Stand der Technik und Nutzung von Brennstoffzellen

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1 university of applied sciences haw hamburg W. Winkler *) Stand der Technik und Nutzung von Brennstoffzellen 27.November 2003 in Sao Paulo *) Forschungsschwerpunkt Brennstoffzellen und rationelle Energieverwendung

2 Verfahrenstechnische Grundlagen Grundsätze des konstruktiven Aufbaus Anlagenkonzepte Zukünftige Wege der Produktentwicklung

3 Verfahrenstechnische Grundlagen Grundsätze des konstruktiven Aufbaus Anlagenkonzepte Zukünftige Wege der Produktentwicklung

4 T T mb W trev Verbrennungskraftprozeß dann reversibel, wenn Entropieänderung nur als Folge des Stoffumsatzes auftritt : D R H 0 = T mb * D R S 0 D R H 0 Beispiel : CO + 1/2 O 2 CO 2 D R S 0 T 0 S T mb J/mol - 86,503 J/(Kmol) ist Ergebnis der Reaktion = 3271 K W trev = D R H 0 - T 0 D R S 0

5 Prinzip der Brenstoffzelle W t (el. Verbraucher) - 2e - 2e - + H 2 O 2 Anode Elektrolyt Kathode H 2 + 1/2 O 2 --> H 2 O Produktausschleusung systemabhängig H 2 O Q ab (Wärmeabfuhr)

6 Technologie und Einsatzprofil von BZ ZELLTYP PEFC PAFC MCFC SOFC Brenngas H 2 H 2 CO, H 2 CO, H 2 Abwärmenutzung Heizung Heizung (Industrie) Stromerz. Industrie Heizung Brenngaserzeug. Stromerz. Industrie Heizung Brenngaserzeug ~ 80 C ~ 220 C ~ 650 C ~ 1000 C Abwärmetemperatur Wirkungsgrad (el.) ~ 40 % ~ 40 % % (Kombi) 50 - >75 % (Kombi)

7 Prinzip der Brenngaserzeugung Endotherm.Reformierprozeß CH + H O --> 3 H + CO Reaktortemperatur ~ 750 C Brenngas : SOFC MCFC Exothermer Shiftprozeß oder Molekularsieb H 2 CO + H O --> H + CO Reaktortemperatur ~ 230 C H 2 PEFC, PAFC

8 Der vereinfachte Vergleichsprozess Arbeit Arbeit Wärme Stoff B Z Wärme Vorwärmer Wärmekraftmaschine ( Carnot ) Arbeit Abgas Abwärme Luft Brenngas UMGEBUNG W. Winkler 1998

9 Systemwirkungsgrad [%] Wirkungsgradpotentiale Dh zus. Wärmekraftmaschine (Gasturbine) Dh Eigenbedarf, Verluste (Pumpen, Gebläse, Brenngaserzeugung) Niedertemperaturzellen SOFC Zelltemperatur [ C]

10 Systemwirkungsgrad [%] Der Einfluss von integriertem und externem Reforming integrierte R. externe R. z SOFC z SOFC z SOFC SOFC z SOFC SOFC =0.6ext =0.6int =0.8ext =0.8int SOFC Temperatur J SOFC [ C] z HE = 0.7 Luftüberschuß l = 2, Wasserüberschuß l w = 2 Reformertemp. J = 750 C, Verdampfertemp. J = 200 C ref verd

11 Direct Electrochemical Oxidation (DECO) Quelle : DoD

12 Wärmeauskopplung bei Brennstoffzellen Kombiniertes BZ System Rauchgasnutzung Zellabwärmenutzung Gasturbinenprozess Dampfturbinenprozess Stirlingmotor AMTEC Prozess Thermoelektrischer Wandler endothermer Prozess

13 Prinzipielle SOFC-GT Zyklen Intermediate expansion INEX : Abgastemperatur External cooling EXCO: SOFC Abwärme Nutzung (Subsystem) Druckdifferenz WÜ Wände Lufteintrittstemperatur in SOFC Größe der WÜ Flächen Brenngas Luft Rauchgas Reformer

14 Verfahrenstechnische Grundlagen Grundsätze des konstruktiven Aufbaus Anlagenkonzepte Zukünftige Wege der Produktentwicklung

15 Bauarten von Stacks planares Stack tubulares Stack bipolare Platte + SOFC SOFC + Luft Kathode _ Brenngas Anode Luft Kathode _ Brennstoff Anode

16 Current Status of FC-Development SOFC Bundle Comparison Tubular/Flat tube design Quelle : SIEMENS Westinghouse

17 Quelle : PNNL Die Stack Entwicklungskooperation von PNNL und Delphi

18 SOFC Cathode 2 mm Mikrotubulare SOFC Anode Heating - Integration zone Extrusion Spinning

19 Leisungsbez. Volumen [l/kw] Leistungsbez. Volumen von tubularen SOFC 10 stationäre Pilotanlage SOFC Durchmesser 1 Laborzelle Entwicklungsziel 0, mm 5 mm 10 mm 20 mm Stromdichte [ma/cm 2 ] Zellspannung U : 0,7 V Zellabstand 2s : 0,2 mm

20 Verfahrenstechnische Grundlagen Grundsätze des konstruktiven Aufbaus Anlagenkonzepte Zukünftige Wege der Produktentwicklung

21 Quelle : Sulzer SOFC - Hausheizgerät

22 Quelle : HDW PEFC Antriebsystem für U-Boote

23 2. Feldversuch des MTU HotModule HM300-3 Das 3. HotModule betrieben von der Rhön Klinikum AG, Bad Neustadt/Saale seit dem 7. Mai 2001 Quelle : MTU

24 100 kw SOFC Anlage von Siemens Westinghouse (ohne Verkleidung) Wärmemanagement SOFC Kenndaten: Stackkonfiguration 1x125 kw DC Betriebsdruck atmosphärisch Gasturbine keine Systemwirkungsgrad h el = 46% Abmessungen (LxBxH): 8,6 m x 2,8 m x 3,6 m Brennstoffversorgung Quelle : SIEMENS Westinghouse

25 100 kw SOFC Anlage in Arnheim Quelle : SIEMENS Westinghouse

26 50 MW SOFC-GT Studie von 1994 SOFC-Module Generator Abgasturbine Schornstein Rauchgaskondensator Abhitzekessel Kompressor SOFC-Behälter Wärmeübertrager

27 Studie 5 MW SOFC-GT Kraftwerk 1996 Quelle : Westinghouse/DOE

28 220 kw druckaufgeladene SOFC GT Quelle : SIEMENS Westinghouse

29 zul. spez. SOFC-GT Investition [US $/kw] Brennstoffpreis und Systemwirkungsgrad 1000 Brennstoffpreis = 3 ct/kwh 900 Vollaststunden 7000 h/a Vollaststunden 5000 h/a Brennstoffpr = 1 ct/kwh El. Wirkungsgrad des SOFC-GT Systems [%] h el = 55 % GuD: Abschreibung in 10 a, spez. Invest. 400 US$/kW h el =var. SOFC GT: Abschreibung in 10 a STROMERZEUGUNG

30 Langfristige U.S. SOFC Entwicklungsziele nach U.S. Department of Energy 1999 Quelle : M.C. Williams

31 Verfahrenstechnische Grundlagen Grundsätze des konstruktiven Aufbaus Anlagenkonzepte Zukünftige Wege der Produktentwicklung

32 Quelle : Carlin ONR

33 nach Tang

34 elektr. Wirkungsgrad Wirkungsgradeinflüsse bei mobilen SOFC-GT 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 Abnahme Isentropenwirkungsgrad 88/92 80/85 (ideales SOFC - GT Verhältnis) Gasturbinenleistg.1/3 von ges. Leistg. (fest) Druckverlust 0 bar 1 bar SOFC Moduldruck in bar

35 SOFC-GT Fahrzeugplattform Kraftstofftank Kraftstoffvorwärmer Leistungselektronik Batterieblöcke Generator Luftverdichter Nabenmotor Mikroturbine SOFC Modul

36 Quelle : Delphi Entwicklung einer 5 kw APU

37 Quelle : NASA

38 Quelle : NASA SOFC-GT APU Studie

39 Selected Naval Fuel Cell Programs FuelCell Energy 625-kW-MCFC-Concept Quelle : US Navy

40 Mobile und stationäre Anwendungen stationär Gerätetechnik Serienfertigung Stückzahl mobil All electric system Kleinanlage Kraftwerk Brennstoffzelle Anlagentechnik Baustellenfertigung Anlagengröße Automobil Schiff