W. Winkler Stand der Technik und Nutzung von Brennstoffzellen

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1 W. Winkler Stand der Technik und Nutzung von Brennstoffzellen 1. Verfahrenstechnische Grundlagen Die Frage nach der maximalen technischen Arbeit eines Verbrennungskraftprozesses lässt sich mit Hilfe des zweiten Hauptsatzes recht einfach abschätzen. Die minimale Entropieänderung einer chemischen Reaktion ist die Reaktionsentropie R S 0, also jene Entropiedifferenz die sich aus der Entropiebilanz der beteiligten Stoffe insgesamt ergibt, damit eine unabdingbare, mit der Stoffumwandlung verknüpfte Größe. Bekanntlich steht der Heizwert bzw. die Reaktionsenthalpie R H 0 für die aus dem Reaktionsraum abgeführte Wärme. Wenn also im Falle maximaler T T mb W trev D R S 0 D R H 0 Arbeitsleistung nur die der Reaktionsentropie entsprechende Wärme T 0 R S 0 aus dem System abgeführt wird, so folgt für die einem Carnotprozess zugeführte Wärme T mb R S 0, die bekanntlich der aus dem Reaktor abgeführten Reaktionsenthalpie R H 0 entspricht, wobei der Index mb für das thermodynamische Mittel im Brennraum (Wärmezufuhr) steht. Bild 1 T-s Diagramm des Carnotprozesses in einem reversiblen Verbrennungskraftprozess W trev = D R H 0 - T 0 D R S 0 Zur Quantifizierung wird nun die Verbrennung von CO betrachtet. Es zeigt sich, dass für einen reversiblen Verbrennungskraftprozess eine obere Prozesstemperatur von etwa 3000 C realisiert werden muss. Dies zeigt unmittelbar die technologische Undurchführbarkeit dieser Prozessführung und begründet die thermodynamische Notwendigkeit der Prozessführung der Brennstoffzelle [1]. Bild 2 zeigt deren prinzipiellen Aufbau. Brenngas und Verbrennungsluft sind durch eine gasdichte Membran, den Elektrolyten, getrennt. Auf beiden Seiten befinden sich schichtförmige Elektroden, die über einen elektrischen Verbraucher miteinander verbunden sind. Das Brenngas, meist Wasserstoff, wird an der Anode adsorbiert, ionisiert und liefert dabei Elektronen. Die Elektronen wandern unter elektrischer Arbeitsleistung über den elektrischen Verbraucher und ionisieren den an der Kathode adsorbierten Sauerstoff. Alle Elektrolyten W t (el. Verbraucher) müssen dabei elektrische Isolatoren und - gleichzeitig ionische Leiter sein. Treibende 2e - 2e - + Kraft hierbei ist das chemische Potential der H Verbrennungsreaktion. Die ionische Leitung 2 O 2 Anode Elektrolyt Kathode im Elektrolyten bestimmt entscheidend das Verfahren des Brennstoffzellensystems [2]. Die einzelnen Zellen werden in sogenannten H 2 + 1/2 O 2 --> H 2 O Zellstacks zu Baugruppen zusammengefasst. Produktausschleusung systemabhängig Verbrennungskraftprozeß dann reversibel, wenn Entropieänderung nur als Folge des Stoffumsatzes auftritt : H 2 O D R H 0 = T mb * D R S 0 Beispiel : CO + 1/2 O 2 CO 2 T J/mol T mb» = 3271 K - 86,503 J/(Kmol) S ist Ergebnis der Reaktion Q ab (Wärmeabfuhr) W. Winkler 1999 Bild 2 Grundsätzlicher Aufbau einer Brennstoffzelle In Tabelle 1 sind die technisch wichtigsten Eigenschaften der einzelnen Brennstoffzellentypen zusammengefasst. Der Elektrolyt bezeichnet üblicherweise den Brennstoffzellentyp für den sich englische Abkürzungen eingebürgert haben. So steht PEFC für Polymer Electrolyte Fuel Cell, PAFC für Phosphoric Acid Fuel Cell, MCFC für Molten Carbonate Fuel Cell und SOFC für Solid Oxide Fuel Cell. Als Elektrolyte dienen dabei Membranen aus Polymer, Membranen mit in Matrizen eingebetteter Phosphorsäure oder Karbonatschmelze und Membranen aus Oxidkeramik. Die Elektrolyte von PEFC und PAFC leiten Protonen (Wasserstoffionen) und benötigen daher Wasserstoff als Brenngas. Die Elektrolyte von MCFC und SOFC sorgen für den Transport von Sauerstoffionen und so können dort auch

2 Brenngasgemische aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid umgesetzt werden. Bei dem Einsatz von Kohlenwasserstoffverbindungen als Brennstoff kann so bei SOFC und MCFC die bei PEFC und PAFC notwendige CO Entfernung unterbleiben, was ein deutlich einfacheres System zur Brenngaserzeugung erfordert. Während sich die Abwärme von PEFC und PAFC mit ihrer geringeren Temperatur nur für Heizaufgaben eignet, sind die Abwärmetemperaturen von MCFC und SOFC so hoch, dass sich die Abwärmenutzung in einem Wärmekraftprozess lohnt. Bei der MCFC stehen Dampfkraftprozesse im Vordergrund der Überlegungen und bei der SOFC ist die Kombination mit Gasturbinen (SOFC-GT) naheliegend. Kombinationen von SOFC-GT mit Dampfkraftprozessen lassen am Ende der jetzt begonnen Entwicklung schließlich auch die genannten ZELLTYP PEFC PAFC MCFC SOFC extrem hohen Wirkungsgrade über 75 % möglich erscheinen. Brenngas H2 H2 CO, H2 CO, H2 Heizung Heizung (Industrie) Abwärmenutzung Stromerz. Industrie Heizung Brenngaserzeug. Stromerz. Industrie Heizung Brenngaserzeug Abwärme- ~ 80 C ~ 220 C ~ 650 C ~ 1000 C temperatur Wirkungsgrad (el.) ~ 40 % ~ 40 % % (Kombi) 50 - >75 % (Kombi) W. Winkler 2000 Tabelle 1 Bauarten und Eigenschaften von Brennstoffzellen Der Einsatz von Kohlenwasserstoffen erfordert eine Brenngaserzeugung, wie Bild 3 am Beispiel der Methanumsetzung, die zur Wasserstofferzeugung zweistufig erfolgt, zeigt. Die endotherme Reformierreaktion läuft bei Temperaturen oberhalb etwa 750 C ab und erzeugt mittels der Kohlenstoffoxidation durch Wasserdampf als Produktgas ein Gemisch von H 2 und CO, das direkt in SOFC und MCFC eingesetzt werden kann. Muss für die protonenleitenden PEFC und PAFC ausschließlich Wasserstoff als Brenngas gewonnen werden, so wird in einer zweiten Stufe, dem exothermen Konverter- oder Shiftprozess, das Brenngas CO noch mit H 2 O bei ca. 200 C zu H 2 oxidiert. Eine Alternative zur Shiftreaktion ist der Einbau eines Molekularsiebes, das den benötigten "Brennstoffzellenbrennstoff" Endotherm.Reformierprozeß CH + H O --> 3 H + CO Reaktortemperatur ~ 750 C Exothermer Shiftprozeß CO + H O --> H + CO Reaktortemperatur ~ 230 C oder Brenngas : SOFC MCFC PEFC, PAFC W. Winkler1998 Hochtemperaturbrennstoffzellen SOFC und MCFC. H 2 H 2 H 2 von den anderen Bestandteile des Produktgases abtrennt. Die noch brennbaren Restgase werden zur Beheizung des Reformers verwendet. Bild 3 Reformierung und Shiftreaktion zur Brenngaserzeugung für unterschiedliche Brennstoffzellentypen Der einfache Aufbau der Brenngaserzeugung ist dabei ein wichtiger Vorteil der Es ist offensichtlich, dass bei dem Aufbau von Systemen mit SOFC und MCFC die thermodynamisch optimale Nutzung der Zellabwärme eine besondere Rolle spielt. Die Verwendung von Vergleichsprozessen ist zur Prozessbewertung hilfreich. Bild 4 zeigt dazu den Aufbau des vereinfachten Vergleichsprozesses der aus einem Luft B Z Wärme Vorwärmer Abgas Brenngas Arbeit Molekularsieb Wärmekraftmaschine (Carnot) Abwärme Arbeit Wärme Stoff Arbeit UMGEBUNG vollständigen Vergleichsprozess gewonnen werden kann [1,2,3]. Bild 4 Der vereinfachte Brennstoffzellenkraftprozess Die Brennstoffzelle dient dabei als isotherme Wärmequelle für den nachgeschalteten Carnotprozess. Die Verbrennungsluft und das Brenngas werden von dem aus der Zelle austretenden Rauchgas in einem idealen Wärmeübertragersystem auf die Zelltemperatur

3 aufgeheizt. Bei der hier zunächst betrachteten H 2 Verbrennung reicht die bei der Abkühlung des Rauchgases bis auf Umgebungstemperatur freiwerdende Wärme nicht aus, um Luft und Brennstoff auf Zelltemperatur vorzuwärmen. Es muss also ein Teil der Zellabwärme für die Vorwärmung herangezogen werden. Damit kann aber nicht mehr die gesamte Abwärme der Zelle über die Carnotmaschine unter Leistung von Arbeit an die Umgebung abgeführt werden. Der vereinfachte Brennstoffzellenkraftprozess ist daher trotz reversibler Teilprozesse als Gesamtsystem nicht mehr reversibel, gilt aber als Näherungslösung. Der vereinfachte Vergleichsprozess lässt sich mit Hilfe des exergetischen Gütegrades ζ, dem Verhältnis von realer Arbeit W t zu reversibler Arbeit W trev, einfach zur Analyse von Realprozessen einsetzen. Die Ergebnisse einer solchen Analyse zeigt Bild 5. Der erreichbare Wirkungsgrad von Brennstoffzellen liegt etwa zwischen 50 und 60 %. Das Verhältnis der Arbeit von ausgeführten Wärmekraftprozessen zur maximal möglichen Arbeit des Carnotprozesses, also der Gütegrad ζ, liegt bei etwa 0,7 bis 0,8. Damit lässt sich sehr einfach das Potential für die möglichen Wirkungsgradeη Syst realer Brennstoffzellensysteme allein mit Hilfe des Carnotwirkungsgrades abschätzen [2,3]. Das Brennstoffzellensystem umfasst dabei 90 neben der Brennstoffzelle alle zu ihrem Betrieb erforderlichen Einrichtungen. Systemwirkungsgrad [%] Bild 5 Das Wirkungsgradpotential von Brennstoffzellensystemen Niedertemperaturbrennstoffzellen liefern keine prozesstechnisch nutzbare Abwärme. Der erzeugte Strom dient daher zunächst für den Betrieb der Hilfseinrichtungen (Gebläse, Pumpen etc.). Außerdem muss ein Teil des zugeführten Brennstoffes (mit Exergieverlusten) zur Brenngaserzeugung eingesetzt werden. Deshalb fällt der Systemwirkungsgrad gegenüber dem Zellwirkungsgrad stark ab. Die hohe Temperatur der Abwärme von Hochtemperaturbrennstoffzellen gestattet demgegenüber sowohl die Einbindung in einen Wärmekraftprozess, vorzugsweise einen Gasturbinenprozess, als auch eine direkte Nutzung der Abwärme zur Brenngaserzeugung. Das Wirkungsgradpotential von kombinierten Hochtemperaturbrennstoffzellensystemen liegt so bei 80% das von Niedertemperaturbrennstoffzellensystemen hingegen bei etwas über 40 % [2,3]. Dieses Ergebnis überrascht aber deshalb nicht, weil bei gleichem Wirkungsgrad der Zelle die Entropieproduktion einer Niedertemperaturbrennstoffzelle deutlich höher als die einer Hochtemperaturbrennstoffzelle ist. Eine Erweiterung des oben gezeigten Vergleichsprozesses um den Prozess der Brenngaserzeugung, gestattet es, den Einfluss von integrierter Reformierung, wobei die Zellabwärme genutzt wird, und von externer Reformierung mit zusätzlichem Verbrennungsprozess hinsichtlich ihres Einflusses auf den Wirkungsgrad zu untersuchen. Die bessere Ausnutzung der Abwärme der SOFC bei der integrierten Reformierung führt bei sonst gleichen Voraussetzungen zu einem Gewinn bei dem Systemwirkungsgrad η Syst von etwa 8 % gegenüber der externen 85 Reformierung, wie Bild 6 zeigt. Bei einem hohen Gütegrad ζ SOFC der SOFC von 0,8 80 zζ SOFC =0.6ext integrierte R. zζ SOFC fällt η Syst mit steigender SOFC Temperatur =0.6int 75 zζ SOFC SOFC =0.8ext T SOFC schwach ab. Dies liegt in den mit z 70 externe R. ζ SOFC SOFC =0.8int steigendem T SOFC ansteigenden Wärmeverlusten der Wärmeübertrager 65 begründet. Systemwirkungsgrad [%] -Dh Eigenbedarf, Verluste (Pumpen, Gebläse, Brenngaserzeugung) Niedertemperaturzellen SOFC Temperatur ϑ SOFC [ C] z HE = 0.7 Luftüberschuß λ = 2, Wasserüberschuß λ = 2 w +Dh Zelltemperatur [ C] SOFC zus. Wärmekraftmaschine (Gasturbine) Bild 6 Der Einfluss der Art Brenngaserzeugung auf den Wirkungsgrad Reformertemp. ϑ = 750 C, Verdampfertemp. ϑ = 200 C Die gleichzeitig ansteigende Arbeitsleistung ref verd der Wärmekraftprozesse kann dies nicht kompensieren. Ein schlechterer Gütegrad ζ SOFC der SOFC von 0,6 führt zu Wärmekraftprozessen mit

4 größeren Leistungen. Hier steigt mit steigendem T SOFC der Systemwirkungsgrad η Syst an. Für diese Rechnung wurden Wirkungsgrade für die Wärmeübertrager und Apparate von 0,98 und für die Luftvorwärmung von 0,9 sowie die in Bild 6 angegebenen Werte verwendet. Dabei ist der wesentliche Effekt, dass die in der (exotherm arbeitenden) Zelle freiwerdende Reaktionsentropie unmittelbar als Reaktionsentropie für den (endothermen) Reformierprozess genutzt werden kann und nicht an die Umgebung abgeführt werden muss. Findet dieser Prozess nun innerhalb der Zelle statt so spricht man von interner Reformierung. Bei entsprechender Prozessführung könnten also auch bei der Erdgasverbrennung Systemwirkungsgrade η Syst um 80 % erreichbar sein [2,4,5]. Aufgrund der thermodynamischen Vorteile und der damit verbundenen Kostenersparnis wird angestrebt, möglichst eine direkte Verstromung der Kohlenwasserstoffe in Hochtemperaturbrennstoffzellen zu erreichen. Dies geht bis zur Entwicklung von Kupferbasierten SOFC Anoden zur direkten Verstromung von Dieselöl durch Direct Electrochemical Oxidation, wie dies in Bild 7 angedeutet ist [6]. Bild 7 Direct Electrochemical Oxidation (DECO) von Dieselöl [6] Die in Bild 4 gezeigte prinzipielle Möglichkeit der Abwärmenutzung von Hochtemperaturbrennstoffzellen lässt sich entsprechend Bild 8 technisch Kombiniertes Brennstoffzellensystem umsetzen. Rauchgasnutzung Zellabwärmenutzung Bild 8 Möglichkeiten der Abwärmenutzung in kombinierten Brennstoffzellensystemen Gasturbinenprozesse Dampfturbinenprozesse Stirling-Motor AMTEC Prozeß Endothermer Prozeß Die Abwärme der Brennstoffzellen lässt sich mit Hilfe des Enthalpiestromes des gebildeten Rauchgases einer nachgeschalteten Wärmekraftmaschine zuführen oder mit einem in den Zellstacks integrierten Wärmeübertrager direkt in einen nachgeschalteten Wärmekraftprozess eingekoppeln. Im ersten Fall liegt es nahe, das Rauchgas auch als Arbeitsmittel des Wärmekraftprozesses zu nutzen, im zweiten Fall ist aber Wärmekraftprozess und Brennstoffzellenprozess hinsichtlich ihrer Prozessfluide zunächst völlig entkoppelt darstellbar. Die Kombination von SOFC mit einer Gasturbine (SOFC-GT) ergibt sich als Lösung für das Arbeitsmittel Rauchgas wobei zusätzlich auch eine direkte Nutzung der Zellabwärme möglich ist. Bei größeren Einheiten liegt es nahe, das Gasturbinenabgas noch in einem nachgeschalteten Dampfturbinenprozess zu nutzen. Auch die Kombination einer MCFC mit einem Dampfturbinenprozess lässt sich mit der

5 Nutzung des Rauchgases realisieren. Neuere Entwicklungen von Stirlingmotoren [7] lassen deren Kombinationen mit direktgekühlten SOFC bei kleineren Leistungsgrößen sinnvoll erscheinen. Ähnliche Überlegungen lassen längerfristig auch Kombinationen von SOFC und AMTEC Prozess interessant erscheinen [8]. Der AMTEC Prozess nutzt die Temperaturdifferenz des Arbeitsmittels Natrium als treibende Kraft für einen Ionentransport durch eine Membran. Schließlich ist auch die direkte Nutzung der Zellabwärme in endothermen Prozessen eine interessante Möglichkeit einer exergetisch zur Krafterzeugung gleichwertigen Prozesskombination [9,10], die jedoch stark auf den jeweiligen Anwendungsfall bezogen ist. Alle Brennstoffzellentypen können aber auch konventionell als dezentrale Heizkraftwerke betrieben werden. Im Falle des SOFC-GT Prozesses sind zwei prinzipielle Schaltungen möglich. Der Zellstack wird von außen mit dem Arbeitsmittel des Gasturbinenprozesses (GT) also dem Rauchgas gekühlt (EXternal COoling EXCO), oder der Zellstack wird in Substacks unterteilt und nach jedem Substack erfolgt die notwendige Kühlung durch die Entspannung des Zellabgases in einer Intermediate expansion INEX : External cooling EXCO: ν Abgastemperatur κ Druckdifferenz WÜ Wände λ Lufteintrittstemperatur in SOFC µ Größe der WÜ Flächen ϕ SOFC Abwärme Nutzung (Subsystem) Brenngas Luft Rauchgas Reformer Gasturbinenstufe (INtermediate EXpansion INEX) [11,12]. In beiden Fällen wird die Zellabwärme, wie im Vergleichsprozeß gemäß Bild 3 gefordert, einem Gasturbinenprozeß zur Arbeitsleistung zugeführt. Bild 9 Schaltungsmöglichkeiten des SOFC-GT Prozesses In Bild 9 sind beide Schaltungen gegenübergestellt. Die Schaltung des Konzeptes mit Zwischenexpansion (INEX) und der damit verbundenen Aufteilung in Substacks zeigt der linke Teil von Bild 5. Der Aufbau entspricht der bekannten Schaltung von Gasturbinen mit Rekuperatoren und dient dazu, über die Arbeitsleistung der Gasturbinen dem Stack Wärme zu entziehen. Der gesamte Luftstrom nach dem Kompressor wird mit dem Abgas der hinter dem letzten Substack befindlichen Gasturbinenstufe in einem Wärmeübertrager aufgeheizt und dem ersten Substack zugeführt. Das Abgas dieser letzten Gasturbinenstufe wird auch zur Aufheizung der den Substacks zugeführten Brenngasströme verwendet, die dann jeweils dem in jedem Substack integrierten Reformer zugeführt werden. Zur Versorgung mit dem nötigen Wasserdampf wird ein Teil des Anodenabgases rezirkuliert (hier nicht eingezeichnet). Der andere Teil des Anodenabgases wird im nachgeschalteten Brenner mit dem Kathodenabgas verbrannt. Das sauerstoffreiche Abgas wird danach in der dem Substack nachgeschalteten Gasturbinenstufe auf die Eintrittstemperatur der Substacks entspannt und als Verbrennungsluft der Kathodenseite des in Strömungsrichtung nächsten Substacks zugeführt. Der Wirkungsgrad liegt bei zweistufiger Ausführung bei über 70 %. Der rechte Teil von Bild 9 zeigt die Systemintegration eines Stacks mit Außenkühlung (EXCO). Ein Teilstrom des aus dem Brenner austretenden Zellabgases heizt die Verbrennungsluft aus dem Kompressor und das Brenngas auf. Das abgekühlte Zellabgas wird zur Zellkühlung verwendet und so wieder aufgeheizt und der Gasturbine zur Entspannung zugeführt. Der notwendige Wasserdampf wird dem Reformer mit einem rezirkulierten Teilstrom des Anodenabgases zugeführt. Zum Ausgleich des Druckverlustes in der Zelle ist dazu ein mit dem Brenngasstrom betriebener Strahlverdichter vorgesehen. Der Reformer ist wärmetechnisch im Stack integriert. Dieses System lässt bei stationären Anwendungen einen Wirkungsgrad über 70 % erwarten, der sich mit einem nachgeschalteten Dampfteil, der auch als Cheng-Cycle ausgeführt werden kann, auf über 75 % steigern lässt. Ein dem Cheng-Cycle nachgeschalteter Rauchgaskondensator kann zur Fernwärmeauskopplung eingesetzt werden [12] Zur Beurteilung der Vor- und Nachteile der beiden Schaltungen sind in Bild 9 Kriterien eingetragen: 1. Anzahl der notwendigen Subsysteme, 2. Druckdifferenz an den Wärmeübertragerwänden, 3. mögliche Lufteintrittstemperatur in den SOFC Stack, 4. erforderliche Größe der Wärmeübertrager, 5.

6 Abgastemperatur am Systemende. Während die EXCO Schaltung in einem Druckbehälter installiert werden kann, werden für die INEX Schaltung separate Drucksysteme für jede Gasturbinenstufe benötigt. Bei der INEX Schaltung werden die Wände der Wärmeübertrager mit der Druckdifferenz zwischen Kompressoraustritt und Gasturbinenaustritt beaufschlagt, demgegenüber bleibt die Druckbeanspruchung der Wände der Wärmeübertrager bei der EXCO Schaltung auf den gasseitigen Druckverlust von Wärmeübertragersystem und SOFC Stack beschränkt. Die Lufteintrittstemperatur wird bei der INEX Schaltung von der Austrittstemperatur der Gasturbine und bei der EXCO Schaltung von der Austrittstemperatur der SOFC (exakter der Nachverbrennung nach dem SOFC Stack) begrenzt. Gegenüber einer atmosphärischen SOFC Anlage reduziert die einseitige Druckbeaufschlagung bei der INEX Schaltung die Wärmeübertragerfläche etwa um den Faktor 2,5 und die beidseitige Druckbeaufschlagung der EXCO Schaltung führt zu Reduzierungen bis zu einem 7,5 fachen Wert bei SOFC Modul-Drücken bis etwa 15 bar. Die Abgastemperatur liegt bei der INEX Schaltung bei etwa 200 C und bei der EXCO Schaltung bei C. 2. Grundsätze des konstruktiven Aufbaus Bei PEFC, PAFC und MCFC sind die Brennstoffzellen als Platten (planare Brennstoffzelle) ausgebildet, die mit plattenförmigen, gasdichten Interconnectoren, in denen auch die Strömungskanäle integriert sind, elektrisch verbunden sind. Die planare Bauweise von PAFC und MCFC ergibt sich aus der Anordnung des flüssigen Elektrolyten in einer Matrix. PEFC, PAFC und MCFC haben eine geringe Steifigkeit, dies ist für die Abdichtung der Zellen im Stack als auch für die Kontaktierung der planparallen Interconnectoren günstig. Nur die bei besonders hohen Temperatur arbeitende und als Keramik mechanisch steife SOFC wird heute in planarer und tubularer Bauweise entwickelt. Es sind hier insbesondere Fragen der Dehnungsbeherrschung, der Abdichtung und der Werkstoffwahl zu beachten. Dabei erinnern die Stacks mit tubularen SOFC an Röhrenwärmeübertrager und die mit planaren SOFC an Plattenwärmeübertrager. Bild 10. bipolare Platte SOFC Luft Kathode planares Stack _ + Brenngas Anode tubulares Stack SOFC + Luft Kathode _ Brennstoff Anode W. Winkler 1998 Bild 10 Stacks Prinzipieller Aufbau von SOFC Bei röhrenförmigen SOFC wird durch das serielle Verschalten röhrenförmiger Zellelemente mit gasdichten keramischen Interconnectoren ein Zellrohr mit entsprechend hoher Spannung erzeugt (Dornier bzw. Mitsubishi). Eine andere Möglichkeit ist es, die Spannung in Längsrichtung des Zellrohres durch einen leistenförmigen Interconnector auf der innenliegenden Elektrode abzugreifen, nach außen zu führen und mit der gegenpoligen Elektrode zu kontaktieren und so eine Serienschaltung einzelner Zellrohre zu realisieren (SIEMENS Westinghouse). Der optische Eindruck erinnert im ersteren Fall an radial verschweißte Ringe und im zweiten Fall an ein längsgeschweißtes Rohr. Die bisher erfolgreich betriebenen und in der Literatur beschriebenen Pilotanlagen mit Leistungen bis zu 100 kw sind ausnahmslos mit tubularen SOFC ausgerüstet.

7 Bild 11 Vergleich von bewährter und neuer tubularer SOFC Technik [13,14] Die gegenwärtig technisch sehr erfolgreich arbeitenden tubularen Zellen von Siemens Westinghouse führen zu großen Bauvolumina. Der Wunsch, die Leistungsdichte zu erhöhen und gleichzeitig die Strompfade zu verkürzen hat zu einem neuen Zellentwurf von Siemens Westinghouse geführt, wie ihn Bild 11 zeigt. Im Prinzip handelt es sich dabei um die Integration mehrerer dünnerer Röhren in einem Keramikbauteil. Dadurch wird zwar einerseits auf mögliche aktive Oberflächen der Röhren verzichtet, aber andererseits wird dafür der Vorteil kürzerer Strompfade gewonnen [13,14]. Optisch nähert sich dabei das tubulare Konzept dem planaren an. Eine gute Übersicht zu der Kooperation zwischen Industrie und Forschungseinrichtung wird in [15] am Beispiel der Entwicklung planarer SOFC bei Delphi in Zusammenarbeit mit dem Pacific Northwest Laboratory (PNNL) gegeben, wie Bild 12 zeigt. Bild 12 Entwicklungsschritte bei planaren SOFC Stack Konzepten [15] Der Kombination von Materialentwicklung, Grundkonzeption und Prozessmodellierung im Forschungszentrum steht die industrielle Produktentwicklung gegenüber. Die Projektorganisation im US SECA (Solid State Energy Conversion Alliance) Programm führt zu den notwendigen Rückkopplungsprozessen, die für eine zügige Produktentwicklung unabdingbar sind. Neben den bisher genannten Strukturen erscheinen Konzepte mikrotubularer Strukturen zukünftig von besonderem Interesse zu sein. In Bild 13 sind dazu entsprechende Beispiele zusammengefasst.

8 Bild 13 Herstellverfahren und prinzipieller Aufbau mikrotubularer SOFC [2] Die mikrotubulare Struktur, die sich sowohl für den Aufbau von SOFC und PEFC eignet, hat unbestreitbare konstruktive Vorteile. Mit im Extrusionsverfahren hergestellten mikrotubularen SOFC mit 2 mm Durchmesser lassen sich Aufheizgeschwindigkeiten > 200 K/min erreichen [16,17]. Eine weitere Reduktion des Durchmessers unter etwa 100µm, die etwa mit Hilfe gesponnener Hohlfasern denkbar wäre, ließen sich textile Strukturen erreichen, die nicht mehr den konstruktiven Beschränkungen konventioneller keramischer Materialien unterliegen [18]. Allerdings stehen diese Überlegungen noch am Anfang der Entwicklung. Neben dem Aufbau solcher Mikrostrukturen selbst ist auch die Leisungsbez. Volumen [l/kw] 10 1 Laborzelle Entwicklungsziel 0, Systemintegration zu Makrostrukturen eine nicht zu unterschätzende Herausforderung für die ingenieurwissenschaftliche Forschung. Bild 14 Einflüsse auf das leistungsbezogene Volumen eines tubularen Stacks In Bild 14 ist das leistungsbezogene Stromdichte [ma/cm 2 ] Volumen über der Stromdichte bei einer Zellspannung U : 0,7 V Zellabstand 2s : 0,2 mm Zellspannung von 0,7 V eingetragen. Der Zelldurchmesser ist dabei Parameter. Während etwa für 20 mm dicke Röhren ein Einbauvolumen von mehr als 5 l/kw benötigt wird, so ist bei einem Durchmesser von 2 mm nur mehr ein Volumen von unter 1 l/kw erforderlich. Dünne röhrenförmige Strukturen bieten nicht nur den Vorteil kurzer Anfahrzeiten, sondern auch den einer äußerst kompakten Bauweise, was sich unmittelbar auf die Systemkosten günstig auswirkt. 3. Anlagenkonzepte stationäre Pilotanlage SOFC Durchmesser 2 mm 5 mm 10 mm 20 mm In den letzten Jahren haben verschiedene Pilotanlagen unterschiedlicher Bauarten und Hersteller ihren Betrieb aufgenommen. Am technisch weitesten fortgeschritten waren PAFC Anlagen, die jedoch trotz größter Anstrengungen die Kostenziele nicht erreichen konnten. Daher stehen heute im Blickpunkt des Interesses PEFC, MCFC und SOFC Systeme in den Marktsegmenten Hausversorgung, BHKW und dezentrale Stromerzeugung im Mittelpunkt des Interesses. Eine Sonderstellung nimmt die PEFC im U-Bootbau ein. Bild 15 Das SOFC Heizgerät der Bauart Sulzer Hexis (Quelle: Sulzer Hexis) Mit einer elektrischen Leistung von 1 kw bis 5 kw ausgestattet, dienen die Brennstoffzellen als Vorschaltgeräte vor Heizungsanlagen und bilden gemeinsam das Brennstoffzellenheizgerät. Damit eine möglichst gute Arbeitsausnutzung der Stromerzeugung in der

9 Brennstoffzelle gegeben ist, orientiert sich die Auslegung der elektrischen Leistung an dem Wärmebedarf zur Warmwasserbereitung. Der eigentliche Heizwärmebedarf im Winter wird dann durch Zufeuern in einem nachgeschalteten Heizkessel erreicht [18,19]. Bei diesem Einsatzbereich sind PEFC und SOFC die bevorzugten Zelltechniken und Erdgas der Standardbrennstoff. Bild 15 zeigt dazu ein SOFC Heizgerät der Bauart Sulzer Hexis. Der Zellstapel, gebildet aus rotationssymmetrischen planaren SOFC, ist über dem Heizkessel angeordnet und weitgehend thermisch in das Gesamtsystem integriert. Dabei begünstigt die SOFC Technik die thermische Integration der Βrenngaserzeugung, wie oben bereits angemerkt. Zur Zeit findet eine breit angelegte Prototyperprobung statt. Wegen der notwendigen Anbindung an das elektrische Netz stellt die Bereitstellung kostengünstiger elektrischer Konverter eine Herausforderung für alle Entwickler dar. Bei den größeren Anlagen im Leistungsbereich bis zu mehreren 100 kw sind die Zelltypen PEFC, MCFC und SOFC vertreten. Die größte heute kommerziell vertriebene PEFC Anlage befindet sich an Bord einer neuen Klasse von Unterseebooten mit extremen Schleichfahrteigenschaften [20]. Den Aufbau des Gesamtsystems zeigt Bild 16. Hierbei handelt es sich um eine spezifisches System für den Betrieb mit Wasserstoff und Sauerstoff., dessen direkte Übertragung auf Landanlagen so nicht unmittelbar zu erwarten ist. Bild 14 Übersicht zur Einbausituation eines 240 kw wasserstoffbetriebenen PEFC Systems für den U- Boot Antrieb (Quelle HDW) BHKW Markt einfach durchsetzen zu lassen. Demgegenüber scheinen sich größere erdgasbefeuerte PEFC Systeme im Landeinsatz nicht unbedingt am Die Entwicklung der MCFC hat sich insbesondere durch die Hot module Technik der MTU beschleunigt und zu einer größeren Zahl von 300 kw Pilotanlagen geführt [21,22]. Nach zwei experimentellen Systemen ist die Anlage des dritte Feldversuchs, der im Jahre 2001 begonnen wurde, schon sehr nahe am industriellen Produktkonzept orientiert gewesen, wie auch Bild 15 zeigt. Bild 15 Aufstellung der dritten 300 kw Hot Module Feldversuchsanlage des Rhön-Klinikums (Quelle: MTU) Wesentliche Leitlinie dieser Konzeptentwicklung war das hochintegrierte System. Ein wichtiger Meilenstein war auch die Verbesserung der Lebensdauer, die heute auf h angesetzt werden kann. Die heute laufenden Arbeiten dienen vorwiegend dem Ziel der Kostensenkung, um mit der kommerziellen Produkteinführung 2006 beginnen zu können [21].

10 Etwa gleichzeitig mit der ersten MTU Pilotanlage wurde nach mehren kleineren Feldversuchsanlagen im Leistungsbereich von 25 kw die bis dahin weltweit größte SOFC Anlage im Januar 1998 in Westervoort bei Arnheim von EDB/Elsam in Betrieb genommen und sollte dann 24 Monate betrieben werden. Bild 16 Schnittbild der 100 kw SOFC Anlage (Quelle: Siemens Westinghouse) Die Kosten betrugen 10 Mill. US $. Die ersten Betriebsergebnisse wurden im Mai 1998 in einem EFCG Workshop anlässlich der offiziellen Eröffnung vorgestellt [23]. Bild 16 zeigt den Aufbau der 100 kw SOFC Anlage im Schnittbild, bestehend aus den Hauptgruppen Wärmemanagement, SOFC Generator und Brennstoffversorgung. Erste Konstruktionsstudien von Kraftwerkskonzepten mit Brennstoffzellen wurden 1994 publiziert. Dabei wurden sowohl Konzepte mit Leistungen von 300 MW (gas- und kohlebefeuert) und 20 MW (gasbefeuert) mit nachgeschalteten Dampfturbinen untersucht [24]. Die Wirkungsgrade betrugen 59 % und 56% für die gasbefeuerten Konzepte sowie fast 47% für das kohlebefeuerte Konzept. Bild 17 Eigene Konstruktionsstudie eines 50 MW SOFC-GT Systems In [4] wurden gleichzeitig die Ergebnisse einer eigenen gasbefeuerten 50 MW Studie eines Kombikraftwerkes SOFC mit Gasturbine (SOFC-GT, EXCO) mit einem elektrischen Wirkungsgrad mit 76 % vorgestellt. Bild 17 zeigt das Modell der entsprechenden Konstruktionsstudie. Neben dem Nachweis einer prinzipiellen Baubarkeit zeigte die Studie, dass der spezifische Grundflächenbedarf dem gleichgroßer Gas und Dampfturbinen Kraftwerke entspricht. Bild 18 Studie eines 5 MW SOFC-GT Systems der Bauart Westinghouse (Quelle: Siemens Westinghouse) Das U.S. Department of Energy hat in der Folge die Entwicklung von SOFC- GT Projekten deutlich unterstützt. 1996

11 wurde dann von Westinghouse eine Baureihe von SOFC-GT Systemen mit einem elektrischen Wirkungsgrad bis 70% vorgestellt [25], Bild 18. Diese o.g. Entwicklungsfortschritte führten 2000 zur Errichtung der ersten SOFC-GT Anlage, basierend auf dem im atmosphärischen Betrieb erprobte SOFC Generator, der mit Druck beaufschlagt eine höhere Leistung (187 kw) liefert. Die Mikroturbine liefert 47 kw. Abzüglich der Verluste erreicht die Anlage im Auslegungspunkt 220 kw. Diese Werte ergeben einen elektrischen Wirkungsgrad von 52 % [26]. Bild 19 Das 220 kw SOFC-GT System der Bauart Siemens Westinghouse (Quelle: Siemens Westinghouse) Die bessere Abstimmung von SOFC und Gasturbine ist heute Gegenstand weiterer Untersuchungen. Neben der Nutzung der Erfahrungen aus den bisherigen Pilotanlagen für technische Verbesserungen dienen die heute laufenden Entwicklungen vorwiegend der Reduzierung der Kosten. Betrachtet man den Gesamtmarkt, so sind GuD Kraftwerke das Konkurrenzprodukt von SOFC-GT Systemen. Einen entsprechenden Vergleich zeigt Bild 20. Bei einem Marktpreis von 400 US$/kW für das GuD zul. spez. SOFC-GT Investition [US $/kw] Brennstoffpreis = 3 ct/kwh Vollaststunden 7000 h/a 500 Brennstoffpr = 1 ct/kwh El. Wirkungsgrad des SOFC-GT Systems [%] η el = 55 % GuD: Abschreibung in 10 a, Vollaststunden5000 h/a spez. Invest. 400 US$/kW Vergleichskraftwerk, liegen die zulässigen Investitionskosten im Bereich von US$/kW bei Brennstoffkosten von 1ct/kWh, wie sie im letzten Jahrzehnt üblich waren. Dieser Wert lässt sich bei Preisen von 3 ct/kwh, wie sie damals etwa in Japan erlöst wurden, auf US$/kW steigern [2,27]. Bild 20 Zulässige SOFC-GT Investitionskosten bei der Referenztechnologie GuD η el =var. SOFC GT: Abschreibung in 10 a STROMERZEUGUNG Aufgrund höherer Brennstoff- und Stromkosten im industriellen und gewerblichen Bereich lassen sich Eintrittsmärkte bei Systemkosten unterhalb etwa 2000 US$/kW identifizieren. Tabelle 1 Zielgrößen des U.S. Department of Energy für die SOFC Entwicklung nach [28] Das US Department of Energy hat 1999 die in Tabelle 1 wiedergegebenen Werte als Zielgrößen für die SOFC Entwicklung publiziert [28]. Die dabei publizierten Werte sind sehr anspruchsvoll, aber notwendig, um das ganze Potential dieser Technik zukünftig ausschöpfen zu können.

12 4. Zukünftige Wege der Produktentwicklung Neben den durch das US Department of Energy geförderten Programmen geben auch die vom US Department of Defence geförderten Programme Einblicke in die Optionen für eine weitere Entwicklung. Die Leistungsbereiche, in denen Brennstoffzellen unterschiedlichen Typs eingesetzt werden können, zeigt Bild 21 an militärischen Anwendungsbeispielen [29]. Bild 21 Leistungsbereiche von Brennstoffzellen nach [29] Es wird dabei deutlich, dass die Brennstoffzellentechnik einen sehr weiten Leistungsbereich hierbei abdecken könnte. Nun lehrt die Erfahrung der klassischen Energietechnik, dass in diesen Leistungsbereichen Skalierungseffekte einen dominierenden Einfluss haben und somit eine Übertragbarkeit zweifelhaft erscheint. Hier muss aber ein entscheidender Unterschied zur konventionellen Technik berücksichtigt werden, während in der klassischen Kraftwerkstechnik die Turbulenz der Strömung den Stoff- und Wärmetransport bestimmt, sind die Strömungen in Brennstoffzellen laminar, unterliegt also den Gesetzen der Mikroverfahrenstechnik. Wenn gleich auch andere Effekte als der Stofftransport einen Einfluss auf Apparateskalierungen haben, so ist doch ein wesentlich engerer prozesstechnischer Zusammenhang bei Brennstoffzellensystemen hinsichtlich ihrer Skalierung als bei den klassischen Prozessen gegeben. Eine prozesstechnische Verwandtschaft zwischen dem Stoffaustausch in biologischen Systemen und in Brennstoffzellen ist unverkennbar. Die kleinsten bisher bekannten Leistungsgrößen werden zur Energieversorgung von MEMS (Microelectromechanical Systems) entwickelt [30]. Bild 22 gibt ein Beispiel dazu wieder. MEMS werden als integrierte Mikrobaugruppen für verschiedenste Anwendungen in der Sensorik entwickelt. Als Vorteil wird dabei die deutlich bessere Energiespeicherung solcher Systeme verglichen mit Batterien gesehen Im Hinblick auf die oben erwähnten Zusammenhänge ist es zweckmäßig, zumindest am Rande, diese Entwicklungen zu verfolgen. Bild 22 Brennstoffzellen als Stromerzeugungssystem von MEMS (Microelectromechanical Systems) nach [30]

13 Demgegenüber ist der Automobilantrieb ein weitgehend klassisches Anwendungsfeld für Energieumwandlungsverfahren. Bild 22 zeigt dazu die verschiedenen Einflüsse auf den Wirkungsgrad eines ECXO Systems für den Einsatz im Automobil, wie sie in eigenen Studien diskutiert wurden. Der gegenüber größeren Gasturbinen niedrigere Isentropenwirkungsgrad der Mikroturbine führt zu einer erkennbaren Absenkung des elektrischen Wirkungsgrades. Die Forderung nach einem Sofortstart des Systems wird über eine relativ zur SOFC zu große Gasturbine gelöst. Wege der mit der Verbrennung verbundenen Entropieerzeugung sinkt der Wirkungsgrad gegenüber dem thermodynamischen Optimum deutlich ab. Schließlich hat die gegenüber dem stationären Einsatz deutlich kompaktere Bauweise einen erhöhten Druckverlust mit einer weiteren Absenkung des theoretisch möglichen Systemwirkungsgrades zur Folge. Mit den Druckverhältnissen heutiger Mikroturbinen und dem hier angenommen Leistungsverhältnis von SOFC und Gasturbine elektr. Wirkungsgrad 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0, SOFC Moduldruck in bar lassen sich Wirkungsgrade bis zu 45 % erreichen. Bei einer verbesserten Abstimmung des Startvorganges hinsichtlich der Leistungsanteile von SOFC, Batterie und Mikroturbine können Wirkungsgrade von etwa 60% erreicht. Bild 23 Einflüsse auf den Wirkungsgradverlauf von mobilen SOFC-GT Systemen Dies zeigt die thermodynamische Bedeutung der Entwicklung von Hybridfahrzeugen, bei denen ein elektrischer Speicher in der Startphase als alleinige Stromquelle dient. Mit diesen angegeben Leistungsdaten wurde eine Konstruktionsstudie eines SOFC-GT Systems mit einer Leistung von 75 kw auf der Basis eines Fahrzeuges der unteren Mittelklasse im Rahmen einer Folge von Seminaren mit Studierenden am Fachbereich Maschinenbau und Produktion der Fachhochschule Hamburg durchgeführt, deren Ergebnisse in weiterführende eigene Untersuchungen eingingen. Bild 24 zeigt das Ergebnis einer 3 D Simulation. Das vorgesehene Kraftstofftank Batterieblöcke Nabenmotor Abnahme Isentropenwirkungsgrad 88/92 80/85 (ideales SOFC - GT Verhältnis) Gasturbinenleistg.1/3 von ges. Leistg. (fest) Druckverlust 0 bar 1 bar Antriebssystem besteht aus einem SOFC-GT System mit integrierter Diesel- POX/Vorreformierung und einem Kraftstoffvorwärmer Leistungselektronik Generator Luftverdichter Mikroturbine SOFC Modul nachgeschalteten elektrischen Antriebsmodul, der nur mehr aus Batterien, Leistungselektronik und Nabenmotoren besteht. Der mechanische Teil des Antriebsstranges mit Kupplung, Getriebe und Differential entfällt hierbei [31] Bild 24 Studie eines 75 kw SOFC-GT Konzeptes für den Fahrzeugeinsatz Obwohl wegen der besseren Verfügbarkeit in der Automobilindustrie in großem Umfang zur Zeit PEFC Systeme entwickelt werden, sind doch auch bereits erste SOFC System für den mobilen Einsatz in der Entwicklung. Bild 25 Entwicklung der 5 kw SOFC APU bei Delphi nach [15] Die heutigen stationären SOFC Pilotanlagen sind mit volumen- und gewichtsbezogenen spezifischen Leistungen mit jeweils 0,01 kw/l und 0,01 kw/kg offensichtlich deutlich von

14 dem in Tabelle 1 angegebenen Stackzielwerten von 2 kw/l und 2 kw/kg entfernt. Die Entwicklung von SOFC Systemen für den Einsatz als APU hat hier zu einer deutlichen Verbesserung dieser Werte geführt. Bild 25 gibt dazu einen Überblick über den Verlauf der Entwicklung von APU (Auxiliary Power Unit) mit 5 kw Leistung für Luxuslimousinen bei Delphi [15]. Die spezifischen Leistungen sind im Laufe der Entwicklung auf eine Größenordnung von 0,1 kw/l bzw. 0,1 kw/kg, also um etwa eine Zehnerpotenz, angestiegen. Bild 26 NASA Vision zur Entwicklung des brennstoffzellebetriebenen Flugzeugs nach [32] Die Werte nach Tabelle 1 erlauben nicht nur den Einsatz von SOFC im Automobil, sondern auch im Flugzeug. In den USA ist daher um Boeing das Projekt NEXCAP (Next Generation Clean Aircraft Power) das den Ersatz der APU im Flugzeug zum Ziel hat, um durch den besseren Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems Kerosin zu sparen. Der entsprechende Ansatz bei Airbus mündete in dem Projekt APAWAGS, mit dem Ziel gleichzeitig mit der Stromerzeugung Wasser zu erzeugen und so zusätzlich auch das Abfluggewicht zu vermindern. Im Rahmen der Überlegungen auch in Flugzeugen verstärkt elektrische Systeme einzusetzen ( more electric aircraft ), hat die Entwicklung der Brennstoffzelle auch im Flugzeugbau eine strategische Bedeutung erlangt. Die Roadmap dieser Vision aus Sicht der NASA zeigt Bild 26 [32]. Bild 27 Konzeption eines 440 kw SOFC-GT Systems als APU Ersatz nach [32] Auf dem SECA Fourth Annual Meeting im April 2003 in Seattle wurde auch eine Konstruktionsstudie eines 440 kw SOFC-GT Systems der TU München als APU Ersatz vorgestellt [32]. Prinzipiell wurden dabei die Ergebnisse der eigenen Konstruktionsstudien [4, 31] bestätigt. Bild 27 zeigt die Konzeptstudie. Die Studie zeigt die Relevanz der Daten nach Tabelle 1, wobei allerdings durchaus noch gewisse Reserven in den Werten gesehen werden. Es wird allerdings deutlich, dass die luftfahrttechnische Anwendung den notwendigen Motor darstellen wird, um die in Tabelle 1 genannten Zielvorstellungen umzusetzen. Dabei sind auch Arbeiten zur Einführung von Brennstoffzellen an Bord von Seeschiffen hilfreich, die ebenfalls zu Volumen und Gewichtsreduktionen führen. Ähnlich wie im Flugzeug oder im Automobil ist das All electric ship eine wichtige Zielsetzung.

15 Bild 28 Konzeption eines 625 kw MCFC Moduls für den Schiffseinsatz der Bauart Fuel Cell Energy nach [33] In dem Brennstoffzellenprogramm der US Navy werden diese Zielsetzungen verfolgt und Bild 28 zeigt etwa, dass bereits diese Entwicklungen zu Konzepten führten, die mehr als die doppelte Leistung in einem kleineren Volumen realisieren, als dies bei den besten stationären Pilotanlagen bisher der Fall. Die hier zitierten Arbeiten sind für die Markteinführung der stationären Systeme deshalb so wichtig, weil die Verringerung von Systemvolumen und Systemgewicht gleichzeitig einen deutlichen Beitrag zu dem gegenwärtigen Hauptziel aller Brennstoffzellenentwickler leistet, nämlich der notwendigen Reduktion der Kosten. Dabei ist es bemerkenswert, inwieweit sich die bisher unterschiedlichen Marktsegmente von der stationären Stromerzeugung über das Automobil zur Schiffs- und Flugzeuganwendung wechselseitig beeinflussen. Bild 29 soll dieses verdeutlichen. Beim Automobil hangt die Kostendegression, wie in der Gerätetechnik, von der Größe der Serie ab, bei Kraftwerken bei heutiger Technik ist dies die Anlagengröße. Schiffsantriebe sind ähnlich wie Kraftwerke zu sehen. Ansätze, mit kleinen, in Großserie gefertigten Verbrennungsmotoren in der stationären Energieversorgung Fuß zu fassen, haben bisher noch keine größere Bedeutung erlangt. Diese Erfahrungen könnte jedoch mit der Entwicklung der Brennstoffzelle ihre Gültigkeit verlieren. Die Notwendigkeit, einzelne Brennstoffzellen zu Stacks und Modulen zusammenzufassen, führt zumindest für die Herstellung der Zellen nur zu Kostendegressionen durch große Serien. Dies gilt auch für den Einsatz im Kraftwerk, wie in Bild 29 angedeutet. Es ist so für die Entwickler stationärer Systeme lohnend, die Entwicklung mobiler Anwendungen zu verfolgen und mögliche Synergieeffekte frühzeitig aufzugreifen. Eine hier interessante Zwischenstufe könnte auch die SOFC basierte Bordstromerzeugung von Fahrzeugen der Oberklasse sein. Mögliche Synergieeffekte haben sicherlich auch schon die oben zitierten Zielsetzungen des U.S. Department of Energy für die SOFC Entwicklung beeinflusst. Als Zielkosten für den stationären Einsatz werden zwar dort noch 100 $/kw für das SOFC Stack und 1000 $/kw (bzw $/kw längerfristig) für das System genannt, was stationär Kleinanlage Kraftwerk Gerätetechnik Serienfertigung Stückzahl Brennstoffzelle Anlagentechnik Baustellenfertigung mobil All electric system Automobil Schiff zweifelsohne zu hohe Werte für die mobile Anwendung sind. Für mögliche mobile Anwendungen sind die dort genannten Zielwerte, wie eine Betriebstemperatur von C, eine Aufheizeit < 2 min und eine volumenbezogene Leistung von 2 kw/l, der zukünftigen SOFC Entwicklung von sehr großem Interesse. Bild 29 Produktion von stationären und mobilen Brennstoffzellensystemen Anlagengröße W. Winkler 1999 Wenn die genannten Effekte zum Ziel führen, sind auch in der Produktionsstruktur erheblich Änderungen zu erwarten. Dies liegt auch an der parallel laufenden Entwicklung zum all electric system, das neben der klassischen Bordstromversorgung auch zu einer weitgehende Elektrifizierung der Systeme Automobil, Flugzeug

16 und Schiff führen wird. Dabei bleibt offen, inwieweit sich der klassische Zulieferbereich etwa mit Antriebsträngen, Getrieben etc. auf diesen Wechsel wird vorbereiten können. 1. Winkler, W.: Der Einfluß der Prozeßkonfiguration auf das Arbeitsvermögen von Verbrennungskraftprozessen. Brennstoff Wärme Kraft 46 (1994) Nr.7/8. S Winkler W.: Brennstoffzellenanlagen. ISBN Springer-Verlag. Berlin Heidelberg New York Winkler W.: Analyse des Systemverhaltens von Kraftwerksprozessen mit Brennstoffzellen. Brennstoff Wärme Kraft 45 (1993) Nr. 6, S Winkler W.: SOFC-Integrated Power Plants for Natural Gas. 1st European Solid Oxide Fuel Cell Forum. Ulf Bossel. Luzern p Winkler W.: Lay out principles of the integration of fuel preparation in fuel cell systems. 2nd IFCC February 5-8, 1996, Kobe p 6. Nickens A.D.: Office of Naval Research s Fuel Cell Program. SECA Fourth Annual Meeting April 15-16, 2003, Bell Harbor International Conference Center Seattle, WA th International Stirling Engine Conference (10 th ISEC) September Osnabrück. VDI Ges. für Energietechnik Tournier, J.-M., El- Genk, M.S., Huang, L.: Experimental investigations, modeling, and analysis of high-temperature devices for space applications. Final Report. AFRL-VS-PS-TR (U.S.) Air Force Research Laboratory. Kirtland Air Force Base. January Winkler W. et al.: Verfahren zur Auskopplung von Wärme aus Brennstoffzellen und Wärmekopplungseinrichtungen zur Durchführung des Verfahrens. Europ. Patent Nr vom Kikuchi, R., Sasaki, K., Eguchi K.: Design of energy and chemical co-production systems using Solid Oxide Fuel Cell technology. SOLID OXIDE FUEL CELLS (SOFC VII). Proceedings of the Seventh International Symposium. Editors: H. Yokogawa, S. C. Singhal. Electrochemical Society Proceedings Volume ISBN Pennington, NJ, USA pp Winkler W. : Thermodynamic influences on the cost efficient design of combined SOFC cycles. Proceedings 3rd EUROPEAN SOLID OXIDE FUEL CELL FORUM in Nantes Ed. Philippe Stevens. Oral Presentations. S Winkler W., Lorenz H. : Layout of SOFC-GT cycles with electric efficiencies over 80 %. Proceedings 4 th EUROPEAN SOLID OXIDE FUEL CELL FORUM in Lucerne. July S Singhal S. C.: Siemens Westinghouse, Joint Fuel Cell Technology Review Conference, Aug , Chicago, IL 14. Vora S.: Siemens Westinghouse Team, SECA Industrial Team Reports: SECA Fourth Annual Meeting April 15-16, 2003, Bell Harbor International Conference Center Seattle, WA 15. James Zizelman J.: Delphi Team, SECA Industrial Team Reports: SECA Fourth Annual Meeting April 15-16, 2003, Bell Harbor International Conference Center Seattle, WA 16. Alston T., Kendall K., Palin M., Prica M., Windibank P.: A 1000-cell SOFC reactor for domestic cogeneration. Journal of Power Sources 71 (1998) pp Kendall K., Prica M.: Integrated SOFC Tubular System for Small-Scale Cogeneration. 1st European Solid Oxide Fuel Cell Forum. Lucerne pp Vogel B.: Die Brennstoffzelle im Haus der Zukunft Erste Erfahrungen mit einem PEM- Brennstoffzellenheizgerät. Stationäre Brennstoffzellenanlagen. VDI Berichte Nr S Wismann G.: Betriebserfahrungen aus dem mehrjährigen Brennstoffzellen-Feldtest mit der 1 kw SOFC der Firma Sulzer Hexis. Stationäre Brennstoffzellenanlagen. VDI Berichte Nr S Ritterhoff, J.: U212 - Neuer Stand der Technik: Erstes deutsches U-Boot mit Hybridantrieb, SCHIFF & HAFEN 04/99, S Berger P.: Dezentrale Kraft Wärme Kopplung. Das mtu-brennstoffzellen-hot-module. Stationäre Brennstoffzellen. Technologien, Partnerschaften, Chancen. VDI Berichte Nr S

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