THEMEN 1999-2000 SONNENENERGIE VERBUND FORSCHUNGS- · damit auch für den wissenschaftlichen Nachwuchs der Unternehmen. Mein Dank gilt allen an der erfolgrei-chen Entwicklung der

FORSCHUNGS-

VERBUND

SONNENENERGIE

THEMEN 1999-2000

ZUKUNFTS-

TECHNOLOGIE

BRENNSTOFFZELLE

FORSCHUNGSVERBUND SONNENENERGIE

c/o Hahn-Meitner-Institut GmbH (HMI),

Kekuléstraße 5, 12489 Berlin

Telefon (0 30) 6 70 53-3 38 · Telefax (0 30) 6 70 53 -3 33

E-Mail: [email protected]

Hinweis

Umschlagsentwurf: Prof. HP Schall,Trier Die Jahrestagung 1999 „Zukunftstechnologie Brennstoffzelle “des FORSCHUNGSVERBUND SONNENENERGIE fand vom 15.-16.9.1999 im Kultur-und Tagungszentrum Edwin-Scharff- Haus in Neu-Ulm statt und stand unter der Schirmherrschaft des Bundesministers für Wirtschaft und Technologie (BMWi),Herrn Dr. Werner Müller.

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TECHNOLOGIE

BRENNSTOFFZELLE

THEMEN 1999-2000

Geleitwort 3

R. Theenhaus, K. BonhoffBrennstoffzellensysteme – ein Überblick 4

N. Wagner, E. Gülzow, L. Jörissen, J. Mergel, A. HeinzelEntwicklungslinien auf dem Gebiet der Membran-Brennstoffzellen (PEFC) 11

I. HermannElektrofahrzeuge mit PEM-Brennstoffzellen 19

A. Heinzel, A. Brinner, J. ScholtaPEM-Brennstoffzellen in derKraft-Wärme-Kopplung 22

J. Scholta, M. ZeddaPortable Anwendungen mit PEM-Brennstoffzellen 26

L. Jörissen, H. Dohle, U. Stimming, M. ZeddaStand und Zukunft der Direkt-Methanol-Brennstoffzelle 32

P. Mok, D. WalliserBrennstoffzellen – saubere Antriebe fürStraßenfahrzeuge von morgen 40

J. Pasel, R. Peters, M. SpechtMethanol – Herstellung und Einsatz alsEnergieträger für Brennstoffzellen 46

A. Heinzel, C. Palm, B. VogelReformierung von Kohlenwasserstoffen 54

U. Bünger, B. Höhlein, A. Patyk, M. PehntEnergieketten 59

H. Grubel, G. NewiPraktische Erfahrungen mit derPhosphorsauren Brennstoffzelle 65

M. BischoffStand der MCFC-Brennstoffzellentechnik 72

K. HassmannProduktentwicklung Festelektrolyt-Brennstoffzellen (SOFC) 76

U. Birnbaum, H. Dienhart, J. Nitsch, F. Staiß, M. WalbeckDie Marksituation von Brennstoffzellen 81

FORSCHUNGSVERBUND SONNENENERGIE „THEMEN 1999/2000“

GeleitwortWirtschaftliche Techniken zur dezent-ralen Energieversorgung sind wesentli-che Elemente der von der Bundesre-gierung angestrebten neuen, zukunfts-fähigen Energiepolitik.

Hierbei versprechen Brennstoffzelleneine bedeutende Rolle zu spielen, weilsie Strom und Wärme besonders effizi-ent, umweltfreundlich und flexibel be-reitstellen. Fossile Brennstoffe könnenebenso eingesetzt werden wie Metha-nol oder Biogas aus regenerativenQuellen. Brennstoffzellen sind – nebender Wasserkraft – die erste realistischeAlternative zu Wärmekraftmaschinenfür die Stromerzeugung im wirtschaft-lich relevanten Maßstab. In Verbindungmit dem Elektroantrieb können sie dieerste wirtschaftliche und umweltfreund-liche Alternative zum Verbrennungs-motor werden. Die Anwendungsper-spektiven zur Kraft-Wärme-Kopplungim stationären Bereich sind hervorra-gend.

Das Bundesministerium für Wirtschaftund Technologie setzt daher aus tech-nologie- und wirtschaftspolitischerSicht auf die Brennstoffzelle als einenpotenziell sehr bedeutenden Wirt-schaftsfaktor. Durch Bündelung allerKräfte in Unternehmen, Forschungs-einrichtungen und Universitäten, durchLizenznahme und Weiterentwicklungausländischer Patente sowie durch In-dustrie- und Forschungskooperationenund nicht zuletzt durch die öffentlicheFörderung konnten deutsche Forscherund Technologieentwickler einen Spit-zenplatz im weltweiten Vergleich er-obern. In enger Kooperation zwischenUnternehmen und Forschungseinrich-tungen entstanden Kompetenzzentren,die auch ausländische Unternehmen

Dr. Werner MüllerBundesminister für Wirtschaft und Techno

zur Gründung von Entwicklungs- undFertigungsstätten in Deutschland ver-anlassten. Unternehmen finden inDeutschland somit eine solide tech-nisch-wissenschaftliche Basis für Pro-duktentwicklung und -vermarktungvor.

Die Bundesregierung fördert die Brenn-stoffzellenentwicklung aus Projekt-mitteln, über die letzten zehn Jahremit insgesamt etwa 130 Mio. DM.Unterstützt werden heute in besonde-rem Maße industrielle Verbundpro-jekte. Ihr besonderer Charme ist, For-schungsinstitute wie auch potenzielleindustrielle Zulieferer mit den Techno-logieführern zu verbinden und sie sofür den Weltmarkt zu qualifizieren.Durch Forschungsverbünde zwischenWissenschaft und Industrie wird For-schung und Anwendung in einem pa-rallel laufenden Prozess angegangen.

Eine besondere Rolle bei der Entwick-lung spielen die Forschungsinstitutionendes FORSCHUNGSVERBUND SONNEN-ENERGIE: In Abstimmung mit der Indu-strie betreiben sie sowohl Grundlagen-als auch angewandte Forschung undsetzen dabei beträchtliche Mittel ausihrer Grundfinanzierung ein; sie sorgendamit auch für den wissenschaftlichenNachwuchs der Unternehmen.

Mein Dank gilt allen an der erfolgrei-chen Entwicklung der Brennstoffzellen-technologie beteiligten Instituten, Un-ternehmen, Wissenschaftlern, Ingeni-euren und Technikern, die so zur lang-fristigen Sicherung des Technologie-standorts Deutschland beitragen. Ichwünsche allen weiterhin viel Erfolg beider Weiterentwicklung der Brennstoff-zelle bis zur Marktreife.

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logie


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Brennstoff-zellensysteme –ein Überblickvon Rolf Theenhausund Klaus Bonhoff

Prof. Dr.-Ing. Rolf Theenhaus war bis zum30.09.1999 Vorstand für den Bereich Energie undDr.-Ing. Klaus Bonhoff ist Assistent des Vorstan-des im Forschungszentrum Jülich (FZJ), Jülich

Überblick

Die Umweltbelastungen durch Energie-nutzung sowie der steigende Weltener-giebedarf machen eine effiziente undschadstoffarme Nutzung von Energienotwendig. Vor diesem Hintergrund hatdie Brennstoffzellentechnologie dieChance, einen Beitrag zur Energiever-sorgung der Zukunft zu leisten. DieMerkmale und die vielfältigen Anwen-dungsmöglichkeiten von Brennstoff-zellensystemen werden in diesem Bei-trag dargestellt.

The environmental strain caused by energyuse and rising global energy demandrenders an efficient utilization of energyat low emission levels paramount. In thissituation, fuel cell technology offers anopportunity to make a future energysupply system more sustainable. Thisarticle describes the characteristics andmulti-faceted application possibilities offuel cell systems.

1. Einleitung

Der Energiemarkt in Deutschland un-terliegt derzeit einem starken Wandel.Seit Inkrafttreten des neuen Energie-wirtschaftsgesetzes Ende April 1998findet ein scharfer Wettbewerb derEnergieversorgungsunternehmen umden Stromkunden statt, was sinkendeStrompreise zur Folge hat. Anderer-seits kann durch die Liberalisierung für

Abbildung 1: Funktionsschema einer BrenElektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEM

alle Betreiber energietechnischer Anla-gen die Möglichkeit der Stromeinspei-sung in das öffentliche Netz an Bedeu-tung gewinnen. Neben diesem Wandeldes Ordnungsrahmens führt die volks-wirtschaftliche Marktentwicklung zuVeränderungen auf dem Strommarkt.Bei insgesamt nahezu stagnierendemEndenergieverbrauch wird der Anteildes Stromverbrauchs in Deutschlandin den nächsten Jahrzehnten weiterwachsen. Weltweit führen die raschwachsende Bevölkerung einerseitsund die zunehmende Industrialisierungbzw. die Anpassung der Entwicklungs-länder an die energieintensiven Ge-wohnheiten der führenden Industrie-nationen andererseits zu einem unver-meidbaren weiteren Anstieg des Welt-energieverbrauchs.

Diesen absehbaren Veränderungenstehen die Notwendigkeiten gegen-über, angesichts der Endlichkeit derfossilen Ressourcen und der globalenAuswirkungen der durch ihre Nutzungverursachten Luftschadstoffe auf dasKlima, Energie zu sparen, fossile Ener-gieträger rationell zu nutzen und Emis-sionen zu vermeiden oder zumindestzu reduzieren.

Das langfristige Ziel muss in allen Be-reichen der Energieversorgung sein,den globalen Energiebedarf aus emis-

nstoffzelle am Beispiel einer Polymer-)


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sionsfreien oder regenerativen Ener-giequellen zu decken. Um dieses Zielzu erreichen, ist ein technologischerWandel notwendig, zu dem die Brenn-stoffzellentechnologie schon in derÜbergangsphase einen erkennbarenBeitrag leisten kann.

2. Grundlagen und Merkmale vonBrennstoffzellen

Eine Brennstoffzelle wandelt die in che-mischen Energieträgern gespeicherteEnergie direkt in elektrische Energieum. Der ideale Energieträger ist Was-serstoff. Der prinzipielle Aufbau einerBrennstoffzelle ist in Abbildung 1 amBeispiel einer Polymer Elektrolyt Mem-bran-Brennstoffzelle (PEM) dargestellt.

An der Anode wird Wasserstoff undan der Kathode Luft bzw. Sauerstoffzugeführt. Diese beiden mit Katalysa-toren beschichteten Elektroden sinddurch eine gasdichte Membran, demElektrolyten, voneinander getrennt,der bei der PEM-Brennstoffzelle aus

Abbildung 2: Brennstoffzellentypen

einem Polymer besteht. An der Anodedissoziieren die Wasserstoffmolekülezu Protonen und Elektronen. Die Elekt-ronen werden über einen äußeren Verbraucher geleitet und können dortelektrische Arbeit verrichten. Die Was-serstoff-Protonen werden durch dieionendurchlässige Membran zur Ka-thode transportiert. Dort reagieren siemit dem vorhandenen Sauerstoff undden vom Verbraucher kommendenElektronen zu Wasser. Aus den Geset-zen der Thermodynamik folgt für einesolche Einzelzelle eine maximale Leer-laufspannung von 1,23 V (Umgebungs-temperatur, atmosphärischer Druck),die im Lastbetrieb typischerweise aufetwa 0,7 V absinkt. Der Teil des Wasserstoffenergieinhalts, der nicht in elektri-sche Energie umgewandelt werdenkann, wird als Wärme frei. Zur Steige-rung der Gesamtspannung sowie derLeistung werden Einzelzellen zu Stackszusammengefügt.

Neben dem in einer PEM-Brennstoff-zelle verwendeten Polymer können

eine Reihe weiterer Materialien als Elekt-rolyt verwendet werden. Abbildung 2zeigt die heute verwendeten Brennstoff-zellensysteme mit ihren gebräuchlichenAbkürzungen.

Die Grundfunktionen der Trennschichtzwischen der Anode und der Kathode

Gebräuchliche Abkürzungen fürBrennstoffzellensysteme

AFC alkaline fuel cellalkalische Brennstoffzelle

PEMFC polymer electrolyte membranefuel cellPolymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle

DMFC direct methanol fuel cellDirektmethanol-Brennstoffzelle

PAFC phosphor acid fuel cellphosphorsaure Brennstoffzelle

MCFC molten carbonite fuel cellSchmelzkarbonat-Brennstoffzelle

SOFC solid oxyde fuel celloxidkeramische Brennstoffzelle

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Abbildung 3: Spezifische Luftschadstoffemissionen verschiedener stationärerElektrizitätserzeugungstechniken (Quelle: VDEW)

Abbildung 4: Vergleich der spezifischen limitierten Emissionen für den PKW-Antrieb(Quelle: Forschungszentrum Jülich )

sind in allen Systemen dieselben: gas-dichte Trennung von Brenngas undSauerstoff einerseits sowie Durchläs-sigkeit für die an der jeweiligen Reakti-on beteiligten Ionen andererseits.

Da die unterschiedlichen Elektrolytebei unterschiedlichen Temperatureneine für den effektiven Betrieb einerBrennstoffzelle genügend gute Ionen-Leitfähigkeit haben, unterscheidetman zwischen den Niedertemperatur-brennstoffzellen (AFC, PEM, DMFC,PAFC) und den Hochtemperaturbrenn-stoffzellen (MCFC, SOFC). Die Betriebs-temperatur wirkt sich in zweierlei Hin-sicht auf die Zelle aus: Zum einen nimmtdie Gefahr der Vergiftung der Kataly-satoren durch Verunreinigungen imBrenngas (z.B. Kohlenmonoxid) mit zu-nehmender Betriebstemperatur ab,zum anderen steigen die Anforderun-gen an die Konstruktionsmaterialiender Zelle, z.B. aufgrund der Wärme-dehnung beim An- und Abfahren derZelle. Während die AFC, die PAFC unddie MCFC bei Betriebstemperatur einenflüssigen Elektrolyten haben, sind dieElektrolyten der PEM und der SOFC fest.

Vorteile

Die Gründe, Brennstoffzellen heute fürdie verschiedensten Anwendungen zunutzen, leiten sich aus den im Folgen-den dargestellten Vorteilen ab, die Brenn-stoffzellen gegenüber konventionellenVerbrennungskraftprozessen haben.

Wirkungsgrade

Der elektrische Wirkungsgrad gibt an,welcher Anteil der im Energieträgerchemisch gebundenen Energie in elek-trische Energie umgewandelt werdenkann. Die Prozesse der elektrochemi-schen Energieumwandlung der Brenn-stoffzelle unterliegen anderen Gesetz-mäßigkeiten (Nernst) als die der Ver-brennung der Wärmekraftmaschinen(Carnot). Hieraus leiten sich zwei we-sentliche Vorteile für die Brennstoffzelleab. Zum einen liegt der erreichbare Wir-kungsgrad von Brennstoffzellensystemenüber dem konventioneller Anlagen wieMotoren oder Turbinen. Zum anderenerreichen Brennstoffzellen den gutenWirkungsgrad über einen weiten Last-bereich, was sich insbesondere bei An-wendungen mit stark wechselndem Lei-stungsbedarf, wie z.B. Fahrzeugantrieb,positiv auswirkt. Schon heute werden

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mit Brennstoffzellensystemen die Wir-kungsgrade konventioneller Anlagen er-reicht oder auch überschritten. Die theo-retische Grenze ist aber für Brennstoff-zellensysteme bei weitem noch nicht er-reicht, sodass noch ein hohes Entwick-lungspotenzial vorhanden ist.

Schadstoffemissionen

Für den Fall, dass der Wasserstoff ausregenerativen Energiequellen herge-stellt wird, ist die Bereitstellung elektri-scher Energie in einer Brennstoffzelleemissionsfrei. Da die Basis der heutigen


Energieversorgung fossile Energieträgersind, muss die Bereitstellung des Was-serstoffs aus diesen kohlenstoffhaltigenQuellen im Hinblick auf die Emissionenberücksichtigt werden.

Für den Bereich der stationären Ener-gieversorgung bietet sich aus heutigerSicht Erdgas als Brennstoff für Brenn-stoffzellensysteme an. Dieses wird ineinem der Brennstoffzelle vorgelager-ten Prozess so weit aufbereitet, dasshauptsächlich Wasserstoff und Kohlen-dioxid entstehen. Messungen der da-rüber hinaus frei werdenden Luftschad-stoffemissionen (SO

2, NO

x, CO, NMVC,

Staub) an einem Brennstoffzellenblock-heizkraftwerk (PAFC) zeigen den deut-lichen Vorteil dieses Systems gegen-über konventionellen stationären Elek-trizitätserzeugungstechniken (Abbil-dung 3).

Abbildung 4 zeigt den Vorteil des Brenn-stoffzellensystems als PKW-Antriebhinsichtlich der spezifischen limitiertenEmissionen. Als Energieträger wirdhier flüssiges Methanol verwendet.

Abwärmenutzung und Gesamt-nutzungsgrad

Neben elektrischer Energie wird beider Umwandlung in der Brennstoff-zelle auch Wärme frei. Diese kann –abhängig von der Betriebstemperaturder Brennstoffzelle – genutzt werden.Die Abwärme der PEM (<80 °C) sowieder PAFC (<170 °C) bieten sich z. B. fürdie Nahwärmenutzung in Gebäudenan. Die hohen Temperaturen derMCFC (<650 °C) oder der SOFC(<950 °C) bieten die Möglichkeit derFernwärmenutzung bzw. der Nutzungin industriellen Prozessen.

Abbildung 5.: Basiskomponenten eines Br

Aus der Nutzung der elektrischen zu-sammen mit der thermischen Energieergibt sich ein hoher Gesamtnutzungs-grad bezogen auf den eingesetztenBrennstoff von bis zu 90 %. Die Kraft-Wärme-Kopplung bietet gegenüberheute eingesetzten Systemen, die ge-trennt Strom und Wärme bereitstellen,hinsichtlich des Nutzungsgrads und da-mit auch hinsichtlich der CO

2-Emissio-

nen deutliche Vorteile.

Vorteile von Brennstoffzellen:

• hoher elektrischer Wirkungsgradin einem weiten Lastbereich

• bei Wasserstoffbetrieb keineEmissionen

• bei Einsatz von Kohlenwasserstof-fen und einer vorgelagertenBrennstoffaufbereitung nur sehrgeringe Emissionen

• hoher Gesamtwirkungsgraddurch Abwärmenutzung

• einfache Leistungsanpassungdurch modularen Aufbau

• mechanisch einfache Systemeohne bewegte Teile

• keine Vibrationen• geräuscharmer Betrieb

3. Anwendungen von Brennstoff-zellensystemen

Die Verwendung fossiler Energieträgerzur Deckung des weltweiten Energie-bedarfs wird in den kommenden Jahr-zehnten weiterhin unvermeidlich sein.

Für die Nutzung dieser kohlenstoffhal-tigen Energieträger sind neben demBrennstoffzellenstack weitere Kompo-nenten notwendig. Ein allgemeinesSchema eines kompletten Brennstoff-

ennstoffzellensystems für kohlenstoffhaltig

zellensystems ist in Abbildung 5 darge-stellt. Der Energieträger (Benzin, Die-sel, Methanol, Erdgas...) wird ineinem Reformer in ein wasserstoff-reiches Synthesegas umgewandelt.Nach weiterer Gasnachbehandlungund -reinigung wird der Wasserstoffder Brennstoffzelle zur Stromerzeu-gung zugeführt. Der Strom muss danngegebenenfalls der elektrischen Lastangepasst werden. Die Abwärmekann entweder im Prozess selber ge-nutzt werden oder als Nutzwärme aus-gekoppelt werden.

Die Anwendung, in der das Brennstoff-zellensystem eingesetzt wird, legt dieRahmenbedingungen und die Anforde-rungen fest, woraus sich die Komplexi-tät des Gesamtsystems ergibt (sieheAbbildung 6). So ist im Einzelfall zuentscheiden, welcher Reformer einge-setzt wird, welche Verunreinigungenim Wasserstoff für die Brennstoffzelleakzeptabel sind oder in welcher Formdie Nutzenergien Strom und Wärmeaufbereitet werden müssen.

Im Folgenden werden die heute be-triebenen, demonstrierten, entwickel-ten und diskutierten Anwendungenvon Brennstoffzellensystemen darge-stellt. Dabei wird zunächst auf dieNischenmärkte Raumfahrt und U-Boo-te und danach auf die MassenmärkteFahrzeuge, stationäre Energieversor-gung, Hausenergieversorgung und Bat-terie-Ersatz eingegangen.

3.1 Nischenmärkte

In Nischenmärkten sind in der Regelweniger die Kosten als vielmehr die Er-füllung spezieller Anforderungen dasKriterium für den Einsatz eines Pro-

7

e Energieträger


Abbildung 6: Einfluss der Anwendung auf die Komplexität des Brennstoffzellensystems

dukts. So wird die Brennstoffzelle seitden sechziger Jahren in Raumfahrt-und militärischen Anwendungen (U-Boot) eingesetzt. Die Systeme müssenfür diese Anwendungen autonomStrom bereitstellen und dabei mög-lichst einfach und in jedem Fall zuver-lässig sein.

Brennstoffzellen in der Raumfahrt

Eine zuverlässige Energieversorgung istdie Voraussetzung für die Lebenserhal-tung und für die Durchführung von Ex-perimenten an Bord von Raumkapselnim Weltall. Schon die ersten Gemini-Missionen (1964-1966) hatten hierfürPEM-Brennstoffzellen an Bord, die ausFlüssig-Wasserstoff- und -Sauerstoff-Tanks versorgt wurden. Es folgtendie Apollo-Missionen (1966-1972), indenen alkalische Brennstoffzellen(AFC) eingesetzt wurden. In beidenFällen diente eine Nickel-CadmiumBatterie als back-up-Versorgung. ImSpace-Shuttle werden seit 1981 eben-falls alkalische Brennstoffzellen einge-setzt. Die Back-up-Versorgung überBatterien gibt es dabei nicht mehr.Neben der Stromversorgung tragendie Brennstoffzellen mit dem entste-henden Wasser zur Trinkwasser-versorgung der Astronauten bei.

Brennstoffzellen in U-Booten

Die Merkmale der Brennstoffzelle,vibrationsfrei und geräuscharm Stromzu erzeugen, spielen in der Versorgungvon U-Booten eine entscheidende Rol-le. Das für diese Anwendung bishergrößte Brennstoffzellensystem (PEM,3 x 3 Module à 34 kW) soll ab 2003ein deutsches U-Boot der Klasse 212antreiben und mit Strom versorgen.Der Wasserstoff wird in Metallhydrid-speichern mitgeführt. Durch den Ein-satz der Brennstoffzelle kann die Tauch-zeit um den Faktor 5 gegenüber her-kömmlicher Technologie verlängertwerden.

3.2 Massenmärkte

Brennstoffzellensysteme in Fahrzeu-gen, zur stationären Energieversor-gung, für die Hausenergieversorgungoder als Batterieersatz anzuwendenheißt, Märkte zu bedienen, in denenneben der Zuverlässigkeit die Wirt-schaftlichkeit entscheidend ist. DerEinsatz kohlenstoffhaltiger Energieträ-

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ger ist in diesen Märkten aufgrund dervorhandenen Infrastruktur in dennächsten Jahren unumgänglich (sola-rer Wasserstoff wird erst sehr langfris-tig verfügbar sein können; Wasserstoffaus Kernenergie hängt an der Akzep-tanzfrage dieser Energietechnik). Dem-nach ist der Bereitstellung von Wasser-stoff durch Reformer und Gasnach-behandlung in diesen Systemen be-sondere Aufmerksamkeit zu widmen.Dies hat auch Auswirkungen auf dieWahl des geeigneten Brennstoffzellen-typs. Während die Niedertemperatur-brennstoffzellen nur sehr geringe Ver-unreinigungen vertragen und somiteine aufwendige Reinigung notwendigist, kann bei den Hochtemperaturbrenn-stoffzellen hierauf verzichtet werden.Darüber hinaus spielen Fragen dernotwendigen mechanischen Stabilitätund des verfügbaren Volumens eineRolle.

Brennstoffzellen für den Antrieb vonFahrzeugen

Bei der Verwendung von Brennstoff-zellen für den Pkw-Antrieb wird die inder Brennstoffzelle erzeugte elektri-sche Energie einem Elektromoter zu-geführt, der seinerseits mechanischeEnergie an den Antriebsrädern zur Ver-fügung stellt. Die Automobilkonzerneunternehmen derzeit große Anstren-gungen, um in den nächsten Jahrenmit Brennstoffzellen angetriebene Per-sonen-Kraftwagen auf den Markt zubringen. Dabei ist zu beachten, dass

diese Anwendung anspruchsvolle An-forderungen an das System stellt. Umkonkurrenzfähig zu sein, dürfen dieSystem-Kosten nicht mehr als100 DM/kW betragen. Dabei mussdem begrenzten Platzangebot durchein geringes Leistungsvolumen (<1 l/kW)und ein geringes Leistungsgewicht(<1 kg/kW) bei hoher mechanischerStabilität Rechnung getragen werden.Zur Akzeptanz durch den Kunden ge-hört darüber hinaus eine ausreichendgute Dynamik des Gesamtsystems.Nur wenn die Fahreigenschaften unddie Fahrleistungen denen verbren-nungsmotorischer Antriebskonzeptegleichen oder diese übertreffen, habenBrennstoffzellen eine Chance, gegendiese zu bestehen. Weltweit wird fürden Einsatz im Pkw die PEM-Brenn-stoffzelle favorisiert. Dieser im Grund-satz konstruktiv einfache Zelltyp bietetein großes Potenzial, durch Massenfer-tigungsverfahren – wie Folienherstel-lung – die notwendige Kostenreduktionzu erreichen. Die hohen Anforderun-gen an die Qualität des verwendetenWasserstoffs (<10 ppm CO) erfordertjedoch eine aufwendige Gasaufberei-tung, die in heutigen Systemen einenhohen Teil der Kosten und des Platz-bedarfs ausmacht. Der derzeit favori-sierte Energieträger ist das im Ver-gleich zu Benzin oder Diesel kohlen-stoffarme Methanol, welches verhält-nismäßig einfach reformiert werdenkann. Aber auch Reformer für Benzinund Diesel sind heute in der Entwick-lung, sodass die Frage des zum Einsatz


kommenden Brennstoffs zur Zeit nichtendgültig beantwortbar ist.

Im Sinne einer verfahrenstechnischenVereinfachung des Gesamtsystems istder Verzicht auf die Reformierung wün-schenswert. Der Ansatz, Methanol di-rekt der Anode einer Polymer-Brenn-stoffzelle zuzuführen, wird weltweituntersucht. Dabei wird das Methanoldirekt am Katalysator der Anode refor-miert. Der Einsatz dieser so genanntenDirektmethanol-Brennstoffzelle (DMFC)verspricht durch den Wegfall der Gas-aufbereitung sowohl Kosten- als auchVolumenreduktionen: Dabei sind dieVergiftung des Katalysators durch dasbei der Reformierung entstehendeKohlenmonoxid sowie die Durchlässig-keit der Polymermembran für Metha-nol, was zu deutlichen Wirkungsgrad-verlusten führt, offene Probleme.

Den Aussagen der Automobilindustriezufolge werden die technischen Prob-leme in den nächsten Jahren so weitgelöst sein, dass im nächsten Jahr-zehnt erste brennstoffzellengetriebeneFahrzeuge in Serie gebaut werden.Hierdurch kann ein Beitrag geleistetwerden, Emissionen von Stickoxiden,Partikeln u. a. vor allem in Ballungs-räumen zu reduzieren (siehe Abbil-dung 4). Die großen Entwicklungs-potenziale hinsichtlich der System-wirkungsgrade lassen langfristig deut-liche CO

2-Reduktionen erwarten. Der

Einsatz von Wasserstoff als Energieträ-ger wird heute bei Flottenfahrzeugenwie z.B. Bussen demonstriert. Durchdie zentrale Betankung der Fahrzeugeist der Aufbau einer lokalen Wasser-stoffinfrastruktur denkbar. Darüber hin-aus liegen die täglichen Fahrleistungenim Bereich weniger 100 km, sodassverfügbare Speicherverfahren für Was-serstoff ausreichende Reichweiten ge-währen. In diesem Fall bedeutet derlokal vollkommen emissionsfreie Be-trieb einen erheblichen Vorteil gegen-über verbrennungsmotorisch angetrie-benen Fahrzeugen.

Brennstoffzellensysteme für die statio-näre Energieversorgung

Der denkbare Einsatz stationärer Ener-gieversorgungssysteme reicht von de-zentralen Blockheizkraftwerken zurautonomen Strom- und Wärmeversor-gung von Siedlungen, Krankenhäuserno. ä. über Kraftwerke der Industrie an

Produktionsstandorten, die darüber hi-naus Prozesswärme bereitstellen, bishin zu Kraftwerken der Energieversor-gungsunternehmen, die die öffentlicheGrund-, Mittel- und Spitzenlast abde-cken.

Wegen des modularen Aufbaus derBrennstoffzellenstacks lässt sich ihreLeistung an jede dieser Anwendungenanpassen. Darüber hinaus steht für diestationäre Energieversorgung eine In-frastruktur für den kohlenstoffarmenEnergieträger Erdgas zur Verfügung,der gut geeignet ist, über einen vorge-schalteten Reformer Brennstoffzellenzu versorgen. Ein sehr wichtiges Krite-rium, das eine Anlage in der stationä-ren Energieversorgung erfüllen muss,ist eine hohe Lebensdauer bei einermöglichst geringen Alterung des Sys-tems. Für Brennstoffzellensystemeliegt diese Zielgröße bei <0,25%Wirkungsgradverlust in 1.000 Betriebs-stunden (bei insgesamt >40.000 Be-triebsstunden). Darüber hinaus mussabhängig von der Anwendung (Grund-last oder Spitzenlast) das An- und Ab-fahren der Anlagen genügend schnellund ohne zu große Materialermüdungerfolgen. Im Hinblick auf die Investi-tionskosten müssen mit Brennstoffzel-lensystemen mindestens 800 DM/kW(Gasturbine) bzw. 2.000 DM/kW(Kohlekraftwerk) erreicht werden.

Kommerziell verfügbar ist heute einePAFC-Anlage mit einer elektrischenLeistung von 200 kW. Der Anteil dernutzbaren Abwärme und damit derGesamtwirkungsgrad hängen starkvon der gewünschten Temperatur ab.Zahlreiche Demonstrationsanwendun-gen in Deutschland und weltweit(>160 Anlagen) zeigen, dass mit die-ser Technologie Strom und Wärmewartungsarm und verlässlich bereitge-stellt werden können.

Zwei Trends sind heute zu beobach-ten: Auf der einen Seite werden PEM-Systeme entwickelt (250 kW) in derHoffnung, die drastischen Kostenre-duktionen, die für die mobile Anwen-dung notwendig sind, auch für die sta-tionäre Anwendung zu nutzen und so-mit sehr wirtschaftlich Anlagen zu be-treiben. Auf der anderen Seite er-scheinen Hochtemperaturbrennstoff-zellen (MCFC, SOFC) sehr interessant,da sie Abwärme auf einem hohenTemperaturniveau bereitstellen, die

z. B. zur Fern- oder Prozesswärme-nutzung verwendet werden kann. Ins-besondere bei der SOFC verspricht dieKopplung mit Gasturbinen elektrischeWirkungsgrade von über 70 %. ErsteDemonstrationsanlagen dieses Kon-zepts mit einer elektrischen Leistungvon 300 kW sollen im nächsten Jahr inBetrieb genommen werden. Vorteilhaftauf die Lebensdauer wirkt sich auchdie geringe Empfindlichkeit der Hoch-temperaturbrennstoffzellen gegenüberVerunreinigungen aus.

Brennstoffzellensysteme für die Haus-energieversorgung

Für den Einsatz in der Hausenergiever-sorgung bieten sich Brennstoffzellen ingeradezu idealer Weise an. Sie wer-den dort – so die heutigen Konzepte –als Strom erzeugende Heizgeräte ein-gesetzt. Das heißt, dass zusätzlich zuder Umwandlung in der Brennstoff-zelle ein nachgeschalteter Brenner be-trieben wird, der zum einen das in derBrennstoffzelle nur unvollständig um-gesetzte Anodenbrenngas verbrenntund zum anderen direkt mit Erdgasversorgt werden kann, um Spitzen imWärmebedarf (Heizung, warmes Was-ser) abzudecken. Das Brennstoffzellen-system wird parallel zum öffentlichenStromnetz betrieben, sodass die elekt-rische Spitzenlast hierüber abgedecktbzw. überschüssig produzierter Stromins Netz eingespeist werden kann. Ver-gleicht man ein solches System miteiner Versorgung, bei der der Stromzu 100 % aus dem öffentlichen Netzbezogen und die Wärme in einemkonventionellen Brennwertkessel be-reitgestellt wird, so können in einemdurchschnittlichen Haushalt mit einemsolchen System etwa ein Drittel derCO

2-Emissionen eingespart werden.

Wie bei der stationären Versorgungwerden auch bei der Hausenergiever-sorgung die beiden EntwicklungslinienPEM- und SOFC-Systeme verfolgt.

Portable Brennstoffzellensysteme

Büro- und Kommunikationsgeräte,Notstromaggregate, Camping-, Haus-und Gartengeräte werden heute in zu-nehmenden Maße mit wieder auflad-baren Akkus versorgt, um einen netz-unabhängigen Betrieb zu realisieren.Dabei wachsen die Ansprüche desKunden im Hinblick auf die unterbre

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chungsfreie Betriebsdauer dieser Sys-teme.

PEM-Brennstoffzellen in Verbindungmit geeigneten Wasserstoffspeichern(z. B. Metallhydride) bilden einfacheSysteme, die bei Umgebungstempe-ratur geringe Leistungen im Bereichweniger Watt für lange BetriebszeitenUmwelt schonend (Entsorgung vonBatterien!) bereitstellen können. Ge-genüber Akkus bieten sie den Vorteil,dass Leistung und Energieinhalt desSystems durch die Dimensionierungder Zelle bzw. des Speichers unabhän-gig voneinander festgelegt werdenkönnen. Die aufgrund ihres hohenspezifischen Gewichts für die mobileAnwendung in Fahrzeugen wenigergeeigneten Metallhydridspeicher stel-len für die portablen Anwendungeneinen sicheren und bequemen Wasser-stoffspeicher dar. Die Möglichkeit,einen flüssigen Energieträger (z. B.Methanol) direkt der Brennstoffzellezuzuführen, würde wie für die Anwen-dung in Fahrzeugen bedeuten, Energiemit geringem Aufwand nachladen undmitführen zu können. Auch vor diesemHintergrund wird die Entwicklung derDMFC betrieben.

4. Forschungs- und Entwicklungs-bedarf

Die oben dargestellten Anwendungenzeigen die Vielfalt und die Vorteile derNutzung der Brennstoffzellentechnolo-gie. Bevor Brennstoffzellen jedoch indiesen Märkten eingesetzt werdenkönnen, müssen sie zuverlässig und

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wirtschaftlich betrieben werden kön-nen. Um die durch konventionelleUmwandlungstechniken vorgegebe-nen Standards zu erreichen, ist in dennächsten Jahren weiterer großer For-schungs- und Entwicklungsaufwandnotwendig.

Die Stabilität der Werkstoffeigenschaf-ten ist die Voraussetzung für eine lan-ge Lebensdauer und damit für einenwirtschaftlichen Betrieb. Das Ziel derEntwicklungen sind kostengünstigeWerkstoffe, die eine geringe Alterungaufweisen. Dies gilt insbesondere fürdie Polymermembran der Niedertem-peraturbrennstoffzelle sowie für diekeramischen Werkstoffe der SOFC.Darüber hinaus muss durch verfah-renstechnische und durch konstruktiveOptimierung von Wasser-, Luft- undWärmemanagement sowie durch dieEntwicklung von massenproduktions-fähigen Fertigungsverfahren das Zielverfolgt werden, preiswerte, effizienteund kompakte Brennstoffzellenstackszu realisieren.

Die Entwicklung und Optimierung ge-eigneter Reformer für die heute ver-fügbaren Energieträger Benzin, Dieselund Erdgas ist ein entscheidenderSchritt im Hinblick auf den Einsatz vonBrennstoffzellen im Rahmen der beste-henden Infrastrukturen. Im Falle derNutzung von Methanol oder Wasser-stoff als Energieträger stellen die Kos-ten und die Entwicklung einer Infra-struktur zentrale Herausforderungendar. Die Realisierung der Vision einerWasserstoffenergiewelt bedarf darüber

hinaus der Entwicklung effektiverWasserstoffspeicher mit hoher Energie-dichte. Es muss betont werden, dassinsgesamt auch längerfristig ein hoherForschungs- und Entwicklungsaufwanderforderlich ist. Dabei hat die staatli-che Forschungspolitik eine besondereVerantwortung, auch für Kontinuität zusorgen.

5. Fazit

Durch die Entwicklung neuer Werk-stoffe sowie durch verfahrenstechni-sche Optimierungen konnten seit den60er Jahren neue Brennstoffzellen-systeme entwickelt werden. Diese bie-ten die Möglichkeit, Strom und Wär-me für stationäre oder mobile Anwen-dungen effizient und schadstoffarmzur Verfügung zu stellen. Durch denmodularen Aufbau der Brennstoffzellekann dabei ein Leistungsbereich vonwenigen Watt bis zu einigen MW ab-gedeckt werden. Die Brennstoffzellen-technologie bietet die Chance, einenBeitrag zur Schonung der Ressourcenfossiler Energieträger und zur Reduzie-rung von Schadstoffemissionen zu leis-ten. Brennstoffzellen sind einerseits imRahmen der heute verfügbaren Infra-struktur grundsätzlich einsetzbar, an-dererseits sind sie eine Technologie fürzukünftige Energiesysteme, die ausge-hend von regenerativen Energiequel-len Wasserstoff als transportablen undspeicherbaren Energieträger verwen-den. Vor diesem Hintergrund stellenBrennstoffzellen ein Schlüsseltechno-logiefeld für das nächste Jahrhundertdar.


Entwicklungs-linien auf demGebiet derMembran-Brennstoffzellen(PEFC)von Norbert Wagner,Erich Gülzow,Ludwig Jörissen,Jürgen Mergelund Angelika Heinzel

Dipl.-Phys. Erich Gülzow ist Projektleiter undDr. Norbert Wagner ist wissenschaftlicherMitarbeiter des Instituts für Technische Ther-modynamik im Deutschen Zentrum für Luft-und Raumfahrt e.V. (DLR), Stuttgart.

Dr. Angelika Heinzel ist Leiterin der AbteilungChemische Energiewandlung und Speicherungim Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme(Fraunhofer ISE), Freiburg.

Dr.-Ing. Ludwig Jörissen ist wissenschaftlicherMitarbeiter des Geschäftsbereichs Elektro-chemische Speicher und Wandler im Zentrumfür Sonnenenergie- und WasserstoffforschungBaden-Württemberg (ZSW), Ulm.

Dipl.-Ing. Jürgen Mergel ist wissenschaftlicherMitarbeiter des Instituts für Werkstoffe undVerfahren der Energietechnik im Forschungs-zentrum Jülich (FZJ), Jülich.

1 PEFC: polymer electrolyte fuel cell,Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle

Überblick

Da Brennstoffzellen eine umweltfreundli-che Stromerzeugung bei vergleichsweisesehr hohen Wirkungsgraden auch in klei-nen Leistungseinheiten ermöglichen, ge-winnen sie für zukünftige Energiekon-versionssysteme zunehmend an Bedeu-tung. Für mobile Anwendungen sind auf-grund der Betriebstemperatur unter 100°Cinsbesondere die Membran-Brennstoff-zellen geeignet. Ein wirtschaftlicher Ein-satz von Brennstoffzellen wird möglichsein, wenn es gelingt, mit der Steigerungder Leistungsdichte auch kostengünstigeHerstellungsverfahren für die Zellkompo-nenten, Brennstoffe und Elektroden-materialien (Katalysatoren) zu entwickeln.Reformer für die Bereitstellung von H

2-rei-

chen Brenngasen sowie die Erhöhung vonCO Toleranz und Langzeitstabilität sindweitere Entwicklungsziele.

Because of their ability to produceelectricity at relatively high efficiencywith minimal environmental impact, fuelcells increasingly are recognized as impor-tant elements for a future energy con-version and supply system. With opera-ting temperatures below 100°C, mem-brane fuel cells are well suited for mobileapplications. Economical operation offuel cells will become possible with anincrease in power density and with theavailability of cell components, fuels andelectrode materials (catalysts) at lowercost. Better reformers for the provisionof H

2–rich fuels as well as higher CO

tolerance and long-term stability arefurther development goals.

1. Anwendungsgebiete von Nieder-temperatur-Brennstoffzellen

1.1 Niedertemperatur-Brennstoff-zellen für Anwendungen imkleinen Leistungsbereich

Die Anwendungen im kleinen Leis-tungsbereich betreffen die Energiever-sorgung portabler elektrischer Geräte,wie zum Beispiel Laptops. Hier sind diein Abbildung 1 dargestellten Konzepteentwickelt und untersucht worden [1].Das erste Konzept ist die Streifenmem-bran-Brennstoffzelle. Jeweils mehrereBrennstoffzellen sind in einer Ebene an-geordnet entgegen der sonst üblichenStapelbauweise. Durch die Reihen-schaltung der Zellen ist eine hoheSpannung bei flacher Bauweise zu er-reichen. In Kombination mit einem fla-chen Metallhydridspeicher konnte sodie Akkuversorgung eines handelsübli-chen Laptops ersetzt werden.

Das zweite Konzept ist die Einzelzellemit DC-Wandler. Dieser am Fraunho-fer ISE entwickelte Wandler ist in derLage, bei einem Wirkungsgrad von90% die Betriebsspannung der Einzel-zelle von etwa 0,7 V auf 12 V zutransformieren. Dieses Konzept lässtnoch flacheres Design zu, wie es beider Gehäuseintegration, z. B. hinterFlachbildschirmen, gefordert wird.

1.2 Niedertemperatur-Brennstoff-zellen für den Einsatz in Kraft-fahrzeugen

Neben der Anwendung von Membran-Brennstoffzellen (PEFC1 ) in Elektronikund stationären Systemen spielt vor al-lem in der heutigen Entwicklung derPEFC der Einsatz in Kraftfahrzeugen inVerbindung mit einem Elektromotor alsneuer Antrieb eine entscheidende Rolle.Grund hierfür sind die großen Anstren-gungen der Automobilindustrie bei derEffizienz- und Emissionsverbesserungvon Fahrzeugen. Für den Einsatz vonBrennstoffzellen im mobilen Bereichmuss die zum Fahrbetrieb erforderlicheEnergie an Bord mitgeführt werden, z.B.in Form von Wasserstoff, der flüssig oderin Druckgasspeichern gespeichert wird.Beim Einsatz von reinem Wasserstoff alsEnergieträger kann dieser der Brenn-stoffzelle direkt zugeführt werden. Da-gegen muss beim Einsatz von kohlen-stoffhaltigen Kraftstoffen (z.B. Methanol,Benzin) der Wasserstoff zuerst aus denKohlenstoffverbindungen und Wassergewonnen werden, um dann in Form ei-nes wasserstoffreichen Brenngases derBrennstoffzelle zugeführt werden zukönnen (Abbildung 2). Diese Brenngas-aufbereitung kann mit verschiedenenVerfahren der Reformierung und derGasreinigung erfolgen [2].

Für Elektroantriebe mit Brennstoffzellenist aus heutiger Sicht bezüglich Fragender Infrastruktur, Speicherbarkeit undHandhabbarkeit kurz- und mittelfristigder Einsatz von Methanol, Ethanol oderBenzin beziehungsweise Diesel als En-ergieträger dem von Wasserstoff vorzu-ziehen. Die Nutzung von Wasserstoffdürfte langfristig erst zweckmäßig sein,wenn die globale Ressourcen- undEmissionssituation ein deutliches Um-steigen auf nichtfossile Primärenergie-träger verlangt.

11


12

H2

CH OH

C H OH

3

2 5

DME

CH OH

C H OH

3

2 5

DME

KWSt

H O2

CH OH3

ATR

BSRElektrizität

Elektrizität

Wärme

Wärme

PEMFC

DMFC

Luft

GR

GR

H2

Weltweite Projekte zu Brennstoffzellen-antrieben insbesondere in Europa, USAund Japan lassen erkennen, dass derEntwicklungsstand der Lösungsansätzemit verschiedenen Energieträgern undBrennstoffzellen-Systemen als Energie-wandler in einem Elektroantrieb sehrunterschiedlich ist [3]. Der weltweiteFortschritt bei mit Wasserstoff betriebe-nen PEFC und die bereits entwickeltenAntriebssysteme und Prototypen mitWasserstoffdruckgasspeicher oderFlüssigwasserstoffspeicher, PEFC undElektroantrieb ist deutlich. Für die Ener-gieumwandlungskette mit Methanol imTank, einer bordeigenen Wasserstoffer-zeugung mittels Reformierung, PEFCund Elektroantrieb gibt es ebenfallsweltweit zahlreiche Projekte sowieKonzepte. In Entwicklungsprojektenwird auch an der direkten elektroche-mischen Umsetzung von Methanol imBrennstoffzellensystem (Abbildung 2)gearbeitet (DMFC). In einer neuerenÜberlegung wird ein Lösungsansatz dis-kutiert und erarbeitet, an Bord des Fahr-zeugs aus Benzin – mit vorhandener In-frastruktur – ein wasserstoffreichesBrenngas für eine PEFC zu erzeugen.

Beim Betrieb eines Brennstoffzellen-Antriebssystems müssen der Einsatzvon Kraftstoff, Brenngas und Luft sowiedie Abfuhr von Reaktionswasser, Wär-me und Strom mit Hilfe von Zusatzein-richtungen geregelt werden (Abbil-dung 3). Das System beinhaltet außer-dem den Elektromotor als Fahrzeug-antrieb und je nach Konzept weitereVerdichter und Energiespeicher. Für dasZusammenspiel aller Komponenten isteine intelligente elektronische Rege-lung erforderlich. Alle diese Komponen-ten müssen in ein Gesamtsystem inte-griert werden, das die Anforderungenfür einen Einsatz im Automobil erfüllt:geringes Volumen, geringe Masse,Massenfabrikationstauglichkeit undKostengünstigkeit.

Abbildung 1: Konzepte für Brenn-stoffzellen im kleinen Leistungsbe-reich; oben: Streifenmembran-Brenn-stoffzelle, unten: Einzelzelle mit DC-Wandler

Abbildung 2: Verschiedene Energieträ-ger für Brennstoffzellensysteme (ATR:autothermer Reaktor, BSR: beheizterSteam Reformer, GR: Gasreinigung,PEFC: Polymer Electrolyte Fuel Cell,DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)


Abbildung 3: Brennstoffzellenantriebmit Gaserzeugungssystem, Brennstoff-zellensystem und E-Antrieb

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Abbildung 4: Vergleich zwischen konventioneller und projektierter Katalysator-schicht-Herstellung

Weltweit werden große Anstrengun-gen bei der Systemintegration unter-nommen. Die wichtigsten Problemedabei sind das Zusammenspiel vonBrenngaserzeugungssystem und Brenn-stoffzelle, Reduzierung von Masse undVolumen des Brenngaserzeugungssys-tems und Zusammenwirken des Ge-samtsystems einschließlich der Küh-lung und der Wasserversorgung. Dane-ben sind noch die Optimierung vonDynamik und Energiemanagementdes Gesamtsystems sowie die Entwick-lung von Kaltstarteinrichtungen wichtigeArbeitsfelder.

Bekannte Beispiele für eine fort-schreitende Systemintegration lieferndie Daimler-Benz- beziehungsweiseDaimlerChrysler-Fahrzeuge NeCar 1(1994), NeCar 2 (1996), NeCar 4(1999), das FEVER-Fahrzeug von Re-nault (1998) und das P2000-Fahr-zeug von Ford (1999), die alle mitreinem Wasserstoff betankt wurden.Die MeOH-Fahrzeuge NeCar 3(1997), Opel Zafira (1998) sowieToyota RAV4L V (1997) haben bereitsBrenngaserzeugungssysteme anBord. Alle diese Fahrzeuge habenaber noch nicht den Status vonPrototypen erreicht.

Gegenüber dem konventionellen Pkwgelten für den PKW-Antrieb mit Brenn-stoffzellen-Systemen neben den schongenannten Herausforderungen, wieniedriges Leistungsgewicht, Massen-fabrikationstauglichkeit und Kosten-günstigkeit auch eine optimale Mate-rialbilanz, insbesondere in bezug aufden Edelmetallbedarf. So werdenEdelmetalle (Pt, Ru) als Katalysatorennicht nur für die Brennstoffzellen selbstbenötigt, sondern auch für Komponen-ten der Brenngasbereitstellung, fallsKraftstoffe wie Methanol oder andereKohlenwasserstoffe im Tank mitge-führt werden.

Der spezifische Edelmetallbedarf vonBrennstoffzellen (PEFC) liegt heutebei etwa 1,5 g pro kW. Für einen75 kWel,Brutto

Brennstoffzellenantriebwürde das einen Edelmetallbedarf von112 g bedeuten, ohne Berücksichti-gung des Katalytkonverters und dermöglichen Gastrennmembran. Der

Edelmetallbedarf für einen vergleich-baren konventionellen Verbrennungs-motor-Antrieb liegt bei 2-4 g für denAbgaskatalysator eines PKW.

So kann heute schon festgestellt wer-den, dass auf der Basis der Literatur-daten und unter Hinzunahme von ver-schiedenen Annahmen, wie z.B. denZieldaten des amerikanischen PNGV-Programms (Partnership for a New Ge-neration of Vehicles), der spezifischeEdelmetallbedarf von Brennstoffzellen(PEFC) für mobile Anwendungen umden Faktor 10 gesenkt werden muss.Um dieses Ziel zu erreichen, müssenPlatinbelegungen unter 0,1 mg/cm2

und Zelle realisiert werden.

Einen Beitrag dazu könnte ein vomLand Nordrhein-Westfalen gefördertesVerbundprojekt „NaKaB: Nanomate-rialien als Katalysatoren in PEFC-Brenn-

stoffzellen“ unter Federführung der Ar-beitsgemeinschaft ElektrochemischerForschungsinstitutionen e.V. (AGEF)leisten.

Ziel des Projektes ist es, neue Katalysa-toren auf der Basis von nanodisper-gierten Partikel zu entwickeln und einVerfahren zur Optimierung der Kataly-satorstruktur über eine gezielte elekt-rochemische bzw. chemische Abschei-dung des Katalysators aus einer Poly-merelektrolyt-Lösung an den Phasen-grenzen zwischen Elektrolyt und elek-tronisch leitender Phase zu erstellen.

Durch die gezielte chemische oderelektrochemische Abscheidung desKatalysators [4, 5] an der Dreiphasen-zone (Abbildung 4) kann der Anteildes aktiven Katalysatormaterials er-höht und die erforderliche Katalysator-menge reduziert werden.

13


2. Bereitstellung und Aufbereitungvon Brenngas

2.1 Untersuchungen zur CO-Toleranzvon Membran-Brennstoffzellen

Wird die Brennstoffzelle mit CO-halti-gem Wasserstoff betrieben, z.B. mitMethanol-Reformatgas oder Biogas,kann die Anode durch Adsorption vonCO an der Katalysatoroberfläche vergif-tet werden. Um die Vergiftung derKatalysatoroberfläche zu verhindern,muss der CO-Gehalt im Brenngas nied-rig gehalten werden (siehe 2.2) oder esmüssen CO-tolerante Katalysatoren(siehe 2.3) eingesetzt werden. Da zurZeit meist Platin oder platinhaltige Le-gierungen als Katalysator eingesetztwerden, wurde die CO-Toleranz anPlatinelektroden untersucht.

Die Vergiftung der Anode mit CO wur-de in einer Vollzelle, bei 80°C im„dead end“ Betrieb, mit E-TEK-Elek-troden (0,4 mg Pt/cm2) untersucht. AlsBrenngas wurde ein simuliertes Refor-mat (H

2+100 ppm CO) eingesetzt. In

Abbildung 5 ist der Stromdichteverlaufwährend der Vergiftung der Anodedurch CO, bei 80°C und einer kon-stanten Zellspannung von 700 mVdargestellt. Die Stromdichte fällt, beimWechsel des Brenngases von reinemWasserstoff auf H

2 mit 100 ppm CO

exponentiell von 270 mA/cm2 ab, wo-bei die Stromdichte beim Betrieb mitH

2+100 ppm nicht auf Null zurück-

geht. Nach 360 min Betrieb mitH

2+100 ppm CO wird ein Wert von

84 mA/cm2 erreicht. Die Zeitkonstantefür den exponentiellen Abfall beträgtetwa 1 h.

14

Abbildung 5: Stromdichteverlauf wäh-rend der Vergiftung der Anode einerPEFC durch CO mit 100 ppm CO/H

2

(„dead end“ Betrieb), bei 80°C,Zellspannung=700 mV

Zusätzlich wurde bei jedem Messpunktaus Abbildung 5 auch ein Impedanz-spektrum aufgenommen. Die gemes-senen Impedanzspektren weisen eineZeitabhängigkeit auf und können nichtdirekt ausgewertet werden. Diese Zeit-abhängigkeit beschreibt das dynami-sche Verhalten der Elektrode währendder Vergiftung und ist eine wichtigezusätzliche Information, die aber erstnach einer Interpolation der gemesse-nen Spektren auf feste Zeiten, z.B.auf den Endzeitpunkt der jeweiligenMessung, zugänglich wird.

Die Vergiftung der Anode durch COführt zu einer Abnahme der Strom-dichte, wobei sich natürlich auch dieStromdichte an der Kathode ändert.Die Vergiftung kann einerseits eineVerkleinerung der aktiven Oberflä-che verursachen (Blockierung desPlatinkatalysators durch adsorbiertesCO), wobei die lokale Stromdichte aufder freien Katalysatoroberfläche starkansteigt, und andererseits auch eineVeränderung der Reaktionskinetik be-wirken. In den potentiostatisch aufge-nommenen Impedanzspektren domi-niert die Zunahme der Impedanz derKathode die Anodeneffekte. Um dieKathodenseite konstant zu halten, wur-den die Impedanzspektren im galvano-statischen Modus aufgenommen,sodass die Änderung der Zellimpedanzdem Beitrag der Anodenimpedanz ent-spricht [6].

2.2. Bereitstellung von Brenngas –Erdgasreformierung

Die heutigen Anwendungen vonMembran-Brennstoffzellen zur sta-tionären Strom- und Wärmeerzeu-gung oder zum Antrieb eines Elektro-fahrzeugs erfordern aus Kostengrün-den die Erzeugung des BrenngasesWasserstoff vor Ort aus kohlen-stoffhaltigen Energieträgern wie Erd-gas, Flüssiggas, Benzin oder Metha-nol. Am Beispiel des EnergieträgersErdgas sind schematisch in Abbil-dung 6 die am Fraunhofer ISE unter-suchten Verfahren der Dampfreformie-rung und der Autothermen Reformie-rung dargestellt. Vorteil des ersten Ver-fahrens ist der hohe Wasserstoffgehaltvon etwa 75% im auskondensiertenProduktgas [7]. Wegen der Beheizungdes Reaktors von außen durch einenBrenner sind allerdings sehr schnelleLastwechseländerungen des Reformers

nur bedingt möglich. Im Autother-men Reformierungsverfahren wirdzusätzlich Luft unterstöchiometrischden Edukten Methan und Wasser-dampf beigegeben. Durch Oxidationwird unmittelbar Reaktionswärme andie gleichzeitig stattfindende endo-therme Reformierung abgegeben,sodass eine äußere Beheizung ent-fällt. Prinzipiell sind so sehr dynami-sche Lastwechsel möglich. Nachteiligist hier der mit 30-40 Vol% relativniedrige Wasserstoffgehalt desProduktgases, Stickstoff ist mit40-50 Vol% enthalten [8].

Zu beiden Verfahren werden amFraunhofer ISE Reformerprototypenentwickelt und getestet. In Verbin-dung mit weiteren Katalysatorstufender Reformatgasreinigung werdenautomatisierte Demonstrationsan-lagen betrieben.

2.3. Zellintegrierte CO-Feinreinigung

In realen PEFC-Systemen wird Was-serstoff mittels Reformierung vonMethanol, Erdgas oder Benzin/Dieselhergestellt. Bei diesen Prozessenentsteht gleichzeitig Kohlenmonoxid(CO), das über einen mehrstufigenProzess aus dem Gas entfernt wird.Einer PEFC herkömmlicher Bauweisekönnen bis zu 100 ppm CO zugemu-tet werden, sofern dem Anodengaszusätzlich Sauerstoff beigemischtwird [10]. CO wird hierbei kataly-tisch am Pt-Katalysator der EME ver-brannt.

Platinhaltige Katalystoren erreichenihren optimalen Arbeitspunkt für dieOxidation von CO in der Gasphasejedoch erst bei einer Temperatur er-heblich oberhalb von 150°C [11]. Es istbekannt, dass metalloxidgeträgerteGoldkatalysatoren höhere Aktivität beiniedrigeren Temperaturen besitzen[12]. Ferner bleibt bei niedrigen Tem-peraturen die Selektivität bezüglichder CO-Oxidation relativ hoch.

Aus diesem Grund wurden am ZSWmetalloxidgeträgerte Goldkatalysa-toren mit verschiedenen Fällungsver-fahren hergestellt [13] und hinsichtlichihrer Aktivität und Selektivität für dieselektive CO-Oxidation bei Temperatu-ren unterhalb von 100°C [14-15] unter-sucht (Tabelle). Man findet hohe Akti-vität und Selektivität bei Trägermate-


Tabelle: Eigenschaften verschiedener MeOx/Au-Katalysatoren bezüglich der

selektiven CO-Oxidation

rialien, die eine hohe Sauerstoffmobili-tät aufweisen (z.B. TiO

2) oder die leicht

oxidier- und reduzierbar sind (z.B. Ei-senoxide). Von besonderer Bedeutungist die Erzeugung von stabilisiertenGoldclustern mit einer Partikelgrößeunterhalb von 5 nm. Die Trägerpartikelsollten jedoch von ausreichender Grö-ße und Porosität sein, um eine Vergrö-berung der Goldpartikel sicher verhin-dern zu können. Die Langzeitbestän-digkeit der Katalysatoren wird durchdie Stabilität der Trägermaterialien im

Abbildung 6: Reformierung von Erdgas füEinsatz von Brennstoffzellen; oben: Dam75% H

2 im Produktgas, unten: autotherm

mit 30-40% H2 im Produktgas

Reformatstrom beeinflusst. SchnelleDesaktivierung ist bei Trägermateria-lien zu beobachten, die stabile Carbo-nate bilden (z.B. MgO, MnO

x).

Die hohe Aktivität der Au/MeOx-Kata-

lysatoren bei niedriger Temperatur er-möglicht die Unterbringung einer zu-sätzlichen Katalysatorschicht in derGasverteilzone der PEFC. In dieserSchicht wird CO chemisch selektivoxidiert. Der Katalysator wird in eineporöse, elektrisch leitfähige Struktur

r den stationärenpfreformierung, ca.e Reformierung

Abbildung 7: EinfluCO-Empfindlichkeit(PEFC). Die Leistungbricht selbst bei Dos

ähnlich der Gasdiffusionslage einge-bettet (Abbildung 6).

Abbildung 7 zeigt den Einfluss einessolchen „Katalysatoreinlegeblatts“ aufdie CO-Toleranz einer 25 cm2 PEFC.Man erkennt, dass die Leistung einerZelle ohne Katalysatoreinlegeblatt beiZugabe von 500 ppm CO zum Wasser-stoff selbst bei Dosierung von 1%Sauerstoff rasch einbricht. Ab einerStromdichte von 100 mA/cm2 be-ginnt die Zellspannung zu oszillieren.Die Kennlinie einer Zelle mit Kataly-satoreinlegeblatt verläuft bei Zugabevon 1% Sauerstoff und 750 ppm CObis zu Stromdichten von 1 A/cm2 nurgeringfügig unterhalb (< 100 mV) ei-ner mit Reinwasserstoff betriebenenZelle. Das Katalysatoreinlegeblatt be-inhaltet jedoch die Gefahr einer zu-sätzlichen Stofftransporthemmung beiVerwendung von Reformergasen mitniedrigem Wasserstoffgehalt.

3. Degradation und Langzeit-verhalten der Brennstoffzellen

Durch die elektrochemische Bela-stung verändern sich nicht nur die Po-lymere [9] in den Brennstoffzellen-elektroden, sondern auch der Kataly-sator. Die Abbildung 8 zeigt die Pt4f-Spektren während der Tiefenprofil-messung zweier elektrochemisch bela-steter Elektroden. Das Tiefenprofil derSauerstoffelektrode unterscheidet sichkaum von dem der unbelasteten Elek-

15

ss des Katalysatoreinlegeblatts auf die der Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle der Zelle ohne Katalysatoreinlegeblattierung von 1% Sauerstoff rasch ein.


troden, insbesondere ist die Platinkon-zentration im Rahmen der Messgenauig-keit identisch mit der der unbelastenen

-he

,

elektrode gewandert sein muss. Wenndas Platin zur Membran gewandertund dort beim Trennen der Elektrode

eeta

lusiil P

scheint in der Gegenwart von Wasser-stoff eine höhere Mobilität zu besitzen,wie auch schon bei anderen, z.B. elekt-

an Platin-

g auf dieder PEFC

FC hängter Gasver-

erialaus- zwei ver-onzepte

erbei um:

Abbildung 8: Pt4f-Spektren während der Tiefenprofilmessung einer PEFC-belasteten kommerziellen Elektrode; links: Sauerstoff-elektrode, rechts Wasserstoffelektrode

e

Elektroden. An der Wasserstoffelektrde kann dagegen Platin kaum nochnachgewiesen werden. Die Platinkonzentration an der Elektrodenoberfläcund dem in den Tiefenprofilmessungzugänglichen Oberflächenbereich haauf weniger als 1/20 der ursprünglichKonzentration abgenommen. Diese Anahme des Platinkonzentration zeigtdass das Platin auf der Wasserstoff-

Abbildung 9: Aufbau der 100 cm2 T

16

o-

en

tenb-

und Membran hängen gebliebführt dies dazu, dass in den Tiefmessungen der Wasserstoffelekkein Platin gefunden werden kEbenso wäre dieses Ergebnis abdurch die Bildung großer Platincverständlich, da diese einen dekleineren Oberflächenanteil beals die hochdisperse Platinverteauf der platinierten Kohle. Das

stzelle mit Edelstahl Bipolarplatten

mit Gas-

arplatte mitrmiger

ungen aufd preiswer-

(Tabelle 2).erschiede-lzellen er-hle wurdenrrosions-edien un-

Zellenwährendhige Ober-en. Die

n ist,nprofil-rodenn.er auchustertlichtzenunglatin

rochemischen Experimentenmohr beobachtet wurde.

4. Einfluss der GasverteilunLeistungscharakteristik

Die Leistungsdichte der PEstark von der Gestaltung dteilungszone und der Matwahl ab. Am ZSW wurdenschiedene Bipolarplatten-Kerprobt. Es handelt sich hi

• Edelstahl Bipolarplatteneinem Edelstahlnetz alsverteilerzone,

• Graphit-Komposit Bipoleingefräster, mäanderföGasverteilzone.

Edelstähle, besonders LegierEisenbasis, sind bekannte unte Konstruktionswerkstoffe Aus diesem Grund wurden vne Edelstähle in PEFC-Einzeprobt (Abbildung 9). Die Stäzunächst hinsichtlich ihrer Koeigenschaften in wässrigen Mtersucht. Zur Herstellung vonwurden Stähle gewählt, die der Korrosionstests gut leitfäflächen ausgebildet [16] hab


Abbildung 10: Korrosionsbild einer unbeschichteten Edelstahl-Bipolarplatte.(Werkstoff1.4404). Die Zufuhr von Wasserstoff erfolgt von links unten.

Abbildung 11: Kennlinenvergleich von 100 cm2 Brennstoffzellen mit GORE-Primea

� H2 Ein

� H2 Aus

Tabelle 2: Eigenschaftsvergleich von Bipolarplattenmaterialien

Edelstahl Graphit-CompositVorteile • einfache Herstellung • hohe Korrosionsbeständigkeit

• kostengünstig • gute Performance selbst unter nicht• gute Standard-Performance idealer Befeuchtung• geringer Druckabfall • sehr gute Standard-Performance• Serienherstellung über Tiefziehverfahren möglich

Nachteile • korrosionsanfällig • Aufwändige Fertigung• Übergangswiderstände durch Oxidschichten • Sprödes Material• Verluste bei Betrieb bei hohen Gasumsätzen • Höherer Druckabfall• inhomogene Gasströmung

Zellen wurden mit einer einfachen Netz-Gasverteilzone hergestellt. Zellen dieserBauweise konnten mit einer Leistungs-dichte von ca. 100 mW/cm2 betriebenwerden. Bei Zelltemperaturen oberhalbvon 60°C zeigten sich jedoch rasch dieGrenzen dieser Werkstoffauswahl. InAbbildung 10 ist eine unbeschichteteEdelstahl-Bipolarplatte (Werkstoff 1.4404)nach 2000 h Einsatz dargestellt. DiesePlatte zeigte zur Anodenseite und wurdemit nur gering befeuchtetem Wasserstoffbetrieben. Man erkennt deutlich Korrosi-onsspuren auf der Oberfläche. Diese sindbesonders in Zonen ausgeprägt, in denenvon der Kathodenseite zurückdiffundier-tes Wasser kondensieren kann. Der Ein-satz von Edelstählen in der PEFC erfordertsomit eine sorgfältige Materialauswahl.

In Abbildung 11 ist ein Kennlinienver-gleich im Wasserstoff-Luft-Betrieb dar-gestellt. Die Zellen wurden bei Atmo-sphärendruck betrieben, die Betriebs-temperatur betrug 50°C. Die Zellenwurden mit GORE Primea Elektrode-Membran-Einheiten (EME) ausgestattet.

Man erkennt eine deutliche Steigerungder Leistungsfähigkeit beim Übergangvom einfachen Bipolarplattendesign mitNetz-Gasverteilung. Dies kann durcheine Vergleichmäßigung des Gasange-bots sowie durch die Minimierung vonKontaktwiderständen erklärt werden.Werden dieselben EMEs in einer 25 cm2

Graphitzelle vermessen, so beobachtetman bei Stromdichten oberhalb von300 mA/cm2 eine weitere Leistungsstei-gerung. Die kleinere Zellfläche führt zueiner weiteren Homogenisierung derGasverteilung. Diese Ergebnisse unter-streichen die Bedeutung der Gestaltungder Gasverteilszone in Bipolarplatten.

5. Stromverteilungsmessung

Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (PEFC)im Labormaßstab werden üblicherweisemit integralen Strom/Spannungs-Kennli-nien charakterisiert. Beim Hochskalierentreten aber zunehmend Effekte auf, diesolch eine integrale Betrachtungsweisein Frage stellen und die lokale Messungvon Betriebsgrößen erforderlich machen.Derartige Effekte entstehen durch un-gleichmäßige Präparation der Elektroden-Membran-Einheiten (EME), Kontaktie-rungsphänomene zum Beispiel durch Va-riationen der Flächenpressung in Folgevon Verspannungseffekten und insbe-sondere durch inhomogene Verteilung

17


Ferrit-ring

Hall-sensor

Elektroden-halterGasverteiler

EME

Gasverteiler-segment

Sensor-platte

Elektroden-halterSilikon

{

Abbildung 12: Messprinzip für Stromdichteverteilung

der lokal zugeführten Reaktanden. ZurUntersuchung dieser Problematik wur-de am Institut für Technische Thermo-dynamik des DLR in Stuttgart eine Mess-technik entwickelt, die es erlaubt, dieStromverteilung in PEFC kommerziellerGrößenordnung (einige 100 cm2) zumessen [17].

Um die Auftrennung des Strompfadeszur Strommessung zu vermeiden, erfolgtdie Strommessung indirekt über die Er-fassung des Magnetfeldes des elektri-schen Stromes. Dazu sind in einer Mess-zelle in einer Matrix kleine Gleichstrom-zangen angeordnet, die vom Stromdurchflossen werden. Hallsensoren be-stimmen die durch einen weichmagne-tischen Ferritring verstärkte Magnetfeld-stärke und geben ein dem lokalen Stromproportionales Hallspannungssignal aus(Abbildung 12). Aufgetragen in einer derAnordnung der Sensoren entsprechendenMatrix ergibt sich ein Abbild der Strom-verteilung in der Zelle. Die wesentlichenVorteile der Messtechnik sind die voll-kommene Trennung des Brennstoffzellen-betriebes von der Stromverteilungsmes-sung durch die kontaktlose Methode so-wie die Erhaltung der bipolaren Funktio-nalität eines mit der Messtechnik ausge-statteten Elektrodenhalters, sodass derEinbau in einen Zellstapel möglich ist.

6. Danksagung

Wir danken dem Ministerium für Wis-senschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg und der Stiftung Energie-forschung Baden-Württemberg für dieFörderung unserer Arbeiten im Rahmendes Verbundprojekts „Entwicklung einerDirektmethanol-Brennstoffzelle und Op-timierung ihrer Betriebsführung“.

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18

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2O

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2O

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2O

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x

Catalysts for the Preferential Oxidationof CO in H

2-containing Gases”, Poster-

beitrag “50th ISE Meeting”, Pavia (1999)

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Elektrofahr-zeuge mit PEM-Brennstoffzellenvon Ingo Hermann

Dr.-Ing. Ingo Hermann ist wissenschaftlicherMitarbeiter im Internationalen TechnischenEntwicklungszentrum der Adam Opel AG,Rüsselsheim.

Überblick

Die Automobilindustrie strebt das Ziel an,den gemittelten CO

2-Ausstoß bezogen

auf die gesamte verkaufte Fahrzeugflotteauf 90 g CO

2/km in den nächsten Jahren

zu verringern. Die Fahrzeugkonzepte,welche die Adam Opel AG zur Erreichungdieses Ziels verfolgt und welche Erfahrun-gen dabei gewonnen wurden, werden –bezogen auf Elektrofahrzeuge mitBrennstoffzellenantrieb – vorgestellt.

The automobile industry pursues the goalto reduce the average CO

2-emission,

aggregated over the entire fleet of ve-hicles sold, to 90 g CO

2/km within the

next few years. The vehicle conceptswhich Adam Opel AG pursues to reachthis goal and the operational and perfor-mance experience which has beengathered will be presented, focussing onelectric traction concepts with fuel cells.

Im Zuge der sich verknappenden Roh-stoffressourcen der Erde und eineswachsenden Umweltbewusstseins ge-winnen alternative Antriebstechnikenzunehmend an Bedeutung. Sie bietendie Möglichkeit, den Energieverbrauchvon Automobilen zu minimieren unddie Schadstoffemissionen deutlich he-rabzusetzen. Damit stellt die alternati-ve Antriebstechnik ein wichtiges Ge-schäftsfeld innerhalb der Automobil-branche dar.

Die Automobilindustrie will die Kohlen-dioxidemissionen in den nächsten Jah-ren auf 90 g CO

2/km reduzieren. Die

CO2-Emissionen sind direkt proportio-

nal zum Energieverbrauch. Man nähertsich dem Wert von drei Liter Benzinpro hundert gefahrenen Kilometern.Damit wird ein deutliches Energiespar-signal gesetzt. Diese Verringerung desEnergieverbrauches wird für die ver-kaufte Fahrzeugflotte angestrebt, umüber die Menge der Fahrzeuge eineneigentlichen Umweltvorteil zu erzielen.

Möglichkeiten der Energieeinsparungund Emissionsreduzierung liegen in derkonventionellen Optimierung des Fahr-zeugchassis. Bekannte Maßnahmenhierfür sind z.B. die Verringerung desLuftwiderstandes, der Bau kleinererFahrzeuge, die natürlich auch wenigerTransportleistung und Komfort aufwei-sen, der Bau sehr leichter Fahrzeuge,die sehr teuer sind. Alternative Antrie-be verbessern den Wirkungsgrad undsomit die Energieeffizienz des Motors.

Durch die Verwendung von wenigerkohlenstoffhaltigen Primärenergieträgernkann der CO

2-Ausstoß reduziert werden.

Bei den Umwandlungsschritten vomPrimärenergieträger zum Kraftstoffund von der chemisch gebundenenEnergie im Kraftstoff zur mechani-schen Energie am Rad durch den An-trieb entstehen Verluste. Bei der Op-timierung muss die Gesamtwirkungs-kette ausgehend von der Primärener-gie bilanziert werden, um ökologischund ökonomisch sinnvoll zu arbeiten.

Die Vor- und Nachteile typischerFahrzeugkonzepte sind:

• Verbrennungsmotor Benzin/Diesel+Hohe Reichweite, hohe Leistung

möglich, Erfahrung, Infrastruktur– Weiterentwicklungspotenzial

• Verbrennungsmotor Erdgas+geringe Schadstoffemission– größere Tanks, mangelnde Infra-

struktur• Hybridantrieb (Verbrennungsmotor und Elektroantrieb)

+ lokal emissionsfrei, gute Reichweite– komplexes Systemkonzept,

höheres Gewicht• Elektrofahrzeug Batteriebetrieb

+ lokal emissionsfrei– geringe Reichweite, hohes

Gewicht• Elektrofahrzeug Brennstoffzelle

+hoher Wirkungsgrad, keineStickoxide, stark reduzierte CO

2-

Emissionen– Entwicklung von Technologie und

Infrastruktur notwendig

General Motors GM und die AdamOpel AG haben langjährige Erfah-rung auf dem Gebiet der Elektro-fahrzeuge. Seit 1970 arbeitet dieAdam Opel AG auf diesem Sektor.1970 wurde der Opel GT entwickelt,der mit Nickel-Cadmium-Batterieneine Leistung von 100 kW und eineHöchstgeschwindigkeit von 189 km/herreichte. Über die Modelle Kadett„Impuls 1“ 1990, Astra Caravan „Im-puls 2“ 1991 und Astra „Impuls 3“1993 wurde der Elektroantrieb weitervorangetrieben. Abbildung 2 zeigt dieTechnik des „Impuls 3“, bei dem derAntrieb in ein bestehendes Fahrzeug-konzept integriert wurde. Der „Impuls3“ besitzt 5 Sitze, eine Leistung von45 kW aus Nickel-Cadmium/Nickel-Na-trium-Chlorid-Batterien, eine Höchstge

19


Abbildung 2: Technik des Opel Astra „Impuls 3“

Abbildung 3: H2-Brennstoffzellenantriebe: a) funktionaler Aufbau, b) mit „on-

board“-Kraftstoffumwandlung, c) mit Kraftstoffaufbereitung auf Methanolbasis

a)

b)

c)

schwindigkeit von 120 km/h und eineReichweite von 160 km. Die AdamOpel AG hat 1992 Feldtests durchge-führt mit 10 „Impuls 2“-Astras auf derInsel Rügen und mit 10 „Impuls 3“-Astras innerhalb des „Thermieprojek-tes“ im Dreiländereck Maastricht, Lüt-tich, Aachen. Daraus wurden Kunden-erwartungen an ein Elektroauto abge-leitet. Generell wird eine geringeReichweite von unter 80 km abge-lehnt, die Höchstgeschwindigkeit mussfür Autobahnfahrten ausreichend seinund höhere Kosten als bei konventio-nellen Fahrzeugen akzeptiert der Kun-de selbst unter Berücksichtigung dersehr geringen Emissionen überhauptnicht. Prinzipiell ist ein Einsatz derElektroastras als „Erstauto“ mit Ein-schränkungen möglich.

GM hat ebenfalls Erfahrung auf demGebiet der Elektrofahrzeuge, die mitder Serienfertigung des „EV 1“ seitDezember 1996 ihren Höhepunkt er-reichte. Es kann das Fazit gezogenwerden, dass Batterien als Energie-speicher zu teuer und zu schwer sind.Aus diesem Grund wurde mit reinenElektrofahrzeugen bislang noch keingroßer Marktanteil erzielt. GM undOpel haben eine große Entwickler-erfahrung auf dem Gebiet des elektri-schen Antriebs und elektrisch betriebe-ner Zusatzaggregate gewonnen.

GM und die Adam Opel AG sehen miteinem Brennstoffzellenfahrzeug dieMöglichkeit, Energieverbrauch undEmissionen deutlich herabzusetzenund gleichzeitig die Fahreigenschaftenund den Komfort des konventionellenVerbrennungsmotorfahrzeugs beizube-halten. Aus diesem Grunde wurdeEnde des Jahres 1997 das „Global Al-ternative Propulsion Center“, abge-kürzt GAPC, gegründet. Dies ist einglobal und interdisziplinär arbeitendesProjektzentrum von GM und Opel, dassich mit der Entwicklung des Brenn-stoffzellenantriebs bis hin zur Produk-tions- und Serienreife beschäftigt.GAPC besitzt drei Standorte: Mainz-Kastel in Deutschland, Rochester imStaat New York und Warren im StaatMichigan in den USA.

Abbildung 3 a) zeigt den prinzipiellenAufbau eines H

2-Brennstoffzellenan-

triebs. Der elektrische Antrieb, derdie mechanische Energie am Rad be-reitstellt, ist wie bei einem Batterie-

20

fahrzeug vorhanden. Die große Ent-wicklererfahrung auf diesem Gebietverleiht GAPC viele Vorteile. Die elek-trische Energie selbst stammt aus derBrennstoffzelle. Diese ist ein elektro-chemischer Energiewandler, der diechemisch gebundene Energie desWasserstoffs H

2 über eine räumlich

entkoppelte Reduktions-/ Oxidations-reaktion mit Luftsauerstoff in elektri-schen Strom konvertiert. Eine Einzel-zelle liefert Spannungen zwischen0,6 – 0,8 V bei flächenbezogenenStromdichten um 1 A/cm². Durch eine

Reihenschaltung vieler Zellen wird dasangestrebte Spannungsniveau erreicht.GAPC entwickelt Brennstoffzellen-stacks im eigenen Hause. Die erziel-ten Strom-/ Spannungskennlinien so-wie gravimetrische und volumetrischeLeistungswerte und Wirkungsgradesind ausgezeichnet im internationalenVergleich. Wasserstoff stellt aufgrunddes Brennstoffzellenprinzips den origi-nären Kraftstoff mit den höchsten Sys-temwirkungsgraden dar. GAPC unter-sucht und entwickelt solche Prototyp-systeme auf H

2-Basis. Als Emission ent-


steht prinzipiell nur Wasserdampf H2O.

Eine Infrastruktur für einen Individual-verkehr mit Wasserstoff H

2 ist noch

nicht vorhanden. Man ist noch aufTankstellen angewiesen, die flüssigeKraftstoffe bereitstellen. Aus diesemGrunde werden Brennstoffzellenan-triebe mit „Fuel Processor“ untersucht.Wie in Abbildung 3 b) schematisch dar-gestellt, wird an Bord des Fahrzeugsder Brennstoffzelle ein so genannter„Fuel Processor“ vorgeschaltet, der dieUmwandlung des flüssigen Kraftstoffsin wasserstoffreiches Synthesegasübernimmt.

Als Kraftstoffe kommen prinzipiell alleKohlenwasserstoffverbindungen in Be-tracht. GAPC entwickelt und erprobtPrototypsysteme auf der Basis von Me-thanol und benzinähnlichen Kraftstof-fen („Gasoline“). Abbildung 3 c) zeigtschematisch einen Fuel Processor mitMethanol-Dampf-Reformierung.

Im Reformer wird durch die endother-me Reaktion von Methanol mit Was-serdampf wasserstoffreiches Synthese-gas erzeugt. Die erforderliche Prozess-wärme wird über katalytische Verbren-nung von Systembrennstoffströmenbereitgestellt. Da die Brennstoffzellenur Kohlenmonoxidgehalte CO vonmaximal 100 ppm verträgt, muss derReformierung eine Gasreinigung nach-geschaltet werden. Dabei kann es sichum einen „Shifter“ handeln, der COund Wasserdampf in H

2 und CO

2 um-

setzt. Durch den Shifter können dieKohlenmonoxid-Anteile im einstelligenProzentbereich reduziert werden. DieFeinreinigung auf die erforderlichen,

minimalen CO-Gehalte erfolgt in dersogenannten „Preferential Oxidation“durch eine selektive Oxidationsreaktionzu CO

2. Bei allen Reaktionen handelt

es sich um heterogen katalysierte Gas-phasenreaktionen, die an speziellenKatalysatoren ablaufen. Es werden ei-gene Reaktoren entwickelt, die in Be-zug auf Dynamik, Volumen, Gewichtund Einsatzbedingungen den strengenautomobilen Anforderungen gerechtwerden müssen. Die Einzelkomponen-ten haben unterschiedliche Operations-bedingungen, wie z.B. die Tempera-tur. Dies muss durch eine sinnvolleSystemarchitektur ermöglicht werden.

Auf dem Pariser Autosalon im Herbst1998 hat GM / Opel einen fahrfähigenVersuchsträger vorgestellt, den „FuelCell Zafira“ (Abbildung 4). Der Antriebs-strang besitzt einen Elektromotor mit50 kW Antriebsleistung, 2 Brennstoff-zellenstacks mit jeweils 25 kW Lei-stung und einen Fuel Processor aufMethanolbasis. Die Architektur ent-spricht der Prinzipskizze in Abbildung3 c). An Bord befindet sich ein 54-Li-ter-Methanoltank; diese Version be-sitzt noch eine Pufferbatterie zur Un-terstützung bestimmter Fahrsituatio-nen. Die Fahrleistungen liegen bei Be-schleunigungen von 0 .. 100 km/h in20 Sekunden und Maximalgeschwin-digkeiten von 120 km/h.

In Abbildung 5 wird die Verschaltungder Einzelkomponenten eines „Gaso-line“-Antriebs verdeutlicht. Die metal-lischen Komponenten stellen die Reak-toren des Fuel Processors dar. Man er-kennt den POX-Reformer, der H

2 er-

zeugt, die Gas-reinigung mitShifter (LTS) und

Abbildung 4: „FueAbbildung 5: Demo

selektiver Oxidation (PrOX), denAnodengaswärmetauscher (AnodeHEX), um das Gas zu konditionieren,bevor es in den Brenstoffzellenstackeintritt. Rechts außen sitzt der Kom-pressor zur Bereitstellung der Luft. ImVordergrund erkennt man den katalyti-schen Brenner (Combustor), der dieWärme zur Verdampfung (Vaporizer)von Wasser und Wasser/Benzin-Gemi-schen liefert.

Abbildung 5 zeigt eine Architekturmög-lichkeit auf, die es zu bewerten undvalidieren gilt. Neben der Optimierungder Architektur werden auch die Kom-ponenten und Subsysteme untersuchtund optimiert. Eine schrittweise Integra-tion ins Fahrzeug wird so ermöglicht.

GM / Opel untersucht und optimiertBrennstoffzellenantriebe (BZ) auf derBasis von Wasserstoff H

2 und flüssigen

Kohlenwasserstoffen. Deutliche Vorteiledes BZ-Antriebs liegen in den geringenSchadstoffemissionen und dem hohenGesamtwirkungsgrad. Daraus resultie-ren ein geringerer Energieverbrauchund weniger CO

2-Emissionen. Die Phi-

losophie von GAPC ist es, ein BZ-Fahr-zeug zu entwickeln, das für den Indivi-dualverkehr geeignet ist und in seinenFahreigenschaften dem Verbrennungs-motor gleichwertig oder überlegen ist.Bezüglich Geräuschemissionen, Bedie-nung und Service soll das BZ-Fahrzeugbesser sein. In den Anforderungen Si-cherheit, Komfort, Transporteigenschaf-ten, Fahrleistung, Haltbarkeit und Kos-ten soll es dem Verbrennungsmotormindestens gleichwertig sein. GM / Opelsehen im Brennstoffzellenantrieb dieTechnologie, die den Anforderungender Zukunft unter sich ändernden Rah-menbedingungen gerecht wird.

21

l Cell Zafira“ (links)nstration eines „Gasoline“-BZ-Antriebs


22

PEM-Brennstoff-zellen in derKraft-Wärme-Kopplungvon Angelika Heinzel,Andreas Brinnerund Joachim Scholta

Dipl.-Ing. Andreas Brinner ist wissenschaftli-cher Mitarbeiter des Instituts für TheoretischeThermodynamik des Deutschen Zentrums fürLuft- und Raumfahrt (DLR) in Stuttgart.

Dr. Angelika Heinzel ist Leiterin der AbteilungEnergietechnik des Fraunhofer-Instituts fürSolare Energiesysteme (Fraunhofer ISE),Freiburg.

Dr. Joachim Scholta ist wissenschaftlicherMitarbeiter in der Abteilung ElektrochemischeWasserstofftechnik des Zentrums für Sonnen-energie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW), Ulm

Abbildung 1: Funktionsprinzip einerMembranbrennstoffzelle

Überblick

Brennstoffzellen sind effiziente und sau-bere elektrochemische Energiewandlerund sind deshalb attraktiv als Option fürstationäre, mobile und auch portable An-wendungen. Die Vorteile der Brennstoff-zelle sind hoher Wirkungsgrad (auch imTeillastbereich und bei kleinen Leistun-gen), Emissionsfreiheit (abgesehen vonEmissionen bei der Wasserstoffher-stellung durch Reformierung von Kohlen-wasserstoffen), modularer Aufbau (dersie leicht anpassbar macht an Leistungs-,Spannungs- und Stromanforderungen)und das Fehlen bewegter Teile (was lan-ge Lebensdauer erwarten lässt).

Diskutiert werden mögliche Konzepte fürdie Energieversorgung mit Brennstoff-zellen-Blockheizkraftwerken (BHKW) inder stationären Anwendung und die Vor-teile der Kraft/Wärmekopplung. Die Ar-beiten der auf diesem Gebiet tätigen In-stitute Fraunhofer ISE, DLR und ZSWwerden zusammenfassend dargestellt.

Fuel cells as efficient and cleanelectrochemical energy converters areattractive as option for stationary, mobileand even portable applications. Theadvantages of fuel cells are highefficiency (also at part load and in lowpower applications), zero emission(excepting those caused by thereforming of hydrocarbons in the processof hydrogen generation), modular con-struction (facilitating the adaptation topower, voltage and current require-ments) and the absence of any movingparts (promising long lifetime).

Discussed are possible concepts for fuelcells in stationary applications and theadvantages of combined heat andpower supply, covering all respective R&Dactivities of the three institutesFraunhofer ISE, DLR and ZSW.

1. Technologie

Das Funktionsprinzip von Brennstoff-zellen basiert auf der elektrochemi-schen Umwandlung von Wasserstoffund (Luft)Sauerstoff in elektrische En-ergie und Wärme. Das Prinzip ist inAbbildung 1 schematisch am Beispielder Membranbrennstoffzelle (PEMFC)dargestellt.

Sowohl Membran- als auch phosphor-saure Brennstoffzellen (PAFC) benöti-gen nach dem Stand der Technik rela-tiv reinen Wasserstoff für den Betrieb.Wenn also Erdgas genutzt werdensoll, ist ein mehrstufiger Gasprozessor

erforderlich, wie in Abbildung 2 sche-matisch dargestellt.

2. Konzepte für Gebäude

Die größte Herausforderung bei derEntwicklung von Brennstoffzellen-systemen mit Erdgas als Brennstoff fürden Wohnhausbereich ist es, eineschnelle Startphase und ein einfachesAbschalten zu ermöglichen sowie dieTeillastfähigkeit bei gutem Wirkungs-grad zu realisieren. Die hohe Betriebs-temperatur der Reaktoren zur Refor-mierung und zur CO-Konvertierunglimitieren derzeit die Möglichkeiten.Die zu erwartenden Wirkungsgradeliegen – je nach der Leistung und derBetriebsweise – im Bereich zwischen20 und 40%.

2.1 Einfamilienhäuser

Die attraktivste Anwendung fürBrennstoffzellensysteme ist der Ersatzin Heizungsanlagen im Gebäude-bestand. Der typische Energiever-brauch eines Einfamilienhauses inDeutschland beträgt für

Warmwasser:300 W kontinuierlich,Sommer und Winter

Elektrische Energie:300 W kontinuierlich,Sommer und Winter

Raumheizung:100 kWh/m² a, mit einer deutlichenVerbrauchspitze im Winter währendder Hauptheizperiode

Das Verbrauchsprofil über ein Jahr istin Abbildung 3 dargestellt.

Das Verbrauchsprofil für einen Tagzeigt ebenfalls typische Lastspitzen,siehe Abbildung 4.


23

Abbildung 2: Gas-Prozessor für Erdgas zur Wasserstoffversorgung von Membran-( PEMFC) und phosphorsauren Brennstoff-zellen (PAFC)

Abbildung 4: Tagesgang des Energieverbrauches eineskleinen Einfamilienhauses

Abbildung 3: Energieverbrauch eines Hauses nach derWSchVO

In der Regel wird ein netzgekoppelterBetrieb angestrebt. Nur diese Betriebs-art erscheint bei der Sanierung desGebäudebestandes durchsetzbar. DieLeistung des Brennstoffzellensystemswird auf den Wärmeverbrauch für dieWarmwasseraufbereitung und den ge-ringen Grundbedarf an elektrischer En-ergie ausgelegt werden müssen. Derzusätzliche Bedarf an elektrischer En-ergie kann dem Netz entnommenoder auch Überschüsse in das Netzeingespeist werden. Das Brennstoff-zellensystem wird mit einem effizien-ten Wärmespeicher (etwa ein Schicht-speicher oder ein Sorptionssystem)kombiniert, sodass eine möglichst kon-tinuierliche Betriebsweise realisiertwerden kann. Da bei dieser Ausle-gung Strom aus dem Netz bezogenwird, wenn im Haushalt Lastspitzenauftreten und zu den anderen Zeitender Überschussstrom ins Netz gespeistwerden soll, ist für die Realisierung

dieses Konzepts die Zusammenarbeitmit den Energieversorgungsunterneh-men ein äußerst wichtiges Thema.Für die Raumheizung wird eine zusätz-liche Wärmequelle benötigt, die nur inKälteperioden in Betrieb genommenwird. Ein Zusatzbrenner kann dieseFunktion erfüllen. Das Konzept einesBrennstoffzellensystems mit Zusatz-brenner ist in Abbildung 5 dargestellt.

Eine Alternative ist die Installation ei-ner überdimensionierten Brennstoff-zelle, die im Sommer in Teillastbetriebläuft und deren Überschussstrom imWinter beispielsweise zum Betrieb vonWärmepumpen genutzt werden kann.

Zusätzlich ist es selbstverständlichmöglich, Strom und Wärme mit Hilfeeines lokalen Strom- und Nahwärme-netzes von einem größeren, zentralenBlockheizkraftwerk an mehrere Einzel-häuser zu liefern.

2.2 Mehrfamilienhäuser,Bürogebäude

Für größere Mehrfamilienhäuser ist derBedarf an Strom, Wärme und Kühlungein Vielfaches von dem eines Einfami-lienhauses, allerdings mit geringeremSpitzenbedarf aufgrund unterschiedli-chen Verbraucherverhaltens. So giltdasselbe Schema wie in Abbildung 5auch für Mehrfamilienhäuser, mit derFolge, dass die Größe des Brennstoffzel-lensystems an den Bedarf angepasstwerden kann. Für Bürogebäude gibt esnormalerweise einen zusätzlichen Be-darf an Kühlung im Sommer. Da sichSorptionssysteme sowohl zur Heizungals auch zur Kühlung eignen, sind siedie ideale Ergänzung für ein Brenn-stoffzellensystem wie in Abbildung 6schematisch dargestellt.


Abbildung 6: Energieversorgungssytem für ein Bürogebäude

Abbildung 7: Gaszusammensetzung nach den einzelnen Reaktoren bei Betriebder Reformeranlage in Riesa

Abbildung 5: Energieversorgungskonzept eines Einfamilienhauses mit Zusatzbrenner

Die praktischen F&E-Arbeiten der Insti-tute sind derzeit

• Betrieb einer 5 kW PEM-Zelle alsHausheizungssystem im Labor inUlm (ZSW),

• Betrieb einer 6 kW-PEM-Zelle ineiner Versuchsanlage zur Labor-gebäudeheizung in Stuttgart (DLR),

• Entwicklung der Reformertech-nologie, gekoppelter Betrieb vonErdgasreformer und Brennstoff-zellenanlage in Riesa, Sachsen(Fraunhofer ISE).

An der Reformeranlage in Riesa wirdmit Stichproben die Gasqualität hinterden einzelnen Reaktoren kontrolliert,ein typisches Messergebnis ist in Abbil-dung 7 dargestellt. Die Anlage läuftseit Anfang 1998 ohne Probleme.

Die Elektro- und die Wärmeleistung ei-nes Brennstoffzellenstapels der Firma

24

Ballard wurde vom ZSW bei Betriebmit reinem Wasserstoff gemessen, dieErgebnisse sind in Abbildung 8 darge-stellt.

Anhand des Testbetriebes dieser undanderer intensiv betreuter Anlagenwerden Erfahrungen mit Membran-

brennstoffzellen im kleineren Leistungs-bereich gesammelt. Neben Konzeptenfür die Energieversorgung werden auchStrategien für den Betrieb von Brenn-stoffzellen entwickelt und die Unter-schiede bei Betrieb mit Wasserstoff,synthetischem Reformat und direkt ge-koppelt mit Prototypen von Reformern


festgestellt. Mit diesen Erkenntnis-sen werden Vorschläge erarbeitetfür die Anpassung der Brennstoff-zellen- und der Reformertechnologiean den Einsatz in Hausenergiever-sorgungen.

Wichtige Ziele der Arbeiten sind:

• Entwicklung robuster, wartungs-armer Brennstoffzellen mit einfa-cher Systemtechnologie,

• Entwicklung angepasster Katalysa-toren für die Reformierung, dieCO-Konvertierung, die selektiveOxidation und für die Elektrodender Brennstoffzelle,

Abbildung 8: Meßdaten an der 5 kW PEM

• Integration der 3 bis 4 Reaktions-stufen zu einem System mit gutenEigenschaften unter anderem be-züglich Teillastfähigkeit, War-tungsarmut und schnellen Auf-heizzeiten,

• Kostensenkung durch Massenpro-duktion und Verwendung einfa-cher Peripheriekomponenten.

Um alle diese Ziele zu erreichen, istauch im stationären Bereich noch er-heblicher F&E-Aufwand erforderlich,obwohl die Kostenziele von ca. 1.000 –2.000 DM/kWel leichter zu erreichensind als die sehr niedrigen Ziele derAutomobilindustrie.

FC

3. Zusammenfassung

Die Energieversorgung von Gebäudenmit Brennstoffzellensystemen erfordertweitere F&E-Anstrengungen. Das Brenn-stoffzellensystem selbst ist bisher nicht andie erforderliche flexible Betriebsweiseangepasst. Das Hochfahren der Anlagebenötigt bisher zu lange Aufheizzeiten.In einem Membranbrennstoffzellen-system mit Reformer dürfen die Kataly-satoren derzeit nur unter bestimmtenkontrollierten Bedingungen betriebenwerden. Wegen des wachsenden Inte-resses der Industriefirmen am dezentra-len Einsatz der Brennstoffzellentechnolo-gie werden diese Forschungsarbeiten innaher Zukunft unternommen werden.

25


26

PortableAnwendungenmit PEM-Brennstoffzellenvon Joachim Scholtaund Mario Zedda

Dr. rer. nat. Joachim Scholta arbeitet als wis-senschaftlicher Mitarbeiter im Bereich Poly-mermembran-Brennstoffzellen und -systemein der Abteilung ECW im Zentrum für Sonnen-energie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW), Ulm.

Dipl.-Ing. Mario Zedda arbeitet als wissen-schaftlicher Mitarbeiter an Polymermembran-Brennstoffzellen für portable Anwendungenin der Abteilung Energietechnik des Fraunho-fer-Instituts für Solare Energiesysteme (Fraun-hofer ISE), Freiburg.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Zink Nickel Cadmium

Sonstiges

Batterien

Abbildung 1: Anteile von Batterienund Akkumulatoren am Schadstoffein-trag im Hausmüll (Angaben in %)

Überblick

Polymermembran-Brennstoffzellen sindunter Umgebungsbedingungen einsetz-bar und bieten aufgrund ihrer Leistungs-fähigkeit eine Alternative sowohl zubatteriebasierten Stromversorgungen imKleinleistungsbereich (bis 50 Watt) alsauch zu motorbetriebenen Stromerzeu-gern der kW-Klasse. Bei Kleinleistungs-anwendungen steht der höhere Energie-inhalt, bei Anwendungen höhererLeistung die herausragende Umwelt-freundlichkeit (Wirkungsgrad, Abgas-und Geräuschemission) von Stromver-sorgungen mit Brennstoffzellen im Vor-dergrund. Prototypen für Notebook-Betrieb (Fraunhofer ISE) und netzunab-hängige Stromversorgung („Power Bag“,ZSW) zeigen die Leistungsfähigkeit dieserSysteme.

Polymer electroyte membrane fuel cellsoperate at ambient conditions and,because of their performance capabili-ties, are an alternative for batteries inlow-power power supplies (up to 50 watts)as well as for motor-generators in thekW-range. In low power applications themain advantage of fuel cells is the higherenergy density, in high power appli-cations the superior environmentalcharacteristics (efficiency, exhaust andnoise emissions). Prototypes of fuel cellpower supplies for notebooks (Fraunho-fer ISE) and for general applications(„power bag”, ZSW) demonstrate thecapabilities of such systems.

1. Einführung

Die Leistungsanforderungen anStromversorgungen sind in den letz-ten Jahren sowohl hinsichtlich derLeistungs- als auch hinsichtlich derEnergiedichte deutlich gestiegen.Gleichzeitig zwingen gestiegene Um-weltanforderungen zu vermindertemSchadstoffeintrag.

Vor diesem Hintergrund besitzenBrennstoffzellen in Verbindung miteinem Wasserstoffspeicher ein breitesEinsatzpotenzial. Entscheidend füreinen Erfolg der Brennstoffzellen alsportable Stromerzeuger sind vor allemeine gegenüber Vergleichssystemenverbesserte Energiedichte sowie beigrößeren Systemen ein im Vergleichzu motorischen Stromerzeugerndrastisch verbessertes Geräusch- undEmissionsverhalten (Abbildungen 6und 7) sowie ein wesentlich erhöhterWirkungsgrad.

1.1 Brennstoffzellen

Derzeit sind fünf Brennstoffzellentypen(PEMFC, DMFC, PAFC, MCFC, SOFC)mit unterschiedlichen Elektrolyten undTemperaturniveaus im Einsatz. Für denEinsatzweck der portablen Stromver-sorgung ist die Polymermembran-Zelle(PEMFC) besonders geeignet, da sieals einziger Zelltyp folgende Eigen-schaften aufweist:

• Schnelles An-und Abschaltverhalten

• Betrieb zwischen 0 und 80°C,selbst heizend

• Hohe Leistungsdichte (> 0,5 W/cm³)

• Hohes Leistungsgewicht (> 0,25 W/g)

• Lange Lebensdauer

Die Leistungsdaten beziehen sich aufdie Brennstoffzelle und müssen nochdurch die Speichereinheit und die zumBetrieb erforderliche Peripherie er-gänzt werden. Für sehr kleine Leistun-gen kann bereits heute zusätzlich dieDirekt-Methanol-Zelle (DMFC) in Be-tracht gezogen werden.

1.2 BZ-Kleinsysteme

Die Brennstoffzelle benötigt zu ihremBetrieb eine an den Strombedarf an-gepasste Versorgung mit Wasserstoffund Luft sowie bei höheren Leistungeneine Kühlung zur Wärmeabführung.Der prinzipielle Aufbau eines solchenSystems ist in Abbildung 2 dargestellt.


Elektrische

Verbraucher

Regelung/

Spannungs-

wandler

Brennstoffzelle

p

Abgas

H2-Membranpumpe

Luft

Befeuchter

Wasser

Luft-Membranpumpe

Kühler

Druckreduzierventil

Kühlmittelpumpe Metall-

hydrid-

speicher

Abbildung 2: Schema eines Klein-Brennstoffzellensystems mit Wasserstoff-Rezyklierung, Luftbefeuchtung und Kühlung

Die Brennstoffzelle selbst wird imRegelfall als Zellstapel (Stack) aufge-baut. Zusätzlich besteht bei kleinerenLeistungen (bis etwa 50 Watt) dieMöglichkeit einer ebenenintegriertenVerschaltung mehrerer Zellen sowiedes Einsatzes einer Einzelzelle mitdazu passendem DC-DC-Konverter.Ebenenintegrierte Verschaltung undStackbauweise sind kombinierbar(„Streifenmembranzelle“), was einflaches Zelldesign bei hohen Leistungs-dichten ermöglicht.

1.3 Speichersysteme

Polymermembran-Brennstoffzellen be-nötigen Wasserstoff, welcher direktgespeichert oder aus Kohlenwasser-

Abbildung 3: Elektrische Verschaltungsm

Stackbauweise (U = N x 0,7 V)

U = 2,8V

N = 4

Einzelz

Einzelzelle

U = 0,7 V

WasserstoffLuft

BrennstStreifen

stoffen gewonnen (reformiert) wird.Der Reformer-Wasserstoff muss zusätz-lich gereinigt werden, um für diePEMFC verträglich zu sein. Aus die-sem Grund sowie wegen des sich beiEinheiten unter 1 kW

chem. deutlich ver-

schlechternden Wirkungsgradeskommt für Systeme unterhalb 500 W

el.

praktisch nur Wasserstoff als Speicher-medium in Frage. Eine Ausnahme bil-den Zellen im Bereich von 5 Watt oderweniger, wo heute auch die DMFCeingesetzt und damit direkt verstrom-bares Methanol als Speichermediumeingesetzt werden kann.

Aufgrund von technischen Überle-gungen (Isolationsverluste bei Klein-speichern, fehlende Infrastruktur)

öglichkeiten von Kleinbrennstoffzellen

elle mit DC/DC- Wandler

offzelle mitmembran

U = 2,8 V

U = 0.7 V

U = 12 VDC / DC

Wandler

scheidet Flüssigwasserstoff (LH2) als

Speicher für Kleinsysteme aus. Jenach Gewichtung von volumen- undgewichtsbezogender Energiedichtekommen für diesen Anwendungsfallbevorzugt Metallhydrid- oder Druck-speicher in Frage. Bei beiden Syste-men sind derzeit Entwicklungen vonStahl- zu Kompositflaschen im Gang,was eine wesentliche Steigerung dergewichtsbezogenen Energiedichte be-wirken wird. Methanol ist im Vergleichzu den bei Wasserstoff realisierbarenEnergiedichten attraktiver. Dieser Vor-teil kann wegen des Zusatzaufwandsfür die Reformierung jedoch nur beiSystemen über 500 W oder für direktumsetzende Kleinstsysteme (DMFC)zum Tragen kommen. Die Speiche-rung von Wasserstoff an Carbonfasernist noch Forschungsgegenstand, neu-erdings wurden wiederum Werte vonmehr als 10 Gew.% publiziert [1].

1.4 Leistungsdaten im Vergleich

Volumen- und gewichtsspezifischeEnergiedichten von Wasserstoff-speichern (mit Tank) für verschiedeneSpeichervolumina sind z. B. in [2] wie-dergegeben. Die volumenspezifischenEnergien für Druck- und Hydridspei-cherung liegen zwischen ca. 0,2 undmehr als 0,5 kWh/l, die volumen-spezifische Leistung zwischen ca. 0,2und 0,5 kW/l. Zusätzlich sind periphe-re Komponenten zu berücksichtigen.

Die bei BZ-Stromerzeugern im Gegen-satz zu Batterien räumlich getrenntenSysteme „Speicher“ (Energie) und„Zelle“ (Leistung) ermöglichen eineweitgehende Anpassung an unter-schiedliche Energie/Leistungsverhält-nisse. Die aus den Komponenten„Speicher“ und „Zelle” resultierendeEnergiedichte im Vergleich zu Primär-und Sekundärsystemen ist in Abbil-dung 4 wiedergegeben.

Der BZ-Stromerzeuger weist bei hohenEnergie/Leistungsverhältnissen deutli-che Vorteile im Vergleich mit beste-henden Sekundärbatterien auf. Um-gekehrt werden für sehr leistungsin-tensive Anwendungen Sekundärbat-terien oder Supercaps bevorzugt. Dievolumenbezogene Energiedichte vonBZ-Stromerzeugern im kW-Bereich istkonkurrenzfähig zu marktgängigenBenzin-Generatoren. Die Hauptvorteileliegen hier jedoch im hohen Wirkungs-

27


Abbildung 5: Volumen- und gewichtsbezogene Energie-dichte von portablen Brennstoffzellen im Vergleich zumLi-Ionen-Akku

CH3OH8 wt%

LH 2 100 wt%

Mg2Ni 3,6 wt%

LaNi 5 1,4 wt%

0,1

1,0

10,0

100,0

0,1 1,0 10,0 100,0

spez ifisches S pe ichervo

Nanofibers nachBaker, Rodriguez100 bar 50 wt%

lumen in kWh/ L iter

spezifischeSpeicherm

asse

inkWh/kg

CH4

100 bar 25 wt%Activated Carbon70 K 100 bar 6wt%

GH2

100 bar 100 wt%

ZSW gemessen100 bar max.1,5 wt%

Abbildung 4: Volumenbezogene Energiedichte von Wasser-stoffspeichern (ohne Behälter)

Li-Ionen-Akku:System im Laptop

Brennstoffzelle 98 Li-Ionen-Akku Brennstoffzelle 99

Energiedichte in Wh/kg

405

88

140

62

190

120

300

106

Energiedichte in Wh/l

grad sowie dem herausragend günsti-gen Lärm- und Emissionsverhalten derBrennstoffzellensysteme.

Im Kleinleistungsbereich (z.B. Laptop) istdie Lithium-Ionen-Batterie Stand der Tech-nik. Die volumen- und gewichtsbezoge-nen Energieinhalte sind in Abbildung 5im Vergleich zu Wasserstoff-Brennstoff-zellensystemen wiedergegeben.

Der Vergleich zeigt, dass portable Brenn-stoffzellen bei vergleichbarem gewichts-bezogenem Energieinhalt im volumen-bezogenen Energieinhalt deutliche Vor-teile aufweisen, was entweder der Ein-satzdauer oder der Leistungsfähigkeitvon Laptops zugute kommen kann.

1.5 Ökologische Vorteile vonBrennstoffzellen

Im Kleinleistungsbereich sind vor allemdie gegenüber Sekundärbatterien ver-ringerten Schadstoffeinträge (Abbil-

28

Abbildung 6: Emissionsvergleich Abgas zwund Generatoren

dung 6) zu nennen. Gegenüber Primär-zellen ist die bei diesen stark negativeEnergiebilanz (bis zu 500 bezogen aufHerstellungsaufwand) zu nennen.

Im Bereich höherer Leistungen sindportable BZ-Stromerzeugungsanlageneine Alternative zu motorbetriebenenGeneratoren. Gegenüber diesen sindBZ-Anlagen bei H

2-Betrieb vollständig

schadstofffrei und sehr lärmarm. Bei Re-format-Betrieb werden lediglich vernach-lässigbare Mengen CO und NO

x sowie

weniger als die halbe Menge CO2

emittiert. Die Zahlenwerte sind in denAbbildungen 6 und 7 wiedergegeben.

Auch im elektrischen Wirkungsgrad zeigtdie Brennstoffzelle deutliche Vorteile,wie in Abbildung 8 wiedergegeben.

Der reine Stack-Wirkungsgrad liegtüber 50%. Wegen des nahezu voll-ständigen Umsatzes von Wasserstoffsind Abgasverluste vernachlässigbar.

ischen PEMFC Abbildung 7: EmissGeneratoren

Durch Nebenaggregate (Luftzufuhr,Kühlung, Steuerung) sinkt der Wir-kungsgrad auf 20 bis 40%. Da derWirkungsgrad bei motorbetrieben Ge-neratoren der kW-Klasse im Allgemei-nen unter 10% liegt, ist auch im un-günstigsten Fall von einem Wirkungs-gradvorteil um den Faktor 2 auszuge-hen.

2. Anwendungen

Anwendungsfelder für portable Brenn-stoffzellen sind prinzipiell alle Berei-che, in denen eine netzunabhängigeEnergieversorgung benötigt wird.Besonders bevorzugt sind Anwendun-gen, bei denen es entweder aufhohe Energiedichten ankommt oderhohe Anforderungen an Lärm- undEmissionsverhalten gestellt werden.Im ersten Bereich sind Batterieersatz-systeme angesiedelt, z.B. für Laptopsund technische Anlagen ohne Strom-anschluss. Im zweiten Bereich sind

ionsvergleich Lärm zwischen PEMFC und


Abbildung 8: Wirkungsgradvergleich zwischen PEMFC und Generatoren

Abbildung 9: Brennstoffzellensystem für den Betrieb eines Laptops (20 W)

mobile Stromerzeugungsanlagen zunennen, z.B. für Freizeitanwendungenwie Camping, Boote, Wochenendhäu-ser. Für beide Bereiche sind bereitsleistungsfähige Prototypen entwickeltworden, ein Brennstoffzellensystemzum Betrieb im Laptop (FraunhoferISE) sowie eine unanhängige Strom-versorgungseinheit („Power Bag“,ZSW).

2.1 20-W-Brennstoffzellensystem fürLaptops

Das vom Fraunhofer ISE entwickelteSystem (Abbildung 9) besteht auseiner 25-zelligen, selbst atmendenStreifenmembranzelle mit Metall-hydridspeichereinheit, Mini-Lüfternund kleiner Steuerelektronik. DiesesKonzept ermöglicht den Einsatz einesKunststoffgehäuses sowie einen kom-pakten, sehr flachen Aufbau. Streifen-membranzellen können problemlosan die benötigte Geometrie ange-passt werden. Durch den Einsatz vonMiniaturlüftern wird ein lautloser Be-trieb bei geringem Hilfsenergiebedarfermöglicht, d. h., die von der Brenn-stoffzelle erzeugte Energie kann fastausschließlich dem Laptop zur Verfü-gung stehen. Um einen stabilenBetrieb der Brennstoffzelle und einenkontrollierten Wasseraustrag zu ge-währleisten, sind die Lüfter lastab-hängig gesteuert. Lastsprünge, wie siez. B. beim Anfahren des Laptops auf-

treten, stellen für die Streifenmem-branzelle kein Problem dar, blitzschnellreagiert das System auf die Anforde-rungen des jeweiligen Gerätes.

Die Weiterentwicklung des Systems zueinem in den Laptop integrierfähigenPrototypen findet zur Zeit statt, wobeidie Leistungsdichte bereits um denFaktor 3 gesteigert werden konnte.Bei einem Systemvergleich mit einemherkömmlichen Lithium-Ionen-Akkuerzielt das Streifenzellensystem somit

bereits höhere Energiedichten. Vielversprechend fällt auch die Abschät-zung der Kosten eines in Serie produ-zierten Streifenzellensystems aus.Schließlich besteht die Brennstoffzellefast ausschließlich aus Kunststoff. Dassder Metallhydridspeicher sich beimEntladen abkühlt, dürfte auch für dieComputerhersteller interessant sein.

2.2 150-W-Brennstoffzellensystem zurunabhängigen Stromversorgung

Als Prototyp einer portablen Stromver-sorgung wurde ein vom ZSW entwi-ckelter Brennstoffzellen-Stack mit ei-nem Wasserstoff-Hydridspeicher undeiner zu diesem Zweck entwickeltenSteuerung zu einem „Power-Bag“kombiniert (Abbildung 10).

Das Brennstoffzellen-Stack ist einfachund kostengünstig aufgebaut undweist eine Leistung von 250 W auf.Damit resultiert eine Systemleistungvon 150 W bei einer Ausgangs-spannung von etwa 12 V. Der Leis-tungsbereich kann durch geeigneteStack- und Peripherieauswahl bis auf1 kW erweitert werden. Mit einer2 l-Wasserstoff-Hydridspeicher-Patronekann dieses Modell einen 35 l-Cam-ping-Kühlschrank 2 bis 5 Tage versor-gen. Die Hydrid-Speicher-Patrone kannmittels Bajonett-Verschluss leicht ge-wechselt werden. Der Wasserstoffwird praktisch zu 100% ausgenutzt.Aufgrund des Betriebs mit Wasserstoff

29


Abbildung 10: 150-W-Stromversorgungseinheit mit PEMFC („Power Bag“)

Tabelle: Bisherige und erwartete Kostenentwicklung bei PEMFC-Stacks

ist das „Power Bag” eine vollständigschadstofffreie Stromquelle. Die sys-temintegrierte Steuerung bewirkt einestrom- und temperaturabhängige Gas-zufuhr, führt bei Bedarf Spülzyklen zurInertgasausschleusung durch und redu-ziert im Teillastbetrieb den Verbrauchder Nebenaggregate bis nahe 0. Damitwird ein vollautomatischer Betrieb desSystems erreicht.

Das verwendete Stack besitzt nochOptimierungspotenzial in Bezug aufdie erzielbare Strom- und damit Leis-tungsdichte. Die in der Zwischenzeitdurch eine verbesserte Gasführung imStack erzielten Leistungsverbesserun-gen sind in [3] wiedergegeben. DurchKombination dieser Stacks mit einemerweiterten Wasserstoffspeicher ist beigleicher Baugröße eine Leistung von400 W (Stack-Leistung 500 W) ent-nehmbar. Der Energieinhalt vergrößertsich entsprechend zum Wasserstoff-

30

speicher. Für dieses System ergibt sichbei einem Volumen von 38 Litern einNetto-Energieinhalt von 5,6 kWh, waseiner volumenbezogenen Energiedich-te von 0,15 kWh/l entspricht. Hervor-zuheben ist, dass das Volumen sämtli-

cher Nebenaggregate für das PEMFC-System in den Daten enthalten ist.

3. Kosten

Der Einsatz von portablen Brennstoff-zellen wird wesentlich durch Kosten-gesichtspunkte mitbestimmt werden.Die derzeitigen sowie die Zielkostensind in der Tabelle wiedergegeben.

Hervorzuheben ist die Notwendigkeiterheblicher Kostensenkungen zum er-folgreichen Markteintritt. Für eine Kos-tensenkung in dem erforderlichen Um-fang und darüber hinaus bestehenaber gute Aussichten, da im Traktions-bereich Kostenziele von 100 DM/kWfür das BZ-Antriebssystem bestehen.Deswegen sollte die Entwicklung vonportablen Brennstoffzellen bereits jetztforciert und zunächst in bereits heutekosteneffektiven Bereichen durchge-führt werden.

4. Ausblick

In der Zukunft ist von weiteren Verbes-serungen spezifischer Leistungs- undEnergiedichten auszugehen. DieseEntwicklung fördert auch die Einsetz-barkeit von DMFC-basierten Stromer-zeugern im Kleinleistungsbereich. Ab-bildung 11 zeigt Massen- und Energie-inhalte von DMFC-Systemen im Ver-gleich zum Li-Ionen-Akku.

Für hohe Energie/Leistungsverhältnisseist auch hier ein Verbesserungspoten-zial durch portable DMFC-Systeme ge-geben. Exemplarisch für eine Anwen-dung sei der DMFC-Handylader (Abbil-dung 12) genannt.


Abbildung 11: Massen und Energieinhalte von DMFC-Systemen im Vergleichzum Li-Ionen-Akku

Abbildung 12: DMFC-Handy-Lader

Literatur

[1] Chen, P., Wu, X., Lin, J., Tan, L.:„High H

2 Uptake by Alkali-Doped Carbon

Nanotubes under Ambient Pressure andModerate Temperatures”, Science 285,(1999) 91-3

[2] Scholta, J., Plzak, V., Jossen, A., Rohland,B., Garche, J.:„Einsatzmöglichkeiten von Brenn-stoffzellen als möglicher Substituend vonPrimär- und Sekundärbatterien”,Begleittexte zum 4. Design & ElektronikEntwicklerforum „Batterien undLadekonzepte”, München, (1997)305-11

[3] Wagner, N., Gülzow, E., Jörissen, J.,Mergel, J., Heinzel, A.„PEMFC-Entwicklungen”,Themen 1999/2000, FORSCHUNGS-VERBUND SONNENENERGIE, Berlin(2000) 11-18

31


32

Stand undZukunft derDirekt-Methanol-Brennstoffzellevon Ludwig Jörissen,Hendrik Dohle,Ulrich Stimmingund Mario Zedda

Dr. rer. nat. Ludwig Jörissen ist wissenschaft-licher Mitarbeiter des GeschäftsbereichsElektrochemische Speicher und Wandler imZentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW), Ulm.

Dipl.-Ing. Hendrik Dohle ist wissenschaftlicherMitarbeiter des Instituts für Werkstoffe undVerfahren der Energietechnik im Forschungs-zentrum Jülich (FZJ), Jülich.

Prof. Dr. rer. nat. Ulrich Stimming ist Lehrstuhl-inhaber für Grenzflächen und Energieumwand-lung an der Technischen Universität Münchenund wissenschaftlicher Leiter der AbteilungEnergieumwandlung und -speicherung imBayerischen Zentrum für AngewandteEnergieforschung (ZAE Bayern), München.

Dipl.-Ing. Mario Zedda arbeitet als wissen-schaftlicher Mitarbeiter an Polymermembran-Brennstoffzellen und Direkt-Methanol-Brennstoffzellen in der Abteilung Energie-technik des Fraunhofer Instituts für SolareEnergiesysteme (ISE), Freiburg.

Überblick

Direkt-Methanol-Bernnstoffzellen(DMFC) setzen den flüssigen KraftstoffMethanol direkt in elektrischen Stromum. Im Vergleich zu Brennstoffzellen-systemen, die Wasserstoff mit Hilfe einesReforming-Prozesses erzeugen, kann da-durch eine beträchtliche System-vereinfachung erreicht werden. Überden Stand der Entwicklung der DMFCwird anhand experimenteller Ergebnisseberichtet. Die Auswirkungen derBetriebsbedingungen werden untersuchtund Lösungsansätze für neue Katalysato-ren und Elektrolytmembranen vorge-stellt.

In Direct-Methanol-Fuel-Cells (DMFC),the liquid fuel methanol is directlyconverted into electricity. This leads toconsiderably simpler fuel cell systemswhen compared to reformer-basedsystems. Based on experimental results,the current status of DMFC developmentis reviewed. The consequences ofoperating conditions are identified.Furthermore, new concepts are sugges-ted for catalyst and electrolyte mem-brane development.

1. Einführung

Brennstoffzellen sind Stromquellender Zukunft, sie erzeugen direkt,ohne den Umweg über Wärme undmechanische Energie, mit hohemWirkungsgrad geräusch- und emissi-onsarm elektrische Energie. Mit neu-artigen Werkstoffen und weiterent-wickelter Systemtechnik öffnet sichfür diese Technologie ein Markt mit

Abbildung 1: Konzepte zur Brennstoffvers

einem großen Einsatzspektrum: zurVersorgung netzunabhängiger Geräte,in der dezentralen Kraft-Wärme-Kopplung oder als Antriebssystem fürFahrzeuge. In jüngster Zeit wurdenbeträchtliche Fortschritte bei der Ent-wicklung von Polymerelektrolytmem-bran-Brennstoffzellen (PEFC) erreicht.Diese Zellen benötigen jedoch zumBetrieb Wasserstoff. Andere Treibstof-fe wie z.B. Erdgas oder Methanolmüssen vorher chemisch in ein was-serstoffhaltiges Gasgemisch aufberei-tet und von CO-Verunreinigungen be-freit werden, wodurch sich die spezifi-sche Leistung (W/kg) und die Lei-stungsdichte (W/l) verringert. In Abbil-dung 1 sind drei verschiedene Kon-zepte zur Versorgung eines Brenn-stoffzellensystems dargestellt.

Die Speicherung von Wasserstoff er-fordert entweder den Umgang mitkomprimierten oder tiefkalten, ver-flüssigten Gasen. Die Verwendung ei-nes bei Raumtemperatur flüssigenKraftstoffs, z.B. Methanol, bedeutethier eine beträchtliche Systemver-einfachung. Die Wasserstofferzeu-gung mittels Reformer vor Ort machtjedoch eine sehr komplexe System-technik erforderlich. Aus diesem Grundewurde bereits frühzeitig versucht, Me-thanol direkt in einer so genanntenDirekt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC)umzusetzen. Aktuelle Entwicklungenauf dem Gebiet der DMFC wurdenvon Hogarth und Hards [1], Wasmusund Küver [2] sowie McNicol et al.[3] zusammengefasst.

orgung eines Brennstoffzellensystems


2

CH3OH + 3/2 O2 → CO2 + 2 H2O

O2

H2O

CH3OH + H2O

H+(aq )

H3COH + H 2O 6 H+ + 6 e- + CO2 6 H+ + 6 e- + 3/2 O2 3 H2O

Brennstoffraum: Methanol

Anode: Pt/Ru (auf Kohle)

Verbraucher

Polymer -elektrolyt -membran

CO 2

Gasraum: O 2 (Luft)Kathode: Pt (auf Kohle)

CH3OH + H2O

Abbildung 2: Arbeitsweise einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle

Methanol erweist sich als vorteilhafterBrennstoff für die Anwendung in Fahr-zeugen. Es ist unter Normalbedingun-gen flüssig (Siedepunkt: 65°C, Gefrier-punkt: -94° C) und erfordert daher nurModifikationen der bestehenden Infra-struktur zur Verteilung flüssiger Treib-stoffe. Ferner hat es eine hohe Energie-dichte (6,03 kWh/kg), ist biologischabbaubar und aus verschiedenen,auch regenerativen Quellen leicht zu-gänglich (Erdgas, Kohle, Biomasse,CO

2 der Luft).

Als Nachteile sind die Toxizität vonMethanol und dessen unbegrenzteMischbarkeit mit Wasser zu nennen.Methanol kann so leicht ins Erdreichoder Grundwasser gelangen. Dies er-fordert in den Handhabungsbereichen(z.B. an Tankstellen) veränderteSicherheitsmaßnahmen.

Die DMFC kann in verschiedenen Leis-tungsklassen eingesetzt werden.Hier seien beispielhaft einige An-wendungsfelder genannt:

• Kleinstleistungsbereich (1W bis100W).Die DMFC könnte als Batterie-ersatz z.B. im Mobiltelefonoder Laptop dienen, wodurcheine längere Betriebsdauerzwischen zwei Ladezyklen zuerwarten ist.

• Kleiner bis mittlerer Leistungs-bereich (0,1 kW bis 1 kW).Als Einsatzfeld bietet sich die de-

zentrale Energieversorgung, z.B.in Gebieten ohne Strom undErdgasversorgung, als Ersatz vonDieselgeneratoren an.

• Fahrzeugantrieb (ca. 50 kW).Die DMFC führt zu einer Redukti-on des Ausstoßes an CO2 undanderen Luftschadstoffen. Gegen-über einer mit Reformerwasser-stoff betriebenen PEFC ergibt sicheine beträchtliche Systemverein-fachung.

2. Grundlagen

Die DMFC erzeugt elektrischen Stromdirekt aus der elektrochemischen,„kalten Verbrennung“ von Methanolmit (Luft-)Sauerstoff (Abbildung 2).

Die Brennstoffversorgung der DMFCkann sowohl aus der Dampfphase(Abbildung 3a) als auch aus der flüssi-gen Phase (Abbildung 3b) erfolgen.Man erkennt die beträchtliche Verein-fachung des Gesamtsystems, wenndie Brennstoffversorgung der DMFCaus der flüssigen Phase erfolgt. Abbil-dung 4 zeigt einen kompletten DMFC-Laborprüfstand. Dieser Prüfstand er-laubt die Zufuhr von Methanol aus derDampfphase und aus der flüssigenPhase. Die Zelle kann in diesem Prüf-stand bei Temperaturen bis 200°C undDrücken bis 10 bar betrieben werden.

Die DMFC wandelt Methanol an derAnode der Brennstoffzelle direkt inProtonen und CO

2 um. Infolge der

CO2-Bildung an der Anode werden

saure Elektrolyten bevorzugt. Die Re-aktion läuft über mehrere Zwischen-stufen ab, über deren Details heutenoch keine vollständige Klarheitherrscht. Die Vorgänge an der Elektro-de wurden in zahlreichen Untersu-chungen unter Verwendung klassischelektrochemischer Techniken sowiein-situ spektroskopischer Methodenuntersucht. Als charakteristisch habensich stabile, CO-haltige Adsorbate he-rausgestellt, welche die Katalysator-oberfläche belegen und die Zellspan-nung verringern. Die Zusammenset-zung und Struktur der Adsorbate wer-den durch die Betriebsbedingungenwie Zelltemperatur, Elektrolyt, Me-thanolkozentration etc. beeinflusst.

An den Elektroden der Brennstoffzellelaufen folgende elektrochemischeBruttoreaktionen ab:

Die elektrochemische Oxidation vonMethanol an Platinkatalysatoren er-folgt zusammengefasst in folgendenSchritten:

1. Adsorption von Methanol an dieKatalysatoroberfläche

2. Schrittweise Abstraktion zunächstdes C-gebundenen, dann desO-gebundenen Wasserstoffs zuProtonen

3. Bildung eines CO-AdsorbatsPt-CO

ads

4. Adsorption von Sauerstoff ausWasser unter Bildung vonPt-OH

ads.5. Weiterreaktion von Pt-OH

ads.

mitCO

ads unter Bildung von CO

2.

Die Zwischenprodukte der Metha-noloxidation sind an Platin, einenansonsten stabilen und universellenElektrokatalysator so fest gebunden,dass sie erst bei stark positiven Poten-zialen (oberhalb 450-500 mV vs. RHE)oxidiert werden. Es bildet sich einedichte CO-Belegung der Katalysator-oberfläche aus, wodurch die Bildungvon Pt-OH

ads zum geschwindigkeits-

bestimmenden Schritt der Reaktionwird.

33


34

Abbildung 3: Bauformen von Direkt-Methanol-Brennstoffzellena) Direkt-Methanol-Brennstoffzelle mit dampfförmiger Brennstoffversorgungb) Direkt-Methanol-Brennstoffzelle mit flüssiger Brennstoffversorgung

Brennstoff

(H3COH, H2O)

Methanol

CO2↑

Luft(N2, O2)

N2

↑O2

H2O

(CO2)

H2O ↓

a)

b)


Abbildung 4: DMFC-Prüfstand des Fraunhofer ISE in Freiburg. Der Stand erlaubtMessungen mit flüssiger und dampfförmiger Brennstoffzufuhr und kann beiBetriebstemperaturen bis 200°C und Drücken bis 10 bar betrieben werden.

Abbildung 5: Kennlinien von Direkt-Methanol-Brennstoffzellen mit niedrigemKatalysatorgehalt

Die elektrochemische Oxidation vonMethanol kann beschleunigt werden,indem Platin-Legierungskatalysatoreneingesetzt werden. Das Legierungs-element kann entweder über elektro-nische Effekte die Bindungsstärke derPt-CO

ads Oberfächenverbindung schwä-

chen oder die Bildung sauerstoffhalti-ger Adsorbate fördern.

3. Forschungs- und Entwicklungs-bedarf für die DMFC

Beim praktischen Betrieb einer DMFCtreten unter anderem folgendeSchwierigkeiten auf:

– Potenzialverluste an der Anodeaufgrund geringer Katalysator-aktivität

– Wirkungsgradeinbußen infolgevon Methanoldurchtritt durch dieElektrolytmembran

– Potenzialverluste an der Kathodeaufgrund einer Mischpotenzial-bildung

Für eine Anwendung der DMFC, z.B. ineinem Fahrzeug, muss vor allem ihr Wir-kungsgrad mit dem eines aus Methanol-reformer und Wasserstoff-Brennstoffzellebestehenden Systems vergleichbar sein.Unterstellt man für den Reformer einen

Wirkungsgrad von 60 % bis 80 % undeinen Wirkungsgrad für eine wasser-stoffbetriebene Brennstoffzelle von50 %, so kann für das reformatbetrie-bene Brennstoffzellensystem ein Wir-kungsgrad im Bereich von 30 % bis40 % unterstellt werden.

Die theoretische Zellspannung einerDMFC entspricht 1,186 V. Unterstellt

man 10 % Verluste infolge der Diffu-sion von Methanol durch die Elektro-lytmembran, so muss die Zellspannungim Arbeitspunkt mindestens 400 mVbetragen, um einen Wirkungsgradgrößer als 30 % zu erzielen.

Fordert man ferner eine Leistungs-dichte des DMFC-Systems von250 mW/ cm2, so muss bei einer Zell-spannung von 400 mV eine Stromdichtevon 625 mA/cm2 erreicht werden.

Neben der Effizienz und einer Verbes-serung der elektrischen Parametersollte auch der Edelmetallbedarf derDMFC den eines reformatbetriebenenSystems nicht wesentlich übersteigen.Demzufolge sind Katalysatorbeladun-gen < 1 mg/cm2 anzustreben. In Ab-bildung 5 sind typische Kennlinienvon DMFCs mit niedrigem Katalysa-torgehalt dargestellt.

Aus den Anforderungen lässt sich derfolgende Forschungs- und Entwick-lungsbedarf für die DMFC ableiten

– Optimierung der Elektrokataly-satoren für die Methanoloxidation

– Optimierung der Betriebsbedin-gungen Temperatur, Druck, Brenn-stoff- und Luftfluss

– Verbesserung der Elektroden-struktur

– Material, Porosität, Katalysator-belegung

– Verwendung neuartiger Membran-materialien

35


36

Abbildung 6: Einfluss von Übergangsmetalloxiden auf das Verhalten vonDirekt-Methanol-Brennstoffzellen im Langzeitbetrieb bei Rautemperatur

Abbildung 7: Leistungssteigerung einer DMFC in Abhängigkeit der Temperatur

Abbildung 8: Einfluss der Methanolkonzentration auf das Potenzial der Anode

– z.B. PEEK, PBI, protonenleitendeKeramiken

– Entwicklung von methanol-unempfindlichen Sauerstoff-katalysatoren, z.B. Chevrelphasen

4. Katalysatoren für dieElektrooxidation von Methanol

Platin-Ruthenium-Legierungskataly-satoren zeigen hohe Aktivität für dieElektrooxidation von Methanol. DieWirkung von Ruthenium wird der er-leichterten Bildung sauerstoffhaltigerAdsorbate zugeschrieben. Eine weite-re Steigerung der Aktivität kann daherdurch die Verwendung ternärer Kataly-satoren, die Übergangsmetalloxidewie Wolfram- oder Molybdänoxid ent-halten, erwartet werden.

Übergangsmetalloxidhaltige Pt/Ru-Ka-talysatoren wurden nach der so ge-nannten Adams-Methode hergestellt.Dazu wird eine wässrige Lösung ausEdelmetallsalzen, Übergangsmetall-salzen und Alkalinitrat eingedampft,anschließend geschmolzen und übermehrere Stunden bei 500° C gehal-ten. Die resultierenden feinteiligenOxidpartikel werden nach Lösen desAlkalinitrats in Wasser gewaschenund in wässriger Suspension mit gas-förmigem Wasserstoff bei Raum-temperatur reduziert. Die Katalysa-toren haben nach der Reduktion einespezifische Oberfläche von etwa90 m2/g. Sie enthalten neben metal-lischen Edelmetallpartikeln nochRestbestände an Edelmetalloxidenals kristalline Phasen. Die Übergangs-metalloxide liegen amorph vor.

Abbildung 6 zeigt den Einfluss über-gangsmetalloxidhaltiger Katalysato-ren im Dauerbetrieb von DMFCs beiRaumtemperatur.

Man erkennt bei

den übergangsmetalloxidhaltigen Ka-talysatoren eine Steigerung der Zell-spannung und eine verminderteDegradation.

Die Reaktionstemperatur in derSchmelze sowie Reduktionsdauersind von entscheidendem Einfluss aufdie Aktivität der Katalysatoren. BeiTemperaturen oberhalb von 500° Cbilden sich zu grobe Edelmetallkris-tallite. Bei kurzen Reduktionszeitenverbleibt ein zu hoher Gehalt an kata-lytisch inaktiven Edelmetalloxiden imKatalysator.


0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

110°C O2 4M 3 / 3 bar

110°C O2 1M 3 / 3 bar

110°C O2 2M 3 / 3 bar

110°C O2 0,5M 3 / 3 bar

IWV-3

Do98-04

FZJ Ti - Zelle

Elektrodenfläche: 20 cm2

PAnode / P Kathode

Anode: 4 mg/cm² Pt/Ru0505

Kathode: 4 mg/cm² Pt

Membran: Nafion 117

0,5M1M

2M

4M

Stromdichte/mA/cm2

Zellspannung/m

V

Abbildung 9: Einfluss der Methanolkonzentration auf die Kennlinie der DMFC

Abbildung 10: Methanoldurchtritt durch die Elektrolytmembran

Abbildung 11: Konzepte einer DMFC mit innen liegender Methanol-Sperrschicht

5. Betriebsbedingungen

Die Leistung einer DMFC kann durchErhöhung der Betriebstemperatur inFolge der Aktivierung der Anoden-reaktion beträchtlich gesteigert wer-den. Man findet erwartungsgemäßeine exponentielle Abhängigkeit (Ab-bildung 7). Die Erhöhung des Kathoden-drucks führt ebenfalls zu einer Stei-gerung der Zellleistung.

Methanol ist in seinen Eigenschaftendem Wasser sehr ähnlich, es diffun-diert demzufolge nahezu ungehindertdurch die Elektrolytmembran. Außer-dem kann Methanol von den an derAnode entstehenden Wasserstoffionenzur Kathode geschleppt werden.

Abbildung 8 zeigt die Abhängigkeitdes Anodenpotenzials von Stromdichteund Methanolkonzentration. Erwar-tungsgemäß sinkt das Anodenpoten-zial mit steigender Methanolkonzen-tration. Das starke Ansteigen des Ano-denpotenzials bei einer Brennstoffkon-zentration von 0,5 mol / l und hohenStromdichten deutet auf eine Metha-nolverarmung in der Elektrode hin.

In Abbildung 9 ist der Einfluss der Me-thanolkonzentration auf die Kennli-nie der DMFC dargestellt. Die Abbil-dung zeigt, dargestellt als Strom-dichteäquivalent, das Ausmaß derVerluste, die durch den Methanol-transport durch die Elektrolytmem-bran auftreten. Man erkennt beiStromdichten unterhalb 100 mA/cm2

eine Abnahme der Zellspannung mitzunehmender Methanolkonzentration.Die Zellspannung steigt bei Strom-dichten oberhalb von 300 mA/cm2

bis zu einer Konzentration von 2 mol/l.Die Kennlinie bei einer Methanolkon-zentration von 4 mol/l verläuft bei allenKonzentrationen bei der geringstenZellspannung.

In Abbildung 10 ist der Methanol-durchtritt in Abhängigkeit der Strom-dichte und der Methanolkonzentrationdargestellt. Man erkennt, dass beiKonzentrationen von 0,5 mol/l bis2 mol/l der Methanoldurchtritt mitzunehmender Stromdichte sinkt. Diezunehmende Stromdichte führt zueiner Verminderung des Methanol-angebots an der Grenzfläche zurElektrolytmembran, wodurch ein ver-minderter Methanoldurchtritt erreicht

37


350

400

450

500

550

0 0.5 1 1.5 2

N117

N117 Pd-besch.

N105

N112

Anode: PtRuOx(2.1-2.8 mg/cm²)

Kathode: Pt-Black

(3.7-3.8 mg/cm²)Tc=25°C

i = 2 mA/cm2

pm=1 bar

F m=2 ml/min

pa=1.2 bar

F a=0.2 l/min

U[mV]

Zelle

cm [M]

- -

-

--

-

-

-

- -

-

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

+

-+

-

+

-

+

-+

-

+-

+

-

++

-+- -

+

-

+

-

---

---

--

Anionische

funktionale Gruppe

Kationischefunktionale Gruppe

-

-

-

-

-

-

Anionische Schicht

Kationische Schicht

-

+-

Schicht-für-Schicht-Adsorption

durch elektrostatischeSelbstorganisation:

Modifiziertes Polybenzimidazol

Anionische und kationischeSchichten aufgebracht durchTauchverfahren

Abbildung 13: Aufbau von Multischicht-Nanokomposit-Polymerelektrolyt-Komplexen

Abbildung 12: Abhängigkeit der Zellspannung einer DMFC bei Raum-temperatur von der Methanolkonzentration; N117 º Nafion 117 (» 178 µmMembrandicke), N117 Pd-besch.º Nafion 117 mit 500 nm Pd-Sputterschicht,N105 º Nafion 105 (» 127 µm Membrandicke), N112 º Nafion 112 (» 51 µmMembrandicke)

wird. Bei einer Methanolkonzentrationvon 4 mol/l wird das Methanolangebotan der Grenzfläche nicht weit genugabgesenkt. Mit zunehmender Strom-stärke wird somit zusätzliches Metha-nol durch den Elektrolyten zur Katho-de geschleppt, was eine weitere Ab-senkung der Zellspannung bewirkt.

6. Elektrolyt

Der Methanoldurchtritt kann durcheine geeignete Wahl des Elektrolytenoder durch den Einbau methanolun-

38

durchlässiger Schichten in die Elektro-lytmembran minimiert werden.

In Abbildung 11 ist das Konzept einerDMFC mit innen liegender Methanol-Sperrschicht dargestellt. Diese Sperr-schicht kann z.B. aus Palladium, einemHydrid bildenden Metall, bestehen.Durch den Elektrolyten ankommendeWasserstoffionen werden an der„Hilfskathode (HK)“ reduziert und indas Kristallgitter des Metalls eingela-gert. Im Metall, das als „Wasserstoff-leiter (WL)“ wirkt, kann Wasserstoff

zur gegenüberliegenden Seite diffun-dieren und dort an der „Hilfsanode(HA)“ wieder zu Wasserstoffionenoxidiert werden.

Abbildung 12 zeigt die Konzentrations-abhängigkeit der Zellspannung einerDMFC bei Raumtemperatur bei einerStromdichte von 2 mA/cm2. Man er-kennt eine Abnahme der Zellspannungmit zunehmender Methanolkonzentra-tion, die erwartungsgemäß bei Na-fion 112, der dünnsten Elektrolytfolie,am stärksten ausgeprägt ist. Das Ein-bringen einer 500 nm dicken Palladi-umschicht in die Elektrolytmembranführt zu einer deutlichen Verringe-rung der Zellspannungsabnahme mitsteigender Methanolkonzentration.Die Pd-Schicht bewirkt allerdings einAnsteigen des Membranwiderstands.

Elektrolytmaterialien für die DMFCmüssen folgenden Kriterien genügen

– Hohe Protonenleitfähigkeit– Thermisch, chemisch, mechanisch

und elektrochemisch langzeitstabil– Geringer Durchtritt von Methanol– Begrenzte Quellung in wässriger

Methanollösung

Ein neues, viel versprechendes Kon-zept könnten Multischicht-Nanokom-posit-Polymerelektrolyt-Komplexe sein.Diese Materialien können durch ab-wechselnde Tauchprozesse in Polymer-lösungen, die entweder kationenaus-tauschende oder anionenaustauschendeGruppen tragen, hergestellt werden.Der schematische Aufbau solcherMembranen ist in Abbildung 13 darge-stellt. Die Materialien zeichnen sichdurch hohe Temperaturstabilität aus(Abbildung 14). Erste Versuche zumEinsatz in Brennstoffzellen verliefen er-folgversprechend.

7. Zusammenfassung

Die DMFC verspricht eine erheblicheVereinfachung von Brennstoffzellen-systemen. In Einzelzellexperimentenkonnte gezeigt werden, dass die für ei-nen praktischen Einsatz notwendigeLeistungsdichte und Spannungseffizienzselbst beim Einsatz „konventionellerMaterialien“ erreicht werden kann (Ab-bildung 15). Es bleibt jedoch das Pro-blem zu großer Methanolverluste durchdie Elektrolytmembran (Abbildung 10).Trotz beträchtlicher Fortschritte in den


0

400

800

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

ZSW, N105, 6.10.99

250 mW/cm2 @ 90% MeOHUtil.

Anode: E-Tek PtRuOx (5,0 mg/cm²)Cathode: J. Matthey-Pt-Black (6,0 mg/cm²)

Tc=110°C; T Bef. =70 °C

cm=1 M

pm=2,5 bar; Fm=4 ml/minpa=4 bar; Fa=5 l/min

i(mA/cm )2

U(mV)

Abbildung 15: Kennlinie einer DMFC mit hoher Edelmetallbeladung. Die ge-strichelte Kurve zeigt den Verlauf einer Leistungsdichte von 250 mW/cm2 bei10% Methanolverlusten durch die Membran.

Abbildung 14: Temperaturstabilität von Multischicht-Nanokomposit-Polymer-elektrolyt-Komplexen

Tabelle: Eigenschaften von Methanol im Vergleich zu Benzin [5]

letzten Jahren sind die Entwicklungneuer Elektrolytmaterialien mit gerin-gerer Methanolpermeabilität und ver-besserte Katalysatoren für einen prak-tischen Einsatz der DMFC notwendig.

Anhang: Bemerkungen zu denEigenschaften von Methanol

Methanol ist als Gefahrstoff eingestuft[4]. Methanol metabolisiert im Körperzu Ameisensäure, welche Schädigun-gen im Nervensystem hervorruft. Dabeiwird zunächst das Sehvermögen beein-trächtigt. Die Einnahme von 60 ml bis240 ml reinem Methanol ist für denMenschen akut tödlich. Schädigungendurch chronische Exposition wurdenbeobachtet.

Im Jahr 1998 betrug die Jahresproduk-tion von Methanol ca. 25,9 Mio. t,dies bedeutete eine Auslastung derProduktionskapazitäten von ca. 76%.Der mittlere Weltmarktpreis beliefsich auf ca. 20 Pfennige pro Liter.

Literatur

[1] Hogarth, M.P., Hards, G.A.:„Direct Methanol Fuel Cells,Technological Advances and FurtherRequirements”, Platinum Metals Rev.,40, (1996) 150

[2] Wasmus, S., Küver, A.:„Methanol Oxidation and Direct Metha-nol Fuel Cells: A Selective Review“, J.Electroanal. Chem., 461, (1999), 14

[3] McNicol, B.D., Rand, D.A.J., Williams,K.R.:„Direct Methanol-Air Fuel Cells for RoadTransportation“, J. Power Sources, 83,(1999), 15

[4] OPPT Chemical Fact Sheet Methanol(CAS NO. 749-F-94-013 (1994), http://www.epa.gov/opptintr/chemfacts/s_methan.txt

[5] American Methanol Institute, http://www.methanol.org/fact/sumprop.htmAlternate Fuel Vehicles, http://www.usps.gov/environ/webpages/comp1.htm

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Brennstoffzellen– saubere An-triebe fürStraßen-fahrzeugevon morgenvon Philip Pindo Mokund Dirk Walliser

Dipl.-Ing. Philip P. Mok ist Leiter des Vor-standsbüros Forschung und Technologie derDaimlerChrysler AG, Stuttgart.

Dr. Dirk Walliser ist Leiter Business Strategyand Process Planning im ProjekthausBrennstoffzelle der DaimlerChrysler AG. 1 FCEV = Fuel Cell Electric Vehicle

Überblick

Brennstoffzellen werden vielfach als dasalternative Antriebskonzept angesehen,welches das höchste Ptenzial besitzt, denVerbrennungskraftmaschinen Konkur-renz zu machen.Brennstoffzellen verur-sachen niedrige Emissionen, haben einenhohen Wirkungsgrad und bieten dieMöglichkeit, langsam aber nachhaltigErdöl als heute wichtigste Energiequelleim Transportbereich zu verdrängen. Un-ter anderem werden Umweltverträglich-keit, Betriebsverhalten, Kosten und dieVerfügbarkeit geeigneter Kraftstoffeentscheidend dafür sein, ob Brennstoff-zellen das Antriebskonzept der Zukunftwerden. Die Aussichten und technischenHerausforderungen der Entwicklung undMarkteinführung von Brennstoffzellen-Fahrzeugen werden in diesem Aufsatzdargestellt.

Fuel cells are widely discussed as the alter-native powertrain with the highest poten-tial to compete with the internal combus-tion engine. They offer low emissions, highefficiency and the possibility of a gradualbut serious shift away from today’s majorsource of energy for transportation, petro-leum. Among others the key factors en-vironmental compatibility, performance,cost and the availability of suitable fuelare decisive if the fuel cell is to becomethe power sorce of the future. In thispaper, the prospects and the technicalchallenges of fuel cell vehicle developmentand commercialization will be outlined.

1. Einführung

Die weltweite Entwicklung zu immerhöherem Verkehrsaufkommen stehtauf den ersten Blick im Gegensatz zurwachsenden Besorgnis über Klima-erwärmung, Luftverschmutzung undAusbeutung der Erdölvorkommen. DieNachhaltigkeit des Verkehrssektorshängt deshalb maßgeblich von derEinführung neuer Technologien ab, dieschädliche Emissionen und denTreibstoffverbrauch vermindern.

Nach über hundert Jahren Entwicklungsind die Aussichten, die Verbrennungs-kraftmaschine noch weiter zu optimie-ren, trotz enormer Anstrengungen derAutomobilindustrie begrenzt.Brennstoffzellen ermöglichen einenneuen Ansatzpunkt mit höherem Wir-kungsgrad bei niedrigeren oder sogarNull-Emissionen, verbunden mit derMöglichkeit, auch andere Energie-quellen effizient nutzen und mit derAussicht, marktfähige Kostenniveaus

erreichen zu können. Es besteht weit-hin Übereinstimmung, dass derElektroantrieb mit Brennstoffzellen dieaussichtsreichste Alternative zum Ver-brennungsmotor ist.

Vor dem Hintergrund dessen, dassBrennstoffzellen jedoch nicht nur fürmobilen Einsatz geeignet sind, son-dern für jede Form der Energiebereit-stellung – sei es stationär, mobil odertragbar – kann diese Technologie zueiner „Systeminnovation“ werden: Siekönnte in allen Bereichen des Lebensdie Verwendung und die Herstellungvon elektrischer Energie verändern(Abbildung 1).

Die Bildung strategischer Partnerschaf-ten wie die Brennstoffzellen-Allianz zwischen DaimlerChrysler, Fordund Ballard sowie steigende Aktivitä-ten bei Zulieferfirmen lassen erken-nen, dass diese Technologie von derAutomobilindustrie als kommerzielleinsetzbare Zukunftsenergie und nichtnur als „grüne Marktnische“ angese-hen wird.

Neben der technischen Machbarkeitbeweisen die aktuellen und in naherZukunft zu erwartenden Konzept-fahrzeuge von DaimlerChrysler undanderen Herstellern wie Toyota, Ford,General Motors oder Honda, dass demVerbrennungsmotor ähnliche Leistun-gen, höherer Komfort sowie neuartigeelektrische Sonderausstattungen vonBrennstoffzellenfahrzeugen erwartetwerden können.

Vorreiter bei der Markteinführung wer-den Busse sein: in Chicago und Van-couver sind bereits sechs Fahrzeugemit Brennstoffzellenantrieb im Linien-verkehr eingesetzt. Die Hersteller desAntriebs, die Firmen dbb Fuel CellEngines und Ballard Power Systems,konnten bis Ende 1998 mit diesenFahrzeugen bereits Erfahrungen über40.000 km Fahrstrecke sammeln.

Dieser Beitrag gibt einen Überblicküber die Einsatzaussichten und techni-schen Eigenschaften von Brennstoff-zellenfahrzeugen (FCEV1), weist aberauch auf einige der wesentlichstenHürden hin, die überwunden werdenmüssen, ehe erste Fahrzeuge in den


2 PEMFC = Polymer Electrolyte MembraneFuel Cell oder Proton Exchange MembraneFuel Cell

Abbildung 1: Systeminnovation Brennstoffzelle Abbildung 2: Funktionsprinzip der Polymer-Elektrolyt-Membran Brennstoffzelle (PEMFC)

Verkaufsräumen stehen werden. DieserZeitpunkt wird von vielen Automobil-firmen einschließlich DaimlerChrysler,Ford, General Motors, Honda undToyota für die Mitte dieses Jahrzehntsvorhergesagt.

2. Funktionsweise

2.1 Brennstoffzelle

Die Brennstoffzelle ist ein elektroche-misches Aggregat, das die chemischeEnergie eines Treibstoffes unmittelbarin elektrische Energie umwandelt. Vonden vielen Alternativen ist für den mobi-len Einsatz insbesondere die Membran-brennstoffzelle (PEMFC2) wegen ihrerhohen Leistungsdichte und niedrigenBetriebstemperatur geeignet. In jederZelle einer PEMFC sind Wasserstoff(der Treibstoff) und Sauerstoff (Luft)durch eine Polymer-Elektrolyt-Mem-brane (PEM) getrennt (Abbildung 2).

Wasserstoff wird auf der Treibstoff-seite (Anode) in Elektronen und Pro-tonen gespalten. Die Protonen kön-nen durch die PEM hindurchwandern,während die Elektronen durch denäußeren Stromkreis zur Kathoden-seite geleitet werden, auf der Proto-nen, Elektronen und Wasserstoff sichbei niedriger Temperatur (um 80°C)

katalytisch zu Wasser verbinden. JedeZelle erzeugt eine Zellspannung von0,5 bis 1,0 V bei einer Stromdichteum ca. 1 A/cm2 der Membranfläche.Durch das Stapeln vieler Zellen kanndie gewünschte Spannung und Leis-tung erzeugt werden. Der Wirkungs-grad der PEMFC variiert von 80 % beiniedriger Last bis zu 40 -50 % bei Voll-last.

2.2 Brennstoffzellen-System

Die Art des eingesetzten Kraftstoffsbeeinflusst stark die Auslegung desBrennstoffzellensystems: für einen aufWasserstoff basierenden Antrieb sindlediglich ein Treibstofftank (für flüssi-gen oder gasförmigen Wasserstoff),eine Luftversorgungseinheit, dieBrennstoffzelle, das Kühlsystem undder elektrische Antrieb erforderlich.Ein derartiges Antriebskonzept weistden höchsten energetischen Wirkungs-grad auf und ist vollkommen schad-stofffrei. Gegenüber konventionellenKraftstoffen besteht das Problem, dassfür den Wasserstoff die herkömmlicheTankstelleninfrastruktur nicht genutztwerden kann. Wasserstoff wird des-halb als idealer Treibstoff für Flotten-fahrzeuge mit zentralen Auftankmög-lichkeiten und mittleren Wegstreckenangesehen.

Wegen der Schwierigkeiten der Was-serstoffverteilung, -betankung und-speicherung sind flüssige Treibstoffefür den großflächigen Individualver-kehr vorzuziehen. Die meisten Auto-mobilhersteller erwarten, dass Metha-nol der am besten geeignete Treibstofffür FCEV sein wird. Abbildung 3 zeigtein derartiges Methanol-Brennstoffzel-lensystem: Methanol und Wasser wer-den verdampft und das Gemisch in ei-nem Reformer nach der Reaktions-gleichung

CH3OH + H

2O � 3 H

2 + CO

2

in ein Gemisch von Wasserstoff undCO

2 umgewandelt. Dieser Prozess

führt jedoch auch zu Sekundärreaktio-nen, durch die Kohlenmonoxid erzeugtwird. Dieses CO muss in einem nachge-schalteten Gasreinigungsprozess entwe-der herausgefiltert oder zu CO

2 oxidiert

werden. Das resultierende H2/CO

2-Ge-

misch wird der Brennstoffzelle zuge-führt, die die elektrische Energie fürTraktions- und Hilfsantriebe erzeugt.Eine Kompressor-Expander-Einheit ver-sorgt die Kathodenseite der Brenn-stoffzellenmembran mit Druckluft und

41


Abbildung 3. Schaltdiagramm eines Brennstoffzellenantriebs mit Methanol alsTreibstoff

Tabelle 1: Schadstoffemissionen

gleicht Druckschwankungen aus. DasKühlsystem führt die Abwärme ab, diein der Brennstoffzelle und den anderenElementen des Antriebsstrangs ent-steht.

3. Entwicklungschancen

Die Verbrennungskraftmaschine wurdeüber einhundert Jahre lang fortentwi-ckelt. Wichtige Fortschritte der letztenZeit, insbesondere beim Treibstoffver-brauch, zeigen, dass Verbesserungenimmer noch möglich sind. Weiterent-wicklungen wie z.B. elektromagneti-sche Ventilsteuerung oder hybride An-triebskonzepte bedeuten jedoch stän-dig steigende Komplexität und höhereKosten. So führen hybride Systeme zurVerbesserung des Wirkungsgrades, aberauch zu erheblich höheren Gewichtenund Kosten.

Hier bieten Brennstoffzellen einenneuen Ansatz mit wesentlich höherenWirkungsgraden. Die ersten Konzept-fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieberreichen bereits heute vergleichbaresBetriebsverhalten bei zugleich erheb-lich verringerten Umweltbeeinträch-tigungen.

3.1 Umweltvorteile

„In den Vereinigten Staaten erzeugen190 Millionen Personen-, Transport-

42

und Bus-Fahrzeuge die Hälfte der Luft-schadstoffe – 80% davon in den Groß-städten – und ein Drittel des CO

2-Aus-

stoßes.“ [1]

Die Umweltvorteile stellen den wichtig-sten Anreiz zur Einführung der FCEV darund könnten Regierungen und staatlicheStellen veranlassen, Förderung oder An-reize zur Erleichterung der Markt-einführung zu gewähren. Neben derVerringerung des Ausstoßes von Schad-stoffen und des Treibhausgases CO

2

setzt sich auch die Erkenntnis durch,

dass Brennstoffzellen die Schlüsseltech-nologie zur effizienten Nutzung alterna-tiver Treibstoffe wie Methanol und Was-serstoff sind.

Eine Pionierrolle hat mittlerweile dieCalifornia Fuel Cell Partnership einge-nommen. In ihr sind die Automobilfir-men DaimlerChrysler, Ford, Honda undVolkswagen, die KraftstoffherstellerTexaco, Shell und Arco sowie die Be-hörden California Air Ressource Board(CARB) und California Energy Commis-sion (CEC) vereint. Ausgehend voneiner großzügigen, gemeinsam genutz-ten Anlage in Sacramento führen diePartner Feldversuche durch und unter-suchen alle Bedingungen, die zurkommerziell erfolgreichen Einführungvon Brennstoffzellenfahrzeugen not-wendig sein können.

Emissionen

FCEV mit Wasserstoff und Methanolals Treibstoff ermöglichen Fahrzeugeohne oder fast ohne Schadstoff-emissionen. Im Neuen EuropäischenFahrzyklus (NEFZ) sind bereits an frü-hen Prototypen von DaimlerChryslerkeine bzw. minimale Emissionen ge-messen worden (siehe Tabelle 1).

Die minimale Kohlenwasserstoffemis-sion des NECAR 3 Methanolsystemsliegt deutlich unter der strengen ame-rikanischen SULEV Norm. Mit besse-ren Katalysatoren erscheint sogar eineweitere Verringerung der Emissionenmöglich.


3 TÜV-Messungen an Mercedes-BenzFlottenfahrzeugen und dem NEBUS mitBrennstoffzellen-Antrieb

Abbildung 4: Wirkungsgrade von Fahrzeugantrieben

Wirkungsgrad / CO2-Emission

Schon heutige Brennstoffzellenan-triebe weisen bessere Werte in Be-zug auf Energieverbrauch und Um-wandlungswirkungsgrad auf. ImNECAR 4 wurden 37% Wirkungsgradim NEFZ gemessen (Abbildung 4), alsoca. 40% über dem für die besten Die-selfahrzeuge von heute. Das Entwick-lungspotenzial ist noch groß; es wirderwartet, dass Brennstoffzellen-Antrie-be mit Wasserstoff über 40% Wirkungs-grad erreichen, mit Methanol 30 bis40%.

Geringerer Energieverbrauch bedeutetgeringere CO

2-Emission. Darüber hin-

aus können die Treibstoffe Methanolund Wasserstoff in zunehmenden MaßeCO

2-neutral erzeugt werden

• durch elektrolytische H2-Erzeugung

mit Strom aus Wasserkraft undSolarenergie und

• durch Methanolerzeugung ausBiomasse oder Kunststoffab-fällen (die Abfallverwertungs-anlage „Schwarze Pumpe“ inBrandenburg erzeugt heute bereits100.000 t/a Methanol).

Dies macht deutlich, daß der Über-gang zu einem auf Brennstoffzellenbasierenden Transportsystem zu er-heblichen Verbesserungen der Luft-qualität und der Nachhaltigkeit im En-ergiebereich führen wird.

3.2 Fahrverhalten

Neben den Umweltvorteilen weisenBrennstoffzellen-Fahrzeuge den Kom-fort von Elektrofahrzeugen auf, ohneBeeinträchtigung von Leistung undFahrverhalten.

Beschleunigung

Der elektrische Antrieb des Brenn-stoffzellen-Fahrzeugs stellt vollesDrehmoment vom Stillstand bis zurnominalen Geschwindigkeit bereit.Dies ermöglicht den Einsatz einesstufenlosen Getriebes und führt zubesserer Beschleunigung als mit Ver-brennungsmotoren bei vergleichba-rer Leistung. In einem Kompakt-fahrzeug von 1.200 kg Gewicht mittypischerweise 55 kW elektrischerLeistung stünden etwa 200 Nm

Drehmoment von Null bis Maximal-geschwindigkeit zur Verfügung, diedas Fahrzeug in 15 sec von 0-100 km/hbeschleunigen würden.

Komfort

Der Fahrer eines FCEV erfährt sofortigeund gleichbleibende Beschleunigungohne Gangwechsel und ohne die fürVerbrennungsmotoren typische Leis-tungslücke bei geringer Drehzahl.Außerdem ist der Antrieb nahezugeräuschlos – die einzige signifikanteGeräuschquelle ist der Kompressor,der die Brennstoffzelle mit der erfor-derlichen Druckluft versorgt.

Messungen des Innengeräuschpegelsvon Stadtbussen3, die mit Brennstoff-zellen, Dieselmotoren und Erdgas-Otto-motoren angetrieben wurden, zeigen,dass der Brennstoffzellen-Bus nur halbso viel Geräusch entwickelt wie derBus mit Dieselantrieb (Tabelle 2).

3.3 Gestaltungsmöglichkeiten

Die Zusammenschaltung der Haupt-aggregate eines Methanol-Brenn-stoffzellen-Antriebs – siehe Abbildung3 – weist auf zwei Möglichkeiten hin,die Fahrzeugkonstruktion zu verbes-sern:

• Die Aggregate können einzelnangeordnet werden. Im Gegen-satz zum Verbrennungsmotoran-trieb – bestehend aus den zweiGroßkomponenten Motor/Ge-

triebeblock und Benzintank –setzt sich der Brennstoffzellen-Antrieb aus Einzelkomponentenzusammen. Tank, Treibstoffauf-bereitung (Reformer und Gas-reinigung), Brennstoffzellen-stapel, elektrischer Antrieb unddie Hilfskomponenten könnenseparat innerhalb des Fahrzeu-ges angeordnet werden und er-öffnen völlig neue Freiheiten inder Fahrzeuggestaltung (Abbil-dung 5).

• Brennstoffzellenstapel und Refor-mermodule ermöglichen unter-schiedliche Leistungsklassen durchdie Parallelschaltung identischerEinheiten. Dies verringert die Not-wendigkeit, die Komponenten fürverschiedene Fahrzeuge separatfertigen zu müssen; sogar derElektromotor kann noch in zweioder vier individuelle Rad(naben)-antriebe aufgesplittet werden.

3.4 Alternative Treibstoffe

Über 25 % des weltweiten Erdölauf-kommens wird heute in den USAverbraucht, von dem die Hälfte impor-tiert wird. Auch die Abhängigkeit deranderen industrialisierten Staaten vomErdöl steigt. Die Erdölförderung wird inden Nicht-OPEC Staaten um 2010 sei-nen Höhepunkt erreichen. Dies bedeu-

43


weAuDkks

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Dfabgwfd

Abbildung 5: a) NECAR 4 wird mit Flüssigwasserstoff betankt.Das nächste NECAR-Fahrzeug wird wie NECAR 3 wiederMethanol als Kraftstoff nutzen.

b) Im NECAR 4 finden sämtliche Brennstoffzellenkomponen-ten im Unterboden Platz.

Tabelle 3: Vergleich des Verhältnisses von Fahrzeuggewichtzu Leistung (* Vorhersage aus 1998)

et schwerwiegende Risiken in der Zu-kunft hinsichtlich Verfügbarkeit, mögli-cher Preissteigerungen und Auswirkun-gen auf die Energiepolitik. Darüberhinaus steigt der Anspruch an Zusam-mensetzung und Qualität auch für her-kömmliche Antriebe. SchwefelarmeErdölfraktionen beispielsweise sindknapp, verteuern die Benzinherstellungund eröffnen Bedarf nach alternativenTreibstoffen wie Methanol.

„Wenn nur 10% des weltweit jährlichabgefackelten Erdgases zur Methanol-herstellung genutzt werden würde, dannwürde das für den Betrieb von 9,5 Mil-lionen Fahrzeugen ausreichen.“ [1]Zwei Millionen Methanol-Brennstoff-zellen-Fahrzeuge würden weniger alsdie Hälfte der heute weltweit vorhan-denen Überkapazität von Methanolaus Erdgas beanspruchen.

4. Entwicklungsstand und techni-sche Herausforderungen

4.1 Treibstoffversorgung

Methanol kann theoretisch über dasbestehende Tankstellennetz vertrieben

Tabelle 2: Innengeräusch von Stadtbussen(lauteste/leiseste Stelle)

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erden. Allerdings ist Methanol fürinige Materialien korrosiv, weshalbnpassungen in den Vorratsbehälternnd den Zapfsäulen nötig werden.eshalb ist die Versorgungsfrage einritischer Punkt in der öffentlichen Dis-ussion über die Einführung der Brenn-toffzellen-Technologie.

rennstoffzellen-Fahrzeuge werdenicht für einen Nischen-, sondern denassenmarkt entwickelt. Ihre Akzep-

anz verlangt von Beginn an eine aus-eichende Methanoldurchdringung imankstellennetz. Dennoch wird ihreinführung nur graduell geschehenönnen. Fahrzeughersteller werden miteringen Stückzahlen beginnen undie Produktion über die Jahre steigern.uch eine anfangs nur regionale Ein-

ührung erscheint sinnvoll.

eshalb werden die für eine Marktein-ührung erforderlichen Investitionen sichuch in vernünftigen Größenordnungenewegen. Szenarien, die zu gegenteili-en Schlüssen gelangen, verkennen dieahren Abläufe bei einer Marktein-

ührung. Mit einem über Jahre steigen-en Umsatzvolumen nehmen die Auf-

wendungen den Charakter einer Ersatz-investition an – sind also keine Aus-tauschinvestition mehr – und werdenTeil des normalen Geschäftsgeschehens.

4.2 Leistungsdichte

Die Brennstoffzellen-Technologie befindetsich heute im Übergang von der Mach-barkeitsuntersuchung zum Produkt. Fürdie frühen Machbarkeits-Demonstratio-nen (wie den Fahrzeugen NECAR 1 bis 3)wurden Komponenten mit Laborcharaktereingesetzt, die einfache Messungen undTests ermöglichten. Der Entwicklungs-schwerpunkt hat sich heute zur Integra-tion und höheren Packungsdichte derKomponenten hin verschoben, um Ge-wicht und Volumen einzusparen und dieAntriebsleistung zu erhöhen (Tabelle 3).Dennoch werden erste Serien-FCEV ver-mutlich noch eine geringere Leistungs-dichte aufweisen als konventionelle Fahr-zeuge (mit einer ähnlichen Schwan-kungsbreite je nach Fahrzeugtyp).

4.3 Herstellkosten

Kosten sind nicht nur eine Herausfor-derung für Entwickler, sondern auch


Abbildung 6: Organisationsdiagrammder Brennstoffzellen-Allianz

für die Produktion. Nur entwicklungs-und produktionstechnische Fortschrittein Verbindung mit Massenproduktionführen zu marktfähigen Herstellkosten.Die Automobilhersteller beschäftigensich deshalb bereits heute mit Fragender Massenproduktion von FCEV, umsich nicht in Nischenanwendungen zuverlieren.

Das modulare Konzept, die eingesetz-ten Materialien und die Fortschritte ineinsetzbaren Herstellprozessen lassendeutlich erkennen, dass die Brennstoff-zellen-Technologie das Potenzial hat,konkurrenzfähig zu werden. Entwick-lung nach Kostenvorgaben, Material-auswahl und Massenfertigungsverfah-ren werden die Schwerpunkte der An-strengungen in den nächsten zwei Jah-ren bilden.

Die Kostendegressionsbemühungenbeim Konkurrenten der Brennstoff-zelle, der Verbrennungskraftmaschine,bleiben jedoch nicht stehen. Mit im-mer strenger werdenden Umweltauf-lagen werden die bei der Motoren-fertigung erzielten Einsparungen je-doch manchmal durch die Aufwen-dungen für die Abgasregelung mehrals aufgewogen. So erwarten die mei-sten Hersteller z.B. für hybride Antrie-be doppelt so hohe Herstellkosten wiefür konventionelle Antriebskonzepte [2].

5. Marktaussichten

5.1 Verbrauchervorteile

Verbrauchervorteile sind immer mitErwartungen verknüpft. Was der Ver-braucher erwartet, ist einfach: Etwaszumindest gleich Gutes oder Besseresgegenüber dem, was er bereits hat.

Ein Brennstoffzellen-Auto wird glei-ches, unter bestimmten Betriebs-bedingungen sogar besseres Betriebs-verhalten als das bisherige Auto besit-zen. Es hat bereits höheren Wirkungs-grad, der noch erheblich verbessertwerden kann. Es wird für den Fahrerangenehmer zu bedienen sein, weni-ger Geräusch verursachen und keineoder nur minimale Emissionen erzeu-

gen. Es ist auch ein Stromerzeuger,der jederzeit, auch im Stillstand, fastbeliebig Strom erzeugen kann, ohnedie Umwelt zu schädigen. Die Klimati-sierung im Fahrzeug – ob Heizungoder Kühlung – wird immer gesichertsein, noch bevor der Fahrer einsteigt.Die Verfügbarkeit einer Stromquellehoher Leistung und Spannung ermög-licht, neue Komponenten wie z.B.Scheinwerfer, Multimedia-Einrichtun-gen oder einen geeigneten Kühlschrankzu entwickeln. Selbstverständlich kannjedes 110/220 V Elektrogerät oderWerkzeug betrieben werden – derPhantasie ist freier Lauf gelassen.

5.2 Herstelleraktivitäten

Da Produktionsvolumen die Schlüssel-voraussetzung für Kostenreduktion ist,haben sich einige der größten Auto-mobilhersteller, und zwar DaimlerChrys-ler und Ford, mit Ballard Power Systemszu einer Brennstoffzellen-Allianz zu-sammengeschlossen mit dem Ziel,weltweit die ersten Hersteller massen-produzierter Brennstoffzellen-Autos zuwerden und schon 2004 das erste Se-rien-Brennstoffzellen-Auto am Markteinzuführen. Die Mitglieder der Alli-anz hoffen, die schwierige Marktein-führung der neuen Technologie zukonkurrenzfähigen Kosten durch dieZusammenlegung von Ressourcen undProduktionsvolumen meistern zu kön-nen. Das Geschäftskonzept der Allianzsieht darüber hinaus keine Abschottungvor, d.h. die von ihr entwickelten Pro-dukte werden auch allen anderen Au-toherstellern angeboten.

In der Kooperation ist Ballard PowerSystems mit der Aufgabe der Entwick-lung, Herstellung und Vertrieb desBrennstoffzellenstacks, die Kooperati-onspartner dbb Fuel Cell Engines undEcostar Electric Drive Systems mit derEntwicklung des Brennstoffzellensys-tems bzw. des elektrischen Antriebsbetraut. Die gemeinsame Vertriebs-tochter Ballard Automotive ist für denVerkauf an den Endkunden verant-wortlich (Abbildung 6).

Auch Toyota, Mazda, Honda und Ge-neral Motors haben angekündigt, Me-thanol-FCEV schon 2004 oder früherauf den Markt zu bringen. Mit diesenInitiativen der Automobilhersteller ent-wickeln sich auch immer mehr Zu-lieferfirmen zu potentiellen Kompo-nentenzulieferern für Brennstoffzellen-Systeme.

6. Schlußfolgerung

Noch vor einigen Jahren waren Brenn-stoffzellen für das Transportwesen nurein interessantes und herausforderndesForschungsobjekt. Heute investierenpraktisch alle Autohersteller erheblicheRessourcen in die Entwicklung markt-fähiger Brennstoffzellen-Antriebe alsdem erfolgversprechendsten alternati-ven Antriebssystem. Über erheblicheUmweltvorteile und die Möglichkeithinaus, die weltweite Abhängigkeitvon Erdöl zu verringern, bieten FCEVnicht nur ausgezeichnete Betriebs-eigenschaften sondern auch zusätzli-che Verbrauchervorteile. Viele Herstel-ler haben die Markteinführung vonFCEV für die Mitte des nächsten Jahr-zehnts angekündigt.

Literatur:

[1] „The Promise of Methanol Fuel CellVehicles“, American Methanol Institute(1998)

[2] Atkin, G., Storey, J.„Electric Vehicles – Prospects for battery-,fuel cell- and hybrid-powered vehicles“,Financial Times Automotive (1998)

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Dr. rer. nat. Joachim Pasel ist wissenschaftlicherMitarbeiter und Dr.-Ing. Ralf Peters ist Leiter derAbteilung Brenngaserzeugung, Bereich Energie-verfahrenstechnik, des Instituts für Werkstoffeund Verfahren der Energietechnik (IWV 3) imForschungszentrum Jülich (FZJ), Jülich.

Dr. rer. nat. Michael Specht ist Fachgebietsleiterder Abteilung Regenerative Energieträger imZentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW), Stuttgart.

Methanol –Herstellung undEinsatz als Ener-gieträger fürBrennstoffzellenvon Joachim Pasel,Ralf Petersund Michael Specht

1 Der Rückgang des MTBE-Marktes ist aufein wahrscheinliches Verbot des MTBE alsKraftstoffzusatz in den USA ab dem Jahr2003 zurückzuführen.

Überblick

Methanol als möglicher Energieträger fürBrennstoffzellen trat in den vergangenenJahren in den Mittelpunkt vielerForschungs- und Entwicklungsvorhaben.Die Automobilindustrie als Vorreiter die-ses Prozesses präsentiert bereits Prototy-pen von Brennstoffzellen-Pkw, die unteranderem Methanol als Kraftstoff ver-wenden. Der Beitrag beschreibt die Me-thoden der Methanolgewinnung und er-läutert die chemischen Grundlagen sowiedie verschiedenen verfahrenstechnischenMöglichkeiten, Methanol in Wasserstoffumzuwandeln. Experimentelle Ergebnisseder Dampfreformierung von Methanolund der Simulation eines Brennstoff-zellenautos auf Methanolbasis im euro-päischen Fahrzyklus ergänzen die Aus-führungen.

Lately, research and development activi-ties focused increasingly on methanol aspreferred energy carrier for fuel cells.The automotive industry led this processby presenting fuel cell powered passen-ger cars, some with on-board productionof hydrogen from methanol. This con-tribution describes the various methodsof generating methanol and explains theprocess engineering alternatives for theconversion of methanol into hydrogen aswell as the chemical details of thisreaction. Furthermore, results will bepresented of steam reforming experi-ments of methanol as well as of theEuropean driving cycle simulation using afuel-cell-powered passenger car with on-board production of hydrogen frommethanol.

1. Herstellung von Methanol

Für den Verkehrsbereich wird gegen-wärtig die Einführung verschiedenerAlternativkraftstoffe diskutiert. Diessind Flüssigerdgas (LNG), Druckerdgas(CNG), Flüssigwasserstoff (LH2),Druckwasserstoff (GCH2), Methanol(MeOH), Dimethylether (DME) sowiesynthetisches Benzin bzw. syntheti-scher Dieselkraftstoff. Bedingt durchdie günstigen Speichereigenschaftenund eine Reformierbarkeit bei relativniedrigen Temperaturen wird erwartet,dass Methanol zukünftig eine wesent-liche Rolle als Alternativkraftstoff spie-len wird.

Die Bereitstellung von Kraftstoffen er-folgt heute fast ausschließlich auffossiler Basis. Dies gilt auch für Metha-nol, das jedoch den großen Vorteil bie-tet, auch aus nicht-fossilen Quellen zu-

gänglich zu sein. Da für zukünftigeKraftstoffe neben den Schadstoff-emissionen vor allem die klimarele-vanten CO2-Emissionen und dieRessourcenschonung entscheidendeBeurteilungskriterien sein werden,werden Wege gesucht, die CO

2-

Emissionen des Verkehrsbereichs undden Anteil fossiler Ressourcen zurKraftstoffherstellung minimieren zukönnen.

Bei der kommerziellen Erzeugung vonMethanol wird zuerst aus Erdgas einSynthesegas erzeugt und anschließend– nach Einstellung eines geeignetenCO/H

2-Verhältnisses –

dieses Gas in einem katalytischen Pro-zess zu Methanol konvertiert. Für dieVersorgung zukünftiger MeOH-Brenn-stoffzellenfahrzeuge kann zunächstauf die existierende MeOH-Erzeu-gungskapazität zurückgegriffen wer-den. Die Auslastung der weltweit be-triebenen Anlagen betrug im Jahre1998 – bei einer Erzeugungskapazitätvon ca. 33 Mio. Jahrestonnen – nur79 % [1]. Die Überschusskapazität lag1998 somit bei ca. 7 Mio. Jahres-tonnen. Vor dem Hintergrund, dass zu-künftig der zweitgrößte Absatzmarktfür Methanol, die Herstellung des Ok-tanboosters Methyl-tert.-Butylether(MTBE) stark zurückgehen wird, sindin den nächsten Jahren überschüssigeErzeugungskapazitäten von ca.10 Mio. Jahrestonnen verfügbar1. Dieswürde – bei einer Fahrleistung einesMeOH-Brennstoffzellenfahrzeuges von13.500 km/a und einem Energiebedarfvon 0,4 kWh/km – zur Versorgung vonbis zu 10 Mio. Fahrzeugen ausreichen.Damit erscheint die Versorgung desVerkehrssektors mit Methanol für min-destens 10 Jahre ab dem Einführungs-zeitpunkt der Fahrzeuge gesichert.

Methanol als alternativer Kraftstoff fürden Verkehrsbereich bietet den Vorteileines erheblichen Substitutions-potenzials für die heute benötigtenKraftstoffe, weil erneuerbare Ressour-cen längerfristig eine tragende Rollefür die Methanolerzeugung spielenkönnen. Zur Zeit ist das Ausgangs-produkt für die Methanolsynthese zuca. 90 % Erdgas, der Rest setzt sich im


Abbildung 1: Methanolherstellung aus kohlenstoffhaltigen Energieträgern bzw.aus CO

2 und erneuerbarer Elektrizität.

Abbildung 2: CO2-Emissionen von Methanol im Vergleich zu Benzin/Diesel.

Tabelle 1: Kosten für die Erzeugung von Methanol aus verschiedenen Ressourcen.Die Referenz Benzin/Diesel bezieht sich auf die unversteuerten Kraftstoffkostenfrei Tankstelle.

Wesentlichen aus Rückständen derErdölverarbeitung zusammen. Nebenfossilen Rohstoffen ist Methanol auspraktisch allen kohlenstoffhaltigenRessourcen zugänglich (Abbildung 1).Wird CO2 als Edukt für die Synthesevon Methanol genutzt, so ist zusätzlichWasserstoff zur Erzeugung einesSynthesegases erforderlich. Die Zu-mischung von Wasserstoff kann jedochauch zur Einstellung der Stöchiometrievon Synthesegasen aus Vergasungs-prozessen von Vorteil sein.

Geschlossene Stoffkreisläufe sind eineGrundvoraussetzung für nachhaltigeEnergiesysteme. Verschiedene Pfadeder Methanolherstellung mit deutlichverminderten CO

2-Emissionen wurden

beim ZSW untersucht und in Pilotlinienaufgebaut [2-4]. Die Methanoler-zeugung aus CO

2 und H

2 gilt hierbei

als weitgehend gelöst. Die erzieltenErgebnisse zeigen bei technisch rele-vanten Gasbelastungen desKatalysators hohe Produktionsraten fürMethanol. Für die Verfahrensvariantemit atmosphärischem CO

2 als Aus-

gangsprodukt für die Synthese konntedie technische Realisierung und ein er-folgreicher Probebetrieb belegt wer-den. Die experimentellen Ergebnissefinden Eingang in die nachfolgendenCO

2-Emissions- und Kostenbetrach-

tungen.

Der hier dargestellte Vergleich be-schränkt sich auf die resultierendenCO

2-Emissionen sowie die Kosten für

die Methanolsynthese aus verschiede-nen Ressourcen (Abbildung 2, Tabel-le 1). Wirkungsgradbetrachtungen

wurden hier nicht berücksichtigt, dasie für den Vergleich fossile/regenerative Erzeugung von unterge-ordneter Bedeutung sind. Methan hat

verglichen mit Rohöl zwar einen ener-giespezifischen CO

2-Vorteil, der jedoch

durch die schlechtere Energiebilanzder Methanolherstellung aus Erdgaskompensiert wird. Dieser Pfad weistpraktisch die gleichen CO2-Emissionenauf wie die konventionellen Kettender Benzin/Diesel-Erzeugung aus Roh-öl. Tendenziell werden die CO

2-Emis-

sionen für die Erzeugung von Benzin/Diesel mit höherer Kraftstoffqualität(Entschwefelung etc.) noch steigen,während die der Methanolsyntheseaus Erdgas durch eine weitere Effizi-enzsteigerung weiter sinken werden.Wie aus Abbildung 2 zu ersehen, ver-bietet sich in Bezug auf die CO

2-Emis-

sionen die Nutzung von Kohle zur Her-stellung von Methanol, während dieMethanolerzeugung aus CO

2 bzw. aus

Biomasse mit deutlich geringeren CO2-

Emissionen verbunden ist. Auch hin-sichtlich der spezifischen Kraftstoffkos-ten von Benzin/Diesel und der momen-

47


Methanol

Luft

Luft

Luft

Wasser

Autothermer Methanol-Reformer mit

Reaktionszonen für partielleOxidation und Reformierung

SelektiveCO-Oxidation

H /CO/CO /N2 2 2

Abgas

Kathodenabluft

Nachbrenner

Anoden-restgas

BrennstoffzellePEMFC

Abbildung 3: Verfahrensfließbild derautothermen Reformierung von Me-thanol (mit partieller Oxidation)

tanen Methanolpreise sind keine sehrgroßen Unterschiede zu verzeichnen.Die Herstellungskosten für Methanolaus Biomasse und aus CO2 betragenjedoch ein Mehrfaches im Vergleich zuMethanol aus Erdgas, selbst wenn dieStrombezugskosten der CO

2-Pfade mit

nur 0,025 Euro/kWhe angesetzt wer-

den.

Aufgrund der Kosten und der vermie-denen CO

2-Emissionen kommt der

Biomasse als Ausgangsprodukt für dieMethanolsynthese eine besondere Be-deutung zu. Da jedoch einerseits diebiogenen Potenziale begrenzt sindund andererseits in Konkurrenz zurStrom- und Wärmeerzeugung stehen,wird unter ökologischen Rahmenbe-dingungen langfristig die Methanoler-zeugung aus CO

2 eine wesentliche

Rolle spielen, da sie keiner Ressour-cenbegrenzung unterliegt. Die deut-lich preiswertere Technologie ist hier-bei die Methanolerzeugung ausRauchgas-CO

2, die jedoch gegenüber

dem Erdgas-Pfad ein CO2-Minde-

rungspotential von „nur“ ca. 50%aufweist. Wird CO

2 aus Rauchgasen

für die Synthese eingesetzt, so sindzusätzliche CO

2-Emissionen durch den

Mehrverbrauch der fossilen Einsatz-stoffe für den CO

2-Abtrennprozess zu

berücksichtigen (bei gleicher elektri-scher Leistungsabgabe eines Kraft-werks) [3]. Der Energiepfad aus at-mosphärischem CO

2 ist zwar deutlich

teurer, bietet jedoch eine praktischCO

2-neutrale Methanol-Erzeugung

und -Nutzung. In Abbildung 2 sind fürdie Jahre 2030 und 2050 zwei Szena-rien dargestellt, die einen Mix für dieMethanolherstellung aus Erdgas, CO

2

und Biomasse wiedergeben. ProkWh

Kraftstoff ist eine Halbierung der

CO2-Emissionen bei einem entspre-

chenden Ressourcenmix möglich. Be-rücksichtigt man zusätzlich den zu-künftigen Verbrauchsvorteil der Brenn-stoffzellenfahrzeuge gegenüber heuti-gen Fahrzeugen, so erscheint eine Re-duzierung der CO

2-Emissionen pro zu-

rückgelegter Fahrstrecke von 75%(selbst bei einem Anteil von 40% Erd-gas im Mix) erreichbar.

2. Methanol als Energieträger inBrennstoffzellen

Bei der Verwendung von Methanol alsEnergieträger für Brennstoffzellen wirdzwischen zwei Arten der Brennstoff-

48

zelle unterschieden. In der DMFC(Direct Methanol Fuel Cell) wird dasMethanol direkt an der Anode umge-setzt. Die IMFC (Indirect MethanolFuel Cell) dagegen benötigt eine zu-sätzliche, vorgeschaltete Systemkom-ponente, den Reformer, um den Was-serstoff extern aus Methanol zu ge-winnen. Der bekannteste Vertreter ei-ner IMFC für den mobilen Bereich istdie Polymer Electrolyte MembraneFuel Cell (PEMFC).

3. Verfahren zur Umwandlung vonMethanol in Wasserstoff

Bei der Umwandlung von Methanol inein wasserstoffhaltiges Gasgemischwird zwischen drei katalytischen Ver-fahren unterschieden. Die partielleOxidation und die autotherme Refor-mierung werden in sehr ähnlichenverfahrenstechnischen Anordnungendurchgeführt (Abbildung 3). Sie unter-scheiden sich jedoch bezüglich ihrerchemischen Grundlagen.Die partielle Oxidation von Methanol

gehorcht Reaktionsgleichung (1). Siekonkurriert jedoch mit der unten for-mulierten Totaloxidation des Metha-nols (siehe Gleichung (3)). Die partiel-le Oxidation von Kohlenwasserstoffenläuft bevorzugt bei unterstöchiometri-schen Sauerstoff/Brennstoff-Verhältnis-sen ab, während die Totaloxidation beieinem Überschuss an Sauerstoff im

Eduktgas überwiegt [5].

CH3OH + 0,5 O

2⇔ 2 H

2 + CO

2(1)

Reaktion (1) ist exotherm(∆H = -192,86 kJ/mol) und kann zumBeispiel von einem Kupferkatalysatoraktiviert werden. In den Reaktor inAbbildung 3 werden dabei nur dieEdukte Methanol und Sauerstoff inForm von Luft gegeben.

Bei der autothermen Reformierungläuft neben der Reaktion aus Glei-chung (1) im selben Reaktionsappa-rat (siehe Abbildung 3) ohne räumli-che Trennung die Reformierung desMethanols ab, für die folgendeReaktionsgleichung formuliert wer-den kann:

CH3OH + H

2O ⇔ 3 H

2 + CO

2(2)

Diese Reaktion ist endotherm mit ei-ner Standardreaktionsenthalpie von∆H = + 48,96 kJ/mol und benötigt, umaufrechterhalten werden zu können,die Reaktionswärme aus Gleichung(1). Außerdem muss zusätzlich Wasserin den Reaktor gegeben werden. AlsKatalysatoren können u.a. Kupfer/Zink- oder Palladium-Kontakte dienen.Eine weitere Möglichkeit, die benötig-te Reaktionswärme für Gleichung (2)einzukoppeln, ist die Totaloxidationdes Methanols, die in Abhängigkeitvon der eingesetzten Sauerstoffmengeebenfalls in dem Reaktor aus Abbil-dung 3 ablaufen kann und dieseReaktionsgleichung hat (∆H = -676,49 kJ/mol):

CH3OH + 1,5 O

2 ⇔ 2 H

2O + CO

2(3)

Gleichung (3) wird durch eine großeAnzahl von unterschiedlichen Kataly-satoren (Edelmetalle, Perowskite, Oxi-de, Aktivkohlen) aktiviert.

Der Eduktstrom der autothermen Refor-mierung enthält neben dem gewünsch-ten Wasserstoff noch Kohlendioxid,nicht umgesetze Reste an Methanol,Wasser, Sauerstoff, Stickstoff sowieKohlenmonoxid, das nach folgenderReaktionsgleichung, der sogenanntenShift-Reaktion, gebildet wird.

CO2 + H

2 ⇔ CO + H

2O (4)

Kohlenmonoxid stellt ein erheblichesVergiftungspotenzial für die Katalysa-


toren der Brennstoffzelle dar und mussdeswegen in einer aufwändigen, mehr-stufigen Reinigungseinheit fast voll-ständig abgetrennt werden (siehe Ab-bildung 3). Dazu wird die selektive ka-talytische CO-Oxidation eingesetzt, dieu.a. durch einen Platin/Aluminiumoxid-Katalysator oder durch einen Platin-Zinn-Kontakt katalysiert werden kann.Das Anodenrestgas aus der Brennstoff-zelle, das umweltrelevante Kompo-nenten wie Kohlenmonoxid, Methanolund nicht umgesetzten Wasserstoffenthält, muss einer katalytischen Nach-verbrennung unterzogen werden, inder diese Stoffe in Wasser und Kohlen-dioxid umgewandelt werden.

Die dritte Variante, Wasserstoff ausMethanol zu gewinnen ist die Dampf-reformierung. Diese endotherme Re-aktion gehorcht Reaktionsgleichung(2), läuft aber räumlich isoliert von derWärmeerzeugung z. B. durch die To-taloxidation von Methanol nach Glei-chung (3) in einem eigenen Reaktions-apparat ab (Abbildung 4). Wasser undMethanol werden in den Reaktions-apparat gegeben, die notwendigeReaktionswärme wird durch den Kata-

Methanol

Luft

Wasser

Kathodenabluft

BrennstoffzellePEMFC

Methanol-Reformermit integrierterkatalytischerVerbrennung

zum Katalytbrenner

Keramisch geträgertePd / Ag-Membran Retentat

H2

Anodenrestgas

Abbildung 4: Verfahrensfließbild derDampfreformierung von Methanol

Abbildung 5: Vergleich der Vor- und Nachteile der autothermen Reformierung(mit partieller Oxidation) und der Dampfreformierung

lytbrenner eingebracht. Im Katalyt-brenner werden die Abgase der Brenn-stoffzellenanode (vor allem unver-brauchter Wasserstoff) und das Reten-tat der Membran (nicht umgesetztesMethanol, Kohlenmonoxid, Wasser-stoff) zu Kohlendioxid und Wasser um-

gesetzt (siehe Gleichung (3), ∆H < 0).Die Dampfreformierung läuft bei Drü-cken bis ca. 20 bar ab. Die Abtrennungdes Wasserstoffs vom Produktgasstromdes Reformers, der nicht umgesetztesMethanol, Kohlenmonoxid, Kohlendi-oxid und Wasser enthält, kann deshalbmittels einer druckbetriebenen Mem-bran aus einer Palladium-Silber-Legie-rung erfolgen, die von einer Keramikgeträgert wird (siehe Abbildung 4).Der annähernd reine Wasserstoffstromwird zur Brennstoffzelle geleitet, dasAnodenrestgas wird zum Katalytbren-ner geführt.

Der grundlegende Nachteil der auto-thermen Reformierung (mit partiellerOxidation, POX) ist der schlechtereSystemwirkungsgrad von 33-44 % imVergleich zu 42-50 % bei der Dampf-reformierung (Abbildung 5). Das vomReformer erzeugte Brenngas enthältwegen der Einspeisung von Luft nurca. 45 % Wasserstoff im Vergleich zuca. 67 % bei der Dampfreformierung,die ohne Luft arbeitet. Die autothermeReformierung arbeitet bei Normal-druck. Da ein Membrantrennverfahrendie Kompression des Reformeredukt-gases erfordert, würde der Systemwir-kungsgrad verschlechtert. Deswegenwird auf die aufwändige, mehrstufigeselektive CO-Oxidation ausgewichen.Bei der Dampfreformierung kann we-gen des Druckbetriebs und der weit-aus geringeren Kompressionsleistungzur Verdichtung der Flüssigkeiten Me-thanol und Wasser dagegen ein Mem-brantrennverfahren eingesetzt wer-den. Ein weiterer Vorteil der Dampf-

reformierung ist, dass Restgase aus derMembrantrennung und Brennstoffzellezur Versorgung der Reformierung mitReaktionswärme durch eine katalyti-sche Verbrennung genutzt werdenkönnen. Bei der POX-Reformierung istdies nicht möglich. HerausragendeVorteile der POX-Reformierung sindhingegen die hohe Leistungsdichteund die hohe Dynamik des Verfahrens.Mit der hohen Dynamik einher gehenkurze Aufheizzeiten des Systems.

4. Technische Realisierung derUmwandlung von Methanol inWasserstoff unter Anwendungder POX- und der Dampf-reformierung

Ein Konsortium bestehend aus demForschungsinstitut ECN (Niederlande),der Firma Rover (GB), der Lough-borough University (GB) und demInstituto Superior Téchnico aus Por-tugal entwickelt unter der Führungder britischen Firma Wellman CJB imRahmen eines EU-Projektes einenKompakt-Methanol-Reformer, dermit dem Prinzip der Dampfreformie-rung arbeitet [6]. Grundlage dieserEntwicklungen ist der Einsatz vonkompakten Aluminium-Wärmetau-schern, die aus gewellten Plattenbestehen. Diese Platten sind auf dereinen Seite mit einem Katalysatorzur Methanoldampfreformierung undauf der anderen Seite mit einem Kata-lysator zur Oxidation beschichtet. DerReformierungskatalysator ist ein kom-merzieller Kupfer/Zink-Kontakt, derOxidationskatalysator eine Mischung

49


aus Platin und Aluminiumoxid. DieReaktionstemperatur beträgt 275°C.Ziele dieser Arbeiten für ein 50 kW

elSystem sind ein Volumen von 49 l,eine Masse von 50 kg, eine Aufwärm-zeit von weniger als 5 s, eine Ant-wortzeit von weniger als 5 s bei not-wendiger Unterstützung durch einenGasspeicher für Wasserstoff und vonweniger als 50 ms ohne Einsatz einesGasspeichers. Die Emissionen sollenweniger als 10% des ULEV-Standardsbetragen.

Die Firma Johnson Matthey entwi-ckelte einen Reaktor für die partielleOxidation von Methanol, der dieHandelsbezeichnung „Hot Spot™“trägt (Abbildung 6) [7]. Das zylindri-sche Reaktionsgefäß 1 enthält einKatalysatorsystem, das zum einen auseiner „Up-Stream-Zone“ 2 und zumanderen aus einer „Down-Stream-Zone“ 4 besteht. Zone 2 ist mit einemfeuerfesten Granulat gefüllt, das als

50

Methanol

6

3

2

8

8a

5a5b

4

1

Abbildung 6: Schnittzeichnung des Hot Spot-

Träger für einen Kupferkatalysator 3dient. Zone 4 enthält eine Mischungaus ebenfalls feuerfesten Granulaten,die sowohl einen Kupfer-Katalysator5a als auch einen Edelmetall-Katalysa-tor 5b aus der Platin-Nebengruppe imPeriodensystem trägern.

Wird eine Mischung aus Methanolund Luft in die Zone 2 geleitet, durch-wandern die Edukte die Katalysator-schüttung 3 (von der der Einfachheitwegen nur die ersten drei Lagen ein-gezeichnet sind) und diffundieren indie Zone 4. Im Kontakt mit dem Edel-metallkatalysator kommt es dort zueiner spontanen stark exothermenTotaloxidation des Methanols, wobeidie Temperatur so weit erhöht wird,dass es zur partiellen Oxidation desMethanols an dem Kupferkatalysatorauch in der „Up-Stream-Zone“ 2kommt. Rund um die Öffnung 9 desEingangsrohres 6 bildet sich der HotSpot 8 (mit der Grenze 8a) aus, in dem

Luft

11

10

9

7Wasserstoff

Reaktors der Firma Johnson Matthey

sich die weniger stark exotherme par-tielle Oxidation des Methanols einstellt.Volkswagen untersucht gemeinsammit der Firma Johnson Matthey (GB),dem schwedischen Automobilherstel-ler Volvo und dem niederländischenForschungsinstitut ECN im Rahmen ei-nes EU-geförderten Projektes dieautotherme Reformierung von Metha-nol. Dabei wird der oben beschriebenePOX-Reaktor von Johnson Mattheyautotherm betrieben.

Im Forschungszentrum Jülich wirdmit den Firmen Siemens und HaldorTopsøe in einem gemeinsamen EU-Projekt die Dampfreformierung vonMethanol in einem so genanntenKompaktreformer untersucht (Abbil-dung 7). Dieser Reaktionsapparat inte-griert einen katalytischen Reformer fürMethanol, eine katalytische Verbren-nungseinheit bestehend aus sechs ein-zelnen Brennern sowie vier Wärme-austauscher in einer einzigen Einheit(siehe Schema in Abbildung 8).

Die Reaktionswärme der katalyti-schen Verbrennung wird durch ein ge-schlossenes System übertragen, dasmit Wasser und Sattdampf gefüllt ist.In diesem System ist das Temperatur-niveau konstant und wird durch denDruck bestimmt. Mit der eingebrach-ten Reaktionswärme wird ein Teil desWassers bei weiterhin konstanterTemperatur verdampft. Verlassenkann die Reaktionswärme das Über-tragungssystem, indem Dampf an derOberfläche des Reformers auskon-densiert. Durch das Ausnutzen desWasser-Dampf-Gleichgewichts verrin-gert sich dabei weder die Temperaturdes Übertragungsmediums noch dieReaktionstemperatur der Methanol-Reformierung. Außerdem wird dieWärme des heißen Abgases des Ka-talytbrenners über das beschriebeneWärmetauschersystem zur Vorwär-mung, Verdampfung und Überhitzungdes kalten flüssigen Methanol-Was-ser-Stroms genutzt [8].

5. Experimentelle Ergebnisse imIWV 3 (ForschungszentrumJülich)

Die experimentellen Arbeiten zurDampfreformierung von Methanolwurden in vier Reaktionsrohren durch-geführt, die einzeln bilanziert und mitunterschiedlichen Mengen an Kataly-


Abbildung 7: Kompakt-Methanol-Re-former, gebaut in einer Zusammen-arbeit zwischen Haldor Topsøe unddem IWV 3, ForschungszentrumJülich

sator (Kupfer-Zinkoxid auf Aluminium-oxid) gefüllt wurden [9]. Es wurdenMessungen im stationären und dyna-mischen Betrieb durchgeführt, von de-nen nur die stationären an dieser Stel-le vorgestellt werden sollen.

Abbildung 9 zeigt den Methanolum-satz als Funktion der spezifischen Was-serstoffbildung für zwei verschiedeneReaktionstemperaturen. Bei einerReaktionstemperatur von 260 °C sankder Umsatz von 100 % bei einer Was-serstoffbildung von 3 Nm3/(h kg(Kat))auf 75 % mit einer Wasserstoffproduk-tion von 7,5 Nm3/(h kg(Kat)). Die Koh-lenmonoxid-Konzentration im trocke-nen Eduktgasstrom verringerte sich indiesem Bereich gleichzeitig von 1,5auf 0,5 %. Wurde die Reaktionstem-peratur auf 280 °C erhöht, konntenhöhere spezifische Wasserstoffbildun-gen bei gleichem Umsatz im Vergleichzu den Messungen bei 260° C gefun-den werden. Die Kohlenmonoxid-Kon-zentration sank wieder mit sinkendemMethanol-Umsatz, woraus sich hoheKohlenmonoxid-Konzentrationen imTeillastbereich ergaben. Für den obenbeschriebenen Kompaktreformer wur-den aus diesen Ergebnissen folgendeAuslegungsdaten abgeleitet: UnterVolllast sollten bei einer Temperaturvon 280 ° C 95 % des Methanols um-gewandelt werden, was zu einer Was-serstoffbildung von 8,0 Nm3/(h kg(Kat))bei einer Kohlenmonoxid-Konzentra-tion von 1,2% führt.

Die Aktivität des verwendeten Kata-lysators als Funktion der Reaktionszeitist in Abbildung 10 dargestellt. AlsMaß für die katalytische Aktivitätdient dabei die spezifische Wasser-stoffbildung. Eine 10 %-ige Katalysa-torbeladung bedeutet, dass die ersten10 % der Länge des Reaktionsrohresmit Katalysator gefüllt waren, bei ei-ner 50 %-igen Beladung waren 50 %der Länge gefüllt. Es wird deutlich,dass auf den ersten 10 % der Reaktor-länge der Verlust der katalytischen Ak-

51

Abbildung 8: Schematischer Aufbaudes Kompaktreformers


Mol-Verh. H O/CH OH: 1,5

Systemdruck: 3,8 bar2 3

CO-Konzentration(trocken)/[%

]Spezifische Wasserstoff-Bildung / [m / (h kg )]

3

N Kat

Methanol-Umsatz/[%

]

Betriebsdauer / h

Spez.Wasserstoff-Bildung/[m

/(h

kg

)]N

Kat

3

Abbildung 9: Methanol-Umsatz als Funktion der spezifischen Wasserstoffbildung,T=260° C und 280° C, p=3,8 bar, molares Verhältnis Wasser/Methanol=1,5

Abbildung 10: Spezifische Wasserstoffproduktion als Funktion der Betriebs-dauer, T=280° C

tivität am deutlichsten ausfiel, wäh-rend keine Desaktivierung mehr bis zueiner Reaktionszeit von 700 h bei ei-ner 50 %-igen Füllung des Reaktors zubeobachten war. Im letzteren Fall wur-de die Desaktivierung auf den ersten25% durch eine auch nach 700 Be-triebsstunden unveränderte katalyischeAktivität auf den zweiten 25% kom-pensiert. Die katalytisch aktive Zonewanderte durch das Katalysatorbett.Werden die Ergebnisse der Messungmit der 50%-igen Beladung extrapo-liert unter der Voraussetzung, dass80 % der ursprünglichen Wasserstoff-bildung ausreichen, kann eine Stand-

52

zeit des Katalysators von ca. 4000 herrechnet werden. Dieser Wert ist aus-reichend für eine mobile Anwendungim Auto.

6. Simulation eines Pkw-Fahrzyklus

Im FZJ wurden Simulationsrechnungenfür ein Fahrzeug auf Methanol-Basismit on-board Erzeugung des Wasser-stoffs durchgeführt [10]. Sie berück-sichtigen den Methanol-Reformer, denkatalytischen Brenner, die Gasnachbe-handlung, die PEMFC, das elektroni-sche Antriebssystem und einen Ener-giespeicher. Tabelle 2 gibt die Effizi-

enz des Antriebsstranges und derEnergieumwandlungskette (EUK) einesAutos mit Verbrennungsmotor für Ben-zin an und vergleicht sie mit der einesBrennstoffzellenautos, das mit unterDruck stehendem Wasserstoff bzw.Methanol angetrieben wird. Eine EUKumfasst zusätzlich zum Antriebsstrangnoch die Brennstoffproduktion undden -transport zur Tankstelle. DasReferenzauto mit internem Verbren-nungsmotor erfüllt die Auflagen derEU für das Jahr 2005 und verbrauchtetwa 5 l Benzin auf 100 km.

Tabelle 2 macht deutlich, dass dieEffizienz des Antriebs eines Brenn-stoffzellenautos sowohl auf Wasser-stoff- als auch auf Methanolbasisdeutlich besser ist als die eines Au-tos der nächsten Generation mit in-ternem Verbrennungsmotor. Wird diegesamte Energieumwandlungskettebetrachtet, sind die Vorteile desBrennstoffzellenautos nicht mehr sodeutlich.

Tabelle 3 unterstreicht die Vorteiledes Brennstoffzellenautos. Der Kraft-stoffverbrauch des Pkw und damitdie Kohlendioxid-Emissionen sinddeutlich geringer. Vor allem aber imBereich der umweltrelevanten Emis-sionen Kohlenmonoxid, Stickoxideund leicht flüchtige, organische Ver-bindungen zeigt sich das Verbesse-rungspotential des Brennstoffzellen-autos.

Weitere Berechnungen [11] machtenjedoch deutlich, dass das Antriebssys-tem eines Brennstoffzellenautos mo-mentan ein deutlich zu hohes Leistungs-gewicht von ca. 15–18 kg/kW(mech.)

aufweist, während ein konventionellerAntriebsstrang ein Leistungsgewichtvon nur ca. 5 kg/kW

(mech.) hat. Letzte-

rer Wert muss auch von den Brenn-stoffzellenautos erreicht werden, wennsie konkurrenzfähig werden sollen.

7. Ausblick

Um den Anforderungen bezüglich desLeistungsgewichtes gerecht werden zukönnen, muss der gesamte Antriebs-strang des Brennstoffzellenautos deut-lich leichter werden. Ein vielverspre-chender Ansatzpunkt dabei ist derMethanol-Reformer und der katalyti-sche Brenner. Ziel der zukünftigen For-schung und Entwicklung muss daher


Tabelle 2: Vergleich der Effizienz eines Autos mit Verbrennungsmotor mit der ei-nes Wagens mit Brennstoffzelle [12]

Tabelle 3: Vergleich des Energieverbrauchs und der Emissionen eines Brenn-stoffzellenautos auf Methanolbasis mit den Werten für ein Auto mit Verbren-nungsmotor ICE (ICE = 100 %) auf der Basis des Neuen Euro-päischen Fahrzyklus für das Jahr 2005 [12]

sein, die Einkoppelung der Reaktions-wärme für die Reformierung durch diekatalytische Verbrennung der Ab- undRestgases des Prozesses schneller undeffizienter zu gestalten. Die Wärme-übertragung muss entscheidend ver-bessert werden. Dafür bedarf es neuerReaktorkonzepte, die weg vom trägenkatalytischen Festbettreaktor und hinzu beschichteten, kleinen und dynami-schen Reaktorsystemen gehen. KleineReaktorsysteme mit dünnen Katalysa-torbeschichtungen haben außerdemden Vorteil, dass Wärme- und Stoff-übergangsphänomene, die währenddes katalytischen Prozesses auftretenund den Katalysatorwirkungsgrad ver-schlechtern, verringert werden. DieKatalysatoren können effizienter ein-gesetzt werden, die Kosten für dasKatalysatormaterial können gesenktwerden.

Literatur

[1] American Methanol Institute, Internet:www.methanol.org (1999)

[2] Specht, M., Staiss, F., Bandi, A., Weimer, T.,„Comparison of the RenewableTransportation Fuels Liquid Hydrogenand Methanol with Gasoline – Energeticand Economic Aspects“ Int. J. HydrogenEnergy 23, (1998) 387

[3] Specht, M., Bandi, A., Elser, M., Staiss F.,„Comparison of CO

2 Sources for the

Sythesis of Renewable Methanol“in „Advances in Chemical Conversionsfor Mitigating Carbon Dioxide“, Inui, T.,Anpo, M., Izui, K., Yanagida, S., Yama-guchi, T., (Eds.), Stud. Surf. Sci. Catal.114 (1998) 363

[4] Specht, M., Bandi, A., Baumgart, F.,Murray, C.N., Gretz J.,„Synthesis of Methanol from Biomass/CO

2 Resources“ in „Greenhouse Gas

Control Technologies“, Eliasson, B.,Riemer, P.W.F., Wokaun, A., (Eds.),Pergamon, Amsterdam (1999) 723

[5] Veser, G., Schmidt, L.D.,„Ignition and Extinction in the CatalyticOxidation of Hydrocarbons overPlatinum“, AIChE J., 42 (1996) 1077

[6] Darms, R.A. J., Hayter, P.R., Moore, S.C.,„Advances in Fuel Processing for PEMFCSystems for Transport“, Proc. 1998 FuelCell Seminar, Palm Springs, USA, (1998)

[7] Jenkins, J.W., (Erfinder), JohnsonMatthey (Anmelder)„Catalytic Hydrogen Generator for Usewith Methanol“, Schutzrecht EP 0217532, 1987

[8] Emonts, B., Bøgild Hansen, J., LœgsgaardJørgensen, S., Höhlein, B., Peters, R.,„Compact Methanol Reformer Test forFuel Cell Powered Light Duty Vehicles“,J. Power Sources, 71 (1998) 288-293

[9] Wiese, W., Emonts, B., Peters, R.,„Methanol Steam Reforming in a FuelCell Drive System“, J. Power Sources, 84(1999) 187-193

[10] Peters, R., Düsterwald, H.G., Höhlein, B.,„Simulation of Fuel Cell PoweredVehicles“, Proc. 31st ISATA, Düsseldorf,(1998)

[11] Düsterwald, H.G.,„Untersuchung eines Methanol-reformerkonzeptes unter den besonde-ren Bedingungen der Dynamik undLangzeitstabilität beim Einsatz imBrennstoffzellen-PkW“, Dissertation,RWTH Aachen (1997)

[12] Forschungsvereinigung Verbrennungs-kraftmaschinen e.V.Abschlussbericht zur Brennstoffzellen-Studie „Ganzheitliche Systemuntersu-chung zur Energiewandlung durchBrennstoffzellen“, Frankfurt/ Main, Heft657 (1998)

53


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Reformierungvon Kohlen-wasserstoffenvon Angelika Heinzel,Clemens Palmund Bernhard Vogel

Dr. rer.nat. Angelika Heinzel ist Leiterin undDipl.-Ing. Bernhard Vogel ist wissenschaftlicherMitarbeiter in der Abteilung Energietechnik amFraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme(Fraunhofer ISE), Freiburg.

Dr. rer.nat. Clemens Palm ist wissenschaftlicherMitarbeiter in der Abteilung Brenngas-erzeugung, Bereich Energieverfahrenstechnik,des Instituts für Werkstoffe und Verfahren derEnergietechnik (IWF 3) im ForschungszentrumJülich (FZJ), Jülich.

Überblick

Dieser Beitrag beschreibt die Reformie-rung von Kohlenwasserstoffen zurWasserstofferzeugung für Brennstoff-zellen. Einleitend stehen allgemeine Aus-sagen zur Gasprozesstechnik in Mem-bran-Brennstoffzellensystemen sowieGrundlagen der Reformierung, speziellzu den zwei VerfahrensvariantenDampfreformierung und autothermerReformierung. Experimentelle Ergebnis-se der Reformierung von gasförmigenund flüssigen Kohlenwasserstoffen wer-den anschließend vorgestellt. DieReformerprototypen werden anhandausgeführter Konstruktionen und derenexperimentell ermittelten Leistungs-kenngrößen (Wasserstoffproduktion,Wirkungsgrad, Produktgaskonzentratio-nen) vergleichend präsentiert. Schließ-lich werden Systemrechnungen undThermodynamik der autothermenDieselreformierung vorgestellt.

This article describes the reforming ofhydrocarbons to produce hydrogen forfuel cells. The fuel processing in PEMfuel cell systems and the basics of re-forming, specially steam reforming andautothermal reforming, are explainedfirst. Then experimental results concern-ing the reforming of gaseous and liquidhydrocarbons are presented. Differentreformer prototypes will be characte-rized by their design and their experi-mental performance (hydrogen produc-tion rate, thermal efficiency, productgas concentrations). Finally the energybalance and the thermodynamic equili-brium of autothermal reforming of die-sel fuel is calculated.

1. Einführung

Die Membran-Brennstoffzelle(PEMFC = Polymer Electrolyte Mem-brane Fuel Cell) benötigt als Brenn-gas Wasserstoff, der auf elektroche-mischem Wege mit Luft zum Reak-tionsprodukt Wasser reagiert. Dabeiwerden Strom und Wärme frei.Durch die hohe Effizienz der Ener-gieumwandlung und die Tatsache,dass keine Schadstoffe emittiert wer-den, wird der PEMFC ein großesPotenzial für zukünftige Energiever-sorgungssysteme zugesprochen. Ausökonomischen Gründen wird fürheutige Brennstoffzellensysteme zurstationären Strom- und Wärmeerzeu-gung der Wasserstoff vor Ort ausErdgas, Flüssiggas oder auch Biogaserzeugt. Für die mobile Anwendungwerden aufgrund ihrer hohen Spei-cherdichte flüssige Energieträger wie

z. B. Methanol, aber auch die heuti-gen Kraftstoffe bevorzugt.

Alle Kohlenwasserstoffe müssenbei mindestens 700-800°C (abhän-gig von Druck und Wasserdampf-anteil) unter Einsatz von Katalysa-toren umgesetzt werden, um hoheWasserstoffausbeuten zu erreichen.Bei kleineren Temperaturen zerset-zen sich zwar bei ausreichenderReaktionszeit die höheren Kohlen-wasserstoffe, es stellt sich aber dasMethanisierungs- und das Wasser-gasgleichgewicht ein [1]. Das für dieMembran-Brennstoffzelle schädlicheKohlenmonoxid (CO) ist im Produkt-gas bei 750°C mit etwa 8–10 Mol%enthalten. Neben der eigentlichenReformierung benötigt ein Membran-Brennstoffzellensystem daher weitereReaktionsstufen zur CO-Entfernung.Einen Überblick über die Gasprozess-technik in einem Membran-Brenn-stoffzellensystem gibt das Verfah-rensfließbild aus [2] in Abbildung 1.

Diese Abbildung stellt die Verfah-rensstufen eines Membran-Brenn-stoffzellensystems mit autothermerReformierung dar. Eine mögliche An-wendung wäre die Stromerzeugungan Bord eines Fahrzeugs mit einemflüssigen Kraftstoff als Energieträ-ger. Der Kraftstoff wird zusammenmit Luft und Wasser nach dem Vor-heizen in mehreren Wärmeübertra-gern einem autothermen Reformerzugeführt und dort in wasserstoff-reiches Produktgas überführt. In demProduktgasweg befinden sich nebenden katalytischen Reaktoren der CO-Konvertierung (Shift) und der Selek-tiven Oxidation (PROX) weitere Wär-meübertrager, die konsequent allenutzbaren thermischen Energieströ-me wieder dem Gesamtsystem zu-führen. Nach der Brennstoffzellewird ein Katalytkonverter (katalyti-scher Brenner) eingesetzt, um flamm-los die brennbaren Komponentendes Anodenabgases umzusetzen.

2. Grundlagen der Reformierung

Bei den in Brennstoffzellensystemeneingesetzten Reformierverfahren vonKohlenwasserstoffen unterscheidetman die katalytischen Verfahrender Dampfreformierung und derautothermen Reformierung.


Abbildung 1: Verfahrensfließbild eines Membran-Brennstoffzellensystems mitautothermer Reformierung und Gasreinigung [2]

Die Reaktionsgleichungen der Dampf-reformierung lauten

Diese Reaktionen sind stark endo-therm. Daher muss der Reaktor vonaußen möglichst effektiv beheizt wer-den, um die für vollständige Umset-zung notwendigen hohen Temperatu-ren im Katalysatorsystem halten zukönnen. Bei der autothermen Refor-

(1) CH4+ H

2O CO + 3 H

2

kJ/mol2060

K298RH

(2) CH4+ 2 H

2O CO

2+ 4 H

2

kJ/mol1650

K298RH

(3) CH4+ ½ O

2CO + 2 H

2

kJ/mol360

K298RH

(4) CH4+ O

2CO

2+ 2 H

2

kJ/mol3190

K298RH

Temperatur /°C

Brennerabgas

Reformergas

Reaktion

RauchgasKonvektiverWärmeübergang

Strahlungs-brenner

Reformierreaktor25% CH4

75% H O2

1200

1000

800

600

400

Abbildung 2: Charakteristische Merkmaleines Methandampfreformers [3]

mierung treten im Reaktionsraum ne-ben den Reaktionen (1) und (2) zu-sätzlich partielle Oxidationsreaktionendes Methans auf. Sie erzeugen unmit-telbar im Reaktionsraum die nötigeReaktionswärme für die endothermenReformierungsreaktionen.

In der Abbildung 2 sind charakteristi-sche Merkmale der Dampfreformie-rung am Beispiel eines allothermenMethanreformers gezeigt. Die Tempe-raturprofile und die Produktgaszusam-mensetzung basieren auf Ergebnissenexperimenteller Arbeiten am Fraunho-fer ISE, die Reformer im kleinen Leis-tungsbereich bis etwa 15 kW (Hu, H2)experimentell untersuchten [3][4]. Mit75-78 Vol% H2 im trockenen Produkt-gas liegt der Wasserstoffgehalt amhöchsten von allen Reformierverfah-ren. Die entscheidenden Betriebs-parameter eines solchen Reformerssind das Verhältnis Reformer-zu-Bren-nerleistung R/B, der Druck pref und

sweg

H (75-78 Vol%,tr)

CO (10-12 Vol%,tr)

CO (8-10 Vol%,tr)CH (2-5 Vol%, tr)

H O

2

2

4

2

e und Parameter

Temperatur /°C1200

1000

800

600

400Re

CH

N

H O

4

2

O2

2

Abbildung 3: Charaautothermen Metha

das Wasserdampf-/Kohlenstoff-Ver-hältnis S/C.

Im Gegensatz dazu zeigt Abbildung 3die für einen autothermen Methan-reformer typischen Merkmale [5]. DieLuftzahl λ gibt das Verhältnis der zuge-führten Luftmenge zur stöchiometrischbenötigten für vollständige Oxidationan. Weitere Parameter sind der Druckder Reformierung p

ref und der Wasser-

dampfeintrag, angegeben als Verhält-nis S/C. Kennzeichnend ist der hoheStickstoffanteil im Produktgas. Er istnachteilig, was den Einsatz von Kom-pressoren (elektrischer Eigenenergie-verbrauch) bei erhöhten Systemdrü-cken und die Diffusionsbedingungenfür den Reaktanten Wasserstoff in derBrennstoffzelle betrifft. Das Tempera-turprofil eines autothermen Reformerszeigt im Allgemeinen einen Tempera-turanstieg am Reaktoreingang durchdie rasch erfolgenden Oxidations-reaktionen mit einem absinkendenVerlauf über die weitere Reaktorlängeaufgrund der fortschreitenden endo-thermen Reformierreaktionen.

Die Produktgaszusammensetzung imthermodynamischen Gleichgewicht derbeiden Reformierverfahren ist in denAbbildungen 4 und 5 über der Tempe-ratur aufgetragen. Sie wird am Aus-gang von Reformern bei ausreichenderDimensionierung der katalytischenReaktionszone nahezu erreicht. Über-einstimmend wird bei beiden Verfah-rensvarianten ab etwa 700°C das Ma-ximum der (H2+CO)-Ausbeute erreicht,es verbleibt kein Restmethan mehr imProduktgas. Die Berechnungen wur-den für Normaldruck durchgeführt,beim Übergang zu höheren Drückenwerden tendenziell weniger H2 undCO gebildet bei höheren Restmethan-gehalten.

55

Reformierreaktor

formergas

Reaktionsweg

H (28-32 Vol%,tr)

CO (8-10 Vol%,tr)

CO (9-11 Vol%,tr)CH (0,2-4 Vol%, tr)

N

H O

2

2

4

2

2 (48-52 Vol%, tr)

kteristische Merkmale einesndampfreformers [7]


Abbildung 6: Schnitt durch denautothermen Propanreformer [6]

Abbildung 5: Produktgaskomponenten im Thermodynami-schen Gleichgewicht der autothermen Reformierung vonPropan bei λ=0,4, abhängig von der Temperatur.

Abbildung 4: Produktgaskomponenten im Thermodynami-schen Gleichgewicht der Dampfreformierung von Methan,abhängig von der Temperatur

Propanzuführung

AutothermeReformierung

Wasser-/Luftzuführung

ProduktgasLTS

3. Experimentelle Arbeiten amFraunhofer ISE

Seit mehreren Jahren werden am Fraun-hofer ISE Arbeiten an Experimen-talreformern durchgeführt. Dabei han-delt es sich um kompakte Konstruktio-nen, die neben den eigentlichen kataly-tischen Reaktionsräumen der Reformie-rung (und der CO-Konvertierung) schonWärmeübertrager, ggf. Brenner und Zu-führungseinrichtungen beinhalten. Ne-ben der Dampfreformierung von Erdgasund Ethanol wurde auch die autothermeReformierung von Methan, Propan undBenzin untersucht. Reaktorentwicklun-gen und Untersuchungen zur CO-Kon-vertierung und zur Selektiven Oxidationrunden die Erfahrungen auf dem Gebietder Gasprozesstechnik für Membran-Brennstoffzellen ab.

Exemplarisch werden an dieser StelleErgebnisse des autothermen Propan-reformers dargestellt [6]. Einsatzmög-lichkeit ist die vom Erdgas und Strom-netz unabhängige Strom- (und Wärme-) Erzeugung in Brennstoffzellen, bei-spielsweise als Backup-Lösung fürphotovoltaisch betriebene Füllsenderoder die Stromversorgung im Camping-bereich, wo heute Dieselgeneratoreneingesetzt werden. Die Schnittzeich-nung des Fraunhofer ISE-Prototypenzeigt die Abbildung 6.

Wasser und Luft werden bei Umge-bungstemperatur einem Rohrwendel-wärmeübertrager zugeführt. Im Gegen-strom zum Produktgas nach der Refor-mierung (T

ref,aus~650°C) wird Wasser ver-

dampft und das Gemisch vorgewärmt.In einem Zuführungsraum unterhalb deseigentlichen Reformierraums werdenLuft, Wasserdampf und Propan ideal ver-

56

mischt und möglichst homogen überdie Eintrittsfläche verteilt einem kata-lytisch beschichteten Metallträger zu-geführt. Aufgrund der gemessenenTemperaturverteilung in diesem Me-tallträger können folgende Aussagengetroffen werden: Die Oxidations-reaktionen erfolgen sehr schnell überdem Katalysator, was durch die Tem-peraturerhöhung im vorderen Be-reich der Metallwabe deutlich wird.Mit fortschreitender Reformierung er-niedrigt sich in der anschließendenZone idealerweise adiabat die Pro-duktgastemperatur. Allerdings sindaufgrund der niedrigen Leistungs-größe (2,5 kW; H

u, C

3H

8) des Propan-

reformers die Verluste über die äuße-ren Oberflächen und Flansche derKonstruktion überproportional groß.In Reformern mit einer Eingangs-leistung von 25 kW

th wurden bei ver-

gleichbaren Betriebsbedingungendeutlich höhere Austrittstemperaturengemessen [7].

u,ein

u,CO

CO

)(

Hn

Hnn

��

��

��

�

Diese Aussage lässt sich auch unter-mauern durch die Auftragung desWirkungsgrads des Propanreformersüber der Eingangsleistung Propan inAbbildung 7. Der (H

2+CO)-Wirkungs-

grad ist definiert

Er bringt zum Ausdruck, dass das Pro-dukt CO nach den Shiftstufen fastvollständig zu Wasserstoff umgewan-delt ist und demnach nur mit der che-mischen Enthalpie des Wasserstoffszur Energieumwandlung in der Brenn-stoffzelle beiträgt. Die höhere chemi-sche Enthalpie des Kohlenmonoxid-stroms wird in Form von Wärme inden Shiftstufen freigesetzt. Das Dia-gramm zeigt für steigende Eingangs-leistungen einen asymptotischen An-stieg des Wirkungsgrads mit mögli-chem Grenzwert bei 70%. Im selbenMaße nimmt der Anteil von Wasser-stoff und Kohlenmonoxid im Produkt-gas zu. Wärmeverluste des Reformersnach außen nehmen bei den Versu-chen hoher Leistung einen prozentualkleineren Wert an. Daraus resultie-rend liegen die Temperaturen amKatalysatorausgang höher und es tre-ten geringere Restkohlenwasserstoff-gehalte auf. Mit verbesserten Maß-nahmen der Isolation, aber auch bes-serer Nutzung von thermischer Ener-gie zur Vorheizung der Edukte – dieim Brennstoffzellenssystem beispiels-weise durch den Anodenabgasbren-ner bereitgestellt werden kann –, sindum einige Prozentpunkte höhere Wir-kungsgrade zu erwarten.


Eingangsleistung Propan (kW, H )u

Versuchsreihe bei p=1bar; S/C=1,0; =0,4)

Abbildung 7: Wirkungsgrad des autothermen Propanreformers bei Variation derEingangsleistung; Versuchsbedingungen: p

ref=1 bar, S/C=1 und λ=0,4 aus [6]

Abbildung 8: Gleichgewichtszusammensetzung bei der autothermen Reformie-rung von Dieselkraftstoff mit Luft; Wassereinfluss

4. Arbeiten am FZ Jülich

Systemrechnungen und Thermodynamikder Dieselreformierung

Eine nicht sehr einfach zu realisieren-de Verfahrensvariante ist die auto-therme Dieselreformierung. BekannteProbleme sind Ablagerungen in denRohrleitungen bei der Kraftstoffver-dampfung und verstärkte Rußbildungdurch Cracken der langkettigen Koh-lenwasserstoffe. Zu diesem Themawerden hier theoretische Überlegun-gen anhand des Daten- und Bildmate-rials des IWV, ForschungszentrumJülich GmbH, angestellt.

Die Produktgaskonzentrationen imthermodynamischen Gleichgewichtsind in Abhängigkeit vom S/C-Verhält-nis in Abbildung 8 dargestellt. In denthermodynamischen Rechnungen wur-de Dieselkraftstoff mit der Summen-formel C

12,95H

24,38 [8] berücksichtigt.

Als konstant wurde der Druck der Re-formierung p

ref=1 bar, die (sehr niedri-

ge) Luftzahl λ=0,1863 und die Eduktein-trittstemperatur von 500°C angenom-men. Die Produktanteile sind in Mol%angegeben. Neben den gasförmigenKomponenten H

2, CO, CO

2, H

2O und

CH4 ist auch Kohlenstoff (Ruß) darge-

stellt. Stickstoff und Argon sind ent-sprechend ihren Verhältnissen in derzugegebenen Luft enthalten. DasProgramm berechnet das Gleichge-wicht bei der adiabaten Endtempe-ratur ϑ, bei der die Enthalpie der Pro-dukte exakt der Enthalpie der Eduktebei 500°C Eingangstemperatur ent-spricht. Die reine partielle Oxidation,bei einem S/C-Verhältnis S/C=M=0,

führt zu den höchsten Temperaturen.Bei der geringen Luftzahl von l=0,1863,allerdings entstehen bedeutende Men-gen an Ruß. Am anderen ExtrempunktS/C=1 (autotherme Reformierung) istkein Ruß mehr vorhanden, die endo-therme Reformierung, die durch denWassereintrag begünstigt wird, senktdie adiabate Grenztemperatur um ca.350 K ab. Nicht angegeben sind dieabsolut erzeugten Molmengen: ProMol Diesel (C12,95H24,38) entstehen beiλ=0,1863, S/C=0,15 und ϑ=800°Cetwa 35 Mol gasförmige Komponen-ten und 4 Mol Kohlenstoff. Beiλ=0,1863, S/C=1,0 und ϑ=640°C ent-stehen ca. 48 Mol gasförmige Kompo-

nenten und kein Ruß mehr. Die Kon-zentrationen der Wertprodukte Was-serstoff und Kohlenmonoxid sind alsomit diesen Gesamtstoffmengen zu ge-wichten.

Zu der in Abbildung 1 vorgestelltenVerfahrensanordnung eines mögli-chen Diesel-Brennstoffzellensystemswurden Rechnungen bezüglich derEnergieflüsse für einen stationärenBetriebspunkt des Brennstoffzellen-systems durchgeführt [2]. NutzbareWärmeströme innerhalb des Systemswerden idealerweise rückgewonnen.Bei einem Energieeintrag von 100Energieeinheiten (EE) durch Zufuhrvon Dieselkraftstoff können am Aus-gang 35 EE in Form von elektrischerEnergie aus dem System exportiertwerden. Durch Kühlung werden40,52 EE an die Umgebung abgege-ben, mit der Abluft verlassen 22,13 EEdas System und das Abgas des Kata-lytkonverters enthält noch 1,85 EE.Die Systemrechnung berücksichtigtauch die zum Teil hohen Aufwen-dungen für den elektrischen Eigen-verbrauch der Pumpen und Verdich-ter. Auf den ersten Blick scheint die-ses System nicht herausragend effizi-enter zu sein als Dieselmotoren. Einentscheidender Vorteil ist allerdingsder hohe Teillastwirkungsgrad, deneine Membran-Brennstoffzelle auf-weist. Interessant bei der Erprobung

57


eines realen Diesel-Brennstoffzellen-systems wird sein, welche Effizienz dieReaktoren der Reformierung und Gas-reinigung in einem solchen Betriebs-punkt besitzen und wie sie auf dynami-sche Laständerungen reagieren.

Literatur

[1] Appl, M., Gössling, H.„Herstellung von Synthesegas nach demSteam-Reforming-Verfahren“, Chemi-ker-Ztg. 96, Nr. 3 (1972), 135-153

[2] Menzer, R., Höhlein, B.„Verfahrensanalyse von Brennstoff-zellensystemen zur Stromerzeugung fürElektroantriebe in Fahrzeugen bei

58

Abbildung 9: Energiefluss in einem BrennReformierung aus [2]

Nutzung unterschiedlicher Kraftstoffe“•,FZJ-Bericht Jül-3666, Jülich (1999)

[3] Formanski, V.„Aufbau und Test eines Methan-reformers“, Diplomarbeit, UniversitätKarlsruhe und Fraunhofer ISE (1995)

[4] Vogel, B., Heinzel, A.„Reformer Development at FraunhoferISE“, Fuel Cells Bulletin 3 (1998), 9-11

[5] Vogel, B., Schaumberg, G., Schuler, A.,Heinzel, A.„Hydrogen Generation Technologies forPEM Fuel Cells“, Abstracts of the 1998Fuel Cell Seminar, Palm Springs (1998),364-367

stoffzellensystem mit Brenngasherstellung

[6] Zähringer, T.„Konstruktion und Inbetriebnahme einesautothermen Propanreformers“;Diplomarbeit FH Offenburg und Fraun-hofer ISE (1998)

[7] Göppert, J.„Experimentelle Untersuchungen aneinem autothermen Reformer“;Diplomarbeit FH Offenburg und Fraunho-fer ISE (1998)

[8] Amphlett et al.Journal of Power Sources 71 (1998),179-184

aus Dieselkraftstoff durch autotherme


Energiekettenvon Ulrich Bünger,Bernd Höhlein,Andreas Patykund Martin Pehnt

Dr.-Ing. Ulrich Bünger, M.Sc., ist wissenschaftli-cher Mitarbeiter der Ludwig-Bölkow-System-technik GmbH (LBSt), Ottobrunn.

Prof. Dr. Bernd Höhlein ist Leiter des Instituts fürEnergieverfahrenstechnik im ForschungszentrumJülich (FZJ), Jülich.

Dr. rer.nat. Andreas Patyk ist wissenschaftlicherMitarbeiter des Instituts für Energie- und Um-weltforschung Heidelberg GmbH (IFEU), Heidel-berg.

Dipl.-Phys. Martin Pehnt ist wissenschaftlicherMitarbeiter am Institut für Technische Thermo-dynamik des Deutschen Zentrum für Luft- undRaumfahrt (DLR), Stuttgart.

Überblick

Energiewandlungssysteme mit Brenn-stoffzellen können konkurrenzfähigwerden, wenn technische Barrierenüberwunden sind und die Frage nachdem optimalen Energieträger beantwor-tet ist. Die Wahl des optimalen Energie-trägers und die für seine Bereitstellungerforderliche Infrastruktur bestimmenjedoch weitgehend, wann Brennstoff-zellen im Verkehr und in der stationärenEnergiewandlung eingeführt werdenkönnen.

Mit der Energiekettenanalyse werdendie Fahrzeugantriebe bzw. die Energie-wandler zur stationären Erzeugung vonStrom und Wärme mit der Brennstoff-zelle verglichen. Elemente von Ökobilan-zen werden als Instrument zur Bewer-tung von Energieketten und der mit ih-nen möglichen Aussagen zu Ressourcen-verbrauch und Umweltauswirkungeneingesetzt. Anhand von Beispielen fürden mobilen und stationären Brennstoff-zelleneinsatz wird ein Einblick in die aktu-elle Diskussion um die Wirkungen und Be-dingungen der Brennstoffzellentechnikin Deutschland und Europa gegeben.

Energy conversion systems using fuel cellscan become competitive if technicalbarriers are overcome and the issue isresolved what fuel option will be the mostoptimal one. The choice of the most op-timal fuel and the required infrastructuredetermine to a large extent at what pointin time fuel cells can become an option inthe transport and decentralized powergeneration sector.

Mobile propulsion systems and stationarysystems for the generation of power andheat are compared with fuel cells usingdata from the analysis of the entireenergy chain. Accounting of ecologicaleffects is used as instrument for theassessment of the energy chain, the re-source utilization and the environmentalimpact. Using mobile and stationary fuelcell applications as examples, an insight isprovided into the actual German andEuropean debate concerning effects ofand conditions for applying fuel cells.

1. Energieketten undBrennstoffzellen

Für die elektrochemische Reaktion be-nötigen Brennstoffzellen einen wasser-stoffreichen Energieträger. Wasserstoffist jedoch meist nur Bestandteil fossileroder regenerativer Brennstoffe, kannaber auch mit elektrischer Energie –die auch aus regenerativer Primärener-gie gewonnen werden kann – aus

Wasser abgespalten werden. Die Flexibi-lität hinsichtlich des Brennstoffeinsatzeserlaubt also den Einsatz von Erdgas,Methanol, Kohle oder Benzin, aberauch die Verwendung holzartigerBiomasse, organischer Reststoffe oderregenerativen Stroms (Abbildung 1).Brennstoffzellen nehmen somit – wieandere Wasserstoff nutzendeUmwandlungstechnologien auch –eine Hybridstellung zwischen fossilenund regenerativen Energiesystemenein.

Die Stoff- und Energieströme einesEnergieumwandlungssystems lassensich als Energieketten grob in dreiPhasen aufteilen. Die Bereitstellungdes Energieträgers umfasst die Förde-rung, Aufbereitung und gegebenen-falls Umwandlung des Primärenergie-trägers in einen für die beabsichtigteNutzung geeigneten Sekundärener-gieträger. Aus Transport- oder Verfah-rensgründen können auch mehrereUmwandlungen stattfinden (siehe Ab-bildung 1). Die „Nutzung“ des Brenn-oder Kraftstoffes ist bei allen Systemenvon herausragender Bedeutung. Diedritte Phase besteht aus den der Nut-zung nachgelagerten Prozessen, bei-spielsweise der Entsorgung des Ener-giesystems am Ende seiner Lebens-dauer bzw. der Entsorgung mögli-chen Prozessabfalls.

Bei der ökologischen und ökonomi-schen Bewertung innovativer Energie-systeme – wie hier der Brennstoff-zellen-Systeme – sind aus zwei Grün-den vollständige Energieketten imVergleich mit zukünftigen konventio-nellen Systemen zu diskutieren:

1.1 Höhe der lokalen Schadstoff-emissionen

Die direkten Schadstoffemissionen vonBrennstoffzellensystemen sind extremgering (Wasserstoff durch Reformie-rung von Methanol oder Kohlenwas-serstoffen) bzw. nicht vorhanden (Was-serstoff im Tank). Im ersten Fall sinddie Temperaturen zu niedrig für dieNO

x-Bildung, die CO- und NMVOC-

Emissionen sehr gering wegen desKatalytkonverters, da störende Gas-begleitstoffe, wie z.B. Schwefel, ausverfahrenstechnischen Gründen schonvor dem Brennstoffzellen-System ent-fernt werden müssen. Dies führt dazu,dass bei vielen Umwelteinwirkungen,

59


Abbildung 1: Fossile und regenerative Energiepfade für Brennstoffzellen

beispielsweise der Emission von ver-sauernden Substanzen, die Energie-kette über den Lebenszyklus betrachtetdie einzigen Beiträge beisteuert. Beider Bilanzierung von Brennstoffzellen-Fahrzeugen, die mit Methanol (ausErdgas hergestellt) betrieben werden,stammt das SO

2 z.B. überwiegend aus

den Emissionen durch den Transportdes Methanols bzw. bei saurem Erd-gas auch aus der Aufbereitung desErdgases [1].

Die Umwelteinwirkungen der Energie-kette, also insbesondere der Kraftstoff-bereitstellung bis zur Entnahmestel-le, sind von Bedeutung, weil durch sieim Vergleich zu konventionellen Ener-gieumwandlungssystemen vorgegebenwird, welches Minimum an Umweltein-wirkungen durch Energiekonversion mitBrennstoffzellen erreicht werden kann.Die Energieerzeugung mit einer Gas-turbine in industrieller Kraft-Wärme-Kopplung führt beispielsweise auf ca.0,8 Gramm NO

x pro kWh

el [2]. Davon

stammen 40% aus der vorgelagerten

60

Energiekette. Eine mit Erdgas betrie-bene Brennstoffzelle könnte also dieverbleibenden 60% der direkten NO

x-

Emissionen einsparen. Hinzu kommteine Brennstoffeinsparung durch denhöheren Wirkungsgrad.

1.2 Infrastrukturelle Erfordernisse

Gerade für Fahrzeugantriebe erfordernBrennstoffzellen-Systeme einen – vomKraftstoff abhängigen – infrastruk-turellen Aufwand, da, wie im Fall vonMethanol, die Markteinführung einesvöllig neuen Kraftstoffes notwendigwäre. Grundsätzlich ist die Beibehal-tung heutiger Sekundärenergieträgermöglich: Der Einsatz von Erdgas in sta-tionären Brennstoffzellen ist z.B. unpro-blematisch, die Umwandlung von Ben-zin – bei vorhandener Infrastruktur – inWasserstoff an Bord von Kfz erforderthingegen verfahrenstechnischen Auf-wand.

Die Vorteile der Emissionsfreiheit unddes hohen Wirkungsgrades von Brenn-

stoffzellen kommen vor allem mitBrennstoffen zum Tragen, die auf dasBrennstoffzellen-System abgestimmtsind. Die Einführung von Wasserstoffals Kraftstoff wäre aus ökologischerSicht optimal, besonders, wenn rege-nerative Primärenergieträger zum Ein-satz kämen [3]. Allerdings ist der Auf-bau einer Wasserstofflogistik mit ho-hen Investitionen verbunden. Auch derAggregatzustand beim Transport desWasserstoffes – beispielsweise Flüssig-wasserstoff-Tanker hat starke Auswir-kungen auf die ökologische Bewer-tung. Hinzu kommen Potenzialüber-legungen: Wie groß ist beispielsweisedas Biomasse-Potenzial in verschiede-nen Regionen und wie wird es optimalgenutzt? Hier ergibt sich oft eine Kon-kurrenz zwischen der energetischenNutzung der Biomasse im Fahrzeug-bereich und im Kraftwerkssektor bzw.der Nutzung im Ernährungsbereichbzw. als Bau- und Werkstoff.

Die Umwelteinwirkungen lassen sichhinsichtlich des Anteils der Energie-


Abbildung 2: Bestandteile einer Produkt-Ökobilanz nach [4]

kette an den Gesamteinwirkungen inzwei Kategorien einteilen. Bei der ers-ten Kategorie ist der Primärenergieträgerund nicht die Umwandlungs-technologie ausschlaggebend für denAnteil an den Umwelteinwirkungen.Hierzu zählen der Verbrauch erschöpf-licher Ressourcen sowie das Treibhaus-potenzial. Beispielsweise liegt der An-teil der Energiekette an den Gesamt-einwirkungen hinsichtlich Ressourcen-verbrauch und Treibhauspotenzial imFall der stationären Stromerzeugungs-anlagen zwischen 4% bei Braunkoh-le, 11-14% bei Erdgas und nahezu100% bei biogenen Brennstoffen. FürLetztere werden bei der Umwandlungkein Verbrauch erschöpflicher Res-sourcen und keine treibhauswirksamenCO

2-Emissionen verbucht. Daher sind

die einzigen – gegebenenfalls nursehr geringen – Einwirkungen die derEnergiekette (z. B. die Herstellungvon Holzhackschnitzeln).

Die zweite Kategorie von Umweltein-wirkungen ist technologiebestimmt.Hier kann zwischen Brennstoffzellen-Systemen und konventionellen Syste-men als Energieumwandlungseinhei-ten unterschieden werden. Für Brenn-stoffzellen liegt bei allen diesen Um-weltkategorien der Anteil der Ener-giekette aufgrund der „sauberen Um-wandlung“ bei über 90% [3].

2. Ökobilanzen als Instrument zurBewertung von Energieketten

Beispiele und zahlreiche Studien zuverwandten Themen zeigen, dass dieBewertung der ökologischen Wirkun-gen von Energiesystemen nicht aufeinen Prozessschritt und eine oderwenige Umwelteffekte begrenzt wer-den kann. Das Instrument der Wahlzur methodisch und hinsichtlich derDatenbasis und -verknüpfung konsi-stenten Erfassung und Bewertung derUmweltwirkungen komplexer Syste-me stellt die Produkt-Ökobilanz dar.Wesentliche Charakteristika derÖkobilanz sind die Erfassung der ge-samten Lebenswege der untersuch-ten Produkte von der Förderung derRohstoffe bis zur Entsorgung bzw.dem Recycling der Produkte nachEnde der Nutzungsphase und soweitmöglich der gesamten Umweltwirkun-gen. Die Vorgehensweise ist inzwi-schen in internationalen Normen dersogenannten ISO 14000-Familie weit-

gehend verbindlich geregelt und sollkurz beschrieben werden.

Gemäß der erwähnten ISO-Normenumfasst eine Produkt-Ökobilanz vierArbeitsschritte (siehe Abbildung 2),so genannte Phasen, die zum Teiliterativ durchgeführt werden und je-weils mehrere Teilschritte enthalten.

2.1 Festlegung des Ziels undUntersuchungsrahmens

In diesem Arbeitsschritt werden u.a.sowohl Hintergrund, Zweck und Ziel-gruppe der Studie festgelegt als auchdie funktionale Einheit, die gesamtenLebenswege, geographische und zeit-liche Systemgrenzen, betrachteteUmweltwirkungskategorien und Para-meter definiert. Die Regeln dazu sindin der ISO-Norm 14041 [5] festgelegt.

2.2 Sachbilanz

Die Erstellung der Sachbilanz umfasstim Wesentlichen das Sammeln undAufbereiten der spezifischen Lebens-wegdaten des Untersuchungsobjektesentsprechend den Vorgaben der Ziel-definition und Rahmenannahmen.Wesentliche Teilschritte sind die de-taillierte qualitative Beschreibung dergesamten Lebenswege der betrach-teten Produkte bzw. Systeme, dieEntwicklung eines meist rechnerge-stützten Modells zur konsistentenquantitativen Beschreibung, die Erhe-bung spezifischer Daten (Energiever-brauch, Emissionen usw.) für dieEinzelprozesse der Lebenswege unddie Verknüpfung der Daten zu Sach-

bilanzen der Lebenswege mit dem Le-bensweg-Modell. Regeln dazu sindebenfalls in der ISO-Norm 14041 [5]festgelegt.

2.3 Wirkungsabschätzung

In der Wirkungsabschätzung werdendie in der Sachbilanz erfassten Para-meter in Umweltwirkungen übertra-gen und gegebenenfalls verschiedeneWirkungen zueinander in Relation ge-setzt. Gemäß ISO 14042 [6] umfasstdie Wirkungsabschätzung verbindlichdrei Teilschritte. Die Auswahl vonWirkungskategorien (Beispiel: Treib-hauseffekt) erfolgt in der Praxis be-reits in der ersten Phase der Produkt-Ökobilanz. In der Klassifizierung wer-den Sachbilanzergebnissen Wirkungs-kategorien zugeordnet (Beispiel: Fest-legung der in der Sachbilanz zu erfas-senden klimarelevanten Stoffe). Inder Charakterisierung erfolgt die Zu-sammenführung der Sachbilanzergeb-nisse der in der Klassifizierung festge-legten Stoffe z.B. über geeignete Äqui-valenzfaktoren zu Wirkungsindika-toren (Beispiel: CO

2-Äquivalente).

Als weitere, optionale Teilschrittesieht die ISO 14042 Bestandteile mitzum Teil subjektiv wertendem Cha-rakter vor. In der Normierung wer-den die Wirkungsindikatoren alsRelevanzprüfung auf die Gesamtwir-kung, die z.B. von einem Land aus-geht, bezogen. Im Teilschritt Ord-nung werden Wirkungskategoriennach verschiedenen Kriterien wie z.B.räumlicher Maßstab (global, regional,lokal), nominal (Einordnung) oder nach

61


Tabelle: Wirkungsgrade der Netto-Strom-Erzeugung mit PEFC (NSE)

ihrer „Bedeutung“ auf einer ordinalenSkala (Rangbildung) geordnet. In derGewichtung werden Indikatorergeb-nisse oder normierte Ergebnisse mitFaktoren gewichtet und gegebenen-falls die gewichteten Indikatorergeb-nisse der einzelnen Wirkungskatego-rien zusammengefasst.

In der Praxis erfolgt die Wirkungsab-schätzung auf sehr unterschiedlicheArt: Für einzelne Wirkungskategorienwie den Treibhauseffekt oder Ver-sauerung stehen allgemein anerkann-te Äquivalenzfaktoren zur Verknüp-fung verschiedener Parameter mitgleicher Wirkung zur Verfügung. Fürandere Kategorien ist dies nicht un-bedingt der Fall; gegebenenfalls mussdann auf eine Zusammenführung ver-zichtet werden.

2.4 Auswertung

In der Auswertung werden die in derSachbilanz und Wirkungsabschätzungerhaltenen Ergebnisse zu einem Ge-samturteil zusammengeführt, sowohlhinsichtlich der Belastbarkeit und Aus-sagekraft der Ergebnisse als auch –dem Zweck der Studie entsprechend –in Form von umweltbezogenen Be-wertungen und Handlungsempfehlun-gen. Rahmenrichtlinien zur Auswer-tung sind in ISO 14043 [7] festgelegt.Bewertungen sind grundsätzlich nichtobjektiv, sondern nur mehr oder we-niger plausibel und akzeptiert durch-führbar. Dementsprechend ist eineReihe verschiedener Bewertungsver-fahren gebräuchlich.

3. Brennstoffzellen und möglicheEnergieträger für den Verkehr

Insgesamt ist die Brennstoffzellenent-wicklung für die mobile Anwendunggeprägt durch die Diskussion über denrichtigen Kraftstoff, den Nachweis derFunktionstüchtigkeit der Brennstoffzel-lentechnik in der Anwendung, insbe-sondere im Langzeitbetrieb, die ausheutiger Sicht erforderliche Kostensen-kung und die Machbarkeit der Markt-einführung. Dabei stellt der Wasserstoffals direkter Kraftstoff für Brennstoff-zellenantriebe die härtesten Anforde-rungen an den Aufbau einer Infrastruk-tur. Als mittelfristige Lösungsansätzesind Alkohole und Benzin in einer heu-te noch nicht beurteilbaren Konkurrenz-situation. Sollte sich langfristig von

62

Kraftstoffversorgern und Automobil-herstellern der überwiegende Einsatznicht-fossiler Energieträger (z.B. rege-nerative Kraftstoffe) für den Massen-verkehr unabhängig vom Antriebs-konzept realisieren lassen, so würdedie CO

2-Frage weder für konventio-

nelle noch für Brennstoffzellen-Fahr-zeuge eine Rolle spielen.

Betrachtet man in Verbindung mitBrennstoffzellen unterschiedlicheKraftstoffe, so erfordern diese we-sentliche Unterschiede in der Verfah-renstechnik der Nettostromerzeugungim Fahrzeug, nicht aber im Strom-management und im Elektroantriebnach dem Brennstoffzellen-System.Die anderen wesentlichen Unterschie-de bezüglich der zu nutzenden Kraft-stoffe liegen in der Kraftstoffbereit-stellung bis zur Tankstelle begründet.

Die Analyse (Tabelle) der für den statio-nären Betrieb ermittelten Wirkungsgra-de der Nettostromerzeugung (η

NSE) –

unabhängig vom E-Antrieb eines Fahr-zeugs oder einem Fahrzyklus – zeigt fürdie drei in Konkurrenz zu diskutierendenKraftstoffe Wasserstoff, Methanol undBenzin für Kohlenwasserstoffverbindun-gen unterschiedliche Wirkungsgrad-niveaus. Diese hängen entsprechendden verschiedenen Quellen ab vomVerfahren der Wasserstoffbereitstellungin der Brennstoffzelle (BDR, ATR, Shift/PROX, Membran), dem ausgewählten

Spannungswirkungsgrad (ηZelle

) und derWasserstoffnutzung in der Brennstoff-zelle in Abhängigkeit vom Energie-management für das gesamte System.

Sowohl für hocheffiziente Wasserstoff-betriebene Brennstoffzellenantriebe alsauch für einfache und effektive Metha-nol-betriebene Brennstoffzellenantriebeexistiert heute keine Versorgungsinfra-struktur. Benzin-betriebene Brennstoff-zellenantriebe haben den Vorteil einesbereits eingeführten, aus heutiger Sichtaber aufwändigen Systems der Kraft-stoffbereitstellung. Ferner ist die Metha-nol-Gewinnung aus Erdgas und die Be-reitstellung an Tankstellen in Deutsch-land energetisch um relativ etwa 30 %aufwändiger als die Benzin-Bereitstel-lung aus Erdöl. Das heißt zunächst,dass einem weniger effektiven (Ener-gie, CO

2-Bilanz) Benzin-betriebenen

Brennstoffzellenantrieb im Vergleich zurVariante mit Methanol aus Erdgas [9]eine effektive Benzin-Bereitstellung ge-genübersteht.

Nach [10] wird sich allerdings dieSpezifikation der Kraftstoffbereit-stellung für Benzin u.a. in Richtung„Null-Schwefel“ ändern müssen unddamit auch die Effizienz der Benzin-oder Kohlenwasserstoffbereitstellung.Eine solche neue Spezifikation gilt alsnotwendige, aber möglicherweise nichtals hinreichende Voraussetzung fürBrennstoffzellenantriebe und auch (aus


Abbildung 3: Strukturierung der Energiepfade in der dezentralen Kraft-Wärme-Kopplung

anderen Gründen) für fortschrittlicheverbrennungsmotorische Antriebe [11].Dies bedeutet auch, dass sich durch dieneue Art der Kohlenwasserstoffbereit-stellung für Kfz-Antriebe (modifizierteRaffinerie, synthetische Kraftstoffe) fürdie Kraftstofferzeugung neue Ökobilan-zen ergeben würden. Daraus muss auchein neuer Vergleich von Energiekettenmit Brennstoffzellenantrieben für Metha-nol oder Benzin untereinander und auchmit fortschrittlichen Verbrennungsmotor-antrieben der Zukunft für Kohlenwas-serstoffgemische abgeleitet werden.

Einen nach der Methode der Produkt-Ökobilanz erstellten Vergleich der öko-logischen Wirkungen konventionellerund Brennstoffzellen-Antriebe für PKWfindet sich in [14]. Betrachtet werdendie vollständigen Umwandlungskettenbeim Einsatz verschiedener fossiler undregenerativer Energieträger.

4. Stationärer Einsatz vonBrennstoffzellen

Anhand des Teilprojekts „Einsatzbedin-gungen stationärer Brennstoffzellen fürdie Hausenergieversorgung“ des Brenn-stoffzellenprojektes des Büros für Tech-nikfolgenabschätzung des DeutschenBundestages (TAB) gemeinsam mit denBerliner Energieversorgungsunterneh-men BEWAG und GASAG [15] soll dieBedeutung der Energiekettenanalysefür den stationären Brennstoffzellenein-satz erläutert werden. Die Einsatzmög-lichkeiten kleiner Brennstoffzellen (1-250 kW

el- Klasse) in der Hausenergie-

versorgung und im Kleinverbrauch wer-den zur Zeit untersucht.

Aufgabenstellung des Projekts ist unteranderem der Kosten- und Ökologie-vergleich unter Berücksichtigung ver-schiedener betrieblicher Parameter

(Betriebsmodell wie z.B. dezentraleStromsubstitution oder dezentraleStromerzeugung, und Betreibermodellwie z.B. privater Nutzer oder Energie-dienstleister) für verschiedene Gebäu-detypen und Baualtersklassen inDeutschland. Die Arbeit soll die wirt-schaftlich-ökologischen Auswirkungendes Brennstoffzelleneinsatzes für dasVersorgungsgebiet der BEWAG/GASAGund für Gesamtdeutschland abschät-zen. Zu diesem Zweck wurden nach er-folgter Strukturierung der Energiepfadevon der Primärenergiebereitstellungüber die Energieumwandlung bis zuden Nutzungstechnologien (siehe Abbil-dung 3) die Energieketten und Emissio-nen mit dem Werkzeug E²-Databasebilanziert.

Aus Sicht der ökologischen Bilanzierungerbrachte der Vergleich dieser Pfade bis-her folgende wesentliche Erkenntnisse:

63


• Die Schadstoffemissionen entlangder Energiebereitstellungskettesind im Vergleich von mobilemund stationärem Einsatz (mit Aus-nahme der Tankstelle im mobilenFall) für Diesel und Heizöl etwagleich, für Erdgas jedoch unter-schiedlich, da anders als für denFahrzeugeinsatz dieses nicht durchVerdichtung oder Verflüssigungaufzubereiten ist. Dasselbe giltfür den Einsatz von Wasserstoff.

• Die Schadstoffemissionen auskonventionellen Erdgas- oderHeizöl-Heizkesseln mit neuenBrennertechnologien sind bereitsso niedrig, dass Brennstoffzellen-aggregate mit Null-Schadstoff-emissionen keinen herausragen-den Vorteil mehr bringen, insbe-sondere unter Berücksichtigungder Weiterentwicklungen kon-ventioneller Brenner (katalytischeVerbrennung).

• Der wesentliche Vorteil kleinerBlockheizkraftwerke ist im Ver-gleich zu gewöhnlichen Raum-heizungs- und Warmwasser-kesseln der Effizienzvorteil bzw.die Vermeidung klimawirksamerEmissionen (CO

2 und dessen Äqui-

valente) durch zeitgleiche Verdrän-gung des vom öffentlichen Strom-netz bezogenen Stroms durchKraft-Wärme-Kopplung.

• Der Einsatz von Brennstoffzellen(insbesondere Niedertemperatur-systeme) zeichnet sich wegender Flexibilität des Einsatzes ge-genüber gasmotorbetriebenenBHKW durch eine noch effizien-tere Primärenergieausnutzungund CO2-Einsparung aus.

• Wenn die Brennstoffzellenentwick-lung Systeme mit spezifischenInvestitionskosten von ≤4.000 DM/kWel hervorbringen kann, kanneine Treibhausentlastung sowohlohne zusätzliche Fördermaßnah-men erzielt als auch neue Ge-schäftsfelder bei der Energiebereit-stellung für Haushaltskunden er-schlossen werden.

64

Literatur

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[2] Dienhart, H., Pehnt, M., Nitsch, J.„Analyse von Einsatzmöglichkeiten undRahmenbedingungen verschiedenerBrennstoffzellensysteme in Industrie undzentraler öffentlicher Stromversorgung“,Gutachten im Auftrag des Büros fürTechnikfolgen-Abschätzung beimDeutschen Bundestag, Stuttgart (1999)

[3] Pehnt, M.„Ganzheitliche Bilanzierung zukünftigerEnergiesysteme: Brennstoffzellen undvorgelagerte Energieketten“, Disserta-tion an der Universität Stuttgart,Veröffentlichung Frühjahr 2000.

[4] Deutsches Institut für Normung (DIN,Hrsg.): DIN EN ISO 14040. Umwelt-management – Ökobilanz – Prinzipienund allgemeine Anforderungen. BeuthVerlag, Berlin (1997)

[5] Deutsches Institut für Normung (DIN,Hrsg.): DIN EN ISO 14041. Umwelt-management – Ökobilanz – Festlegungdes Ziels und des Untersuchungs-rahmens sowie Sachbilanz. BeuthVerlag, Berlin (1998)

[6] Deutsches Institut für Normung (DIN,Hrsg.): DIN EN ISO 14042. Umwelt-management – Ökobilanz – Wirkungs-abschätzung (Entwurf, Februar 1999).Beuth Verlag, Berlin (1999)

[7] Deutsches Institut für Normung (DIN,Hrsg.): DIN EN ISO 14043. Umwelt-management – Ökobilanz – Auswer-tung (Entwurf, Januar 1999). BeuthVerlag, Berlin (1999)

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[9] Höhlein, B., Nitsch, J., Wagner, U. et.al.„Ganzheitliche Systemuntersuchung zurEnergiewandlung durch Brennstoff-zellen, Brennstoffzellen-Studie“,Vorhaben 686, Heft 657, Abschlussbe-richt, Forschungsvereinigung Verbren-nungskraftmaschinen e.V., Frankfurtam Main

[10] Hart, D.„Hydrogen and Gasoline – Contendersfor the Fuel Cell“, FT AutomotiveEnvironment Analyst, Issue 54, July 1999;Financial Times Business Ltd., London

[11] Wedel, H. v.„Autobauer fordern besseren Kraft-stoff“, VDI Nachrichten, 19.2.1999,Düsseldorf

[12] ETSU„SPFC Bus Design Studies“, ETSU forthe Department of Trade and Industry,Contractor: Johnson Matthey, preparedby Potter, l./ Reinkingh, J, ETSU F/02/00134/REP, London (1999)

[13] Lamm, A.„PEM-BZ-Systeme für den mobilenEinsatz“, Konferenz im Haus derTechnik, Essen (März 1999)

[14] Patyk, A., Höpfner, U.„Ökologischer Vergleich von Kraftfahr-zeugen mit verschiedenen Antriebs-energien unter besonderer Berücksichti-gung der Brennstoffzelle”, Gutachtenim Auftrag des Büros für Technikfolgen-abschätzung beim Deutschen Bundes-tag, Heidelberg (1999)

[15] Bünger, U., Berthold, O., Niebauer, P. ,Schindler, J., Schurig, V., Weindorf, W.„Analyse von Einsatzmöglichkeiten undRahmenbedingungen von Brennstoff-zellensystemen in Haushalten und imKleinverbrauch in Deutschland undBerlin“, im Auftrag der BEWAG, GASAGund des Büros für Technikfolgenab-schätzung des Deutschen Bundestages(1999)


Praktische Erfah-rungen mit derPhosphorsaurenBrennstoffzellevon Holger Grubel

und Gerald Newi

Dipl.-Ing. Holger Grubel ist Projektleiter fürInnovative Energiesysteme und Dr.-Ing. GeraldNewi ist Geschäftsführer bei der CONSULECTRAUnternehmensberatung GmbH, Hamburg.

Abbildung 1: Pilotprojekt Brennstoff-zellen-BHKW Lyserstraße, AG derHamburgischen Electricitäts-Werke AGund der Hamburger Gaswerke GmbH

Überblick

Der Betrieb von zwei phosphorsaurenBrennstoffzellen (PAFC) der Firma ONSIim Pilotprojekt Brennstoffzellen-BHKWder Hamburgischen Electricitäts-Werkeund der Hamburger Gaswerke erlaubtden Vergleich zwischen der PC25 A, diemit Erdgas betrieben wird, und demNachfolgemodell PC25 C, die für denWasserstoffbetrieb umgebaut wurde.Die Einbindung in eine Nahwärmever-sorgung liefert Erfahrungen aus dem Be-trieb in der Grundlast und der wärme-geführten Betriebsweise der Brennstoff-zellen. Dabei werden Stärken undSchwächen der Brennstoffzellen darge-stellt und es wird deutlich, dass die Anla-gen nicht für eine Kraft-Wärme-Kopp-lung ausgelegt sind. Ebenso klar habendie Brennstoffzellen herausragende Ei-genschaften demonstriert, die sie als einBindeglied von der heutigen Energiever-sorgung in eine auf solare Energien ba-sierenden Energiewirtschaft darstellen.

Two phosphoric acid fuel cells (PAFC) builtby ONSI and now in operation by theHamburgische Electricitäts-Werke andthe Hamburger Gaswerke allow tocompare the PC25 A running on naturalgas and the follow-up model PC25 Cmodified for the operation with hydro-gen. By the installation in an existingdistrict heating system, operate experi-ence is gained in base load and thermaldemand-following mode. This brought upstrong and weak points of of the fuelcells, obviating that these units have notbeen originally designed for co-genera-tion purposes. Nonetheless, the fuel cellshave demonstrated outstanding cha-racteristics, proofing that they can be-come a binding element in the transitionfrom today’s energy supply system to afuture solar based energy economy.

1. Vorbemerkung zur Frage,warum wir uns mit Brennstoff-zellen beschäftigen

Weltweit wird die Energie zu 80%aus fossilen Trägern gewonnen. Dergrößte Vorteil von z. B. Kohle oderErdöl, die hohe Energiedichte, Trans-portier- und Speicherbarkeit, hat füreine flächendeckende Verbreitung ge-sorgt. Diese vor Jahrmillionen eingela-gerte Energie steht jedoch auf langeSicht nur begrenzt zur Verfügung unddie CO

2-Anreicherung in der Atmo-

sphäre zwingt uns, über neue Energie-träger und -strukturen nachzudenken.Die Vision der zukünftigen Energiever-

sorgung basiert auf erneuerbaren Ener-giequellen und emittiert dabei keinerleiSchadstoffe. Einzig die solare Energie-wirtschaft sowie Beiträge von Geo-thermie und Gezeiten machen dieseEnergieversorgung nach heutiger Er-kenntnis möglich. Dabei müssen dieSchwierigkeiten der eingeschränktenSpeicherbarkeit und Transportierbar-keit durch neue Energieträger wiez. B. Wasserstoff bewältigt werden.

Brennstoffzellen stellen eine Schlüssel-komponente in diesem Prozess dar.Ihre hohe Effizienz, die außerordent-lich vielseitige Anwendbarkeit vomKraftwerk bis zur Knopfzelle und dieEmissionsarmut machen die Brennn-stoffzelle zu einem Bindeglied beimÜbergang vom fossilen in solar fundier-te Energiesysteme. Heute können siesehr effizient mit Erdgas betriebenwerden und reduzieren damit CO

2 -

Emissionen und Schadstoffausstoß. Zu-künftig bieten sie die geeignete Tech-nologie, um auf Wasserstoff als Ener-giespeicher der Zukunft umzusteigen.

2. Ziele für den Einsatz in der de-zentralen Wärmeversorgung

Entsprechend leiten sich die Zieledes Pilotprojekts Brennstoffzellen-BHKW in Hamburg, Arbeitsgemein-

65


HEW - N

680 Wohnungen

72m /h3

75m /h3

36m /h3

50°C

2500 kW Wärme

70°C

200 kW

200 kW

200 kW

200 kW

Erd-gas

Reformer Zellstapel H -Tank2

H -Brenn-stoffzelle2

Zellstapel

Inverter

NetzStrom

InverterErdgas-

Brennstoffzelle

2 Gaskessel mit je 1200 kW

Erdgas

AbgasGasmotor

2 Wärmepumpen mit je 720 kW

Kondensator

120 kW

420 kW 95 kW105 kW

345 kW

Erdgas

ErdgasmotorVerdichter

VerdampferWärmespeicher

10.000 l

Schacht

Pumpe

Abwasserkanal

Abwasser (12-20°C)

I+II

Abbildung 2: Nahwärmenetz Hamburg Lyserstraße

schaft der Hamburgischen Electricitäts-Werke AG und der Hamburger Gas-werke GmbH ab:

• Einsatz von Brennstoffzellen zureffizienten Energieumwandlung

• Reduzierung der Schadstoff-emissionen

• Darstellung einer wärmegeführ-ten Betriebsweise in einemNahwärmeversorgungsgebiet

• Erfahrungen mit Wasserstoff alsEnergieträger

• Akzeptanzsteigerung von Wasser-stoff

• Darstellung der Genehmigungs-fähigkeit von Wasserstoffversor-gungssystemen

Zum Erreichen der Ziele wurde dasProjekt in zwei Hauptabschnitte ein-geteilt. Zunächst stand die Technolo-gie der Brennstoffzelle selbst im Vor-dergrund. 1995 wurde eine erdgas-betriebene phosphorsaure Brennstoff-zelle installiert, mit welcher Erfahrun-gen bei Wartungsaufwand, Einsatz-möglichkeiten und Genehmigungsan-forderungen gewonnen werden konn-ten.

Nach ersten Erfahrungen mit derBrennstoffzellentechnologie wurdedann 1997 im zweiten Schritt die Ver-sion PC25 C mit Wasserstoff realisiert,so dass vor Ort die Vergleichbarkeitzwischen den beiden Brennstoffzellengewährleistet ist. Hierbei standen zu-nächst Akzeptanz- und Genehmigungs-fragen im Vordergrund. Während derBetriebsphase wird seitdem das Be-triebsverhalten der Brennstoffzelle ineinem Nahwärmeversorgungssystemuntersucht. Dabei wurden in Abspra-che mit der EU als Fördermittelgebermöglichst allgemeingültige Erkenntnis-se angestrebt.

3. Betriebsphasen

Die Akzeptanz für die Brennstoffzellen-technologie ist hoch. Das öffentlicheInteresse ist sehr groß, denn man er-kennt, dass mit der Brennstoffzelleeine Technologie auf dem Weg zumMarktdurchbruch ist, die nahezuemissionsfrei Strom und Wärme erzeu-

66

gen kann. Bedenken, die zunächstgegen die Installation des Wasserstoff-tanks in unmittelbarer Nähe von Wohn-häusern vorhanden waren, konntenbei einer öffentlichen Anhörung aus-geräumt werden. Die eingesetzteSpeichertechnik ist seit Jahren aus ver-schiedenen industriellen Anwendun-gen heraus bekannt und bewährt, le-diglich die Installation innerhalb einesWohngebietes mit den verändertenAnforderungen aus dem Bundes Immis-sionsschutz Gesetz ist eine neue Erfah-rung. Die in Hamburg ausgeführteSpeicheranlage ist besonders relevantim Hinblick auf eine weitere Verbrei-

tung, bei der zukünftig auch Fahrzeu-ge mit Wasserstoff in Wohngebietenzum Einsatz kommen werden.

4. Einsatz in der Wärmeversorgung

Beide Brennstoffzellen speisen diemögliche Wärmeleistung in den Rück-lauf des Nahwärmenetzes in HamburgBahrenfeld ein. Im Winter wird da-durch die Rücklauftemperatur imWärmenetz angehoben, während imSommer die Wärmeleistung der bei-den Brennstoffzellenanlagen ausrei-chend für die Versorgung der Wohn-häuser ist. Bei schwacher Last wird


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0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00

P[kW]

Pel

PthPth = thermische Leistung

Pel = elektrische Leistung

Kondensator

Wärme-

tauscher

Kathode

Kühler Wärmenetz

VerlusteAnode450 kW

100 kW

110 kW

80 kW

150 kW

Zellstapel primärer sekundärer

Kühlkreislauf

Brennstoff Wärmeabgabe

Abbildung 3: Tagesganglinie in einem Nahwärmeversorgungsgebiet

Abbildung 4: Vereinfachtes Wärmeflußdiagramm der Wasserstoff Brennstoffzelle

Wärme in einem 10 m³ Wassertankgespeichert und bei Spitzenlast ausdiesem Tank abgezogen (Abbildung 1).

Bei der hier eingesetzten Art der Ein-bindung einer Erzeugungsanlage ineine Wärmeversorgung würde in denmeisten vergleichbaren Systemen dieLeistungseinstellung mit der Rücklauf-temperatur als Stellgröße erfolgen.Die Brennstoffzellen Anlage PC25 vonONSI bietet diese Möglichkeit in derOriginalversion nicht. Die Leistungsvor-gabe erfolgt durch die manuelle Ein-stellung der elektrischen Leistung.Um wärmegeführt zu fahren, wird derWärmebedarf gesondert ermittelt.Durch eine externe Steuerung kanndie elektrische Leistung so vorgebenwerden, dass die gewünschte thermi-sche Leistung erzeugt wird. DiesesHilfsmodell funktioniert dann gut,wenn die elektrische Leistung stetsüber einen konstanten Proportionali-tätsfaktor der Wärmeleistung ent-spricht. Dies ist bei phosphorsaurenBrennstoffzellen zumindest im oberenLeistungsbereich gegeben, denn dieStromkennzahl 1, das Verhältnis auserzeugter elektrischer zu thermischerLeistung, bleibt nahezu konstant.

Das Nahwärmenetz in der Lyserstraßebesitzt eine so große Grundlast, dassdie beiden phosphorsauren Brennstoff-zellen fast ausschließlich bei voller Leis-tung in der Grundlast betrieben wer-den können. Diese Fahrweise gibt je-doch keinen Aufschluss über die Bean-spruchung und materielle Tauglichkeitder Brennstoffzellen in verschiedenenBetriebszuständen. Aus diesem Grundwird die Leistung an typische Tages-ganglinien angepasst. Dies geschiehtmit einer externen Steuerung über einanaloges Signal (4-20mA), das bei derPC25C für die Einstellung der Leistungverantwortlich ist. Die Fahrweise derBrennstoffzelle entspricht dann einerAnlage, die als Spitzenlasterzeuger ineinem Wärmesystem arbeitet, undstellt damit den härtesten Fall für dieAuslegung einer Kraft-Wärme-Kopp-lungs (KWK)-Anlage dar.

5. Unterschiedliche Belastungender Brennstoffzelle

Die Tagesganglinien sind durch eineNachtabsenkung, eine starke mor-gendliche Spitze und einen starkschwankenden Tagesverlauf gekenn-

zeichnet (Abbildung 3). Für die Brenn-stoffzelle entstehen dadurch drei un-terschiedliche Belastungsarten, die fürverschiedene Anwendungen von Be-deutung sind: eine Belastung nahezuim Leerlauf, ein starker Lastsprung in-nerhalb kurzer Zeit und eine schwan-kende Last im oberen Lastbereich.

Innerhalb der Anlage entstehen me-chanische oder thermische Beanspru-chungen in erster Linie durch schwan-kende Temperaturen und instationäreStrömungsverhältnisse innerhalb desZellstapels. Der primäre Kühlkreislaufist für die Einhaltung der Zellstapel-temperatur verantwortlich. Er heizt denZellstapel bei Schwachlast und kühlterst bei hoher Leistung. Der Kühlkreis-lauf muss bei höherer Leistung eineniedrigere Temperatur haben, um aus-reichend Wärme aus dem Zellstapelabzutransportieren. Andersherum muss

bei kleiner Leistung zusätzlich Wärmezugeführt werden, da durch den Ab-transport des Reaktionsprodukts undder überschüssigen Luft zu viel Wärmeaus dem Stapel transportiert wird. BeiNennlast werden je ca. 50% der Wär-me über einen Kühler und über Ano-den- bzw. Kathodenabgas aus demZellstapel geführt (Abbildung 4). DieTrägheit der Temperaturregelung desKreislaufs führt bei Lastwechseln zuungünstigen Temperaturverteilungeninnerhalb des Zellstapels.

5.1 Fahren bei niedriger Last

Der Bruttowirkungsgrad eines jedenBrennstoffzellenstapels steigt bei klei-ner Last stark an. Hierin unterscheidensich Brennstoffzellen deutlich von Ver-brennungskraftprozessen. Bei prakti-schen Ausführungen von Brennstoff-zellenanlagen überlagert sich diese Er

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Zeit [s]

el.Leistung[kW]

Abbildung 5: Lastsprung von 100 kW auf 200 kW – Eingabesignal bei 1 sec

scheinung aber mit dem bei niedrigenLasten überproportional großen Eigen-verbrauch durch Pumpen, Ventile undHeizer.

Analysiert man die Auswirkung auf dieAnlage, so ergibt sich bei kleiner Last,dass die Anlage nicht ausreichendWärme erzeugt, um den Bedarf zudecken. Bei Lasten unter ca. 80 kWreicht die Wärmeentwicklung desBrennstoffzellenprozesses nicht aus,um ausreichend Wärme zu produzie-ren. Die Bruttoleistung des Zellstapelsschwankt in diesem Bereich deutlichstärker als die netto thermische undelektrische Leistung – ein Indiz dafür,dass zum Wärmeausgleich die instal-lierten elektrischen Heizer in unregel-mäßigen Abständen zu- und abge-schaltet werden. Die entstandeneWärme innerhalb des Zellstapels wirdzum großen Teil über das Abgas aus-getragen. Der anschließende kleineKondensator ist nur auf die notwendi-ge Wassergewinnung ausgelegt, sodass das Temperaturniveau nicht hochgenug ist, um ausreichend Wärme andas Wärmenetz abzugeben. Hiermacht sich besonders negativ bemerk-bar, dass der sekundäre Kühlkreislaufauf eine Temperatur von ca. 35°C ab-gekühlt werden muss, um ein ausrei-chend niedriges Temperaturniveau fürden Kondensator bereitzustellen. Dieskann nur durch ständige Abfuhr vonWärme über das externe Kühlaggregaterreicht werden. Innerhalb der Anlagewird also der primäre Kühlkreislaufelektrisch geheizt, während der sekun-däre Kühlkreislauf Wärme an die Um-gebung abgibt. Die ursprünglich fürreine Stromerzeugung ausgelegteBrennstoffzellenanlage ist daher fürFahren bei geringer Last in Kraft-Wär-me-Kopplung nicht sinnvoll ausgelegt,der hohe elektrische Wirkungsgrad desZellstapels kann nicht genutzt werden.

5.2 Der Lastsprung

Den starken Lastsprung erledigt dieBrennstoffzelle nach außen hin ohneProbleme. Dabei ist der Gradient derLeistungsänderung durch die Anlagen-steuerung fest vorgegeben und beträgtbei der Wasserstoffanlage 10 kW/sund bei der Erdgasanlage 5 kW/s. Be-grenzt und reguliert wird dies, damitdie Messwerte und die Sollwerte vonTemperaturen, Ventilen und Lüfternnicht zu sehr divergieren. Nach ca.

68

20 min haben sich alle Betriebspara-meter auf das neue Leistungsniveaueingependelt. Bei der PC25 erfolgtdie Sollwerteinstellung der meistenParameter über die Abfrage nachdem Stromfluss des Zellstapels –eine Kennfeldregelung gibt es nichtund daher wird ein großer Leistungs-sprung in kleineren Schritten absol-viert. Das Diagramm (Abbildung 5)macht ebenfalls deutlich, dass sich dieBruttoleistung des Zellstapels deutlichschneller verändert; einzig regulieren-der Faktor ist hierbei die Geschwindig-keit, mit der Brenngas und Sauerstoffin die Zellen geführt werden können.Die hohe mögliche Regelgeschwindig-keit wird jedoch für das Einhalten derBetriebstemperatur innerhalb des Zell-stapels und damit der längeren Lebens-dauer reduziert.

5.3 Schwankende Lasten

Die 20 Minuten dauernde Annähe-rung der Werte an die Sollwerte zeigtauch, dass die schwankenden LastenBelastungen für die Brennstoffzelledarstellen. Verändert sich innerhalbvon wenigen Minuten die Leistungmehrmals um ca. 40 kW, so reagiertdie Brennstoffzelle als schwingungs-fähiges System und gerät mitunterdicht an Grenzwerte, die einen auto-matischen Shutdown verursachenwürden. Die Wärmeabfuhr aus demZellstapel kann bei dieser Betriebs-weise nicht mehr sicher gewährleistetwerden, so dass bei längerem Betrieb

mit schwankender Last von einerDegradation ausgegangen werdenmuss, die deutlich über den normalenWerten liegt.

5.4 Erkenntnisse aus vier Jahren Betrieb

Die Verfügbarkeit der Brennstoffzellenliegt, wie bei einem Pilotprojekt zu er-warten, nicht auf dem Level vergleich-barer Motor-BHKW. Es ist jedoch auf-fällig, dass die von ONSI entwickelteKernkomponente – der Zellstapel – zukeinem Zeitpunkt Ursache von Proble-men war. Vielmehr sind es die Stan-dardbauteile wie Pumpen, Ventile undWärmetauscher, die deutlich zu vieleAusfälle haben. So wird auf diesemWeg der theoretische Vorteil der ho-hen Verfügbarkeit angesichts einer ge-ringen Anzahl bewegter Teile wiederverspielt. Beispielhaft sollen hier zweiFälle erläutert werden.

5.5 Ereignis bei der erdgasbetriebenenPC25 A

Der primäre Kühlkreislauf der PC25benötigt deionisiertes Wasser. DieReinhaltung des Kühlwassers erfolgtüber einen Bypass-Kreislauf, durchden kontinuierlich ein kleiner Men-genstrom abgezweigt, herunterge-kühlt, gereinigt und wieder zugeführtwird. Diese Reinigung durch Grobfilter,vier Ionentauscher-Harzflaschen undeinen organischen Filter wird nichtkontinuierlich überwacht, sonderndurch Stichproben kontrolliert. Erfol-


gen diese Stichproben zu selten oderzu spät, so verschlechtert sich dieWasserqualität rapide. Ablagerungenaus dem Kühlwasser lagern sich inPumpen ab und führen letztendlichzum Ausfall. Dieser Fehler trat beivielen Anlagen der Serie PC25 A auf,so dass bei dem Nachfolgemodel derPC25 C eine Online-Überwachung derWasseraufbereitung eingebaut wurde.

5.6 Ereignis bei der wasserstoffbetrie-benen PC25 C

Die Eintrittstemperatur in den Zell-stapel wird bei der PC25 C über einDrei-Wege-Ventil geregelt, das dieMengenströme aus dem Wärmetau-scher und dessen Bypass entsprechenddes Sollwertes regelt. Das Ventil wirdlediglich digital angesteuert und pen-delt kontinuierlich um den Sollwertherum. Dies bedeutet relativ großenStress für die beteiligten Komponen-ten, die sowohl Temperatur- als auchDruckzyklen unterliegen. Damit dieAmplitude dieser Pendelbewegung et-was reduziert wird, wurde eine elektri-sche Bremse eingebaut, die in die Be-wegung des Ventils nach Überschrei-ten des Sollwertes eingreift. Eine fal-sche Ansteuerung der Bremse führtejedoch wiederholt zum Ausfall der ge-samten Anlage, da die Temperatursich zu langsam dem Sollwert annä-herte.

6. Auswertung

Der Vergleich zwischen den beidenModellen PC25 A und PC25 C zeigt,dass die Balance-of-Plant (BoP) Kompo-nenten erkennbare Fortschritte ge-macht haben. Die Verfahrenstechnikist zuverlässiger und kompakter ge-worden, was unter anderem durcheine aufwändigere und damit auchanfälligere Steuerung und Elektronikerzielt wurde. Die Verfügbarkeit voneiner Vielzahl europäischer Anlagenliegt bereits deutlich über 90%, so

dass eine positive Tendenz eindeutigausgemacht werden kann.

Die prinzipbedingten Vorteile der Brenn-stoffzellentechnologie wurden leiderbei der Umsetzung nicht konsequentgenutzt. Verbesserungspotenzial istzum einen bei den Schallemissionenauszumachen. Da diese Anlagen sichhervorragend dazu eignen, in einemWohngebiet die Grundlast desWärmebedarfs abzudecken, sind diedeutlich zu lauten Pumpen und Lüfterein lästiges Übel. Nachträglich kanndie Anlage nur mit unverhältnismäßiggroßem Aufwand leiser gemacht wer-den. Zum anderen stellt sich auch beistationärer Last kein stationärer Zu-stand der Anlage ein und alle Ventileund Ströme schwanken um einen Soll-wert, was alle Komponenten stärkerbelastet, als es notwendig erscheint.Dadurch steigert sich das Ausfallrisiko.

7. Probleme für den wärme-geführten Betrieb

Die PC25 ist für den amerikanischenMarkt und speziell für militärischeAnwendungen ausgelegt worden, indem Wärmeauskopplung und Geräusch-armut nur eine untergeordnete Rollespielten. Speziell die aufwändige An-ordnung von primärem und sekundä-rem Kühlkreislauf ist nur durch diefür den amerikanischen Bedarf ausge-richtete alleinige Stromerzeugungsinnvoll. In Europa ist eine Wirtschaft-lichkeit nur dann erzielbar, wenn Kraftund Wärme gekoppelt erzeugt wer-den.

Daher ist es auch von besondererBedeutung, Wärme auf einem brauch-baren Temperaturniveau von ca.110 – 130°C zur Verfügung zu stellen.Aber trotz der Arbeitstemperatur vonca. 180°C kann Wärme maximal beieiner Temperatur von ca. 80°C ausge-koppelt werden. Dies ist für viele An-wendungen zu niedrig und schränkt

dadurch das Einsatzspektrum starkein. Da die Anlage das Wasser, daszur Reformierung des Erdgas benötigtwird, durch Kondensation aus demAbgas zurückgewinnen muss, ist dieTemperatur für eine Energiegewinnungim sekundären Kühlkreislauf zu nied-rig. Die Wärmetauscher sind fürdie gewünschten kleinen Temperatur-differenzen oft zu klein ausgelegt.

Der wärmegeführte Betrieb hat ge-zeigt, dass die Anlage auf Grund ihrerSteuerung nicht für wechselnde Lastenausgelegt ist. Werden die Anlagen mitschwankenden Lasten gefahren, wäreeine Kennfeldsteuerung unumgäng-lich, damit die Temperaturen imZellstapel nicht schwanken und dieStandzeit nicht eingeschränkt wird.

8. Einsatzspektrum heute

Hervorragend geeignet ist die Anlagejedoch für stationäre Betriebsweise.Hierbei kann sie ihren Vorteil – hoheWirkungsgrade von 50% Teillast bisVolllast – ausspielen. Der gelegentli-che Wechsel auf eine anderes Lei-stungsniveau kann dabei schnell undproblemlos erfolgen. Hieraus ergebensich neben der beschrieben Grundlastin der Wärmeversorgung eines Wohn-gebiets auch Nischen bei der industri-ellen Wärmeversorgung in Verbindungmit einem Speicher oder die Notstrom-versorgung von Rechenzentren oderKrankenhäusern.

ONSI ist die erste Firma, die eine kom-merzielle Brennstoffzellenanlage fürden stationären öffentlichen Strom-versorgungseinsatz gebaut hat. Damithat dieses Produkt noch heute einigeJahre Entwicklungsvorsprung vor ver-gleichbaren Konzepten. Vor dieser Tat-sache sind die Leistungen der PC25 Aund C zu betrachten, die zeigen, dassdie europaweit erzielte Verfügbarkeitvon deutlich über 70 % eine beachtli-che Leistung darstellt.

69


70

Stand derMCFC-Brennstoff-zellentechnikvon Manfred Bischoff

Dr.-Ing. Manfred Bischoff ist verantwortlichfür die Entwicklung der Zelltechnologie fürSchmelzkarbonat Brennstoffzellen bei derMTU Friedrichshafen GmbH, Friedrichshafen.

Überblick

Bau und Betrieb großer Demonstrations-anlagen zum Nachweis technischer Mach-barkeit im industriellen Maßstab kenn-zeichnen den Stand heutiger MCFC-Tech-nologie. Solche Versuche werden in USA,Japan und Europa unternommen. Nachjahrzehntelangen Entwicklungsanstren-gungen ist man heute in der Lage, Zell-stapel bis zu 300 kW

el zu bauen und die-

se zu Kraftwerken bis zu mehrerenMW

el Leistung zu integrieren, die den

besonderen Anforderungen der Brenn-stoffzellen Rechnung tragen. Parallelwird auch weiterhin intensiv an der Ver-besserung der einzelnen Zellkomponen-ten gearbeitet, um die Ziele hinsichtlichLebensdauer, Leistung und Kosten zu er-reichen. Die technischen Herausforde-rungen sind dabei immer noch beacht-lich. Dieser Beitrag gibt eine Übersichtüber die in den vergangenen Jahren er-zielten Ergebnisse und Verbesserungen.

The present status of MCFC technologyis characterized by the construction andoperation of large units for demonstra-ting the technical feasibility in an indus-trial scale, undertaken in the UnitedStates, Japan and Europe. Today, afterdecades of development, stacks up to300 MW

el can be built and integrated

into multi-MWel power stations adapted

to the special operating requirements offuel cells. In parallel, the efforts continueto improve cell components for reachingthe life time, performance and costgoals. The technical challenges in thisrespect are still quite considerable. Thispaper gives an overview over results andimprovements achieved in the past years.

1. Grundlagen

Die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle(MCFC = Molten Carbonate Fuel Cell)wird häufig als eine Brennstoffzelleder zweiten Generation bezeichnet,weil sie wahrscheinlich nach den phos-phorsauren Brennstoffzelle (PAFC), dieihren Durchbruch am Markt schon er-zielt hat, als nächster Vertreter der sta-tionären Brennstoffzellentechnologiekommerziell eingesetzt werden kann.Die Weiterentwicklung der MCFC-Technologie wird in Europa seit etwa10 Jahren intensiv betrieben. Ansaldoin Italien, ECN in den Niederlandenund die MTU Friedrichshafen inDeutschland sind die wichtigsten Ak-teure auf diesem Gebiet. BedeutendeEntwicklungsprogramme laufen auchin den Vereinigten Staaten und in Ja-pan.

Die elektrochemischen Bruttoreaktio-nen, die in der MCFC ablaufen, lau-ten:

Die Reaktionsgleichungen zeigen, dassin der MCFC, neben der Bildung vonWasser aus Wasserstoff und Sauerstoff,eine Übertragung von Kohlendioxid inForm von Karbonationen von der Katho-denseite zur Anodenseite erfolgt, wasmit dem Transport einer Ladung vonzwei Elektronen verbunden ist. Aus denGleichungen (1) und (2) ergibt sichfolgendes reversibles Potential E:

Die Indizes a und c beziehen sich aufden CO

2-Partialdruck im Anoden- und

Kathodengas. Für den Fall, dass aufder Anodenseite und der Kathoden-seite der gleiche CO

2-Partialdruck

herrscht, ist das reversible Zellpotentialnur vom Partialdruck des Wasserstoffs,des Sauerstoffs und des Wasserdamp-fes abhängig. In praktischen Brennstoff-zellen ist dies in der Regel jedoch nichtder Fall. Üblicherweise wird in einemMCFC-System das auf der Anoden-seite gebildete CO2 der Kathodenseitezugeführt, wo es wieder verbrauchtwird.

Die Karbonat-Brennstoffzelle hat eineBetriebstemperatur von 650°C undliegt damit zwischen der Festoxidbrenn-stoffzelle (SOFC) und den Niedertem-peraturzellen Polymermembran (PEM)-und Phosphorsaure Brennstoffzelle(PAFC), die bei 80°C bzw. 200°C be-trieben werden. Das mittlere Tem-peraturniveau der MCFC erleichtertdie Auswahl von Konstruktionswerk-stoffen, ermöglicht aber immer nochhohe Systemwirkungsgrade und einegroße Flexibilität bei der Auswahl derBrennstoffe. Allerdings werden auchschon bei dieser Temperatur erhebli-che Anforderungen an die Korrosions-beständigkeit der metallischen Zell-komponenten gestellt, insbesonderewegen der Anwesenheit der aggressi-ven, flüssigen Salzschmelze in derMCFC.


poröse

Matrix

poröse

Kathode

poröse

Anode

poröse

Matrix

Abbildung 1: Elektrolytverteilung zwischen den Komponenten, gesteuert durchdie Porengröße

Tabelle: Entwicklung der Komponententechnologie für MCFC

Komponente bis ca. 1965 bis ca. 1997 heutiger Stand

Anode PT, PD oder Ni Ni + 10 m% Cr Ni +10m% Cr3-6 µm Porendurchmesser

50-70% Porosität

0,5 - 1,5 mm Dicke0,1 bis 1 m²/g

Kathode Ag2O oder LixNi1-xO Li x Ni1-xO Lix Ni1-xO7-15 µm Porendurchmesser

70-80% Porosität

0,5 - 0,75 mm Dicke0,5 m²/g

Elektrolytmatrix MgO

Paste

Mischung aus a-,b-

und g-LiAlO2

10-20 m²/g

heiß gepreßte Platte

g-LiAlO2

0,1 - 12 m²/g 0,5 mm dick

gegossene Folien

Elektrolyt Li 0,52 Na0,48 CO3

Li 0,435Na0,315K0,25CO3

Li 0,62K0,38 CO3 Li 0,62 K0,38 CO3

Li 0,5 Na 0,5CO3

Li 0,5 K0,5 CO3

Der Elektrolythaushalt spielt eine wich-tige Rolle für die Leistungsfähigkeit derZellen. Anode, Elektrolytmatrix undKathode in der MCFC sind poröse, flä-chige Zellbauteile, die aus unterschied-lichen Materialien bestehen und somitvon dem flüssigen Elektrolyten unter-schiedlich benetzt werden. Für die Be-füllung des Porenvolumens der Elekt-roden gibt es einen optimalen Bereich,bei dem die besten Ergebnisse hin-sichtlich des elektrochemischen Um-satzes erzielt werden. Bei Überfüllungbzw. Unterfüllung wird die Größe derfür die Reaktionen notwendigen Drei-phasengrenze fest-flüssig-gasförmig soweit verkleinert, daß die Zellen nichtmehr ihre volle Leistung bringen können.

Die Elektrolytmatrix, die eine Gas-barriere zwischen der Anoden- undder Kathodenkammer bildet, muß im-

mer zu 100% mit Elektrolyt gefülltsein. Um sicherzustellen, dass die Po-ren der Bauteile im gewünschten Maßemit Elektrolyt gefüllt sind, muss mandie Porengrößen von Anode, Matrixund Kathode genau aufeinander ab-stimmen. Im thermodynamischenGleichgewicht besteht folgende Be-ziehung zwischen den Porendurch-messern der Bauteile:

mit der Oberflächenspannung γ, demKontaktwinkel Θ und dem Porendurch-messer d. Bei richtiger Wahl der Poren-durchmesser erhält man die in Abbil-dung1 schematisch dargestellte ge-wünschte Elektrolytverteilung in derZelle.

2. Zellenkomponenten

2.1 Entwicklung von Zellkomponenten

Die Daten in der Tabelle liefern eineChronologie der Entwicklung von Zell-komponenten für die MCFC.

Mitte der 60iger Jahre bestanden dieElektroden häufig noch aus Edelmetal-len. Die weiteren Entwicklungen führ-ten zu Legierungen auf Nickelbasis fürdie Anode und zu Metalloxiden für dieKathode. Das ursprünglich eingesetzteMagnesiumoxid für die Elektrolytma-trix, die als poröses Trägermaterial fürden Elektrolyten eingesetzt wird, wur-de durch das stabilere Lithiumaluminatersetzt. Seit Mitte der 70er Jahre ha-ben sich die Materialien für die Elek-troden und für die Elektrolytmatrixnicht mehr wesentlich verändert, wo-hingegen in der Fertigungstechnologie,insbesondere in den 80er Jahren,durch die Einführung des Folien-gießens wichtige Fortschritte erzieltwerden konnten. Durch dieses Verfah-ren war es erstmals möglich, groß-flächige dünne Folien herzustellen, dieein hohes Maß an Homogenität hin-sichtlich der Porosität und Dicke auf-wiesen. Dieser Fortschritt war beson-ders wichtig für die Elektrolytmatrix,weil der ohmsche Widerstand in denZellen stark mit der Matrixdicke zu-nimmt.

In den letzten 20 Jahren haben konti-nuierliche Verbesserungen dazu ge-führt, daß die flächenspezifische Leis-tung von Einzelzellen von 10 mW/cm²auf 150 mW/cm² gesteigert werdenkonnte. In den 80er Jahren gelang esauch, die Leistung und die Lebens-dauer von Zellenstapeln, sogenanntenMCFC-Stacks, deutlich zu verbessern.Die Daten in Abbildung 2 zeigen dieVerbesserungen, die mit Einzelzellenerreicht wurden.

Zellen mit einer Größe von 1m² wurdenvon IHI in Japan gebaut. In Europa undin den USA haben die Stacks in derRegel eine Zellfläche von ca. 0,75 m².Der höchste Stack mit voller Zellflächebesteht aus 291 Zellen. Er wurde 1997von der Firma FCE entwickelt und vonder MTU Friedrichshafen bei der Ruhr-gas AG in Dorsten getestet. Seine no-minelle Leistung beträgt 280 kW

el Ab-

bildung 3 zeigt die Versuchsanlage inDorsten.

71


500

600

700

800

900

1000

1100

0 50 100 150 200

Stromdichte [mA/cm ]2

Zellspannung[mV]

1967 / 1 bar

1976 / 10 bar

1984 / 1 bar

1984 / 10 bar

1992 / 1 bar

Abbildung 2: Fortschritte bei der Verbesserung der Zellenleistung [1]

2.2 Elektrolyt

Die Elektrolytzusammensetzung beein-flusst die Leistung und die Lebensdauerder MCFC in verschiedener Weise.Höhere ionische Leitfähigkeit und da-mit einen geringeren ohmschen Wider-stand erreicht man mit Li-reichen Elek-trolyten wegen der höheren ionischenLeitfähigkeit von Li

2CO

3 im Vergleich

zu Na2CO

3 bzw. K

2CO

3. Leider sind je-

doch die Löslichkeit der Gase in derSchmelze und die Diffusionsgeschwin-digkeit in Li-reichen Elektrolyten gerin-ger und damit die Polarisationswider-stände höher. Außerdem wird die Kor-rosion der metallischen Bauteile durcheinen hohen Li

2CO

3-Anteil im Elektro-

lyten begünstigt.

Der Verlust von Elektrolyt führt zur De-gradation der Zellenleistung. Elektro-lytverluste werden verursacht durchVerdampfen, durch die Benetzung

72

Abbildung 3: Test eines 280 kWel MCFC-S

metallischer Oberflächen, insbeson-dere wenn diese anoxidiert sind, und

tacks in einer Versuchsanlage bei der Ruh

durch Elektrolytmigration. Die Ver-dampfungsverluste sind von unterge

rgas AG in Dorsten


ordneter Bedeutung, solange dieBetriebsgase nicht zu feucht sind. An-dernfalls zersetzt sich der Elektrolytnach der Gleichung

in KOH, das bei 650°C schon einemerkliche Flüchtigkeit aufweist.

Ein größeres Problem stellt die Benet-zung der metallischen Oberflächendar. Sie verursacht nicht nur Elektrolyt-verlust, sondern in der Regel auch eineSchädigung der Bauteile durch starkeKorrosion. Man löst dieses Problem,indem man die Bauteile beschichtet,z. B. mit Nickel, das vom Elektrolytennicht angegriffen wird, oder durch Alu-minium, das eine dichte LiAlO

2-Schicht

ausbildet, die das Material vor weite-ren Korrosionsangriffen schützt.

2.3 Anode

Die Hauptprobleme mit Anoden ausNickellegierungen sind strukturelleStabilität. Das Zusammensintern ver-bunden mit mechanischer Deformati-on der porösen Anoden unter Druck-belastung führt in einem MCFC-Stackzu starken Leistungsverlusten durchdie Umverteilung des Elektrolyten.Durch das Zulegieren von Cr zu Nickelbis zu 10% wird das Sintern weitge-hend unterdrückt, nicht jedoch dasmechanische Kriechen des Materialsunter dem Druck, der notwendig ist,um den Kontaktwiderstand zwischenden Komponenten so gering wie mög-lich zu halten. Das Chrom in der An-ode wird auch lithiiert und stellt damiteine Senke für den Elektrolyten dar.Aus diesen Gründen wurde versucht,den Chromgehalt zu senken, z.B. auf8%. Es zeigte sich jedoch, daß da-durch die Kriechneigung des Materialswieder stark zunahm. Versuche in denletzten Jahren, Chrom durch Alumini-um zu ersetzen, waren erfolgreich.Um die gleichen Effekte zu erzielenwie mit Chrom, wird deutlich wenigerAluminium benötigt. Die Kriechratensind sehr gering, was dadurch erklärtwird, daß das sich bildende LiAlO

2 sehr

fein im Nickel verteilt ist.

2.4 Kathode

Ein geeignetes Material für MCFC-Ka-thoden muß ausreichend elektrisch

K 2CO3 + H2O ⇔ 2 KOH + CO2 (5)

leitfähig, mechanisch stabil und che-misch inert gegenüber dem Elektroly-ten sein. Lithiiertes Nickeloxid hat diegeforderten Eigenschaften, mit Aus-nahme der chemischen Stabilität. DieAuflösung der Nickeloxid-Kathoden inder Schmelze wurde entdeckt, alsdünne Matrixfolien eingesetzt wurden.Trotz der geringen Löslichkeit von NiOin Karbonaten (ca. 10 ppm) scheidetsich metallisches Nickel in der Matrixab. Ni-Ionen diffundieren in RichtungAnode, wo sie durch das negativeelektrochemische Potential, das durchden gelösten Wasserstoff gebildet wird,zu elementarem Nickel reduziert wer-den. Dadurch entsteht eine Senke fürNi-Ionen, was die Diffusion und dieAuflösung weiter begünstigt. Außer-dem können die in der Matrix abge-schiedenen Nickelkörnchen elektrischleitfähige Brücken bilden und so einenKurzschluß der Zellen herbeiführen.Bei hohen Partialdrücken von CO

2

wird dieser Effekt noch verstärkt, weildie Auflösung des Nickeloxids in sau-ren Elektrolyten nach folgendem Me-chanismus erfolgt:

Das Ziel, 40.000 h Lebensdauer fürdie MCFC zu erreichen, erscheint beiBetrieb unter atmosphärischen Bedin-gungen möglich. Bei höheremBetriebsdruck limitiert die Löslichkeitder NiO-Kathode jedoch die Lebens-dauer. Um dieses Problem zu umge-hen, wurden verschiedene Möglich-keiten untersucht, z.B. die Verwen-dung anderer Kathodenmaterialien,die Erhöhung der Matrixdicke und dieÄnderung der Elektrolytzusammen-setzung.

Alternative Kathodenmaterialien wieLiFeO

2 oder Li

2MnO

3 haben sich als

sehr stabil im Zellbetrieb erwiesen, ha-ben aber im Vergleich zur NiO-Kathodeviel schlechtere Leistungen erbracht.Mehr Erfolg hatte ECN in den Nieder-landen mit der Entwicklung einerLiCoO

2-Kathode. Der Einsatz von

Elektrolytmatrices mit größerer Dickewürde die Gefahr eines Zellenkurz-schlusses verringern aber gleichzeitigden inneren Widerstand der Zellen er-höhen und scheidet deshalb als Lö-sung aus. Die Modifikation des Elek-trolyten mit Additiven hat das Ziel,den Elektrolyten basischer zu machen.

NiO + CO2 ⇔ Ni2++ CO3

2-(6)

In der Literatur wird über Versuche mitden Karbonaten von Kalzium, Bariumund Strontium berichtet, die bis zu10% dem Elektrolyten zugesetzt wur-den [2]. Eine deutliche Senkung derNiO-Löslichkeit konnte dadurch nichterzielt werden.

2.5 Separatorplatte und Stromkollek-toren

Zwei benachbarte Zellen in einemMCFC-Stack werden durch eine soge-nannte Separatorplatte getrennt wie inAbbildung 4 schematisch gezeigt wird.

Die Separatorplatte besteht aus ei-nem austenitischen Edelstahl, der 18-25% Chrom, 10-12% Nickel und klei-nere Mengen weiterer Legierungs-bestandteile enthält. Zusätzlich ist dieSeite der Platte, die die Anodenkam-mer einer Zelle bildet, mit Nickel be-schichtet, weil in der reduzierendenAnodengasatmosphäre selbst Edel-stähle nicht korrosionsbeständig ge-nug sind. Besonders kritisch ist derAufbau von Korrosionsschichten, dieeinen hohen elektrischen Widerstandan den Kontaktstellen zwischen denmetallischen Bauteilen erzeugen. Sieerhöhen den inneren Widerstand inden Zellen und führen so zu Wir-kungsgradeinbußen. Der Korrosionder Separatorplatte wird durch einegeeignete Materialauswahl und durchdie Beschichtung mit Nickel oder Alu-minium an besonders korrosionsge-fährdeten Stellen begegnet.

Die Stromkollektoren bilden das Ver-bindungsglied zwischen den Elektro-den und der Separatorplatte. Sieübertragen den elektrischen Stromvon den Elektroden über die Sepa-ratorplatte zur nächsten Zelle. Außer-dem sind sie so konstruiert, daß sieGaskanäle bilden, durch die die Be-triebsgase an die Elektroden heran-geführt werden. Wegen der unter-schiedlichen Gasatmosphären in derKathoden- und der Anodenkammermüssen die Stromkollektoren in un-terschiedlicher Weise vor Korrosions-angriffen geschützt werden. Auf derKathodenseite, in oxidierender Atmo-sphäre, bilden sich mehrschichtigeOxide aus, die das darunter liegendeBasismaterial vor weiteren Korrosions-angriffen schützen. In der reduzie-renden Anodengasatmosphäre kön-nen sich keine schützenden Oxid-

73


Abbildung 4: Aufbau eines Zellstapels

schichten ausbilden. Hier muß mandeshalb Schutzschichten aus Nickeleinsetzen, um eine ausreichende Le-bensdauer der Komponenten zu erzielen.

74

Abbildung 5: 1 MWel-Kraftwerk in KawaHitachi entwickelt wurden.

3. Leistung

Die Wahl der Betriebsbedingungen füreinen MCFC-Stacks hängt von der

goe (Japan), das 4 Zellstapel mit je 250 kW

Stackgröße, den Wärmeübergangs-zahlen, der Stackspannung, der Strom-dichte und den Medienkosten ab. DieLeistungsdaten des Stacks werden durchdie Temperatur, die Zusammensetzungund den Druck der Betriebsgase unddurch den Grad der Gasnutzung be-stimmt. Typische MCFCs arbeiten ineinem Stromdichtebereich zwischen100 und 200 mA/cm² mit 750 bis950 mV pro Zelle.

Die Erhöhung der Betriebstemperaturverbessert die Zellenleistung, weil dieelektrochemischen Reaktionen an denElektroden beschleunigt werden. An-dererseits werden bei höheren Tempe-raturen auch die Degradationsprozessebegünstigt, so daß heute eher eineTendenz besteht, die Betriebstempera-tur zu senken und die Reaktionen mitHilfe von geeigneten Katalysatoren zubeschleunigen.

Die Erhöhung des Betriebsdrucks er-gibt ebenfalls eine bessere Leistung

el enthält, die von den Firmen IHI und


Abbildung 6: 280kWel Hot Module Anlage der MTU Friedrichshafen, die zur Zeit

an der Universität Bielefeld getestet wird.

der Zellen, hat aber auch höhere Inves-titionskosten zur Folge. Außerdemwerden bei höheren Gasdrücken eini-ge Nebenreaktionen, die unerwünschtsind, begünstigt und erniedrigen da-durch den Gesamtwirkungsgrad derZellen. So werden z.B. das BoudouardGleichgewicht

und die Methanisierungsreaktion

bei höheren Drücken nach rechts ver-schoben, so dass es im Fall von Gl. 7zur Abscheidung von festem Kohlen-stoff und im Fall von Gleichung 8 zumVerlust von Brenngas kommt.

Der Zusammenhang zwischen einemGewinn an Zellspannung und einerDruckerhöhung wird in der Literaturwie folgt beschrieben [3]:

Eine Verdoppelung des Drucks ergibtdemnach eine Spannungsgewinn vonetwa 23 mV.

4. Demonstrationsanlagen

Die MCFC-Technologie ist zur Zeit imBegriff, die Entwicklungslabors zu ver-lassen und ihre technische Machbar-keit in großen Demonstrationsanlagennachzuweisen. In den VereinigtenStaaten haben die Firmen FCE undMC-Power Kraftwerke mit 500 kW

el

und 2 MWel gebaut und getestet. Japa-

nische Firmen haben mehrere Stacksbis 200 kW

el und ein 1 MW

el-Kraft-

werk entwickelt und in Betrieb ge-

∆ U [mV] = 76,5 log (p2 /p1)

2 CO⇔ C + CO2 (7)

CO + 3H2 ⇔ CH4 + H2O (8)

nommen. Abbildung 5 zeigt die1-MW-Anlage in Kawagoe.

In Europa hat ein Konsortium italieni-scher und spanischer Firmen einen100kW

el Stack in Mailand mit Erfolg

getestet. Die MTU Friedrichshafen hatmit Partnerfirmen das sogenannte HotModule System entwickelt, das sichdurch kompakte Bauweise auszeich-net und für den BHKW-Einsatz konzi-piert wurde. Zur Zeit wird eine derarti-ge Anlage zusammen mit den Stadt-werken Bielefeld im Heizkraftwerk derUniversität Bielefeld getestet. Abbil-dung 6 zeigt die Anlage.

5. Danksagung

Diese Arbeit wurde unterstützt vomBundesministerium für Bildung, Wis-senschaft, Forschung und Technologieunter dem Förderkennzeichen0329173B, wofür der Autor seinenherzlichen Dank aussprechen möchte.

Literatur:

[1] Huff, J.R.„Status of Fuel Cell Technologies“, 1996Fuel Cell Seminar, Tucson Arizona (1996)

[2] Tanimoto, K., Miyazaki, Y., Yanagida, M.,Tanase, S., Kojima, T., Ohtori, N.,Okuyama, H. , Kodama, T.:„Cell Performance of Molten Carbonatefuel Cells with Alkali and Alkaline EarthCarbonate Mixtures“, Proc. Int. Fuel CellConference, Tokyo, Japan (1992)

[3] Benjamin, T.G., Camara, E.H.,Marianowski, L.G.:„Handbook of Fuel Cell Performance“,Institute of Gas Technology, DOEContract No DOE/MC/23270-2923(1990)

75


76

Produktent-wicklung Fest-elektrolyt-Brennstoffzellen(SOFC)von Klaus Hassmann

Dr.-Ing. Klaus Hassmann ist Leiter desGeschäftssegments Brennstoffzellen derSiemens AG (SAG), Erlangen

Überblick

1998 übernahm die Siemens AG (SAG) dieSOFC (Solid Oxid Fuel Cell)-Röhrentech-nologie von Westinghouse und wird sichin Zukunft für die dezentrale Energie-erzeugung auch auf diese Technik kon-zentrieren. Die Ergebnisse einer erstengroßtechnischen Demonstrationsanlagestimmen zuversichtlich, dass alle techni-schen und umweltrelevanten Auslegungs-merkmale erfüllt werden können. In dennächsten 3-5 Jahren werden zusätzlicheAnlagen gebaut, die die Betriebs-Zuver-lässigkeit nachweisen sollen. Beglei-tend läuft ein Forschungs- und Entwick-lungs(FuE)-Programm, das die Kosten aufdas für die Marktdurchdringung erfor-derliche Niveau zu senken hilft.

In 1998 Siemens AG (SAG) took over thetubular SOFC technology from formerWestinghouse and decided to focus onthis technology for the emerging distri-buted power market. The results of afirst full scale 100 kW demonstration pro-ject indicate that the tubular SOFC tech-nology has an excellent potential to tech-nically and environmentally fulfill the designgoals. The lessons to be learned over thenext 3-5 years with additional demonstra-tion plants are expected to confirm thereliability of this technology. An accom-panying R&D program is under executionin order to reduce the costs to a levelsufficiently low level for market intro-duction.

Die SOFC gehört zu den so genanntenHochtemperatur-Brennstoffzellen. IhrHerzstück, die ausschließlich aus Kera-mik aufgebauten Zellen, werden beiTemperaturen bis zu 1.000 °C mit Erd-gas als Brennstoff und Luft betrieben.

1. Zellen

Naturgemäß stehen die Zellen selbstals Herzstück jeglicher Brennstoff-zellen-Technologie von Entwicklungs-beginn an, bei der SOFC-Röhren-technik seit Mitte der 70er Jahre, bisheute im Mittelpunkt der Forschungs-arbeiten. Schon frühzeitig wurde vonWestinghouse die Rohrgeometriefestgelegt und entschieden, nach ei-nem Umweg mit einer elektrisch neu-tralen Trägerstruktur die Luftelektrodean der Rohrinnenseite als tragendesBauteil auszubilden und Elektrolyt so-wie die Brennstoffelektrode in nichttragender Dünnschichttechnik aufzu-bringen.

In den zurückliegenden mehr als20 Jahren ist es gelungen, die elektri-schen und elektrochemischen Mate-rialeigenschaften von Einzelzellen sozu optimieren, dass im Labor über70.000 Betriebsstunden eine Alterungvon kleiner 0,5% / 1.000 h nachge-wiesen werden konnte. Darauf auf-bauend wurde eine erste Generationvon Zellen und Bündel entwickelt miteiner aktiven Länge von 50 cm undeinem Außendurchmesser von 16 mm.Diese zeigten in Feldtests mit über13.000 Betriebsstunden in 25 kW-Ein-heiten ein so gutes Verhalten, dass inder ersten Hälfte der 90er Jahre dieEntwicklung der kommerziellen Zel-lengeneration mit 150 cm Länge und22 mm Außendurchmesser in Angriffgenommen werden konnte. Diese Zel-len wurden in einer ersten 100 kW-Demonstrationsanlage eingesetzt undhaben sich dort sehr bewährt.

Es ist keineswegs so, dass damit dieEntwicklung der Zellen abgeschlossenwäre. In Zukunft wird es darum gehen,die Leistungsdichte der Röhrenzelleweiter zu verbessern und die sehr res-triktiven Anforderungen an die Zelle,zum Beispiel, was die Reinheit der ein-gesetzten Materialien betrifft, aufzu-weichen. Als Langfristziel muss aucheine neue, aus der Röhre abgeleiteteGeometrie entwickelt werden, die alseine nächste Zellengeneration im Ver-gleich zur klassischen Röhre deutlichgeringere Verluste und eine höhereLeistungsdichte aufweist. Die durchobige Maßnahmen verbesserte Röhren-technologie soll dann die klassischeRöhrenzelle ablösen.

2. Modul

Die Einzelzellen werden zu Bündelnmit jeweils 24 Zellen verschaltet, wo-bei 8 Zellen elektrisch in Reihe und je-weils 3 Reihen parallel verschaltetsind. Der Stromfluss zwischen den Zel-len wird über einen Nickelfilz geführt.Nach heutiger Auslegung werden viersolcher Bündel geometrisch in Reiheund 12 parallel angeordnet, wobeielektrisch alle Bündel in Reihe ge-schaltet sind. Dies ergibt insgesamt1.152 Zellen, welche in einem soge-nannten Untermodul zusammengefasstsind. Nach Bedarf kann die gewünsch-te Leistungsgröße einer SOFC-Anlagedurch Vervielfachung solcher Unter-module realisiert werden. Nach heuti-


Abbildung 2: Strömungsschema SOFC-Modul

gem Entwicklungsstand braucht manfür die Erzeugung von 1 kW Gleich-strom bei Umgebungsdruck 8-9 Einzel-zellen. Bei höherem Druck und sonstgleichen Randbedingungen sinkt dieDiffusionspolarisation, was zu einerhöheren elektrischen Ausbeute führt.Bei 3 bar werden für ebenfalls 1 kWLeistung nur 6-7 Einzelzellen, also un-gefähr 20-25% weniger als bei deratmosphärischen Variante, benötigt.Abbildung 1 zeigt ein Teilsegmenteines Untermoduls.

Der Modul selbst besteht aus mehr alsnur elektrisch verschalteten Untermo-dulen. In ihm wird das Erdgas zwi-schen den Bündelreihen angeordnetenStrömungskanälen zugeführt, dort re-formiert und anschließend zu den Zel-len geleitet. Ein Teil des noch nichtumgesetzten Brennstoffs wird nachAustritt aus dem Reaktionsraum demfrischen Brennstoff zugemischt, dasheißt im Kreislauf gefahren. Zirkon-dioxid (ZrO

2) als Elektrolyt ist ein

Sauerstoff(O2)-Ionenleiter, der bei ent-

sprechend hoher Temperatur die Um-setzung von Kohlenmonoxid (CO) undWasserstoff (H

2) erlaubt, was den Auf-

wand für die Gasaufbereitung selbstdeutlich reduziert. Für die Reformie-rung wird der aus der elektrochemi-schen Wandlung entstehende Wasser-dampf genutzt, eine externe Dampf-

Abbildung 1: Teilsegment eines Unter-moduls der ersten Produktgeneration

quelle wird nur beim Anfahren benö-tigt. Durch diese Strömungsführungkann die elektrochemische Brennstoff-Nutzung in der Anlage auf 85% ge-steigert werden. In einem Verbren-nungsraum wird schließlich das Katho-den- mit dem Anoden-Abgas gemischt.Die Verbrennungswärme wird teils zurDeckung des Energiebedarfs für denErhalt der Temperatur im Modul, teilszur Wärmeauskopplung genutzt.

Die Entscheidung für die Röhrentech-nologie von Westinghouse und gegendie SOFC-Plattentechnik wurde auchdadurch mitbestimmt, dass die Röhreohne Hochtemperatur-Lötstrecken zurAbdichtung der Luft vom Brennstoffauskommt. Dadurch werden unkon-trollierte, propagierende Verbrennungs-reaktionen von H

2 bzw. CO mit dem

Luftsauerstoff durch Leckagen ver-mieden, die zur Zerstörung der Mo-dule führen können. Abbildung 2 zeigtden Strömungsverlauf im Modul beider Röhrentechnologie.

3. Anlagenperipherie undSchaltungen

Prinzipiell werden zwei unterschied-liche SOFC-Anlagenverschaltungenentwickelt:

• Das klassische Blockheizkraftwerk(BHKW). Diese Schaltung wird in

kommerziellen Anlagen 50 %elektrischen Wirkungsgrad errei-chen bei einem Gesamt-Energie-nutzungsgrad von über 85 %. Diehohe SOFC-Betriebstemperaturerlaubt die Erzeugung von höher-kaloriger Wärme, auch von Pro-zesswärme für industrielle Anwen-dungen.

• Eine Schaltung mit höchstemelektrischen Wirkungsgrad von60%, der durch die Einbindungeiner Gasturbine (GT) erreichtwerden kann. Die GT-Leistungdieser Hybridanlage beträgt aufdie Kraftwerks-Gesamtleistungbezogen ungefähr 25-30%. Indiesem Konzept wird der SOFC-Modul mit einem Gesamtdruckvon 3 bar betrieben. Die Luft ausdem GT-Verdichter wird demSOFC-Modul mit 3 bar zugeführt.Die Strömung Brennstoff/Luft wird– wie in Kapitel 2 beschrieben –geführt. Das Abgas aus dem Mo-dul wird in der Gasturbine aufUmgebungsdruck entspannt undnach Abwärmenutzung über denKamin in die Umgebung abge-führt. Dieses Konzept hat gegen-über der drucklosen BHKW-Varian-te nicht nur den Vorteil der zusätz-lichen Leistung durch die integrier-te Gasturbine, sondern auch dender höheren elektrochemischen

77


Abbildung 3: SOFC-Kraftwerksschaltungen

Atmosphärisches BHKW-System: 600 kWAC

(50% Wirkungsgrad) Druck-Hybrid-System: 1000 kWAC

(60% Wirkungsgrad)

Umsetzung um 20-25%, wie bereits inKapitel 1 erwähnt. Aus Wirtschaft-lichkeitsüberlegungen sollen nurauf die SOFC-Randbedingungenangepasste Gasturbinen einge-setzt werden, die auch als Einzel-maschinen auf dem Markt sind.

In Abbildung 3 sind die beiden Kraft-werks-Schaltungen gegenübergestellt.

Als Alternative für die Hybridanlageunter Druck kann, was den Druck be-trifft, auch der SOFC-Modul von derGT-Verdichtereinheit entkoppelt wer-den. Der Modul würde in dieser Versi-on drucklos betrieben, die Wärme ineinem zwischen Modul und GT ge-schalteten Rekuperator in die verdich-tete Luft eingekoppelt und dann in derGT entspannt. Die kritische Kompo-nente in dieser Schaltung ist der „heiße“Rekuperator, der auf der Modulseitemit 1 bar und auf der GT-Seite mit3 bar Druck beaufschlagt wird. DieserSOFC-Typ büßt gegenüber der obigenHybridvariante 5 Prozentpunkte Wir-kungsgrad ein und wird allenfalls als„back up“ für die 60%-Variante zumEinsatz kommen.

Für größere Kraftwerksleistungen istauch eine Kombination der SOFC-Brennstoffzelle mit einer Gasturbinemit gekoppeltem Dampfturbinen-Kreislauf denkbar, dem heute in derkonventionellen Kraftwerkstechniküblichem Gas- und Dampf(GuD)-Prozess. Eine solche Schaltung hatdas Potenzial, elektrischen Strommit einem Wirkungsgrad von ca.70% zu erzeugen. Solche Kraftwer-ke werden sich jedoch erst unter derVoraussetzung umsetzen lassen,dass eine Marktdurchdringung der

78

SOFC-Kraftwerke kleiner Leistunggelingt. Auch müssen die Investitions-kosten für den GuD-Teil der SOFC-An-lage großer Leistung über die durchden um 10%-Punkte höheren Wir-kungsgrad erfolgte Brennstoffeinspa-rung im Vergleich zum konventionellenGuD-Großkraftwerk finanziert werden.Wenn überhaupt, dann wird es solcheAnlagen allenfalls langfristig geben.

Generell haben Brennstoffzellen gegen-über ihrer konventionellen KonkurrenzVorteile, da sie weder Schwefeloxide(SO

x) noch Stickoxide (NO

x) in die Um-

gebung freisetzen. Aufgrund ihres ho-hen Wirkungsgrades erzeugt die SOFCauch weniger Kohlendioxid (CO

2). Auch

ist die Lärmentwicklung der BHKW-Schaltung im Vergleich zu den rotie-renden Maschinen deutlich geringer.Dies gilt vermutlich auch für die SOFC-Schaltung mit integrierter Gasturbine.

4. Markterwartung und abgeleite-te Leistungsgrößen

Seit Anfang 1999 stehen die Ergeb-nisse einer Marktstudie für Nord-amerika und Europa zur Verfügung,die im Auftrag von SiemensWestinghouse Power Corporation(SWPC) von einer externen Berater-firma erarbeitet wurden. Darin wur-de die Marktdurchdringung vonSOFC-Kraftwerken in der dezentra-len Energieerzeugung im Leistungs-bereich 250 kW bis 10 MW unter-sucht. Natürlich mussten für die SOFCsowie für die Konkurrenztechnologien,wie für das von großen Blöcken ge-speiste elektrische Verbundnetz, fürandere dezentrale Technologien undfür andere Brennstoffzellentypen so-wie auch für den Strom- und Erdgas-

preis Annahmen über wesentlicheKennzahlen und deren Entwicklungüber die nächste Zeitperiode getroffenwerden. Die Ergebnisse haben dem-nach die Aussageschärfe von Progno-sen generell; sie müssen überprüftwerden, sobald sich bei wichtigen An-nahmen wesentliche Abweichungenabzeichnen.

Die Ergebnisse für Nordamerika zei-gen, dass über einen Zeithorizontvon 10 Jahren das Marktpotenzial ins-gesamt ca. 2.500 MW beträgt. Davonsind mehr als die Hälfte Anlagen imLeistungsbereich 1-3 MW, wobei dieHybrid-Anlagen mit höchstem elektri-schem Wirkungsgrad gegenüber demBHKW-Typ eindeutig dominieren. InEuropa ist im Vergleich zu Nordameri-ka dasselbe Vergabevolumen zu er-warten, jedoch handelt es sich dabeivon der Tendenz her um größere Ein-heitsleistungen mit einem noch deutli-cherem Übergewicht für den Hybrid-Typ.Der Gesamtmarkt über 10 Jahre fürAnlagen obiger Leistungsgröße beträgt100.000 MW. Unter den in der Studiegetroffenen Randbedingungen wirddie SOFC-Marktdurchdringung 5%betragen, wobei die Ergebnisse aufÄnderungen in den spezifischen Investi-tionskosten von SOFC-Kraftwerkensehr empfindlich reagieren. 10% Ab-weichung nach oben oder unten ver-doppeln beziehungsweise halbierenden Marktanteil von SOFC-Kraftwer-ken innerhalb des Gesamtmarkts von100.000 MW.

Für die erste kommerzielle Anlagedes Hybrid-Typs wurde eine Leistungs-größe von 1 MW festgelegt. Dies ent-spricht bei derselben Modulgröße fürden BHKW-Fall 600 kW. Nach erfolg-


Abbildung 4: Teilsegment eines Untermoduls der ersten Produktgeneration

Abbildung 5: Teilsegment eines Untermoduls der ersten Produktgeneration

ter Markteinführung soll das Lieferpro-gramm nach oben und unten abge-rundet werden.

5. Demonstrationsprogramm

Wie bereits erwähnt, läuft die erste imAuftrag des Holländisch-DänischenKundenkonsortiums EnergiedistributieBedujven EDB Elsam errichtete100 kW-Demonstrationsanlage in BHKW-Schaltung seit Anfang 1998 äußerstzufrieden stellend. Natürlich gab es ei-nige wenige Störungen, die Betriebs-unterbrechungen verursachten, jedochnur eine betraf den Modul selbst. DieUrsachen sind erkannt und auch durchGegenmaßnahmen „für immer“ abge-stellt. Bisher wurden mehr als 6.000Betriebsstunden akkumuliert. Auch diewichtigen Auslegungsziele wie elekt-rischer Wirkungsgrad, Emissionen undGeräusch wurden erreicht oder sogarübertroffen. Dies ist als Erfolg zu wer-ten, der sich sehen lassen kann. Abbil-dung 4 zeigt ein Foto von dieser Anla-ge. Im Sinne eines kontinuierlichenVerbesserungsprozesses wäre es ver-messen zu glauben, dass mit derBetriebserfahrung dieser einen Anlageallein sämtliche Störungsquellen er-kannt und ausgeschaltet sind – eswird noch viel zu tun sein. Deshalb isteines der wesentlichen Ziele vorMarkteinführung ein umfangreichesDemonstrationsprogramm, um für dieBetriebszuverlässigkeit der ersten kom-merziellen SOFC-Serie Erkenntnisseaus möglichst vielen Betriebsstunden

sammeln zu können.

Anfang 2000 wird dem kalifornischenKunden Edison Technology Solutions(ETS) als nächstes Demonstrations-projekt eine 220 kW-Hybridanlage mitintegrierter Gasturbine geliefert, die imFuel Cell Center der Universität von Kali-fornien, Los Angeles, aufgebaut und be-

trieben werden soll. Diese Schaltung miteinem im Vergleich zum BHKW wesent-lich größeren Störungspotenzial ist dernächste wichtige Schritt auf der Lern-kurve. Die Anlage wird zur Zeit beiSWPC in Pittsburgh zusammengebautund getestet. In Nordamerika sollen inden nächsten Jahren einige zusätzlicheDemonstrationsanlagen errichtet wer-den. Abbildung 5 zeigt ein Foto desModellaufbaus einer Hybridanlage.Auch in Europa als einem der wich-tigsten Märkte für dezentrale Energie-erzeugung wird es SOFC-Demonstra-tionsanlagen geben. So wird, wie ineiner Presseveröffentlichung bereitsangekündigt, vom BetreiberkonsortiumEnergie Baden-Württemberg AG(EnBW), Electricité de France (EdF),Gaz de France (GdF) und der Öster-reichischen Tiroler Wasserkraft AG(TIWAG) unter der Federführung derEnBW gemeinsam mit der SWPC alsVorläufer der kommerziellen SOFC-Anlage die erste 1 MW-Demonstra-tionsanlage mit integrierter GT reali-siert. Dazu ist ein Gemeinschaftspro-jekt zwischen der Europäischen Kom-mission (EC) und dem US-amerikani-schem Department of Energy (DOE)geplant. Die in USA anfallenden Pro-jektkosten, im Wesentlichen handelt

79


es sich dabei um die Aufwendungender SWPC, sollen vom DOE und derSWPC, die Kosten in Europa von derEC und dem Betreiberkonsortiumübernommen werden. Für den Euro-päischen Teil wurde Mitte Juni einFörderantrag in Brüssel eingereicht.Mit dem Projektbeginn ist Anfang2000 zu rechnen, die Laufzeit beträgtvier Jahre. Mit zeitlichem Vorlauf wirdRWE Energie als Federführer einesKonsortiums, dessen Mitglieder nochnicht endgültig feststehen, eine 320-kW-Anlage ebenfalls mit Gasturbineerrichten, die als Folgeanlage für dieETS-Anlage in Kalifornien wesentlichezusätzliche Erkenntnisse und Erfah-rungen liefern wird.

Im Sinne der Zielsetzung, möglichstviel Betriebserfahrung mit Demonstra-tionsanlagen zu sammeln, werden inden nächsten 3-5 Jahren auch inEuropa noch einige zusätzliche SOFC-Anlagen gebaut werden. Diese Demon-strationsprojekte bieten für die euro-päische, insbesondere die deutschemittelständische Zulieferindustrie dieChance, schon frühzeitig mit unter-schiedlichsten Lieferungen im „Balan-ce-of-Plant (BoP)“ oder auch für denModul selbst die Weichen für ein spä-teres Geschäft im Zusammenhang mitdieser Zukunftstechnologie stellen zukönnen.

6. Begleitendes Entwicklungs-programm

Höchste Priorität hat neben demZugewinn an Betriebserfahrung dieReduktion der Herstellkosten derbeiden ausgewählten Schaltungs-varianten, mit denen die Marktdurch-dringung in den nächsten 10 Jahrenerreicht werden soll. Dazu ist es nötig,im Zusammenspiel mit der Betriebser-fahrung aus Demonstrationsanlagen –einen wesentlichen Einfluss wird dieRücknahme von Spezifikationsanfor-derungen haben, die heute aus-

80

schließlich auf Betriebssicherheit ab-zielen und damit deutlich überdimen-sioniert sein sollten – auch Maßnah-men zu entwickeln und umzusetzen,die zu einer höheren Leistungsdichteder Zellen, zu einer Vereinfachung desModulaufbaus und auch zu einem ein-facheren BoP führen. Darüber hinauswerden im Vergleich zu der heute inPittsburgh aufgebauten Pilotfertigungmit einem Volumen von 1-2 MW proJahr sehr viel billigere Fertigungspro-zesse entwickelt. Dies gemeinsam mitden Kostenvorteilen einer kommerziel-len, automatisierten Fabrik – die ersteFertigungsstraße soll eine Kapazitätvon 30-40 MW haben – soll die Her-stellkosten von SOFC-Anlagen auf dasfür eine Marktdurchdringung nötigeNiveau bringen helfen. Diesbezüglichist ein umfangreiches Entwicklungs-programm in Arbeit, darunter auch Ar-beiten in den Siemens-Labors in Erlan-gen, die in Übertragung von Erkennt-nissen aus der Entwicklung des Sie-mens SOFC-Plattenprojektes auf dieRöhre vor allem wesentliche Beiträgezur Erhöhung der Leistungsdichte leis-ten werden. Dieses Forschungsprojektwird vom Bundesministerium für Wirt-schaft (BMWi) gefördert.

Shell und SWPC kündigten vor kurzeman, gemeinsam ein SOFC-Konzept zuentwickeln, in dem durch Anpassungender Strömungsführung im Modul eineTrennung des Anoden- vom Kathoden-abgas erreicht werden kann, mit demZiel, möglichst reines CO

2 abtrennen

und aus der Anlage ausschleusen zukönnen. Dieses Projekt hat eine Lauf-zeit von vier Jahren und soll mit einer100 kW-Demonstration abgeschlossenwerden. Shell will diese Technologiezur Stromerzeugung zunächst aufFörderplattformen einführen und dasabgetrennte CO

2 in die Lagerstätten

zurückpumpen, wo es für immer derErdatmosphäre entzogen wäre. Essind jedoch auch andere Anwender inder Diskussion, die neben Strom und

Wärme auch CO2 benötigen oder das

CO2 an Dritte verkaufen können.

Längerfristig sollte die Abhängigkeitvom Erdgasnetz reduziert werden, dieeine Verbreiterung des Geschäfts auf-grund der eingeschränkten Flexibiliätvor allem in den Entwicklungsländernbehindert. Für eine solche Entwicklungist eine Zusammenarbeit von Mineral-ölindustrie und SOFC-Hersteller erfor-derlich, die Kooperation mit Shell soll-te sich auch in dieser Richtung entwi-ckeln lassen. Eine Vision besteht auchdarin, die SOFC als eine wesentlicheKomponente einer nachhaltigen Kreis-laufwirtschaft Biomasse, Strom- undWärmeerzeugung unter Berücksichti-gung der CO

2-Endlagerung zu entwi-

ckeln. Damit wäre der vorläufig letzteEntwicklungsschritt vollzogen und dieSOFC würde als Komponente einer dieUmwelt entlastenden, regenerativenEnergiewirtschaft etabliert.

7. Würdigung

Die Entwicklung der SOFC-Röhren-technologie wäre ohne die Förderungdes DOE in dieser Form unmöglich ge-wesen. Auch die Erprobung und Ein-führung dieser Technik in Europa istohne die Unterstützung des BMWi, derEuropäischen Kommission sowie derBetreiber nicht möglich, die sich be-reits zu einem Engagement entschlos-sen haben oder sich dazu noch ent-schließen werden. Bei der Siemens AGund der SWPC als Hersteller gibt es je-denfalls Konsens darüber, dass an derEntwicklung der SOFC-Röhre für einespätere Anwendung in der dezentra-len Strom- und Wärmeerzeugung fest-gehalten wird. Die Röhre ist jedochkein Diktat, sollte es der vor allem inder Leistungsdichte deutlich besserenPlattentechnik gelingen, die noch aus-stehenden Nachweise der Funktions-fähigkeit und Wirtschaftlichkeit zu er-bringen.


Die Markt-situation vonBrennstoffzellenvon Ulf Birnbaum,Helmut Dienhart,Joachim Nitsch,Frithjof Staißund Manfred Walbeck

Dr.-Ing. Joachim Nitsch ist Leiter undDipl.-Ing. Helmut Dienhart ist wissenschaftli-cher Mitarbeiter der Abteilung Systemanalyseund Technikbewertung des Instituts für Tech-nische Thermodynamik (ITT) im DeutschenZentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR),Stuttgart.

Dr. rer. nat. Manfred Walbeck ist Leiter undDipl.-Ing. Ulf Birnbaum ist wissenschaftlicherMitarbeiter der Arbeitsgruppe Brennstoffzelleund Verkehr in der Programmgruppe System-forschung und Technologische Entwicklung(STE) im Forschungszentrum Jülich (FZJ),Jülich.

Dr. rer. pol. Frithjof Staiß ist Leiter des Fachge-biets Systemanalyse im Zentrum für Sonnen-energie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW), Stuttgart.

Überblick

Um im liberalisierten Energiemarkt undim Automobilmarkt bestehen zu können,müssen Brennstoffzellen (BZ)-Systeme imWesentlichen die Kosten etablierter Ener-giewandler erreichen, die ebenfalls nochVerbesserungspotenziale besitzen. Die„Kostenspielräume“, die sich durch tech-nologische und energetische Vorteile derBZ ergeben, werden beispielhaft darge-stellt. Ebenfalls wird auf die erreichbarenMarktanteile für BZ-Systeme eingegangen,die stark von den energie- und umwelt-politischen Rahmenbedingungen abhän-gen. Insbesondere gilt es, auch die Kos-ten senkenden Potenziale einer Fertigunggroßer Stückzahlen auszuschöpfen.

In order to succeed in the automobileand liberalized energy market, fuel cellsystems must become cost-competitivewith established energy converters thecost of which can still be further reduced.By way of example, the cost marginsbrought about by the technological andenergetic advantages of fuel cells areshown. The achievable market share forfuel cell systems is discussed, dependingsignificantly on the framework conditionsset by energy and environmental policiesand on the exploitation of cost reductionpossibilities by mass production.

1. Perspektiven des EinsatzgebietesKraft-Wärme-Kopplung

Die Chancen für eine Weiterentwick-lung und Marktausweitung der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) und damitvon Brennstoffzellen (BZ) in diesemBereich der Energieversorgung müssenim Rahmen eines weit gefächertenSpannungsfeldes beurteilt werden.Dieses ist gekennzeichnet durch

(1) Die Notwendigkeit der gleichzei-tigen Verwertung von Strom undWärme.

Diese Tatsache verlangt Zusatzaggregatewie Pufferspeicher und Spitzenkessel,welche die Brennstoffeinsparung gegen-über idealer KWK reduzieren und dieKosten steigern, oder Möglichkeiten, dasVerhältnis von Strom- zu Wärmeausstoßzu verändern (z.B. Entnahmekondensa-tion oder Teillast).

(2) Kontinuierlich abnehmendenWärmebedarf aufgrund verbesser-ter Wärmedämmung von Gebäu-den und Einsparungen im Prozess-wärmebedarf.

Diese Entwicklung verlangt eine sorg-fältige Dimensionierung der KWK-An-lage und favorisiert zukünftig Anlagenmit möglichst hoher Stromkennzahl,falls das Stromerzeugungspotenzial derKWK nicht deutlich reduziert werdensoll, begünstigt also neue Systeme wieGuD-Anlagen und Brennstoffzellen.

(3) Stetig sich ausweitende Gasnetzemit entsprechenden Chancen fürdie Einzelwärmeversorgung.

Dies hat zur Folge, dass die Bereitstel-lung von KWK-Wärme mittels größererHeizkraftwerke (HKW) innerhalb groß-flächiger Fernwärmenetze kaum nochAusweitungschancen in Form neuer„großer“ Wärmeverteilnetze habenwird. Diese wird sich weitgehend aufAbrundung vorhandener Versorgungs-gebiete und Erschließung neuer Märk-te (z.B. Kälteversorgung) konzentrie-ren, während die wachsende Ausdeh-nung der Gasversorgung steigendeChancen für die Installation dezentra-ler KWK-Anlagen (10 kW

el- bis MW

el-

Bereich) eröffnet.

(4) Zunehmend effektivere Technolo-gien der getrennten Erzeugungvon Strom und Wärme.

Der Einspareffekt der KWK sinkt beieffizienteren Techniken der Einzeler-zeugung. KWK-Techniken mit geringerStromkennzahl wie Gegendruck-Dampfturbine, einfache Gasturbineund Klein-Motor verlieren daher in Zu-kunft an Bedeutung. Moderne KWK-Techniken mit höheren Stromkenn-zahlen (und möglichst hohem Gesamt-nutzungsgrad, z.B. mittels Brennwert-nutzung) können jedoch diese Reduk-tion in einem weiten Bereich kompen-sieren.

(5) Sich verschlechternde Erlösbedin-gungen für Strom aus KWK-An-lagen angesichts sinkender Strom-preise infolge weit reichender Libe-ralisierung im Elektrizitätsmarkt.

Den Mehrkosten von KWK-Anlagengegenüber normalen Wärmeerzeu-gern müssen entsprechende Erlösebei der Stromeigennutzung oderbeim Stromverkauf gegenüberste-hen. Stromgestehungskosten undStrompreise sinken nach einer län-geren Phase der Stabilität seit 1985kontinuierlich, konnten jedoch bis-

81


bei KWK-Anlagen kompensiert wer-den. Zur Zeit verschärft sich jedoch derPreiswettbewerb im liberalisiertenStrommarkt enorm und führt zu weite-ren deutlichen Strompreissenkungen.

Brennstoffzellen besitzen technischeEigenschaften und Entwicklungspo-tenziale, welche es ihnen möglich ma-chen, gegenüber den vier erstgenann-ten Herausforderungen sehr gut zu be-stehen. Der sich verschärfende Preis-wettbewerb im Strommarkt setzt je-doch die bereits etablierten und aus-gereiften KWK-Techniken unter einenstarken Konkurrenzdruck, was tenden-ziell zu weiteren Kostenreduktionendieser Anlagen führen wird. Um nen-nenswerte Marktsegmente zu erschlie-ßen, müssen sich daher zukünftigeBrennstoffzellen-BHKW und -HKW amKostenniveau zukünftiger KWK-Anla-gen orientieren bzw. durch günstigeretechnische Parameter eine ausreichen-de Kompensation eventueller Kosten-unterschiede ermöglichen.

Unter der Annahme eines Zubaus mo-derner KWK-Anlagen mit einem ent-sprechenden Anstieg der mittlerenStromkennzahl von derzeit 0,38 auf0,58 lässt sich für Deutschland eintechnisches KWK-Strompotenzial vonrund 200 TWh/a abschätzen (1997:57 TWh/a). Rund 35% der gesamtenBruttostromerzeugung Deutschlands –das Vierfache des heutigen Wertes –könnten somit mittels Kraft-Wärme-Kopplung bereitgestellt werden. Auf-grund der begrenzten Ausweitungs-möglichkeiten größerer Fernwärmever-sorgungen mittels HKW wird eine weit-

82

Abbildung 1: Marktentwicklung dezentraanlagen in den letzten 15 Jahren; rechts:ment für Brennstoffzellenanlagen

gehende Ausschöpfung dieses Poten-zials vor allem im Bereich mittlererund kleinerer (bis zu sehr kleinen)KWK-Anlagen stattfinden, was nebender industriellen KWK die Versorgungvon Einzelgebäuden, Nahwärmeinselnund (mittels Nahwärmenetzen) vongeeigneten Siedlungen bedeutet. Ins-gesamt entspricht dies einer poten-ziellen Gesamtleistung dezentralerBHKW bis ca. 10 MW

el von rund

18.000 MWel bzw. 15% der derzeitigen

Stromerzeugungskapazitäten [1, 2].

Derzeit beträgt die installierte Leistungin diesem Marktsegment rund3.150 MW

el (Abbildung 1, links), wo-

von 1.850 MWel Motor-BHKW und

1.300 MWel Gasturbinen-BHKW sind.

Gasturbinen mit Leistungen >10 MWel

haben zusätzlich einen Leistungsanteilvon rund 3.200 MW

el. Motor-BHKW

wuchsen bis 1995 mit einer jährlichenZuwachsrate von rund 300 MW

el/a.

Derzeit ist ein Rückgang des Marktesauf lediglich 150 MW

el/a zu beobach-

ten. Ein ähnlicher Rückgang ist beiGasturbinen festzustellen [3, 4]. EinTeil der Dynamik der letzten Jahre indiesem Marktsegment der KWK be-ruhte auf dem Nachholbedarf in denneuen Bundesländern, wo alte, uneffi-ziente Fernheizwerke vielfach durchmoderne HKW und BHKW ersetzt wur-den. Knapp 25% der BHKW-Leistungist daher derzeit in den neuen Bundes-ländern installiert. BHKW-Anlagen aufMotor- und Gasturbinenbasis könnenheute als ausgereifte Technik gelten.Mit dem deutlichen Sinken der Strom-preise infolge der Liberalisierung deseuropäischen Strommarktes und der

ler KWK-Anlagen bis 10 MWel.; links: Entwi

Mögliche optimistische und pessimistische

entsprechenden Änderung des deut-schen Energiewirtschaftsgesetzes istjedoch das Umfeld für KWK-Anlagenschwieriger und unübersichtlichergeworden. Die Liberalisierung bietetsowohl Vorteile wie Nachteile für dieweitere Ausbreitung der KWK. Unab-hängige Stromerzeuger gewinnengrößere Einflussmöglichkeiten, beierleichterten Durchleitungsregelungenkönnen KWK-Verbundprojekte zwi-schen Industriebetrieben bzw. zwi-schen Industrie und Kommunen leich-ter verwirklicht werden und die Versor-gung von Wohngebäuden durch priva-te BHKW-Betreiber kann flexibler ge-staltet werden.

Die Auflösung des Gebietsschutzes ge-fährdet aber auch die KWK-Versor-gung; sinkende Strompreise und güns-tige Angebote der Stromerzeuger ver-ringern das Interesse der Industrie anKWK-Eigenerzeugung, kommunaleKWK-Betreiber geraten unter Kosten-druck. Die Marktmacht der großenElektrizitätsversorgungsunternehmen(EltVU) kann trotz offenem Strom-markt zu weiterer Konzentration unddamit zu einem sinkenden Interessean dezentralen KWK-Anlagen führen.Unklare Durchleitungsregelungen undReservevorhaltungskosten gefährdenzudem die Wirtschaftlichkeit unabhän-giger KWK-Betreiber. Potenzielle Inves-toren in KWK-Anlagen agieren dahervorerst sehr zurückhaltend; teilweisewerden auch (ältere) KWK-Anlagenstillgelegt [5]. Eine Liberalisierung desStrommarktes wird sich nur dann posi-tiv auf die Entwicklungschancen derKWK auswirken, wenn zwischen Ener-

cklung von Motor- und Gasturbinen- Entwicklung und mögliches Marktseg-


Tabelle 1: Referenzanlagen (Status „2010“) für Motoren- und Gasturbinen-BHKWund -HKW im Bereich 0,16-87 MW

el [8, 9]

giepolitik und Energieversorgern mög-lichst konkrete und verlässliche Verein-barungen über den Beitrag von KWK-Strom in der Energieversorgung getrof-fen werden. Eine Liberalisierung, wel-che dagegen ihr Schwergewicht aus-schließlich auf eine möglichst wirksa-me Strompreissenkungspolitik legt,wird das weitere Wachstum der KWKstark behindern und damit auch keineMärkte für neue Technologien bieten[6].

Der zukünftige Markt für dezentraleKWK-Anlagen kann daher eine sehrunterschiedliche Entwicklung nehmen(Abbildung 1, rechts). Gelingt es,wieder an die Wachstumsraten derletzten 5 Jahre anzuknüpfen, so kön-nen mit mittleren Zuwachsraten von300-400 MW

el/a bereits bis 2010 be-

deutende Anteile des KWK-Potenzialserschlossen werden. Dann könnenauch Spielräume für die Brennstoff-zelle als neue KWK-Technologie in ei-ner Größenordnung von 100 MW/a al-lein für den deutschen Markt bis etwa2010 entstehen. Im ungünstigen Fallmuss von einer Stagnation des dezen-tralen KWK-Markts ausgegangen wer-den mit entsprechend geringen Markt-chancen für Brennstoffzellen.

2. Entwicklungspotenziale und zu-künftige Referenzanlagen

Auch in Zukunft sind weitere techni-sche Verbesserungen und Kostensen-kungen bei den herkömmlichen KWK-Anlagen zu erwarten. Otto-Motoren

können mittels Aufladung Nutzungs-grade bis zu 45%, Dieselmotoren bis48% erreichen. Zukünftig stehen Gas-turbinen im KWK-Betrieb mit Nut-zungsgraden bis 42% und GuD-HKWmit über 50% elektrischem Nutzungs-grad im 50-100 MW

el-Bereich zur Ver-

fügung. Mit größeren Motor-BHKWund GuD-HKW können Stromkenn-zahlen zwischen 1,0 und 1,3 erreichtwerden. Zukünftige Brennstoffzellen-BHKW und -HKW werden sich aufdem KWK-Markt diesen weiterentwi-ckelten konventionellen KWK-Anla-gen stellen müssen.

In Tabelle 1 sind die technischen undökonomischen Kenndaten herkömmli-cher KWK-Anlagen zusammengestellt.Die Investitionskosten berücksichtigendie komplette KWK-Anlage (Motor-modul bzw. Gasturbinenpackageeinschl. Abhitzekessel, wärme- undstromseitige Einbindung, Steuerung,Abgasanlage und Baumaßnahmen).Zur Ermittlung der Betriebskosten werdenheute übliche Kosten für Vollwartungs-verträge und für sonstige Betriebsauf-wendungen benutzt. Die Wärmegut-schrift besteht aus den eingespartenBrennstoffkosten für die Nutzwärmeunter Berücksichtigung des Kessel-wirkungsgrads.

Die Angaben in Tabelle 1 stellen denvoraussichtlichen zukünftigen Entwick-lungsstand (Status „2010“) dar. Die er-mittelten Stromgestehungskosten die-ser KWK-Systeme (7% Zins, Abschrei-bung Modul 15a, Peripherie 20a;Brennstoffkosten 2,7 Pf/kWh) liegen

in einem weiten Leistungsbereich zwi-schen 7 und 11 Pf/kWh, wenn eine fürKWK-Anlagen typische Ausnutzungs-dauer von 5.000 h/a zugrunde ge-legt wird. Kleinere BHKW sind mit13 Pf/kWh noch deutlich teurer. DieKosten heute einsetzbarer Anlagenliegen etwa 1-2 Pf/kWh höher. DasKostenniveau deutet auf die schwieri-ge Marktsituation bereits der herkömm-lichen, ausgereiften KWK-Anlagen hin.Sind KWK-Betreiber Endverbraucher,so erlaubt der dezentrale Betrieb fürAnlagen >100-200 kW

el im Allgemei-

nen einen wirtschaftlichen Betrieb,wenn gegen Strombezugskosten ausneuen Kraftwerken (Stromgestehungs-kosten 6-8 Pf/kWh zuzüglich Trans-port- und Verteilungskosten) gerechnetwird. Keinesfalls sind sie jedoch ge-genüber bestehenden, abgeschriebe-nen Kraftwerken wirtschaftlich, derenGrenzkosten derzeit maßgeblich diePreisbildung im Strommarkt bestim-men. Diese Entwicklung schränkt der-zeit den weiteren Ausbau der KWKstark ein.

Derzeit werden vier verschiedeneBrennstoffzellentechnologien für statio-näre Anwendungen entwickelt (Tabel-le 2, siehe auch [10]). Die wesentlichenUnterschiede aus Nutzersicht sind

• die Betriebstemperatur und damitdas Temperaturniveau der Wärme-nutzung,

• die Betriebsweise (Dauerbetrieboder taktende Betriebsweise),

• die erreichbaren Wirkungsgradesowie

• das einsetzbare Brennstoff-spektrum.

Die Systeme mit moderaten Betriebs-temperaturen (PEFC, PAFC) benötigensehr reinen Wasserstoff als Brennstofffür den Zellstack. Beim Betrieb mitErdgas ist somit ein Reformer mit Gas-reinigung vorzuschalten, was den Wir-kungsgrad der Anlage reduziert unddie Systemkosten erhöht. Bei Einsatzeines Reformers kann auch Biogas alsBrennstoff eingesetzt werden.

Die Hochtemperatursysteme MCFCund SOFC können die Abwärme desZellstacks direkt für die Wasserstoff-reformierung nutzen, was den Wir-

83


Tabelle 2: Überblick über verschiedene Brennstoffzellen (alkalische BZ werdennicht weiter betrachtet)

Tabelle 3: Referenzanlagen für Brennstoffzellen-BHKW, HKW und KraftwerkeQuellen: [8, 9]

1 Gemittelt über die gesamte Nutzungsdauerund über übliche Lastprofile

kungsgrad dieser Systeme bei Betriebmit Erdgas erhöht. Darüber hinaus er-öffnet die hohe Betriebstemperatur derMCFC und der SOFC eine vielseitigeNutzung der Abwärme etwa für Pro-zessdampfversorgung in der Industrieoder aber die Nutzung in nachgeschal-teten Gas- und/oder Dampfturbinenzur weiteren Steigerung des elektri-schen Wirkungsgrades in Kraftwerks-prozessen. Neben Erdgas, Klär- undBiogas sind die Hochtemperatursys-teme auch für den direkten Einsatzvon Kohlegas aus der Braun- oderSteinkohlevergasung geeignet undsind somit ebenfalls eine effizienteNutzungstechnik für feste Brennstoffe.

Die PAFC ist die derzeit am weitestenentwickelte BZ-Technik. Eine 200 kW

el-

Anlage der Firma ONSI wird kommer-ziell vermarktet. Weltweit sind rund100 Anlagen installiert, in Deutschlandsind derzeit 8 Anlagen mit je 200 kW

el

in Betrieb. Deren Daten sind die Aus-gangsdaten für das PAFC-Referenzsys-tem 1998 (Tabelle 3) [11, 12]. Derdurchschnittliche elektrische Nutzungs-grad liegt bei 38%1 , der Gesamtnut-zungsgrad erreicht 75 bis 80%, dieStromkennzahl beträgt rund 1. Ausge-reifte PAFC-BHKW dürften im kommer-ziellen Betrieb elektrische Nutzungs-grade zu Betriebsbeginn von bis zuca. 45% erzielen. Für den Status 2010wurde von einem Mittelwert über dieNutzungsdauer von 40% ausgegangen.

Die ökonomischen Ausgangsdaten derReferenzsysteme mit MCFC und SOFCkönnen ebenfalls Tabelle 3 entnom-

84

men werden. Belastbare Angaben zuInvestitionskosten liegen nur für diePAFC-Demonstrationsanlagen vor. Da-nach kann derzeit von 5.000 DM/kW

el

ausgegangen werden (Status 1998).Eine Kostenhalbierung wird bei einerSteigerung der produzierten Stückzah-len (ca. 400 MW/a [7, 12]) als erreich-bar angesehen. Für den Status 2010werden daher BHKW-Investitionskos-ten von 2.400 DM/kW

el angesetzt.

Unterstellt wird weiterhin ein einmali-ges Auswechseln des Brennstoffzellen-stapels während der 15-jährigenBetriebszeit (80.000 h). Die spezifi-schen Kostenangaben für MCFC undinsbesondere für SOFC-Anlagen für2010 stellen Zielwerte der Entwicklerdar. Neben den Kosten für das BZ-Stack, die etwa 40-50% der Gesamt-

kosten betragen, sind die Aufwendun-gen für die Peripherie, insbesondereder Gasaufbereitung, derzeit nur grobabschätzbar. Durch geringere Nut-zungsdauern von BZ-Stack undder Hochtemperaturkomponenten(5-7 Jahre) verteuern sich die anzuset-zenden Betriebskosten, welche denAustausch von Stacks enthalten, ent-sprechend.

3. Vergleich der Motor- undBrennstoffzellen-Anlagen

Die Stromgestehungskosten vonPAFC-BHKW liegen – unter Berücksich-tigung der entsprechenden Wärme-gutschriften – derzeit zwischen 22 und26 Pf/kWh, betragen also gut dasZweifache der Stromgestehungskostenvergleichbarer Motor-BHKW (Abbil-dung 2). Mit den Daten des Status2010 (halbierte Investitionskosten, län-gere Lebensdauer des BZ-Stack undauf 50% reduzierte Betriebs- undWartungskosten) kann bereits einedeutliche Kostenannäherung an dieebenfalls weiterentwickelten Motor-BHKW erreicht werden.

Am Beispiel einer industriellen KWK-Anlage werden die ermittelten „zuläs-sigen“ Investitionen für MCFC- bzw.SOFC-KWK-Anlagen detailliert darge-stellt. Es wird dabei Stromkostengleich-heit mit einer vergleichbaren Gastur-binenanlage (Referenzsystem 7, Tabel-le 1) angenommen. Bei der betrachte


Abbildung 2: Stromgestehungskosten heutiger und weiter-entwickelter PAFC-BHKW (Status „2010“) und Motor-BHKWim Leistungsbereich 160 bis 2.900 kW

el (Zinssatz 7%, Ab-

schreibung BHKW 15 a, Rest 20 a)

2 Vollständige Wärmenutzung ist der Regelfallbeim KWK-Betrieb; in Zeiten mit Spitzen-stromlast und zu geringem Wärmebedarf istaber auch ein Betrieb ohne Wärmenutzungmöglich, um so den teuren Spitzenstrom-bezug zu reduzieren.

3 Dieser Leistungsbereich wird derzeit vonallen Entwicklern verfolgt. Kleine Systemehaben den Vorteil, dass die zulässigenInvestitionen der BZ höher sind, die tech-nische Realisierbarkeit einfacher ist undDemonstrationsanlagen aufgrund desgeringeren Investitionsbedarfs einfacher zufinanzieren sind. Die Kraftwerksanwen-dung im großen Leistungsbereich ist alsLangfristoption zu sehen.

Abbildung 3: Kostenstruktur (bezogen auf die Stromerzeu-gung) von Gasturbine und Brennstoffzellen-KWK mit 5 MW

el

bei gleichen Stromgestehungskosten (Zinssatz 7 %, Ab-schreibung BHKW 15a, Rest 20a, Erdgas 2,7 Pf/kWh)

ten mittelgroßen Anlage (5 MWel)

wird ein Hybridsystem bestehend ausBZ und Gasturbine bzw. Dampfturbinemit verbessertem elektrischem Wir-kungsgrad gegenüber einem reinenBZ-System eingesetzt. Beim Gas-turbinen (GT)-System sind die Kostender Generalüberholung in den vari-ablen Betriebskosten enthalten. Beider BZ werden die variablen Betriebs-kosten mit 30 % der Kosten der GTangesetzt, die Kosten der General-überholung des BZ-Stack werden inForm von abdiskontierten Ersatzinvesti-tionen auf das Inbetriebnahmejahrumgerechnet. Die fixen Betriebskostendes BZ-Systems (für Personal, Versiche-rung, Instandhaltung) werden mit70 % des Absolutbetrages der fixenBetriebskosten der GT veranschlagt.

Bei einer Auslastung von 7.000 h/aund vollständiger Wärmenutzung(Wärmegutschrift) betragen die Strom-gestehungskosten des GT-Systems8,2 Pf/kWh 2 (Abbildung 3). Um diegleichen Stromkosten zu erreichen,sind vom BZ-System Gesamtinvestitio-nen von etwa 2.600 DM/kW einzuhal-ten. Diese relativ hohen zulässigen BZ-Investitionen sind u.a. dadurch begrün-det, dass in diesem Betrag auch dieabdiskontierten Ersatzinvestitionen fürden BZ-Stack nach jeweils 5 Betriebs-jahren enthalten sind. Die zulässi-gen Erstinvestitionen liegen mit2.100 DM/kW

el für die Gesamtanlage

bzw. von 630 DM/kWel für das BZ-

Stack deutlich niedriger. Die Kosten-struktur der Brennstoffzellen-KWK-An-

lagen unterscheidet sich deutlich vondenen der GT. Aufgrund des höherenWirkungsgrades hat die BZ rund 30%niedrigere Brennstoffkosten, was derwesentliche Grund für die höheren zu-lässigen Investitionskosten der BZ ist.Je nach Kostenanteil des BZ-Stack anden Gesamtkosten liegen die zulässi-gen Erstinvestitionen des BZ-Systemsetwa 15-20% über den spezifischenInvestitionen des GT-Systems. Auf-grund der höheren Wärmeerzeugungist die Bedeutung der Wärmeerlösebei der GT größer als bei der BZ.

Geht man zukünftig von real steigen-den Gaspreisen aus (z.B. aufgrund vonEnergiesteuern), verbessert sich das Er-gebnis für die Brennstoffzelle in gewis-sem Umfang. Erhöht sich der Gaspreisbeispielsweise um 30% von 2,7 auf3,5 Pf/kWh, bedeutet das einen An-stieg der zulässigen Brennstoffzellen-Investitionen um weitere 6%. Verglei-che für einen weiten Bereich vonSystemauslegungen zeigen, dass ge-nerell eine Mehrinvestition von 10 bis20% für BZ-KWK-Anlagen „zulässig“ist, wenn Stromkostengleichheit mitgleichwertigen Motor- oder Gasturbinen-anlagen eingehalten werden soll [13].

Während für PAFC-BHKW die genann-ten Werte aus heutiger Sicht erreich-bar sein dürften, wenn eine größereSerienproduktion einsetzt, stellen die-se Break-even-Kosten für MCFC- undSOFC-BHKW große Herausforderun-gen dar. Sie verlangen neben einer re-lativ großen Serienproduktion auch

noch weitere technologische Fortschrit-te. Insbesondere müssen die unterstell-ten Lebensdauern von ca. 40.000 hgewährleistet sein. Heutige Kosten derPrototypfertigung liegen noch etwaeine Größenordnung über den erfor-derlichen Zielwerten für ein erfolgrei-ches Eindringen in den KWK-Markt.

4. Strategien der Markteinführung

Die Markteinführung von Brennstoff-zellen im stationären Bereich wird zu-nächst in dezentralen Anwendungenim Leistungsbereich von etwa 0,2 bis10 MW

el erfolgen3 . Dabei stehen An-

lagen mit Wärmenutzung (KWK-Be-trieb) im Vordergrund, was zu zusätzli-chen Wärmeerlösen und höhererBrennstoffausnutzung führt. FolgendeAnwendungen sind möglich:

85


• Versorgung von Nahwärmenetzenim Siedlungsbereich, Ersatz vonMotor-BHKW bzw. Gasturbinen. Imunteren Leistungssegment sind auchweitere Brennstoffzellentechnologien(PEFC und PAFC) verfügbar.

• Versorgung von industriellen Wär-menetzen (Dampfnetzen). Die BZersetzen GT oder Motor-BHKW.Industrie-HKW sind vielfach kom-plexe Systeme bestehend ausmehreren Dampferzeugern (Kes-selanlagen oder auch GT-Abhitze-kessel) und Dampfturbinen (DT),die teilweise mehrere Dampfdruck-stufen versorgen. Dabei können BZauch die GT in GuD Anwendungenersetzen (Vorschalten von BZ vorDT-Prozess).

Es ist davon auszugehen, dass ersteAnlagen einfache, drucklose Solo-Sys-teme ohne Integration von GT bzw.DT sein werden. Diese Anlagen zeich-nen sich durch eine höhere Zuverläs-sigkeit und einfaches Design aus, diespezifischen Investitionen sind mögli-cherweise höher als bei Hybridsyste-men, da dort die billige GT einen Teildes teuren Stack ersetzt. Solo-Systemekönnen bereits einen Wirkungsgradvon etwa 50-54% haben, durch dieWärmeauskopplung erhöht sich dieBrennstoffausnutzung weiter [8].

Die Markteinführung muss für denHersteller Perspektiven zum Erreichender erforderlichen Produktionsraten er-

86

Abbildung 4: Beispielhafte Lernkurven (skduktion zu Beginn der Serienfertigung). Ddie erforderliche kumulierte Produktion bsenkung auf 20% des ursprünglichen Wef = 0,8)

öffnen; die Produktion ist möglichst ineiner Fertigungsanlage zu erzeugen,um Serieneffekte zu nutzen. Dahersind strategische Partnerschaften sinn-voll (Zellstack oder Zellen eines Herstel-lers in Systemen verschiedener An-lagenbauer). Der Markt für BZ wirdsich auch bei günstiger Gesamtent-wicklung des KWK-Marktes nur lang-sam erschließen lassen, da keine neu-en Marktlücken für BZ vorhandensind. In allen potenziellen Anwendun-gen sind bereits konventionelle KWK-Systeme etabliert bzw. können ange-passt werden. Wesentliches Argumentfür die Betreiber bzw. Investoren beider Anlagenauswahl sind die Energie-gestehungskosten bzw. die Amortisa-tionsdauer. Die verschiedenen Typenvon BZ machen sich sowohl im Sied-lungsbereich als auch bei Industrie-und Kraftwerksanwendungen (dort nurMCFC und SOFC) Konkurrenz. Eskann daher schwierig sein, alle Syste-me in einem begrenzten Markt unter-zubringen. Das Gleiche gilt natürlichauch für unterschiedliche Systemkon-zepte verschiedener Hersteller.

Eine Abschätzung der Kostenentwick-lung neuer Energiewandler kann mitdem Instrument der „Lern- bzw. Erfah-rungskurven“ erfolgen, welches dieHerstellkosten eines in größeren Stück-zahlen gefertigten, standardisiertenProdukts mit den kumulierten Produk-tionsmengen verknüpft [14, 15] (Ab-bildung 4). Die erreichte Kostenreduk-tion bei Verdopplung der kumulierten

aliert auf die Pro-er Pfeil weist auf

ei einer Kosten-rtes hin (Lernfaktor

Abbildung 5: BZ-Mabei günstigen energMehrkosten gegenüpreisniveau bis zumvon Hochtemperatu

Produktion wird als Lernfaktor f be-zeichnet. Für zahlreiche Produkte (Mo-toren, Gasturbine, Haushaltsgeräteusw.) liegen die Lernfaktoren zwischen0,75 und 0,90 – eine Verdopplung derkumulierten Produktion führt zu Kos-tensenkung um 25% bzw. 10%. Typi-scherweise liegt zu Beginn der Serien-produktion die Kostenreduktion höher(z.B. f = 0,75), um dann stetig abzu-sinken (z.B. f = 0,90). Das kommt beiGasturbinen deutlich zum Ausdruck,die zwischen 1958-1963 einen Lern-faktor von rund 81% und im Zeitraumdanach (1963-1980) einen reduziertenLernfaktor von etwa 90% aufwiesen[14]. Dieser Zusammenhang gilt zu-nächst nur für ein konkretes Einzel-produkt (mit gleich bleibender Einheits-leistung, Materialien usw.). In der Pra-xis liegen die Kostenangaben meist inaggregierter Form vor, die weitere Ein-flüsse beinhalten, die ihre Ursachenicht unmittelbar in einer wachsendenund rationelleren Fertigung haben.Trotzdem hat sich das Instrument derLernkurven zur Abschätzung der mit-telfristig möglichen Kostenreduktionbewährt. Es wird hier am Beispiel derMarkteindringung von MCFC- bzw.SOFC-KWK-Anlagen in einen wach-senden KWK-Markt (siehe Abbil-dung 1) demonstriert.

Beginnend mit im Allgemeinen hohenKosten zu Beginn einer Pilotfertigungsinken die spezifischen Herstellungsko-sten durch Rationalisierungseffekte,aber auch durch weitere technologi

rkt im Bereich der KWK in Deutschlandiepolitischen Rahmenbedingungen undber dem allgemeinen KWK-Strom- Erreichen der Wirtschaftlichkeit im Faller-Brennstoffzellen


sche und organisatorische Verbesse-rungen. Das betrifft sowohl den Zell-stack als auch die Nebenanlagen (Gas-aufbereitung, Wärmetauscher, Inverterusw.). Wesentliche Voraussetzung istdas Vorhandensein von praxisreifen De-monstrationsanlagen mit belastbarenAngaben zu Langzeitstabilität und Be-triebsverhalten. Die Herstellkosten müs-sen durch F&E-Erfolge bereits so weit ge-senkt worden sein, dass weitere Kosten-senkungen bis zur Konkurrenzfähigkeitgegenüber konventionellen Systemenhauptsächlich durch die Realisierung ei-ner Serienfertigung plausibel erscheinen.Als Beispiel kann die PAFC dienen, derenVermarktung in 1991 mit einem Ein-standspreis von etwa 10.000 DM/ kW

el

bei einer weltweit kumulierten Leis-tung an Demonstrationsanlagen von10 MW

el begann [11].

Geht man beispielhaft für MCFC oderSOFC der Leistungsklasse 500 kW

el von

einem Einstandpreis der ersten zehnAnlagen von 10.000 DM/kW

el aus (ku-

mulierte Leistung zu Beginn der Serien-fertigung = 5 MW

el), so lässt sich die

erforderliche kumulierte Fertigung biszum Erreichen der Zielkosten abschät-zen. Zielkosten von 2.000 DM/kW

el

führen bei einem Lernfaktor von f = 0,8zu einer kumulierten relativen Produkti-on von 140 (Abbildung 4), was, bezo-gen auf die kumulierte Leistung, zu Be-ginn der Serienfertigung von 5 MW

el

eine kumulierte Leistung von etwa700 MW

el bedeutet.

In einem optimistischen Wachstums-szenario für BZ, welches aus dem ge-nerellen KWK-Wachstum aus Abbil-dung 1 abgeleitet ist, kann diese Leis-tung und damit die rechnerische Wirt-schaftlichkeit gegenüber dem allge-meinen KWK-Strompreisniveau nachrund 10 Jahren erreicht werden. DieInstallation erfordert bis dahin Mehrkos-ten von rund 700 Mio. DM (Abbil-dung 5). Ist man nicht allein auf dendeutschen Markt beschränkt, kanndieser Zeitraum verkürzt werden, dieMehrkosten müssen jedoch in jedem Fallaufgebracht werden.

5. Wirtschaftlichkeit und Markt-perspektiven von Brennstoff-zellen-Pkw

Beim Fahrzeugkauf ist, wie bei vielenanderen Konsumgütern, die Bereitschaftdes Käufers, einen höheren Preis als

beim billigsten Angebot zu zahlen, vonseinen individuellen Wertungen undseinem Budget abhängig. Im Rahmendieses Budgets trifft der Käufer seineEntscheidung zunächst nach prakti-schen und emotionalen Kriterien. Hatder Käufer seine Vorauswahl für einbestimmtes Modell getroffen, spielenletztlich auch ökonomische Gründebei der endgültigen Modellauswahleine wichtige Rolle. Das zeigt das Bei-spiel des Dieselfahrzeugs. Hier mussein höherer Kaufpreis bezahlt und zurZeit eine höhere Kfz-Steuer entrichtetwerden, ohne dass z.B. Prestigegewinnerreicht wird. Der Dieselbetrieb wirdjedoch bei hohen Fahrleistungen auf-grund des niedrigeren Verbrauchs undder geringeren Kraftstoffkosten gegen-über dem Benzinbetrieb wirtschaftlich.Offensichtlich spielen bei 13% derKäufer (Anteil der Dieselfahrzeuge amPkw-Bestand) durchaus ökonomischeÜberlegungen eine Rolle. Daher kannman davon ausgehen, dass sich Brenn-stoffzellenfahrzeuge auch mit höherenAnschaffungskosten in den Markt ein-führen lassen, wenn die Mehrkostendurch niedrigere Betriebskosten kom-pensiert werden.

Die Anlegbarkeit eines höheren Fahr-zeugpreises ist von einer Reihe vonAnnahmen abhängig. Wesentlich sinddie Kraftstoffpreise, die Kraftstoffver-bräuche, die nicht kapitalgebundenenFixkosten sowie die Abschreibungs-dauer bzw. der Wiederverkaufswertdes Fahrzeugs. Unter der Prämisse,dass der durch den erhöhten Kaufpreis(Aufpreis) des Ersatzfahrzeugs verur-sachte zusätzliche jährliche Kapital-dienst zumindest durch die Differenzaus jährlichen Kraftstoffkosten undsonstigen Jahresfixkosten zwischen Er-satzfahrzeug und konventionellenFahrzeug kompensiert wird, lässt sichder anlegbare Aufpreis für einenBrennstoffzellen-Pkw berechnen. DerAufpreis ist von äußeren Rahmenbe-dingungen abhängig (Mineralölsteuerund Kfz-Steuer).

Man erhält aufgrund unterschiedlicherAbschreibungszeiten (4 Jahre bei kom-merzieller bzw. 10 Jahre bei privaterNutzung der Fahrzeuge, 50% höhereJahresfahrleistung im kommerziellenBetrieb) jeweils eine Bandbreite für dieanlegbaren Aufpreise. Unterstellt maneine konstante Preisdifferenz von0,40 DM/l zwischen Benzin und Diesel

und einen mittleren Benzinpreis von2,25 DM/l Benzin für den Zeitraumnach 2005, errechnet sich z.B. für dasFahrzeugsegment der unteren Mittel-klasse (40-50 kW Leistung, Verbrauch5,5 l/100 km Benzin bzw. 4,0 l/100 kmDiesel, Diesel-Pkw 1.500 DM teurerund 300 DM/a höhere Steuer), dassDiesel-Pkw ab 10.000 km/a bei priva-ter und ab 15.000 km/a bei kommer-zieller Nutzung wirtschaftlicher sind alsBenzin-Pkw. Damit bestimmt in dieserFahrzeugklasse der Preis der Diesel-Pkw weitgehend den anlegbaren Preisfür den Brennstoffzellen-Pkw.

Wenn der Preis pro Liter Benzinäqui-valent des Ersatzkraftstoffes gleichdem Benzinpreis ist, die kapitalunab-hängigen Fixkosten von Benzin-Pkwund Brennstoffzellen-Pkw gleich sindund Letzteres in volumetrischen Ben-zinäquivalenten (BE) genauso viel ver-braucht wie der Diesel-Pkw, sinkt deranlegbare Aufpreis für den Brennstoff-zellen-Pkw bei steigender Jahresfahr-leistung. Er beträgt bei 15.000 km/a460 DM bei privater bzw. 220 DM beikommerzieller Fahrzeugnutzung, wo-raus sich gegenüber dem Benzin-Pkwein Aufpreis von 1.960 DM bzw.1.720 DM ableiten lässt.

In der Abbildung 6 sind die anleg-baren Aufpreise für Brennstoffzellen-Pkw mit ihren Grenzen von 1.900 DMbei privater bzw. 1.700 DM bei kom-merzieller Nutzung bei verschiedenenFahrleistungen enthalten, wobei derAufpreis bei Erreichen der zur Fahr-leistung gehörigen Anlegbarkeits-grenze gegenüber Diesel-Pkw kon-stant gehalten wurde.

Die Kurven der privaten Nutzung lie-gen ab 2,10 DM/l Benzin über derGrenze von 1.900 DM. Somit sinddie privat genutzten Brennstoff-zellen-Pkw günstiger als fast alleprivat genutzten Diesel- und Benzin-Pkw. Dies trifft in etwa auf 70% derNeuzulassungen in diesem Fahr-zeugsegment zu. Die ermitteltenMehrkosten von rund 2.000 DM be-deuten gegenüber Benzin-Pkw indieser Größenklasse einen Aufpreisvon ca. 10%. Das ist ein Aufwand,der beim Fahrzeugkauf auch für Zu-satzausstattungen aufgewendetwird und nicht das normale Budgetdes Käufers sprengt.

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Abbildung 7: Kurve der Ausschöpfung des Marktpotenzials der Fahrzeugzulas-sungen (mittlere Zulassung pro Jahr: 370.000; Fahrzeuglebensdauer 12 Jahre)

Abbildung 6: Anlegbarer Aufpreis für einen Brennstoffzellen-Pkw (Benzinäqui-valentverbrauch (BE) 4 l/100 km) gegenüber einem Benzin-Pkw (Benzin-verbrauch 5,5 l/100 km), untere Mittelklasse

Wird ein grundsätzlich neues Fahrzeugim Markt eingeführt, ist nicht damit zurechnen, dass sofort die theoretischmöglichen Marktanteile erreicht werden,wie dies beim Modellwechsel im Rah-men der normalen Modellpflege derFall ist. Ebenso werden nicht alle Fahr-zeughersteller zum gleichen Zeitpunktmit dem neuen Konzept auf demMarkt sein, so dass sich erst allmählichein Marken übergreifendes Angeboteinstellt, wodurch die Ausschöpfungdes Marktpotenzials verzögert wird.Ebenso ist die Akzeptanz von Fahrzeu-gen, die neue Kraftstoffe benötigen,von der Verfügbarkeit dieser Kraftstof-fe und damit vom Zeit erforderndenAufbau der Infrastruktur zur Kraftstoff-versorgung abhängig. Das gilt beson-ders für Brennstoffzellen-Pkw, die nichtbivalent betreibbar sind.

Es wird daher unterstellt, dass sich daserreichbare Marktpotenzial längs einernormierten Zulassungskurve entwickelt,bei der etwa 7 Jahre nach der Einfüh-rung des Fahrzeugs das Marktpotenzialder Fahrzeugzulassungen zu 50% undnach ca. 12 a zu 100% ausgeschöpftwird (Abbildung 7). Wenn man zudemunterstellt, dass man mit dem betrach-teten Fahrzeug Fahrzeughalter mitFahrleistungen unter 10.000 km/a bzw.über 16.000 km/a (wirtschaftlicherDieselbereich) nicht erreicht, kannnäherungsweise von einem Marktpo-tenzial von 25% der Neuzulassungenim Segment bis 50 kW ausgegangenwerden, wobei das Marktsegment –d.h. der Anteil an den Zulassungenvon Neufahrzeugen, der auf Fahrzeu-ge dieser Leistungsklasse entfällt – beica. 40% liegt [16]. In Anlehnung anSzenarien der Shell AG [17] ergibt sichim Mittel eine Neuzulassung von etwa3,7 Mio Pkw per anno im Zeitraum2005/2020 und somit ein Marktpoten-zial für Brennstoffzellen-Pkw von370.000 Fahrzeugzulassungen proJahr. Die Wahl des Zeitraums ergibtsich aus der erwarteten Einführungvon Brennstoffzellen-Pkw ab 2005 undder erforderlichen Dauer, bis ein merk-barer Zulassungsanteil erreicht werdenkann.

Bei einer unterstellten Fahrzeuglebens-dauer von 12 Jahren baut sich so biszum Jahr 2020 ein Bestand von knapp3,5 Mio Fahrzeugen auf, was in etwaeinem Bestandsanteil von 7% ent-spricht. Dabei wird im betrachteten

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Zeitraum noch nicht der Gleichge-wichtsbestand von ca. 10% erreicht.Eine Grobabschätzung macht deutlich,dass die Auswirkungen der Einführungdes Brennstoffzellen-Pkw auf die Ver-ringerung der Abgasemissionen biszum Jahr 2020 nur marginal (unter2%-Punkten) sind. Würde der Brenn-stoffzellen-Pkw flächendeckend bis indie Pkw-Oberklasse eingeführt, würdesich die Abgasreduktion um etwa denFaktor 2,5 erhöhen. Bei den CO

2-Emis-

sionen ist die Auswirkung deutlich ge-ringer und von den Emissionen bei derKraftstoffbereitstellung abhängig.

Zur flächendeckenden Versorgung vonFahrzeugen mit neuen Kraftstoffen ist

in Deutschland ein Tankstellennetzvon etwa 2.000 Tankstellen erforder-lich. Mit der vorgestellten Einführungs-strategie wird die für einen wirtschaft-lichen Tankstellenbetrieb erforderlicheFahrzeugdichte pro Tankstelle nachetwa 10 bis 15 Jahren erreicht. Somitsind erhebliche Investitionen in die In-frastruktur mit nicht unerheblichenVorlaufzeiten verbunden.

Für ein grundsätzlich neues Fahrzeug-konzept kann es als typisch angese-hen werden, dass nach der Marktein-führung mehr als 15 Jahre vergehen,bis über den Austausch der FahrzeugeAuswirkungen deutlich werden. Auchder Brennstoffzellen-Pkw erfordert als


neues Fahrzeugkonzept vom Erreichender Wirtschaftlichkeit bis zur Markt-durchdringung einen Zeitraum vonrund 20 Jahren.

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Standorte der Forschungszentren


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Deutsches Zentrum für Luft- undRaumfahrt e.V. (DLR)Linder HöheD-51147 KölnTelefon (0 22 03) 6 01-0Telefax (0 22 03) 6 73-10e-mail [email protected]

Pfaffenwaldring 38–40D-70569 StuttgartTelefon (07 11) 68 62-0Telefax (07 11) 68 62-349e-mail [email protected]

Forschungszentrum Jülich GmbH (FZJ)D-52425 JülichTelefon (0 24 61) 61-0Telefax (0 24 61) 61-25 25e-mail [email protected]

Fraunhofer-Institut für SolareEnergiesysteme (Fraunhofer ISE)Oltmannsstraße 5D-79100 FreiburgTelefon (07 61) 45 88-0Telefax (07 61) 45 88-100e-mail [email protected]

Hahn-Meitner-Institut Berlin GmbH (HMI)Glienicker Straße 100D-14109 BerlinTelefon (0 30) 80 62-0Telefax (0 30) 80 62-20 47E-mail [email protected]

Institutsteil Adlershof, Abt. PhotovoltaikKekuléstraße 5D-12489 BerlinTelefon (030) 6 70 53-330Telefax (030) 6 70 53-333E-Mail: [email protected]

Institut für Solarenenergieforschung GmbHHameln/Emmerthal (ISFH)Am Ohrberg 1D-31860 EmmerthalTelefon (0 51 51) 9 99-0Telefax (0 51 51) 9 99-400e-mail [email protected]

Außenstelle HannoverSokelantstraße 5D-30165 HannoverTelefon (05 11) 35850-0Telefax (05 11) 35850-10e-mail [email protected]

Institut für Solare Energieversorgungs-technik Verein an der UniversitätGesamthochschule Kassel e.V. (ISET)Königstor 59D-34119 KasselTelefon (05 61) 72 94-0Telefax (05 61) 72 94-100e-mail [email protected]

ISET HanauLeipziger Straße 10D-63457 HanauTelefon (0 61 81) 58-27 01Telefax (0 61 81) 58-27 02e-mail [email protected]

Zentrum für Sonnenenergie- undWasserstoff-Forschung Baden-Württem-berg, Gemeinnützige Stiftung (ZSW)Heßbrühlstraße 21CD-70565 StuttgartTelefon (07 11) 78 70-0Telefax (07 11) 78 70-100e-mail [email protected]

Helmholtzstraße 8D-89081 UlmTelefon (07 31) 95 30-0Telefax (07 31) 95 30-666e-mail [email protected]

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