Grundlagen, Stand und Perspektiven der Brennstoffzellen-Technik

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1 Grundlagen, Stand und Perspektiven der Brennstoffzellen-Technik Dr. Erich K. Erdle DaimlerChrysler AG Friedrichshafen 1. Einleitung Brennstoffzellen sind in den letzten Jahren vermehrt in den Blickpunkt einer breiten Öffentlichkeit gerückt. Jüngstes prominentes Beispiel ist wohl der gemeinsame Antrag nahezu aller Fraktionen des Deutschen Bundestags zur Einsetzung einer Enquete-Kommission Nachhaltige Energieversorgung unter den Bedingungen der Globalisierung und der Liberalisierung, in dem die Brennstoffzelle explizit erwähnt wird. Dies ist ein weiteres Indiz dafür, daß diese Energiewandlungstechnik auf dem Weg ist, ihre bisherigen Nischen der Raumfahrt- und Verteidigungsanwendungen zu verlassen und in vielen Bereichen in kommerzielle Anwendungen vorzustoßen. In der Tat besitzt sie aufgrund ihrer herausragenden inhärenten Vorteile - hoher Wirkungsgrad und niedere Emissionen, um nur die beiden wichtigsten zu nennen - ein beachtliches Potential in einem enorm weiten Anwendungsspektrum. Entdeckt wurde das Phänomen der direkten elektrochemischen Stromerzeugung aus Brenngasen von Sir William Grove bei Untersuchungen zur Elektrolyse von Wasser vor über 150 Jahren im Jahre Abb.1: Sir William Grove ( ) Abb. 2: Groves Versuchsaufbau VDI-Tagung_Endfassung.doc, Seite 1/12

2 Der Effekt wurde lange Zeit als Labor-Kuriosität betrachtet, eine praxisrelevante Umsetzung scheiterte am theoretischen Verständnis und an den erforderlichen Materialien bzw. an der mangelnden Kenntnis über sie. So geriet die Brennstoffzelle in Vergessenheit - und schließlich wurde gegen Ende des 19. Jahrhunderts mit dem Verbrennungsmotor eine andere revolutionierende Energiewandlungsmaschine so weit entwickelt, das sie von den Ingenieuren schnell in breit kommerzialisierbare Produkte - allen voran 1885 das Automobil - umgesetzt werden konnte.. Es dauerte fast 100 Jahre, bis nach der Entdekkung des Phänomens im Jahre 1932 von Francis Bacon die erste praktisch einsetzbare Zelle dargestellt wurde. Fast ein weiteres Vierteljahrhundert wurde benötigt, bis gegen Ende der 50-er Jahre erste Geräte im Bereich einiger weniger Kilowatt demonstriert werden konnten. Den ersten richtigen Impetus verzeichneten Brennstoffzellen etwa zur selben Zeit aufgrund der beginnenden Weltraumprogramme, und dort - zumindest in der bemannten Raumfahrt - führte kein Weg an der Brennstoffzelle vorbei. Brennstoffzellen versorgten z.b. die Gemini-Kapseln mit Bordstrom, waren Voraussetzung für die Landung auf dem Mond und versehen heute noch ihren Dienst im Space-Shuttle. Abb. 3: Space-Shuttle Abb. 4: Brennstoffzelle des Space-Shuttle (IFC) Etwa ab 1970 wurde damit begonnen, Brennstoffzellen für terrestrische Anwendungen (zunächst für Kraftwerke) zu entwickeln. Heute, noch einmal 30 Jahre später und 160 Jahre nach der ersten Entdeckung des Phänomens, befindet sich die Brennstoffzelle VDI-Tagung_Endfassung.doc, Seite 2/12

3 aufgrund der enorm verstärkten Entwicklungsanstrengungen der letzten 10 Jahre kurz vor der Massenanwendung und globalen Kommerzialisierung. 2. Funktionsweise und Typen von Brennstoffzellen In Brennstoffzellen werden Gase (ein Brenngas mit Sauerstoff bzw. Luft) zur Reaktion gebracht (idealtypisch Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser oxidiert), wobei die Reaktion so geführt wird, daß ein Teil der Reaktionsenergie in elektrischer Form entsteht (es handelt sich um eine Art indirekte Verbrennung). Dies wird durch Einsatz eines mit Elektroden beschichteten Elektrolyten (einer sog. MEA: membrane electrolyte assembly) möglich, der nur Ionen leitet, die an der (Dreiphasen-) Grenzfläche von Gas, Elektrolyt und Elektroden entstehen. Die Ionen treten durch den Elektrolyten, während die Elektronen den Umweg durch den angeschlossenen elektrischen Verbraucher nehmen müssen. Es werden also Elektronen durch die Last transportiert, d.h., sie wird von elektrischem Strom durchflossen. Die Elektronen vereinigen sich auf der anderen Seite der MEA mit den aus dem Elektrolyten kommenden Ionen und den Molekülen des dortigen Gases zum Reaktionsprodukt. Von Bedeutung ist noch, daß zusätzlich zur elektrischen Energie Wärme entsteht, die weggekühlt werden muß und je nach Anwendung und Betriebstemperatur auch genutzt werden kann. Ist die Brennstoffzellentemperatur hoch genug, so kann die abgeführte Wärme noch zu einer weiteren Stromerzeugung in einer nachgeschalteten Wärmekraftmaschine, vorzugsweise einer Gasturbine, genutzt werden.. Abb. 5: Funktionsschema am Beispiel PEM VDI-Tagung_Endfassung.doc, Seite 3/12

4 Brennstoffzellen sind offensichtlich Batterien ähnlich; der Unterschied besteht darin, daß bei Batterien Ausgangschemikalien und Reaktionsprodukte Teil des Systems sind bzw. dort verbleiben, wohingegen bei Brennstoffzellen die Ausgangsstoffe ständig zu- und die Reaktionsprodukte abgeführt werden. Daraus resultiert ein wesentlicher Unterschied: Leistung und Energieinhalt eines Gesamtsystems sind bei Brennstoffzellen nicht wie bei Batterien miteinander verknüpft, da letzterer unabhängig von der Leistung der eigentlichen Brennstoffzelle durch die Größe des Tanks definiert ist. Brennstoffzellen basieren im Gegensatz zu Verbrennungskraftmaschinen nicht auf einem thermodynamischen Kreisprozeß, weshalb ihr Wirkungsgrad nicht durch das Carnot-Gesetz limitiert ist. In der Tat werden Wirkungsgrade deutlich über den von Verbrennungsmotoren oder Gasturbinen erreicht (je nach Anwendung in der Gegend von ca. 40 % bis zu über 70 % bei gekoppelten Systemen Brennstoffzelle-Turbine). Je nach eingesetztem Elektrolyt unterscheidet man verschiedene Brennstoffzellentypen, die zudem aufgrund der (Ionenleitungs-)Eigenschaften des jeweiligen Elektrolyten bei verschiedenen Temperaturen arbeiten. Die Abb. 6 stellt dies in einem fiktiven Membranschema dar, in dem die Temperatur von unten nach oben steigt; Tab. 1 gibt einige wesentliche charakteristische Eigenschaften wieder. Abb. 6: Funktionsweise der verschiedenen BZ-Typen VDI-Tagung_Endfassung.doc, Seite 4/12

5 Typ Elektrolyt Temperatur Brennstoff Anwendung AFC ~ 60 C H 2 + O 2 (kein CO 2 ) Raumfahrt PEM Polymer ~ 80 C H 2 Raumfahrt Fahrzeuge Kleinanwendungen Kraftwerke PAFC KOH-Lösung Phosporsäure ~ 190 C H 2 Kraftwerke Busse Kraftwerke MCFC K-/LiCO 3 ~ 600 C H 2 Synthesegas SOFC Y 2O 3 /ZrO 2 >~ 800 C H 2 Synthesegas Kraftwerke (+ Turbine) Tab. 1: Charakteristika der verschiedenen BZ-Typen Eine einzelne MEA erzeugt je nach ihrer Fläche Leistungen im Bereich einiger Watt bis zu etwa 1 kw, wobei die elektrische Spannung im Bereich 0,5 bis 1 V liegt. Zur Darstellung höherer Spannungen und Leistungen müssen zahlreiche MEAs mit Hilfe sog. Bipolarplatten elektrisch in Reihe geschaltet, wobei ein sog. Brennstoffzellenstapel oder Stack entsteht, der bis zu einige Hundert Einzelzellen umfassen kann. Die Bipolarplatten dienen neben der elektrischen Serienschaltung der einzelnen Zellen auch zur Führung und Verteilung der Gase. Proton Exchange Membrane (PEM) Air (O 2 ) Fuel Flow Field Plates Membran e Electrode Assembly Air Hydrogen ( H 2 ) Cooling/Bipolar Element with Gas/Water Channels Catalyst Air + Water Electrode + - Electricity PEM Cell Components Single Cell Stack with End Plates and Connections Abb. 7: Aufbauschema eines BZ-Stapels (Stack) VDI-Tagung_Endfassung.doc, Seite 5/12

6 Soweit zur zentralen Komponente, dem Elektrolyten bzw. der MEA, die die elektrochemische Energiewandlung bewerkstelligen, und den daraus aufgebauten Stacks. Für eine praktische Anwendung ist aber weit mehr erforderlich (siehe Abb. 8): clean exhaust Fuel Fuel Processor and Exhaust Burner Fuel Cell Watermanagement product water Air Voltage Inverter el. power Thermal Management heat Abb. 8: Systemschema - sofern nicht reiner Wasserstoff als Brenngas verwendet wird, muß dieser aus dem eingesetzten Brennstoff/-gas erst in einem sog. Gaserzeugungssystem (fuel processor) erzeugt werden. Hierbei handelt es sich um eine Art miniaturisierter Raffinerie, die aus Erdgas, Benzin, Methanol etc. zunächst in einem Reformer unter Zugabe von Dampf oder Luft in Synthesegas (CO, H 2, CO 2 ) erzeugt. Dieses wird dann weiter aufbereitet und gereinigt (u.a. entschwefelt), um dem Stack Brenngas zuführen zu können, das er elektrochemisch umsetzen kann und das ihn nicht - z.b. durch Vergiftung der Elektrodenkatalysatoren - schädigt. - zum Transport der verschiedenen Medien sind Pumpen, Gebläse und Kompressoren erforderlich - nicht umgesetzte Restanteile von Brenngas müssen nachverbrannt werden - der in der Brennstoffzelle erzeugte Gleichstrom muß in aller Regel in einem Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt und auf ein für den Verbraucher akzeptables Spannungsniveau gebracht werden VDI-Tagung_Endfassung.doc, Seite 6/12

7 - schließlich muß das ganze System noch durch eine Regelungstechnik (inkl. angepaßter Sensorik) gesteuert werden. Die Abb. 9 veranschaulicht die Komplexität eines Gesamtsystems am Beispiel eines Methanol-basierten Brennstoffzellensystems, das im Experimentalfahrzeug NeCar 3 erprobt wurde. Methanoltank Gasreinigung Kühlung Wassertank Reformer + Katbrenner Elektrik Brennstoffzellen und Luftversorgung Abb. 9: Aufbau BZ-System NeCar 3 3. Stand der Entwicklung Während lange Zeit nur einige wenige Firmen an der Entwicklung der Brennstoffzellentechnik gearbeitet haben, hat sich dies im Lauf der letzten beiden Jahrzehnte substantiell geändert. Heute befassen sich damit eine Vielzahl von Großkonzernen (im Automobilbereich nahezu alle Hersteller weltweit), von Zulieferfirmen, mittleren und kleinen Unternehmen bis hin zu start-up-firmen. Auch im Bereich der Universitäten und Institute hat das Engagement enorm zugenommen. Damit hat sich nicht nur der Entwicklungsfortschritt beschleunigt, sondern es wurden auch Anwendungen erschlossen, an die vor 20 Jahren noch niemand ernsthaft gedacht hätte: Brennstoffzellen-angetriebene Autos, Hausenergiesyteme oder Miniaturanwendungen wie etwa die Stromversorgung von Laptops oder Mobiltelefonen sind nur einige Beispiele. Eine auch nur annähernd voll- VDI-Tagung_Endfassung.doc, Seite 7/12

8 ständige Darstellung würde den hier gegebenen Rahmen sprengen; statt dessen sollen lediglich exemplarisch einige Anwendungen vorgestellt werden: stationäre Strom- (und Wärme-) Erzeugung - Weltweit befinden sich etwa 150 Anlagen der Firma ONSI (ein Gemeinschaftsunternehmen von Int. Fuel Cells und Toshiba) in Betrieb. Hierbei handelt es sich um PAFC-Systeme mit 200 kw elektrischer Leistung, die überwiegend mit Erdgas betrieben werden. - Erdgasbetriebene MCFC-Anlagen der gleichen Leistungsgröße (mtu) befinden sich im Prototyp-Erprobungsstadium und werden in absehbarer in den Markt eingeführt - Siemens-Westinghouse und Alstom/Ballard haben erste Demonstrationsanlagen auf Basis SOFC- bzw. PEM-Technologie dargestellt/getestet, ebenfalls im 200 kw Leistungsbereich Abb. 10: 200 kw PAFC-Anlage (ONSI) VDI-Tagung_Endfassung.doc, Seite 8/12

9 blower motor fresh air catalytic burner mixing chamber exhaust air cathode gas anode gas start-up burner vessel fuel Abb. 11: 200 kw MFCF Hot Module (mtu) Abb. 12: 220 kw SOFC combined cycle Anlage (SOFC + Gasturbine, Siemens Westinghouse) VDI-Tagung_Endfassung.doc, Seite 9/12

10 Hausenergieversorgung Auch in diesem Bereich sind bereits erste Demoanlagen beim Kunden in Erprobung, die einzelne Eigenheime oder Wohngebäude mit Strom und Wärme versorgen sollen. Hierfür sind im wesentlichen SOFC- und PEM-Systeme in der Entwicklung, etwa bei Sulzer oder Global Thermoelectric (Kanada) bzw. bei GE/PlugPower oder Vaillant, um nur einige zu nennen. 1 kwe cell stack NG Air Exhaust 10 kwth burner Abb. 13: Hausenergieversorgung PEM bzw. SOFC (Vaillant, Sulzer) Automobil Wohl das meiste Aufsehen in einer breiten Öffentlichkeit erregt die Automobilanwendung Viele der globalen Konzerne haben große Entwicklungsprogramme, die bereits beachtliche Resultate geliefert haben. Beispielhaft seien hier die beiden deutschen Hersteller BMW und DaimlerChrysler erwähnt, die Brennstoffzellen für die Bordenergieversorgung bzw. für den Antrieb entwickeln und hierfür internationale Kooperationen mit namhaften Firmen (u.a. IFC, Delphi bzw. Ballard Power Systems) eingegangen sind. Die folgenden VDI-Tagung_Endfassung.doc, Seite 10/12

11 Abbildungen zeigen eine 5 kw Wasserstoff-Bordstromversorgung im Kofferraum einer von einem Wasserstoffmotor angetriebenen 7-er BMW-Limousine sowie zwei Demonstrationsfahrzeuge von DaimlerChrysler, einen H 2 -getriebenen Bus und das jüngste Entwicklungsprodukt, ein mit Methanol betriebenes A-Klasse-Fahrzeug. Abb. 14: H 2 BZ-APU im Kofferraum eines 7-er H 2 BMW Abb. 15: Nebus (250 kw H 2 BZ-System, DaimlerChrysler) VDI-Tagung_Endfassung.doc, Seite 11/12

12 Abb. 16: Necar 5 (75 kw Methanol BZ-System) Abb. 16: Methanol-BZ-Auto (DaimlerChrysler) 4. Perspektiven Wie ausgeführt, befindet sich die Brennstoffzellentechnik in vielen Anwendungsfeldern an der Schwelle zur Kommerzialisierung. Neben den seit längerer Zeit laufenden umfangreichen Feldtests der Phosphorsäureanlagen werden zunehmend Demonstrationssysteme realisiert und Felderprobungen durchgeführt (wie z.b. im automobilen Sektor im Rahmen des California Fuel Cell Partnership Projekts) mit denen wichtige Betriebserfahrungen gewonnen und die Markteinführung vorbereitet werden. Von entscheidender Bedeutung für den Erfolg dieser neuen Technik wird es sein, die an die jeweiligen Produkte gestellten Anforderungen vollends zu erfüllen und die Kosten auf ein wettbewerbsfähiges Niveau zu senken. Hierfür sind zwar sicherlich noch große Anstrengungen erforderlich, das Ziel ist jedoch sicher erreichbar. Die Brennstoffzelle wird ihren Weg machen und in absehbarer Zukunft zu einer effizienteren und umweltvertäglicheren Energiewandlung beitragen. Langfristig ist sie eine wesentliche Schlüsseltechnologie beim Übergang zu der oft zitierten Wasserstoffwirtschaft. VDI-Tagung_Endfassung.doc, Seite 12/12