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

1. Fuel Cells Reloaded
Brennstoffzellen hinterfragt
Dr. Michael Stelter
© Fraunhofer IKTS

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
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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
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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
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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
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6. Elektrolysezelle
- +
4 H+ + 4 e- −−> 2 H2
> 2 O2- −−> O2 + 4 e-
>
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7. Brennstoffzelle
U = 1.23 V
- +
2 H2 −−> 4 H+ + 4 e- O2 + 4 e- −−> 2 O2-
H2 O2
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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
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9. Brennstoffzellen-Typen
O2- O2
H2
SOFC
800 °C
YSZ
H2O
H2 H+ O2
PEM
80 °C
Nafion
H2O
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10. Einzelzelle – mechanischer Aufbau
Ionenleiter Dichtung
Gaskanäle
Bipolar-
Bi l
platte
Katalysator
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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
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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
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13. Stack – mechanischer Aufbau (Reihenschaltung)
Endplatte
Gasanschlüsse
Stromabnehmer
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14. Mathematische Simulationsverfahren
Strömungsverteilung (CFD)
Thermische Simulation
Dynamische Systemsimulation
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15. System-Zusammenbau
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16. Wirkungsgrad im Vergleich zu Wettbewerbssystemen
Quelle: ASUE
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17. Preis im Vergleich zu Wettbewerbssystemen
Brennstoffzelle
Quelle: ASUE
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18. Und wie sieht das in der Praxis aus?
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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
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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)
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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
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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
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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
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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)
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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
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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
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