Fuel Cells Reloaded: Brennstoffzellen hinterfragt

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Vortrag von Dr. Michael Stelter zum 6. Keplertag am 20. März 2010 am Johannes-Kepler-Gymnasium Chemnitz

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Fuel Cells Reloaded: Brennstoffzellen hinterfragt

  1. 1. Fuel Cells Reloaded Brennstoffzellen hinterfragt Dr. Michael Stelter © Fraunhofer IKTS
  2. 2. Die Brennstoffzelle ist eine Zukunftstechnologie. 1839 Sie wird in ca. 5 Jahren kommerziell verfügbar sein … und das seit über 40 Jahren kleine Systeme y stationäre Energieversorung Brennstoffzellen-Fahrzeuge © Texas Instruments 1964 © Karl Kordesch 1967 © Fraunhofer IKTS
  3. 3. Erfolgsfaktoren Entscheidend ist, was hinten rauskommt“ (Helmut Kohl, 1984) ( l hl ) Technische Machbarkeit Wirtschaftlichkeit = Ertrag / Aufwand = Output / Input „harte“ monetäre Fakten „weiche“ sekundäre Einflussfaktoren © Fraunhofer IKTS
  4. 4. Wat is‘n Brennstoffzell? Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler, Energiewandler die chemische Energie aus Brennstoffen auf direktem Weg in elektrische Energie umwandeln direkte Umwandlung – di kt U dl kein Carnot-Limit Brennstoff: H2, CO Oxidans: O2 aus Luft Unterschied zur Batterien: chemische Energie fließt ständig nach © Fraunhofer IKTS
  5. 5. Brennstoffzelle: eine lange Geschichte C.F. Schönbein, W.R. Grove, Basel (1799 – 1869) Oxford (1811 – 1896) 1838: Prinzip der 1839: Gasbatterie Brennstoffzelle F.T. Bacon, Cambridge (1904 - 1992) 1959: erste echte Brennstoffzelle © Fraunhofer IKTS
  6. 6. Elektrolysezelle - + 4 H+ + 4 e- −−> 2 H2 > 2 O2- −−> O2 + 4 e- > © Fraunhofer IKTS
  7. 7. Brennstoffzelle U = 1.23 V - + 2 H2 −−> 4 H+ + 4 e- O2 + 4 e- −−> 2 O2- H2 O2 © Fraunhofer IKTS
  8. 8. Kalte Verbrennung - Wie entsteht Wasser? H2 H+ O2- O2 H+ H H+ 2- O2 2- O H+ O H H+ H+ O2- H O H+ H © Fraunhofer IKTS
  9. 9. Brennstoffzellen-Typen O2- O2 H2 SOFC 800 °C YSZ H2O H2 H+ O2 PEM 80 °C Nafion H2O © Fraunhofer IKTS
  10. 10. Einzelzelle – mechanischer Aufbau Ionenleiter Dichtung Gaskanäle Bipolar- Bi l platte Katalysator © Fraunhofer IKTS
  11. 11. Elektrolyt bei PEMs In der Praxis werden bei PEM fast ausschließlich perfluorierte Polymerbackbones eingesetzt ( P l b kb i (vom PTFE abgeleitet), di mit b l i ) die i Säuregruppen (z.B. SO3 -) funktionalisiert werden: Immobilisierte Supersäuren (benötigen H2O zur Funktion) Guter Ionenleiter KEIN Ionenleiter, Elektronenleiter (Kurzschluss!) Gasdichte Materialien und Fertigungsverfahren Molekularstruktur von Nafion © Fraunhofer IKTS
  12. 12. Glaslot-Hybridkeramik als Dichtungsmaterial für SOFC innere Verstärkung durch externe Verstärkung Kristallausscheidung (höhere Vi k ität) (höh Viskosität) 9 Massive Proben nicht kristallisiert 10 Folie kristallisiert Folie nicht kristallisiert 8 10 Viskosität / Pa s 7 10 6 mechanisches Hybridbauteil 10 5 10 4 10 700 750 800 850 900 950 1000 Temperatur / °C Glas bleibt bei SOFC-Einsatz- BS2-Kristallite temperaturen viskos BAS-Glasmatrix Multilayer-Hybridbauteil © Fraunhofer IKTS
  13. 13. Stack – mechanischer Aufbau (Reihenschaltung) Endplatte Gasanschlüsse Stromabnehmer © Fraunhofer IKTS
  14. 14. Mathematische Simulationsverfahren Strömungsverteilung (CFD) Thermische Simulation Dynamische Systemsimulation © Fraunhofer IKTS
  15. 15. System-Zusammenbau © Fraunhofer IKTS
  16. 16. Wirkungsgrad im Vergleich zu Wettbewerbssystemen Quelle: ASUE © Fraunhofer IKTS
  17. 17. Preis im Vergleich zu Wettbewerbssystemen Brennstoffzelle Quelle: ASUE © Fraunhofer IKTS
  18. 18. Und wie sieht das in der Praxis aus? © Fraunhofer IKTS
  19. 19. Erster Versuch: Heizgerät mit PEM (2000) 40.000 Stunden Lebensdauer Echtes Erdgas (Schwefel, höhere KW) Wirkungsgrad > 35% el., > 80% gesamt Abgas Inverter Gas Strom = ~ Wasser Nutzwärme Kraft-Wärme-Kopplung © Fraunhofer IKTS
  20. 20. Ergebnis: funktioniert nicht Machbarkeit Wirtschaftlichkeit Lessons learned Stack funktioniert 1.35 kW Leistungg 80% Wirkungsgrad Erdgasbetrieb Zu groß PEM untauglich für BHKW Zu komplex Tauglich für Spezial Spezial- Lebensdauer 5000 h anwendungen (Nafion) © Fraunhofer IKTS
  21. 21. Zweiter Versuch: Diesel-Brennstoffzelle für Trucks 5.000 Stunden Lebensdauer Echter Diesel (S, Aromaten) APU = Auxiliary Power Unit Vibrationen, Thermozyklen SOFC APU Strom Diesel Wärme Kälte Leerlauf von Trucks Lärm, Feinstaub Dieselverbrauch Verschleiß 6.5 Tonnen CO2 pro LKW und Jahr © Fraunhofer IKTS
  22. 22. Ergebnis: funktioniert nicht Machbarkeit Wirtschaftlichkeit Lessons learned Interdisziplinäre Anstrengung „Stacktechnologie“ St kt h l i “ Stacktechnik unreif Simpler Systemaufbau p y Rußbildung R ßbild Geringer Dieselverbrauch Vibrationsprobleme Materialien …. kostengünstig Firmengründung © Fraunhofer IKTS
  23. 23. Aktuelle Ansätze bei Fraunhofer IKTS MikroPEM MikroSOFC SOFC-Heizgerät Schnellstartfähig g Lebensdauer < 3000 h Leicht, klein kostengünstig Lebensdauer 40.000 h Lebensdauer < 3000 h Flüssiggas kostengünstig Integration Elektronik Bioethanol Erdgas Feldtest b F ldt t ab 2011 PEM SOFC © Fraunhofer IKTS
  24. 24. Neubewertung Brennstoffzellen Erfolg = Machbarkeit UND Wirtschaftlichkeit die richtige Brennstoffzelle für die richtige Anwendung auswählen Kostenreduzierung passiert nicht von selbst Konsequenzen Reihenfolge einhalten 1. Nachdenken 2. Rechnen 3. Bauen konsequent interdisziplinär arbeiten komplexe Zusammenhänge verstehen (und nutzen) © Fraunhofer IKTS
  25. 25. Konsequenzen für Abiturienten Brennstoffzellen und Energietechnik sind eines der fas inierendsten Gebiete der Technik faszinierendsten alle Disziplinen kommen zusammen: Materialwissenschaft, Physik und Chemie y Mathematik Ingenieurwissenschaften Wirtschaftswissenschaften hohe gesellschaftliche Relevanz man k kann am E d einschalten, was man gebaut hat Ende i h lt b th t © Fraunhofer IKTS
  26. 26. Kontakt Dr. Michael Stelter Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS Winterbergstraße 28, 01277 Dresden michael.stelter@ikts.fraunhofer.de i h l t lt @ikt f h f d http://www.ikts.fraunhofer.de © Fraunhofer IKTS

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