19. März 2007 1

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alp²s fuel cell systems

Projekt

Aircraft SOFC

P. Claassen, H. Wancura, N. Huber, R. Claassen

ALPPS Fuel Cell Systems GmbH

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Kurzvorstellung alp²s

• Gegründet: 2002 als GmbH

• Sitz: Graz• Corporate Mission: Advanced

LowPollution PowerSystems

Innovation in umweltfreundlicher Energie im Leistungsbereich bis ca. 100 kW

Die neuen Freiheitsgrade der Brennstoffzellentechnologie nutzen (Ergänzung statt Ersatz)

•Mitarbeiterstand: 25, davon 15Ingenieure oder Wissenschaftler•3 mittätige Gesellschafter

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Zwei Bereiche, vier Produktfamilien

• Bereich Brennstoffzellensysteme– alp²s premium power unit

• (Bio-)Diesel-Brennstoffzellen-Stromaggregat

• alp²s kryotest 1– Prüfvorrichtung für H2-Speicherung

– alp²s ReDeNOx• Innovatives Abgasentstickungssystem

• Bereich Thermische Systeme– Kraftwerkskomponenten

• Fertigung im Kundenauftrag

– alp²s Dampfprozess• Energetische Nutzung von Abwärme in kleinen Leistungsklassen(bis 100 KWe)

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alp²s ReDeNOx

• Die alp²s Technologie zur Reduktion von NOx nutzt den Kraftstoff, der den Hauptmotor antreibt.

• Reduktionswerte von 90 % wurden in Labortests erreicht und zeigen Potentiale bis unter 10 ppm.

DeNOx Efficiency

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 100 200 300 400 500 600

Exhaust Gas Temperature [°C]

NO

x C

on

ve

rsio

n R

ate

Storage Catalyst Ammonia SCR ReDeNOx

Typical Diesel

Exhaust Gas

Temperature after

Diesel Particulate

Filter

• NOx-Reduktion für Motoren, Heiz- und Kraftwerke, Turbinen, etc.

NOx-Reduktion

Reformierung

Partikelfilter

Auspuff

Dieseltank

Selektive Katalytische Reduktion der NOx mittels Reformer ProduktgasMotorabgas

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alp²s Kryotest 1

• Anwendung: Entwicklung neuer H2-Speichermethoden für den Einsatz in Fahrzeugen

Prüfsystem zur Wasserstoffspeicherung

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alp²s Premium Power Unit (AP²U)

• Diesel, Kerosin, biogeneflüssige Kraftstoffe, Biogas

• Leistungsbereich 1,5 bis >100 kWe

• 24VDC, 28VDC, 270VDC, 230 VAC, 400VAC

• Turn Key System (vom

Kraftstoff zu Strom und Wärme)

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alp²s Mikrotubuläre Brennstoffzelle(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)

0

100

200

300

400

500

600

700

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900

94 96 98 100 102 104 106 108

time (minutes)

Te

mp

era

ture

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

cu

rre

nt

(A)

furnace temperature

loading

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

Cycle num be r

Cu

rre

nt

(A)

current 40% ocv

current 20% ocv

current 10% ocv-17,5% / 1000 cycles

-7,8% / 1000 cycles

Zyklustests zeigen hervorragende Eigenschaften für mobilen Einsatz unter variabler Last.

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Mikrotubuläre SOFC

© FH Wels, 2006

Zell- und Mikroreaktor-Testanlage, REM und CT an der FH Wels

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Stack Simulation

Erwärmung Kathode / Luft

Erwärmung AnodeBearbeitung: Uni Tor Vergata, Rom

CFD der Aufheizphase zeigt Stack betriebsfähig nach 5 min

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Aircraft SOFC : Projektziel

• Bau eines Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Stacks für Luftfahrtanwendung

– Erarbeiten von Spezifikationen und Entwicklungszielen aufgrund erster Erprobung

– Test an Kundenprüfstand

– Machbarkeits- und Fehleranalyse

– Planung der nächsten Entwicklungsschritte

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Warum BZ als APU?

• „More Electric Aircraft“ erfordert mehr elektrische Leistung

– Derzeitige APU wird zu schwer und ist nicht für Dauerbetrieb gedacht

• Beitrag zur Kraftstoff- und CO2-Senkung durch besseren Wirkungsgrad

– Studie hat Kraftstoffeinsparungspotential in % Größe ergeben

• Modularität

• Nutzung von Abwärme und Wasser aus dem Abgas der BZ

– Einsparung von Startgewicht

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Warum Hochtemperatur-BZ ?SOFC (Solid Oxide Fuel Cell)

• Kann alle Kraftstoffe (Wasserstoffträger) verarbeiten– Bessere Energienutzung als bei (derzeitigem) Wasserstoff

• Abwärme als Prozeßwärme nutzbar (bis 700°C)

• Innenreformation von Kraftstoffen möglich – Hoher elektrischer Wirkungsgrad (bis 70% im Labor)

• Verarbeitet nicht nur Wasserstoff, sondern auch CO

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SystemaufbauFlußschema

Stack

Tail Gas

Burner

Vaporizer

Reformer

Air

Fuel Pump

Compressor Airfilter

Fuelfilter

Fuel

Wet Air

Anode OffgasCondenser

Cathode Offgas

Projektumfang Aircraft SOFC

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Besondere Bedingungen

• Betrieb mit handelsüblichem Kerosin– Relativ hoher Schwefelgehalt (erst in weiterer Stufe bearbeitet)

• Betrieb von 0 bis 14.000 m Seehöhe– Luftdruck in Höhe nur 1/5 vom Bodendruck

• Hohe Lebensdauer (20.000 h)

• Kurze Startzeit

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Umsetzung (FTE Strategie)

Università di Tor Vergata, Rom

FH Wels

alp²s15 R&D Staff

.

F&E – Kooperation:

Forschung im Netzwerk mit erfahrenen Partnern, die aktives Interesse an unserer Aufgabenstellung zeigen.

Universität d.Saarlandes

arsenal research

Airbus / EADS

Südchemie

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Stack ModulGeneration1

Erster alp2s-SOFC-Stackmodul vorgeführt bei “Zukunft Wasserstoff” in Linz, October 2003Start-Zeit < 1min

Kooperation mit

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Stack ModulGen3 - MidiReaktor

• Kleinster Modul im System

• Elektrisch parallel und seriell verschaltet

• Bis zu 150We je Modul

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SOFC SystemeHaupt-Komponenten

• Stack / Zelle

• Reformer– ATR (1. Generation)– CPO (Serienlösung)

• BoP (bis 900°C)– Wärmetauscher– Ventile, Pumpen, Verdichter– Brenner

• Leistungselektronik– Für hohe Ströme

• Regelung

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FunktionsmusterSystem Design

• Beispiel eines 3kWe

netto Funktionsmusters mit ATR-Reformer

• Vollständiges System zum Betrieb des Stacks

• Kraftstoffvarianten:– Diesel

– Biodiesel

– Kerosin

Stack-Zone

Hot-Zone

Cold-Zone

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Weitere Planung

• 2008/9 Serienanlauf für Bodenanwendungen

• 2009/10 flugfähiger Prototyp

• 2012/15 Einsatz im Flugzeug

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Eine der Voraussetzungen:zukünftige Systemgrößen

?

3kWe

6 kWeAPU HD Truck

15 kWeAPU MAS

3 kWeNiCd Batt. MAS

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ALPPS Fuel Cell Systems GmbHExerzierplatzstrasse 4 A-8051 Graz/AUSTRIA

office@alpps.atKontakt:

Dirk Peter Claassen, Herbert Wancura

Wir danken herzlich:

-dem BMVIT und den Juroren von Take Off für das Vertrauen, das eine „radikale“ Innovation wie diese erst möglich macht.

-der FFG für eine professionelle und verständnisvolle Betreuung

-Airbus und EADS für den Vertrauensvorschuss, vom Konzept weg eine Kooperation einzugehen, die sich als sehr fruchtbar erwiesen hat.

-Hrn. Prof. Meissner und seinem Team der FH Wels für wertvolle fachliche Unterstützung und großes Engagement.

-unseren Mitarbeitern für außergewöhnlichen Einsatz und den unerschütterlichen Glauben an die große Aufgabe