dream your dream Flaute in der Batterie Flüssiggas-Brennstoffzellen versorgen Segelyachten mit Strom

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1 S Abbildung 1: Segelyachten ideales Einsatz-gebiet für Brennstoffzellen-APUs. (c) Jacques Vapillon, Pixsail.com Bereits mit einer 5 kg Flasche Propan so haben Simulationsrechnungen für verschiedene Nutzerprofile ergeben kann die 300 Watt starke Bootsail away, dream your dream Flüssiggas-Brennstoffzellen versorgen Segelyachten mit Strom Wer schon einmal ob beruflich oder in der Freizeit mit benzinbetriebenen Stromaggregaten zu tun hatte, der kann ein Lied davon singen: Diese Form der netzunabhängigen Energieversorgung wird mit einem hohen Maß an Geräusch- und Abgasemissionen erkauft. Außerdem sind die knatternden Stinker in der Regel schwer und unhandlich. Hier liegt ein attraktives Einsatzgebiet der Brennstoffzellentechnik: Sie ist ausgesprochen leise, produziert nur wenig Abgase und stört den Anwender nicht durch ungewünschte Vibrationen. Solche Auxiliary Power Units kurz APU können zum Beispiel als tragbare Aggregate, als fest installierte Notstrom-Einrichtungen oder auch als Bord-Stromversorgung in Fahrzeugen eingesetzt werden. Bei der Entwicklung derartiger Geräte spielt das Zentrum für Brennstoffzellen- Technik (ZBT) der Universität Duisburg-Essen eine wichtige Rolle. Bislang werden Brennstoffzellen-APUs mit Wasserstoff betrieben. Das macht die Geräte bei allen Vorteilen für den Anwender unattraktiv. Nach wie vor gibt es praktisch keine auch nur halbwegs flächendeckende Versorgungsinfrastruktur für Wasserstoff, und eine Verbesserung ist auf absehbare Zeit nicht in Sicht. Die Chancen, kurzfristig einen Markt für Brennstoffzellen-APUs aufbauen zu können, stehen folglich schlecht. Am Zentrum für BrennstoffzellenTechnik geht man daher andere Wege: Statt des Wasserstoffs setzt man als primären Energieträger auf das weit verbreitete und weltweit in Flaschen erhältliche Propan (Flüssiggas). Vor allem für die Stromversorgung an Bord von Segelyachten werden in Duisburg sowohl die prozesstechnisch notwendigen Teilkomponenten entwickelt als auch die Gesamtsystemverschaltung realisiert. Bestandteile der ZBT-Technik sind unter anderem eine kompakte Entschwefelungseinheit, eine miniaturisierte Wasserstofferzeugungseinheit auf Basis der Dampfreformierung sowie kompakte luftgekühlte Brennstoffzellenstacks. Flaute in der Batterie Im Bereich der Yacht-Ausrüstung gibt es ein ausreichendes Marktpotenzial, um auch für zunächst relativ teure Prototypaggregate Interessenten zu finden. Neben dem Kostenaspekt bietet die heutige Segelyacht-Technologie im Hinblick auf Energieversorgung und -verbrauch ein ideales Gebiet für den Einsatz von Brennstoffzellen (Abb. 1). Dabei ist das ZBT auf dem richtigen Weg zum Anwender: Das haben zahlreiche Diskussionen mit Seglerinnen und Seglern unter anderem während der Präsentationen auf der Düsseldorfer Messe BOOT gezeigt. Häufige Klage: Man läuft morgens zu einem Törn aus und schon am Mittag ist die Batterie leer Navigationstechnik, Kühlschrank und Ankerwinde haben zu viel Energie verbraucht. Die Boots-APU verspricht hier eine wesentliche Komfortsteigerung ohne störende Emissionen. 50 FORUM Forschung 2005/2006

2 APU die Stromversorgung an Bord für zwei Wochen nachhaltig sichern, zusätzliche Verbraucher inklusive! Das vorhandene elektrische System an Bord soll dabei nicht verändert werden: Die Brennstoffzelle wird den bewährten Akkumulator nicht ersetzen, sondern nur ergänzen. Die APU übernimmt die Ladung und damit das Energiemanagement der Batterie (Abb. 2). Dadurch wird auch eine insgesamt geringere Nennleistung des Aggregates benötigt, da die Brennstoffzelle für die Energie, die Batterie aber für die Leistung an Bord sorgt. So können auch kurzfristige Hochleistungsverbraucher wie Ankerwinden problemlos eingesetzt werden. Die Bord- Spannung in der Regel 12 V oder 24 V Gleichspannung wird vom Akkumulator vorgegeben, optional kann die APU aber auch eine 240 V AC-Steckdose anbieten. Flexible Designlösung Neben den technischen Besonderheiten der APU- Einheit wurden auf der BOOT unterschiedliche Einbauvarianten der neuen Technologie vorgestellt: Bei dieser Entwicklung kooperiert das Projektteam des Duisburger ZBT eng mit den Industriedesignern der Universität Duisburg- Essen. Das Nutzungskonzept und die gestalterische Umsetzung haben Industrial-Design-Studenten bei Kurt Mehnert erarbeitet. Zunächst wurden die Anwendungsvoraussetzungen an Bord von Segelyachten sorgfältig analysiert. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse folgte die Entwicklung eines Nutzungskonzeptes zur Integration der vorhandenen Technologie in ein marktfähiges Produkt. Bei der Entwicklung sind außer dem Platzbedarf und der Positionierung vor allem die Handhabung der APU im Sinne einer fehlerfreien Bedienbarkeit berücksichtigt worden. Hierzu sind alle durch den Nutzer oder den technischen Kundendienst auszuführenden Bedienungs- und Wartungsschritte im Detail in die Konzeption und die Formgebung des Produktes eingegangen. Das Ergebnis ist eine übersichtliche, leicht zu bedienende Anlage, die sich in Stil und Gestalt an die ästhetischen Bedürfnisse im Yachtbereich anpasst. Anpassung heißt in diesem Fall nicht, dass das Produkt sich versteckt oder unauffällig ein Schattendasein fristet, sondern es bietet durch seine hochwertige Anmutung eine hohe Prestigewirkung, die den inneren, technisch anspruchsvollen Wert nach Außen transportiert. Die Analyse der verschiedenen Bereiche an Bord einer Segelyacht ergab, dass zur Integration einer Boots-APU nur zwei Varianten in Frage kommen: Zum einen die Anbringung im Außenbereich, wo eine modulhafte Unterbringung Universität Duisburg Essen außerhalb des Aktionsbereiches der Segler ideal ist (Abb. 3) und zum anderen die Integration der APU-Module in einen Hohlraum, der bedingt durch die gewölbte Rumpfform an verschiedenen Stellen verfügbar ist (Abb. 4). Die Außenlösung wurde so gestaltet, dass eine flexible Anbringung des Aggregates zum Beispiel am Heckkorb möglich ist. Das Aggregat kann so einfach nachgerüstet oder auch kurzfristig gemietet nur vorübergehend angebracht werden (Abb. 5). Der Gastank kann auf beiden Seiten angebracht werden, eine getrennte Gaslagerung ist ebenfalls möglich. Die Innenraumlösung nutzt vorhandene Hohlräume hinter Verkleidungselementen zur Integration des Gerätes. Bei dieser Lösung müssen zusätzlich Abgasführung und Gaszuleitungen verlegt werden. Die Innenraum-Variante eignet sich in erster Linie für den standardmäßigen Einbau bei der Erstausrüstung einer Yacht, als Ausstattungsfeature des Herstellers. Sie wäre somit nicht das Produkt, mit dem sich primär eine erfolgreiche Markt ein führung gewährleisten ließe. Deshalb konzen trieren sich die Bemühungen auch im Wesentlichen auf die Entwicklung einer adaptiven Außenlösung unter Berücksichtigung der Anforderungen an Bord einer Segelyacht. Beide Varianten wurden von den Messebesuchern positiv bewertet, vor allem die Anbringung der APU am Heckkorb der Yacht fand viel Zustimmung: Hierdurch wird Stauraum eingespart, und das Flüssiggas kann ohne zusätzliche Überwachungseinrichtungen verwendet werden. Eine Verstauung des Aggregates in Backskisten, also eingebauten Kastenbänken, wurde von vielen Nutzern aber aus Sicherungsgründen bevorzugt. Weltweit verfügbar Brennstoffzellen benötigen Wasserstoff. Aus Sicht der Anwender wären aber solche Energieträger ideal, die ohnehin an Bord vorhanden sind. Für den Antrieb steht in der Regel Diesel oder Benzin zur Verfügung. Beide Kraftstoffe können nur in aufwändigen Prozessen zu Wasserstoff umgewandelt werden. Zum Kochen und Heizen verwendet man an Bord normalerweise Flüssiggas (Abb. 6). Es verbindet die logistischen Vorteile eines transportablen Energieträgers wie Benzin mit den energetischen des leitungsgebundenen Energieträgers Erdgas. Es ist praktisch überall Abbildung 2: Energetische Integration an Bord. Abbildung 3 und 4: Außenlösung (oben) und Innenlösung (unten) für die Boots-Stromversorgungseinheit 51

3 Abbildung 5: Flexible Anbringung der Boots-APU an der Heckreling. erhältlich und kann vor allem durch entsprechende Reformierungsprozesse in ein wasserstoffreiches Gas umgewandelt werden, das in einer Brennstoffzelle einsetzbar ist. Flüssiggas besteht, je nach Bezugsort, vor allem aus Propan (C 3 H 8 ) und Butan (C 4 H 10 ). Die ZBT-APU wird ein hoch integriertes System, das aus den Hauptreaktoren für die Wasserstoffbereitstellung einerseits und der Brennstoffzelle andererseits aufgebaut ist. Durch einen geschlossenen Wasserkreislauf, eine ausgeklügelte Wärmeverschaltung und die Luftkühlung der Systemkomponenten kommt die APU mit nur drei Anschlüssen aus: Flüssiggaszufuhr, Verbindung mit dem Bordnetz und Abgasabführung. Der Aufbau der Auxiliary Power Unit besteht aus einer mehrstufigen Gasaufbereitung, der Brennstoffzelle selbst und zusätzlich notwendigen Peripheriekomponenten. Die in Abbildung 7 dargestellten Hauptreaktionsstufen wurden am ZBT parallel zueinander entwickelt und getestet. Anschließend erfolgte schrittweise die Systemverschaltung auf dem Teststand: Entschwefelungseinheit Entschwefelung des Flüssiggases in einer Kartusche, die im üblichen Wartungszyklus von zwei Jahren gewechselt werden muss Reformer Wasserstoffproduktion aus Flüssiggas durch Zugabe von Wasserdampf und Wärmeenergie (Dampfreformierung) einschließlich der Einbindung des Anoden-Off-Gases der Brennstoffzelle Shift Umwandlung des Kohlenmonoxids mit Wasserdampf zu Wasserstoff und Kohlendioxid CO-Feinreinigung Reduktion des Kohlenmonoxids (max. 30 ppm = parts per million Teile pro Million) zum Schutz der Brennstoffzelle Brennstoffzelle Stromerzeugung aus Wasserstoff und Rückführung des nicht nutzbaren Restgases zur Wärmebereitstellung für die Reformierung Flüssiggas und andere primäre Energieträger auf Kohlenwasserstoffbasis beinhalten signifikante Anteile von Schwefel, der in der Brennstoffzelle selbst und in den vorgeschalteten Reaktionsstufen erhebliche Probleme verursacht. Deshalb wurde eine kompakte Entschwefelungseinheit mit einer Rückhaltegüte von < 0,5 ppb Gesamtschwefel (ppb = parts per billion Teile pro Milliarde) entwickelt. Dabei erfolgte die Auslegung für eine maximale Schwefelbeladung im Flüssiggas sowohl nach einschlägigen Normen als auch unter Berücksichtigung zu erwartender Betriebszyklen der APU. Unter diesen Voraussetzungen ist ein Austausch der Entschwefelungseinheit nach ein bis zwei Jahren notwendig. Die Entwicklung der Entschwefelungskomponente wurde durch eine hochgenaue Analytik ermöglicht: Die Schwefelmesstechnik am ZBT erlaubt den Nachweis von Schwefel bis in den ppb-bereich. Umwandler im Mini-Format Um die im Flüssiggas enthaltenen Kohlenwasserstoffe nutzen zu können, müssen diese zunächst in ein Gasgemisch mit möglichst hohem Wasserstoffanteil umgewandelt werden. Dafür Abbildung 6: Typische Flüssiggasflaschen für den Freizeitbereich. 52 FORUM Forschung 2005/2006

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5 Abbildung 7: Systemaufbau der APU des ZBT. wurde am ZBT ein Mini-Dampfreformer entwickelt, der unter Zuführung von Wärmeenergie Wasser und Flüssiggas zu einem 72 %-wasserstoffhaltigen Gas umwandelt. Zur Beheizung des Reformers dienen ein Teil des Flüssiggases und nicht in der Zelle umgesetztes Restgas (Anoden- Offgas). In der Folgereaktion, der so genannten Shiftstufe, reagiert das gebildete Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid und weiterem Wasserstoff. Die nachgeschaltete CO-Feinreinigung reduziert den Kohlenmonoxid-Anteil im Gasgemisch auf unter 30 ppm. In Abbildung 8 sind die Reaktoren im Teststand dargestellt. Sichtbar sind nur die thermischen Isolierungen sowie die umfangreiche Teststands-Messtechnik und das Medienmanagement. Die Entwicklung des effizienten und kompakten 1 kw H2th -Wasserstoffgenerators ist einer der Schwerpunkte dieses Forschungsprojektes. Alle eingesetzten Reaktoren bestehen aus metallischen Monolithstrukturen. Diese Technologie widersteht Vibrationen und kann daher bei portablen Anwendungen verwendet werden. Gewicht und Größe des Wasserstoffgenerators betragen ohne Isolation 1,6 kg bzw. 0,74 l. Daraus ergibt sich eine Leistungsdichte von 1,35 kw H2th /l. Auf Basis der aktuellen Messergebnisse liegt der Gesamtwirkungsgrad des Gasprozesses bei einem Wasserstoffumsatzgrad der Brennstoffzelle von 70 % und einer Rückführung des Anoden-Off- Gases zum Reformer-Brenner-Modul bei 87,38 %. Brennstoffzellen aus eigener Produktion Die Strom liefernde Komponente der APU bilden die am ZBT gefertigten Brennstoffzellen-Stacks (Abb. 9). Sie basieren auf in Duisburg hergestellten Bipolarplatten, die sowohl die Gaszuführung als auch die Stromabführung übernehmen. Diese Platten werden im Spritzgussverfahren in großen Stückzahlen hergestellt. Bewährt hat sich inzwischen das ZBT-Konzept einer aktiven Kühlung durch integrierte Luftkanäle. In APU- Anwendungen wird die anfallende Wärme nicht benötigt und muss abgeführt werden. Die Luftkühlung ermöglicht hier gegenüber der Wasserkühlung eine starke Vereinfachung. Die hier gezeigte neue Generation von Brennstoffzellen ist reformatgastauglich. Somit können die ZBT- Stacks flexibel in unterschiedlichsten APU-Aggregaten eingesetzt werden. Der Leistungsbereich eines solchen Stacks aus 40 Zellen liegt aktuell bei etwa 450 Watt elektrischer Leistung. Abbildung 8: Reformer, Shift und Feinreinigungsstufe im Teststand des ZBT. 54 FORUM Forschung 2005/2006

6 Abbildung 9: Luftgekühlter Reformat-Brennstoffzellenstack (40-Zeller, ca. 450 Watt) und Zelltemperatur muss genau auf einander abgestimmt werden. Dabei ist aber immer wichtig, dass die Entwickler nicht den Kontakt zum späteren Produkt verlieren: Hier werden keine teuren Gasanalysen und Volumenstromregler integriert werden können. Neben diesen am ZBT entwickelten Hauptkomponenten wird innerhalb des Gesamtsystems eine Vielzahl von Peripherieelementen zusammengeführt. Die prozesstechnische, aber auch die steuerungs- und regelungstechnische Abstimmung steht ebenfalls im Brennpunkt der Arbeiten. Vor allem die Kopplung von Gasprozess mit Brennstoffzelle ist eine technische Herausforderung (Abb. 10). Treffen hier doch feuchte Gase mit relativ hohen Temperaturen auf eine Membran, die eher als Feinschmecker zu bezeichnen ist. Das Zusammenspiel von Volumenströmen, Feuchtigkeit, Gaskonzentration Auf dem Weg zur Marktreife Bis zum Endprodukt ist es also noch ein längerer Weg, als zu Beginn des Projektes zu erwarten war. Die nächsten Arbeiten an den Laborprototypen konzentrieren sich nun auf das Start- und Stoppverhalten sowie das Medienmanagement im System. Die Zielsetzung bleibt aber, kurzfristig ein autarkes System zu demonstrieren, das aus dem Labor in die tägliche Praxis entlassen werden kann. Die Technologie hat ihre Tauglichkeit bewiesen, kommende Feinarbeiten müssen die Entwicklung jetzt veredeln. Kontakt Dr.-Ing. Peter Beckhaus Zentrum für Brennstoffzellen- Technik ZBT ggmbh Tel.: 02 03/ Fax: 02 03/ Prof. Dr. Angelika Heinzel Energietechnik Tel.: 02 03/ Fax: 02 03/ Prof. Kurt Mehnert Industrial Design Tel.: 02 01/ Fax: 02 01/ Abbildung 10: Kopplung Gasprozess mit Brennstoffzelle im Teststand Universität Duisburg Essen 55