChrysler 3

4 Antriebsleistung 190 kw Zell- v max Betriebstemp. 72 km/h C Fahrgäste 33 Busse km 30 Sitzplätze bis Nov insgesamt Busbetrieb C Speichervolumen x l 350 CUTEbar Speicher 40 kg Drehmoment Stackleistung Brennstofffluss Reichweite 1050 Nm 250 kw 5 g/s 50 l/s unter Normbedingung 200 km Quelle: Fuel Cell Club Website Quelle: DaimlerChrysler Alternativen zum Wasserstoff Benzin/Diesel Erdgas Der großflächige Einsatz von Wasserstoff ist noch keine Option der näheren Zukunft... Hier erwartet die Mehrzahl der Delphi-Experten einen breiten Einsatz erst nach Verdampfung Entschwefelung CH 4, (C m H n ) Fuel cell types SOFC 700 bis 1000 C Die Brennstoffzelle für das Auto wird kommen. [...] stellen auch Brennstoffzellen auf Erdgasbasis eine realistische Option dar, die weiter entwickelt und gefördert werden sollte. 500 bis 800 C Brennstoffaufbereitung Effizienz Umwandlung in und CO bis 800 C Shift Reaktion und CO 2 CH 4 CO 3 2- MCFC 650 C Delphi-Studie zur langfristigen Entwicklung im europäischen Energiesektor bis zum Jahr 2030 Selektive Oxidation von CO + CO 2 +H CO < 10 ppm PEMFC 80 C Quelle: Delphi-Studie 2004 Quelle: B.C.H. Steele, Nature

5 Die Automobile Zukunft Brennstoffzelle: Trennung der Funktionen Installierte Leistung [kw el ] HVAC Multimedia MJ 87 2 kw EPS EMB E-Kat x-by-wire EVT MJ 04 5 kw MJ 96 2 kw MJ kw 100 % 100 % % * % (Generator) % % (Brennstoffzellen-Auxiliary Power Unit) % HVAC: Heating Ventilating and Air Conditioning EPS: Electronic Parking System EVT: Elektromagnetischer Ventiltrieb Quelle: BMW AG MJ = Modelljahr 7er BMW 2020 Zeit EMB: Elektromech. Bremse E-KAT: Elektr. beheizter Kat. APU 5 kw * Zyklusmittelwert Quelle: BMW AG Systemkonzept SOFC- Auxiliary Power Unit Systemkonzept SOFC- Auxiliary Power Unit dichte Keramik Brennstoff Reformer Einheit (, CH 4, C m H n,...) Reformer Einheit (, CH 4, C m H n,...) Abgas Ziel: Systemvolumen 50 l Luft 2. Generation APU Aufbereitung Auxiliary Power Unit Aufbereitung Auxiliary Power Unit poröse Keramik ½O 2 Quelle: BMW AG, Delphi Quelle: BMW AG 5

6 Sauerstoffdiffusionselektrode der SOFC-APU SOFC goes Uni Ka (TH) poröse Keramik ½O 2 elektrochemisch aktiver Bereich ½ O 2 dichte Keramik 500?!? nm ½O 2 + ½O 2 + Mikro-Elektrode Leistungsdichte 350 mw/cm² Nano-Elektrode Leistungsdichte 1050 mw/cm² Quelle: IWE, Universität Karlsruhe (TH) Quelle: E. Ivers-Tiffée et al., Materials and Technologies for SOFC-Components, J. European Ceramic Society 21 (2001), SOFC goes Uni Ka (TH) Brennstoffzelle: Quo vadis? Mikro-Elektrode Nano-Elektrode Leistungsdichte 350 mw/cm² Leistungsdichte 1050 mw/cm² Quelle: E. Ivers-Tiffée et al., Materials and Technologies for SOFC-Components, J. European Ceramic Society 21 (2001), Leistungsdichte (mw/cm 2 ) Hochtemperatursysteme (SOFC) Niedertemperatursysteme (PEMFC) Schmid Apollo Nernst FZ Jülich Siemens Gemini IWE-Nano-Elektrode Siemens Jahr 500 nm Nano-Elektroden Quelle: IWE, Universität Karlsruhe (TH); Nernst; Schmid 6

7 Festvortrag - Brennstoffzelle: Quo vadis Der großflächige Einsatz von Wasserstoff ist noch keine Option der näheren Zukunft. Hier erwartet die Mehrzahl der Delphi-Experten einen breiten Einsatz erst nach Die Brennstoffzelle für das Auto wird kommen. [...] stellen auch Brennstoffzellen auf Erdgasbasis eine realistische Option dar, die weiter entwickelt und gefördert werden sollte. Delphi-Studie zur langfristigen Entwicklung im europäischen Energiesektor bis zum Jahr 2030 Quelle: NASA, USA Quelle: Delphi-Studie 2004 Die Zukunft beginnt in Karlsruhe... Dezentral in privaten Haushalten... Leistungsdaten Sulzer Hexis (H2, CH4, CmHn,...) Luft Elektrische Leistung 1 kw max. Thermische Leistung Brennstoffzelle 2,5 kw max Thermische Leistung Zusatzbrenner 12, 16, 22 kw Elektrischer Wirkungsgrad (Hu) % (Ziel: > 30 %) Gesamtwirkungsgrad (Hu) ca. 85 % Brennstoffaufbereitung O2- Entschwefelung activated carbon Reformertyp CPO (catalytic partial oxidation) H2O, CO xx Quelle: Sulzer Hexis, EnBW 7

8 ... Fabriken, Krankenhäusern und Wohnparks Uni Ka (TH) Leistungsdaten MTU Hot Module Elektrische Leistung Thermische Leistung 245 kw max. 180 kw max. Engler-Bunte-Institut Bereich Gas, Erdöl, Kohle Fuel Processing Technologies Materials LEM Elektrischer Wirkungsgrad Zellblock Elektrischer Systemwirkungsgrad Maximaler Gesamtwirkungsgrad bei T min 50 C Zellblock Maximal-Leistung, elektrisch, Gleichstrom 55 % ca. 47 % ca. 90 % 280 kw Luft + CO 2 CO 3 2- (, CH 4 ) O, CO 2 Control and Diagnosis Modeling and Simulation Institut für Technische Chemie und Polymerchemie Power Electronics Quelle: MTU, EnBW 8