Energieforschung konkret

Projektinfo 02/2013

Emissionsarme Energie-versorgung auf dem Rastplatz Motor aus: Dieselbetriebenes Brennstoffzellen-System liefert Strom für parkende Nutzfahrzeuge

Fernlaster brauchen auch im Stand und auf dem Rastplatz elektrische Energie – für Klimatisierung, Kommunikations-technik, Beleuchtung, Wasserkocher und Kühlschrank. Doch wenn der Fahrer für diesen geringen Energiebedarf den 400-PS-Antriebsmotor im Leerlauf grummeln lässt, verbraucht er zu viel Diesel – Lärm, Abgase und Ruß belasten die Umgebung. Als umweltfreundlichere Alternative entwickeln Ingenieure eine motorunabhängige Bordstromversorgung mit einem Hochtemperatur-Brennstoffzellen-System, das Diesel als Energieträger nutzt.

Das Fahrerhaus ist für LKW-Fahrer auf Tour zugleich Arbeitsplatz und Wohnraum. Daher besteht auch in Ruhezeiten ein großer Bedarf für eine emissionsarme und energieeffiziente Bordstromversorgung. Dieser wird angefacht von verschärften Umweltauflagen, die es zum Beispiel den US-amerikanischen Truckern verbieten, LKW-Motoren im Stand laufen zu lassen, um die Heizung oder Klimaanlage zu betrei-ben. Diese sogenannten anti-idling laws (Anti-Leerlauf-Gesetze) machen den Einbau einer unabhängigen Bordstromversorgung in Fernlastern erforderlich. Für diese Auf-gabe arbeiten Entwickler an einer neuen Bordstromanlage mit Hochtemperatur-Brenn-stoffzelle. Die Festoxid-Brennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) können die Verbraucher in der Fahrzeugkabine effizienter, leiser und emissionsärmer versorgen als die bereits auf dem Markt verfügbaren Dieselgeneratoren. Eine brennstoffzellen-betriebene Auxiliary Power Unit (APU) ist mit einem angepeilten Wirkungsgrad von 30 % viel sparsamer als eine motorbetriebene APU, die ungefähr 25 % erreicht.Brennstoffzellengeräte produzieren elektrischen Strom mit dem fünffachen Wirkungs-grad eines im Leerlauf betriebenen LKW-Motors und erreichen im Vergleich zu einer dieselbetriebenen APU einen höheren Wirkungsgrad und damit eine Kraftstoffer-sparnis von 20 %. Die Schadstoffemissionen durch Stickoxide, Kohlenmonoxid und

Dieses Forschungsprojekt wird gefördert vom:

Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)

Rußpartikel liegen an der Nachweisgrenze. Die neue Anlage ist leiser als eine Standheizung.

Entwicklung einer kompakten und sparsamen Hochtemperatur-Brennstoffzelle für LKWEine mobile Hochtemperatur-Brennstoffzelle für die Stand-Klimatisierung und Elektrifizierung von LKW-Kabinen muss zugleich leicht, kompakt und ausgesprochen ro-bust sein. Sie ist Erschütterungen und Vibrationen aus-gesetzt und ihre Bauteile, insbesondere die Stackdich-tungen, müssen durch schnelle Aufheizung und hohe Betriebstemperatur großen thermomechanischen Belas-tungen standhalten. Aus „bordeigenem“ Dieselkraft-stoff wird das Brenngas zum Betrieb der Brennstoffzelle reformiert. Der Schwefelgehalt dieses weitverbreiteten Treibstoffs bewirkt in allen Betriebsphasen kritische Wechselwirkungen zwischen den System-Komponenten. Daraus ergibt sich für die Entwickler die Herausforde-rung, die Degradation des Gesamtsystems auf ein Mini-mum zu reduzieren. Damit sich die vielversprechende neue Technologie auf dem Markt etablieren kann, müssen ihre Leistungsfähigkeit, Standfestigkeit sowie Produkti-onstechnik noch verbessert werden.Das neue Brennstoffzellengerät basiert auf einem SOFC-Leichtbau-Stack. Auf kleinstem Raum und bei extremen Temperaturen vereinigt das Gerät alle Komponenten des Systems (Abb. 1).In einem gemeinsamen Forschungsprojekt entwickeln die beteiligten Unternehmen ein System, das eine mög-lichst hohe Leistungsdichte erreicht, dauerhaft funktio-niert und kostengünstig ist. Sie verbessern Funktion und Standfestigkeit von Reformer, Brennstoffzelle, Brenner und Wärmeübertrager, entwickeln Elektronikbauteile und eine fahrzeugtaugliche Kraftstoff- und Luftversorgung mit Abgasrückführung. Auch wurden bereits die ersten Schritte Richtung Vorserie gemacht. Die Entwickler ar-beiteten bisher daran, die grundsätzliche Funktion des Gesamtsystems über mehrere Zyklen abzusichern.In einem 2012 gestarteten, bis 2015 laufenden Folgepro-jekt „Entwicklung Nutzfahrzeug-SOFC-APU“ konzentrieren sie sich auf Lebensdauertests und die seriennahe Pro-duktentwicklung. Sie gehen davon aus, dass die Brenn-stoffzellensysteme drei Jahre später marktreif sind und erwarten ein Absatzpotenzial im mittleren fünfstelligen Bereich.Die von den beteiligten Unternehmen bereits erreichten Fortschritte zur Verbesserung von Wirkungsgrad und Funktionsstabilität werden im Folgenden umrissen.

Viele kleine Schritte zur SerienreifeHauptziele bei der Stack-Entwicklung sind Zyklenfestig-keit und kurze Startzeiten. Dies konnten die Entwickler mit einem konsequenten Leichtbaukonzept aus dünnen Blechteilen bei gleichzeitiger Minimierung der Zelldicke erreichen. Für die SOFC-Abdichtung entwickelten sie ein Metall-Keramik-Fügekonzept, in dem die keramische Schicht die elektrische Isolation übernimmt und das metallische Lot für die Zyklenfestigkeit sorgt. Durch wei-tere Verbesserungen bei der Reinigung des Reformergases soll die schnelle Katalysatordegradation durch Schwefel verhindert werden. Komponenten und Bauteile müssen optimiert werden, damit sie den hohen Betriebstempe-raturen von etwa 800 °C sowie den hohen Temperatur-schwankungen beim Ein- und Ausschalten standhalten. Mit neuen Materialkombinationen arbeiten die Entwickler daran, Schäden durch Materialversagen zu verhindern.

Neue Fügetechniken und Stack-Designs verbessern die thermomechanischen Eigenschaften und damit die Haltbarkeit. Veränderungen bei Kathoden-werkstoff, Elektrolytdicke, Stackbau und Kontaktierung sollen den Brenngas-nutzungsgrad sowie die Leistungsdichte steigern. Außerdem wurden mit einem teilautomatisierten Stackbau die Voraussetzungen für eine seriennahe Pro-duktion geschaffen.

Schwefeltoleranz: Zwar stellt die SOFC wegen der höheren Betriebstempe-ratur weniger hohe Anforderungen an die Reinheit der Brennstoffe als ande-re Brennstoffzellentypen. Doch auch bei ihr verursacht der Schwefelgehalt im Dieselkraftstoff (in Deutschland ca. 10 ppm; in den USA ca. 15 ppm) bereits nach wenigen Betriebsstunden einen inakzeptablen Leistungsverlust. Deshalb arbeiteten die Entwickler daran, das System schwefeltoleranter zu machen, entweder durch eine Entschwefelung des heißen Reformats oder eine Modifizierung im Stack. Durch Stack-Veränderungen und den Einsatz eines schwefelverträglicheren Katalysators konnten sie die Leistungsab-nahme bereits deutlich reduzieren, doch es sind weitere Fortschritte erfor-derlich.

Redoxbeständigkeit: Wenn während des An- und Abfahrens des Systems Luft-Sauerstoff auf die Anodenseite des Stacks gelangt, wird die Anode zu Nickeloxid oxidiert und im anschließenden Betrieb wieder zu Nickel reduziert. Diese sogenannten Redoxzyklen können die Brennstoffzellen irreparabel beschädigen. An einer zufriedenstellenden Lösung für die Sicherstellung einer „redoxbeständigen“ APU-Einheit wird noch gearbeitet.

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Peripherie-IsoBox Stack-IsoBox

Startbrenner-wärmeübertrager

Wärmeübertrager

Stack

Stack IsoBox

Stack

+ elektr. Klimaanlage

Stackmodul

Gebläse

Luftverteilung

Kraftstoffversorgung 650 mm

Reformer

Abb. 2 Darstellung der kompletten, einbaufertigen Brennstoffzellen-APU mit ihren Hauptkomponenten. Quelle: Eberspächer

Abb. 1 Darstellung des SOFC-Systems mit den Komponenten Brennstoffzellen-Stack mit Isolationsbox, Reformer, Restgasbrenner und Abgas-Wärmeübertrager, Startbrenner und Startbrenner-Wärmeübertrager, Luftverdichter, Heißgasverdichter, elektronischer Steuerung, Ventilen und Klappen, Kraftstoffversorgung und Abgasanlage. Quelle: Eberspächer

Wechselwirkung zwischen Reformat und Anode: Während des Kaltstarts kann die Anode durch Kohlenstoff-Ablagerung irreversibel geschädigt werden. Um die Rußbildung im Stack zu vermeiden, wurden das Startkonzept sowie die Reformatqualität verbessert.

Thermomechanik: Viele Kaltstarts mit kurzen Aufheizzeiten von Raumtem-peratur auf ca. 750 °C Betriebstemperatur belasten die Komponenten stark. Tests haben gezeigt, dass thermisch induzierte mechanische Spannungen zum Versagen der Stackdichtungen führen. Dies hat zur Folge, dass der Stack ausfällt, bevor das Ziel von 250 Kaltstarts erreicht wird. Zur Verbesse-rung der thermomechanischen Beständigkeit setzen die Entwickler bei De-signoptimierung, Werkstoffentwicklung, Fügeverbindung und Betriebsstra-tegie an.

Wärmeübertrager: Da die aus der Hochtemperatur-Verfahrenstechnik verfüg-baren Wärmeübertrager die speziellen Anforderungen in SOFC-Systemen an Leistungsdichte, Schnellstartfähigkeit und Betriebstemperaturen von bis zu 900 °C nicht erfüllen, wurden ein Startbrenner-Wärmeübertrager, der das Sys-tem aufheizt sowie ein Abgas-Wärmeübertrager entwickelt, der über die Ab-gase des Restgasbrenners die Kathodenluft für die Brennstoffzelle aufheizt.Besonderer Forschungsbedarf ergab sich durch die Korrosion der hochtem-peraturfesten Stähle und durch Chrom-Abdampfung aus den Werkstoffen. Die besten Ergebnisse liefern hier Werkstoffe, die eine Al2O3-Schutzschicht ausbilden. Auch SiO2-Beschichtungen verlängern die Zeit bis zum Beginn des Oxidabplatzens.

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Im Laufe der weiteren Entwicklung zur Serienreife entschei-det sich, abhängig von den Vorgaben wie Zyklenzahl, Temperaturniveau, Kosten und dem Entwicklungsfort-schritt (bei der Chromabdampfung), welcher Werkstoff und welches Fertigungsverfahren verwendet wird.

Isolationsbox: Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Systeme brauchen eine thermische Isolierung. Diese reduziert die Wärmeverluste während des Aufheizens und sichert auch bei Teillast einen thermisch selbsterhaltenden Be-trieb. Sie verlangsamt das Abkühlen des Systems nach Abschaltung, reduziert dadurch die thermomechanische Belastung und verkürzt die Startzeit im Fall eines erneu-ten Warmstarts.

Demonstrator-System und NachfolgeprojektDas aktuelle Demonstrator-System erreicht eine elektrische Bruttoleistung von ca. 2,9 kW bei einer Reformerleistung bzw. einem Dieselinput von 10 kW. Die Unternehmen arbei-ten weiter daran, die Auswirkungen leistungsmindernder Faktoren zu reduzieren und den Wirkungsgrad von aktuell etwa 22 % zu verbessern. Im bereits gestarteten Nachfolgeprojekt soll die SOFC-APU für Tests und Demonstration der dauerhaften Funktion in ein zukünftiges LKW-Bordstromversorgungs-System integriert werden. Zielvorgabe für eine Serienanwendung ist eine Betriebsdauer von 7 Stunden, ausgehend von einer täglichen Nutzung über eine Laufzeit von etwa fünf Jahren. Das System soll nur einmal in der Woche, also nur nach den Wochenenden, kalt gestartet werden, es muss in diesem Zeitraum über 250 Kaltzyklen sowie über 1.500 Warmzyklen bewältigen.Die serienreife Brennstoffzellen-Bordstromversorgung soll bei einem Wirkungsgrad von 30 % eine elektrische Netto-Leistung von 3 kW erreichen. Pro Betriebsstunde ergibt sich dann ein Verbrauch von einem Liter Diesel. Außerdem soll das neue System bei Preis, Lebensdauer und Abmessungen möglichst besser als dieselmotorbe-triebene Systeme sein.

Abb. 3 So wird es aussehen: Dieselbetriebenes Brennstoffzellen-System am LKW. Quelle: Eberspächer

Abb. 4 a) Der funktionsfähige Prototyp des Systems: der ENSA II-Demonstrator. Quelle: Eberspächer b) Im Reformer wird der Kraftstoff zu Synthesegas umge-wandelt. Quelle: Eberspächer

Abb. 5 Systemschaltbild der SOFC-APU. Quelle: Eberspächer

Systemkonzept

Im Reformer werden Dieselkraftstoff und Umgebungsluft mittels einer katalytisch partiellen Oxidation in ein wasserstoff- und kohlenmonoxidreiches Synthesegas umgewandelt. In der SOFC entsteht bei der elektro-chemischen Reaktion von Brenngas und Luft-Sauerstoff elektrischer Strom (Abb. 5). Dieser Prozess läuft mit einem theoretischen Wirkungsgrad von mehr als 35 Pro-zent bei Temperaturen von mehr als 800 °C ab. Für die schonende Aufheizung der Brennstoffzelle sorgt ein Startbrenner-Modul aus Startbrenner und Startbrenner-Wärmeübertrager (Im Systemschaltbild nicht enthalten).Da die Brennstoffzelle nicht das gesamte Brenngas umsetzt, verwertet ein Restgasbrenner die restlichen wasserstoff- und kohlenmonoxidhaltigen Bestandteile des Brennstoffzellenabgases. Die dabei entstehende Abwärme heizt die Kathodenluft für die Brennstoffzelle. Sie ließe sich für Standheizungszwecke der Fahrzeug-kabine nutzen. Ein Teil des nicht umgesetzten Brennstoffzellen-Abga-ses wird zur Kühlung und Verbesserung des Prozesses wieder in den Reformer geleitet, ähnlich der Abgas-rückführung bei Verbrennungsmotoren.

Strom

SOFC Wärmeüber-trager

Restgas-brenner

H2

CO

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Diesel

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BINE Projektinfo 01/2010

Kontakt · InfoFragen zu diesem Projekt info? Wir helfen Ihnen weiter:

0228 92379-44BINE Informationsdienst Energieforschung für die PraxisEin Service von FIZ Karlsruhe

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Die vielseitige Brennstoffzelle Mit ihren Entwicklungsarbeiten optimieren die beteiligten Firmen das Brennstoffzellen-System für Fernlaster. Mit der Weiterentwicklung standfesterer, effizienterer und kosten-günstiger Komponenten bereiten sie den Boden für weitere Einsatzbereiche mobiler Brennstoffzellen-Systeme. Diese können Fahrzeuge mit erhöhtem Strombedarf versorgen, wie zum Beispiel Reisemobile, Yachten oder Reisebusse. Leistungsfähigere Brennstoffzellen-Anlagen lassen sich auch dafür einsetzen, die Ladung zu kühlen. Stationäre Anlagen können als BHKW zur Strom- und Wärmeerzeugung in Wohnhäusern sowie in entlegenen Gebieten, zum Beispiel in Berghütten, eingesetzt werden. Verschiedene Automobilhersteller bündeln ihre Forschungs-und Entwicklungsarbeit internati-onal, um bis zum Ende des Jahrzehnts brennstoffzellenbetriebene Fahrzeuge anbieten zu können. Da das neue Brennstoffzellen-System schwefelhaltigen Diesel als Brennstoff nutzt, ist die Gasaufbereitung sehr anspruchsvoll. Es muss sich auf dem Markt gegen Geräte behaupten können, die Methanol oder Campinggas nutzen. Gegenüber dem Leerlaufbetrieb des LKW-Motors sind mit den Brennstoffzellen-Systemen deutliche Verbrauchs-, Geräusch- und Emissionsreduzierungen erreichbar. Der CO2-Ausstoß soll im Vergleich zu marktüblichen Wettbewerbssystemen um 20 % verringert werden. Experten der Herstellerfirmen gehen davon aus, dass sich in den USA pro LKW und Jahr etwa 9.000 US-Dollar an Kraftstoffkosten einsparen lassen.Die in den bisherigen Vorhaben gesammelten Erfahrungen fließen in verschiedene Nach-folgeprojekte ein. Im europäischen Förderprojekt „Demonstration of 1st European SOFC Truck APU (DESTA)“ werden SOFC-Systeme der Hersteller AVL und Eberspächer verglichen, die beide mit Brennstoffzellen des dänischen Herstellers TopsoeFuelCell ausgestattet sind. Die Abwärme der Anlage könnte mit einer zusätzlichen Komponente zum Heizen der Kabine eingesetzt werden. Angesichts der hohen Betriebs- und Standby-Temperaturen bietet es sich an, in Folgeprojekten Konzepte dafür zu entwickeln.

ProjektorganisationBundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)11019 Berlin

Projektträger Jülich Forschungszentrum Jülich GmbH Dr. Peter Malinowski 52425 Jülich

Förderkennzeichen 0327823A-C, 0327703A-C

ImpressumISSN0937 - 8367

Herausgeber FIZ Karlsruhe GmbH · Leibniz-Institut für Informationsinfrastruktur Hermann-von-Helmholtz-Platz 1 76344 Eggenstein-Leopoldshafen

AutorGerhard Hirn

TitelbildSuper Road Train. Herd Integrated Vehicle Protection, Winnipeg, Canada, www.herd.com

UrheberrechtEine Verwendung von Text und Abbildungen aus dieser Publikation ist nur mit Zustimmung der BINE-Redaktion gestattet. Sprechen Sie uns an.

Projektbeteiligte >> Projektleitung, Entwicklung Reformer und Gesamtsystem: Eberspächer Climate Control Systems

GmbH & Co. KG, Esslingen, Andreas Kaupert, andreas.kaupert@eberspaecher.com>> Entwicklung und Fertigung SOFC-Stack: ElringKlinger AG, Dettingen, Dr. Thomas Kiefer,

thomas.kiefer@elringklinger.de >> Herstellung von Hochleistungs-Wärmeübertragern: BEHR GmbH & Co. KG, Stuttgart,

Martin Brenner, martin.brenner@behrgroup.com >> Grundlagenentwicklung Reformer/Restgasbrenner, Entwicklung von Betriebsstrategien,

Lebensdaueruntersuchungen: Oel Waerme Institut (OWI), Aachen, Jörg vom Schloß, j.vomschloss@owi-aachen.de

>> Tests der Wärmeübertrager und Stacks, Entwicklung von Betriebsstrategien: Forschungszentrum Jülich, Prof. Ludger Blum, l.blum@fz-juelich.de

Links und Literatur>> www.eberspaecher.com | www.elringklinger.de | www.behrgroup.com

www.owi-aachen.de | www.fz-juelich.de | www.now-gmbh.de | www.desta-project.eu>> Verbundprojekt ENSA II: „Entwicklung Nebenaggregate SOFC-APU II“ FKZ 0327823A-C>> Verbundprojekt ENSA III: „Entwicklung SOFC-APU“ (2012 – 2015) FKZ 03ET2048A-C>> Verbundprojekt ZeuS III: „Entwicklung eines industriell herstellbaren Leichtbau-SOFC-Stacks“

FKZ 0327766A-D>> FIZ Karlsruhe GmbH. BINE Informationsdienst, Bonn (Hrsg.): Bordstromversorgung mit

Brennstoffzellen. 2011. Projektinfo 10/2011>> FIZ Karlsruhe GmbH. BINE Informationsdienst, Bonn (Hrsg.): Neue Wege in der Hausenergieversorgung –

Mit Brennstoffzellen-Heizgeräten effizienter Strom und Wärme erzeugen. 2012. Projektinfo 05/2012

Mehr vom BINE Informationsdienst>> Dieses Projektinfo gibt es auch online und in englischer Sprache unter www.bine.info

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