Oktober 2001

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Ballard Power testet erdgasbetriebene 10-kW-Brennstoffzelle

Bereits Ende Juli stellte Ballard Power Systems (Vancouver) den Prototypen eines mit Erdgas betriebenen 10-kW-Brennstoffzellengenerators vor. Mit der Inbetriebnahme dieser für stationäre Anwendungen konzipierten Anlage hat das Unternehmen ein für 2001 selbst gestecktes Ziel erreicht. Bis zum Jahresende laufen die ersten Versuchsreihen.

 

Universität Hannover stellt kombiniertes BZ/Gasturbinen-Aggregat vor

Im Rahmen eines „Festes der Wissenschaften“ stellt Universität Hannover ein kombiniertes 500 kW-Aggregat aus einer modifizierten Gasturbine und einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle vor. Im Gegensatz zu einer konventionellen Gasturbine, die ihre Energie aus der Verbrennung von Erdgas bezieht, wird bei dem am Institut für Strömungsmechanik entwickelten System die Abwärme der Brennstoffzelle genutzt, um die Gasturbine anzutreiben. Damit erreichen die hannoverschen Wissenschaftler eine weitere Steigerung des System-Wirkungsgrades auf 65 Prozent.

 

Hochtemperatur-BZ in Rhön-Klinik

Die weltweit erste Klinik, die mit Strom und Wärme aus einer Brennstoffzelle versorgt wird, steht im fränkischen Bad Neustadt/Saale. Bereits im Mai 2001 wurde dort im Rhön-Klinikum ein HotModule der Firma MTU Friedrichshafen in Betrieb genommen. Bei der Brennstoffzelle handelt es sich um eine Schmelzkarbonat-BZ, die mit einem Elektrolyten aus Lithium-Kalium-Karbonat bei 600 Grad C arbeitet. Diese Anlage gehört zu einem Brennstoffzellen-Feldversuch des Unternehmens. Die erste Anlage dieser Art arbeitet in der Universität Bielefeld. Das dortige HotModule wird ebenfalls mit Erdgas betrieben und erreicht einen elektrischen Wirkungsgrad von 47 Prozent bei einer Leistung von 250 kWel. Die Anlage im Rhön-Klinikum soll sogar über 50 Prozent erzielen bei 250 kWel und 170kWtherm. Die thermische Energie liefert das Modul als 400 Grad C heiße Abluft. Der damit erzeugte Hochdruck-Wasserdampf kann zum Sterilisieren und Klimatisieren genutzt werden.

 

 

Portable Brennstoffzellen

Die Energieversorgung portabler Geräte wird heute über Batterien und Akkumulatoren (Primär- bzw. Sekundärzellen) abgedeckt. Eine Vielzahl verschiedener Systeme steht zur Verfügung, so dass für die unterschiedlichen Anwendungen die jeweils am besten angepasste Energieversorgung ausgewählt werden kann. Nicht wiederaufladbare Primärzellen sind mit einer sehr hohen Energiedichte verfügbar, allerdings sind die Kosten pro erzeugter Wh ausgesprochen hoch. Wiederaufladbare Sekundärzellen haben in der Regel eine deutlich niedrigere Energiespeicherkapazität. Die Brennstoffzelle als Energiewandler in Kombination mit einem unabhängig dimensionierbaren Speicher für den Energieträger „Wasserstoff oder Methanol“ bietet Vorteile, insbesondere dann, wenn bei relativ kleiner Leistung lange Betriebszeiten gefragt sind. Weitere Vorteile des Brennstoffzellensystems sind außerdem die erwartete lange Lebensdauer und insbesondere der auch im kleinen Leistungsbereich mögliche hohe Wirkungsgrad, der frei wählbare, modulare Aufbau sowie die emissionsfreie Energiewandlung. Die ökologische Bilanz ist aufgrund der hohen Lebensdauer der Zelle sowie der unproblematischen Reaktionsprodukte ausgesprochen positiv. Schwerpunkt bisheriger Entwicklungen waren Anwendungen im mittleren Leistungsbereich wie beispielsweise für Blockheizkraftwerke und der Automobilsektor. Darüber hinaus ist nun die Brennstoffzelle auch für den kleinen Leistungsbereich zunehmend ins Interesse gerückt.

Die Technologie

Der Aufbau insbesondere der Membran-Brennstoffzellen ist modular, dünne Membranen mit einer Katalysatorbeschichtung bilden mit einem Zellrahmen eine Einheit. Für die Anwendung in elektronischen Geräten werden besondere Anforderungen hinsichtlich Benutzerfreundlichkeit, Zuverlässigkeit, Energiedichte und geometrischer Flexibilität gestellt.

Als heute schon einsetzbarer Wasserstoffspeicher wird für alle Demonstratoren auf Hydride zurückgegriffen. Die Brennstoffzelle selbst als Energiewandler ohne Speicherfunktion wird gemäß der erforderlichen Leistung des zu versorgenden Verbrauchers dimensioniert. Daraus ergibt sich rein rechnerisch, dass erst ab einer bestimmten Kapazität des Systems die Energiedichte zum Beispiel einer Li-Batterie übertroffen werden kann.

Eine weitere Systemvariante ist die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC), die neben der sehr hohen Energiedichte des Methanols durch das einfache Handhaben und Nachfüllen des Brennstoffes besticht. Die Leistungsdichte der Zelle bleibt bei Betrieb bei Raumtemperatur jedoch weit hinter der Leistungsdichte des Wasserstoffsystems zurück, so dass die DMFC lediglich für kleinste Leistungen Vorteile bietet. Dem gemäß steht hier die Anwendung in Hybridsystemen mit einer leistungsstarken Li-Ionen-Batterie im Vordergrund, zum Beispiel zur Verlängerung der Betriebsdauer von Handys. Die wichtigsten Arbeiten zur Entwicklung der Direktmethanol-Zelle konzentrieren sich daher auf die Erhöhung der Leistungsdichte durch die Verringerung des Methanol-Transfers durch die polymere Membran und durch die Verbesserung der Katalysatoren für die Methanoloxidation.

Stand der Entwicklung

Die Entwicklung von Brennstoffzellen für die Energieerzeugung tragbarer Geräte ist das jüngste Arbeitsgebiet der Brennstoffzellentechnologie. Dementsprechend liegt der Stand der Arbeiten im Vergleich zur stationären und mobilen Anwendung noch weit zurück. Erste Publikationen aus den USA beziehen sich auf den militärischen Bereich, die Brennstoffzelle dient dort als „power pack“ für den Soldaten, der über Tage von abgelegenen Standorten aus Verbindung mit seiner Einheit aufrechterhalten muss. Erst seit Anfang der 90er Jahre werden Konzepte für Brennstoffzellen als Batterieersatz generell entwickelt und Prototypen vorgestellt. Die Arbeiten der wichtigsten Firmen sind in den folgenden Kapiteln dargestellt, allerdings wird es bereits schwierig, wegen der sich schnell ändernden Szene einen vollständigen Überblick zu geben.

H-Power

Die Produktpalette von H-Power reicht vom kleinen Schulungs- und Demonstrationssystem bis zu einem stationären System für die Hausenergieversorgung. Die Leistung der kompakten Brennstoffzellenstapel reicht von 20 W bis 250 W. Das Konstruktionsprinzip beinhaltet dünne Graphitbipolarplatten, die ein paar Millimeter aus dem Zellstapel herausragen und so gleichzeitig als Kühlrippen dienen können. Dadurch ist der Betreib der Brennstoffzellen trotz ihrer kompakten, geschlossenen Bauweise bei Stromdichten von 100 mA/cm2 möglich und es kann trotzdem auf eine aufwendige Wasserkühlung verzichtet werden. Als Kühlung werden Lüfter eingesetzt, die den Stapel von außen anblasen. Als erstes Produkt wurde ein tragbarer Stromgenerator gebaut, der zum Beispiel zur Stromversorgung im Freizeitbereich dienen könnte (Camping, Segeln). Der verwendete Brennstoffzellenstapel hat eine Leistung von 330 W, für das komplette System bleiben noch 250 W, die aber auch als Wechselstrom zur Verfügung stehen können. Die Entwicklungsarbeit geht derzeit in die 500-W-Klasse. Außerdem wurde für die US Army ein System als Batterieladegerät entwickelt mit 400 Wh/l, dabei kommt ein kleiner Gaszylinder mit Druckwasserstoff zum Einsatz. Mögliche Anwendungen sind Telekommunikation, Repeater-Stationen, Bewegungsmelder, Erschütterungsdetektoren etc.

ZSW

Am ZSW wurde ein Brennstoffzellensystem mit einem Hydridspeicher als Wasserstoffversorgung gebaut mit dem Namen „Power bag“. Es handelt sich hierbei ebenfalls um eine tragbare Stromversorgung. Der Brennstoffzellenstapel hat eine Leistung von 100 oder 200 W. Das ZSW arbeitet im kleinen Leistungsbereich überwiegend an der Entwicklung der DMFC. Hier werden neben der wissenschaftlichen Erarbeitung verbesserter Zellen und Komponenten luftatmende Systeme als Demonstratoren konstruiert. Auf verschiedenen Messen wurde ein Ladegerät für ein Handy vorgestellt.

Novars GmbH

Eine erst kürzlich gegründete Firma ist die Novars GmbH. Die Firma baut kleine Brennstoffzellen mit relativ großen, offenen Luftkanälen, die aus der Entwicklung der Firma Proton Motor stammen. Dadurch können die Zellen im kleinen Leistungsbereich (bis ca. 20 W) luftatmend betrieben werden, für etwas größere Systeme, wie zum Beispiel das in Luzern vorgestellte Hydrocycle mit einer 670W Brennstoffzelle wurde ein zylindrisches Design mit zentral angeordneten Ventilatoren gewählt. Novars ist kürzlich eine Kooperation mit Manhattan Scientifics eingegangen.

Samsung

Samsung stellte die ersten eigenen Entwicklungsarbeiten im letzten Jahr in New Orleans auf der äSmall Fuel Cells Conference“ vor. Als Produkte, die von Brennstoffzellen mit Energie versorgt werden könnten, werden wiederum der Laptop und das Handy genannt.

Energy Related Devices / Manhattan Scientifics

Energy Related Devices ist eine kleine U.S.-amerikanische Forschungsfirma, die von Robert Hockaday gegründet wurde und heute mit rund 10 Mitarbeitern an der Entwicklung kleiner DMFC-Zellen speziell für die Energieversorgung von Handys arbeitet. Basis ist ein Patent zu Herstellung einer speziellen Membran, eine Kunststofffolie mit Poren, die abwechselnd in Zonen mit Ionen leitendem und elektrisch leitendem Material gefüllt werden können.

EnableTM Fuel Cell Corporation (Tochter von DCH)

Die EnableTM -Brennstoffzelle ist ebenfalls ein zylindrisch aufgebauter Brennstoffzellenstapel mit einer Dauerleistung von 10 W auf der Basis von Entwicklungsarbeit, die am Los Alamos National Laboratory geleistet wurde.

Fraunhofer ISE

Am Fraunhofer ISE wurde aufbauend auf den Arbeiten zu Brennstoffzellen für tragbare Computer für die Entwicklung kleiner Energieversorgungseinheiten eigens eine Gruppe „Mikroenergietechnik“ gegründet. Ein Forschungsschwerpunkt der Gruppe Mikroenergietechnik bildet der Wasser- und Wärmehaushalt portabler Brennstoffzellensysteme. Ziel ist hier, alle elektrochemischen und thermodynamischen Vorgänge am Rechner simulieren zu können und die Ergebnisse an Testständen zu untermauern. Die Ergebnisse aus dem Labor und der Simulation bilden die Grundlage für neue Konstruktionen. Abbildung 5 zeigt einige der Einflussgrößen auf Wärme- und Wasserhaushalt, die Extremzustände, Quellen und Senken und die Ansätze, mit denen eine Lösung in der Praxis am Fraunhofer ISE umgesetzt wird. Im Rahmen der „Fraunhofer Initiative Mikrobrennstoffzelle“, an der neben dem Fraunhofer ISE fünf Institute mit ihrem Know-how beteiligt sind, wurde der in Abbildung 6 gezeigte Stack entwickelt. Durch einen einfachen Aufbau, neue Materialien und Dichtungstechniken wird auf die Serienreife und geringe Kosten hin gearbeitet. Es handelt sich um eine selbstatmende Konstruktion, die im Betrieb mit zwei Miniaturlüftern unterstützt wird und maximal 10-12 Watt leistet. Der Stack wird in einem System verwendet, das einen Camcorder mit Energie versorgt. Das System war auf der diesjährigen Hannover Messe ausgestellt (Abbildung 7). Die Entwicklung neuer Peripheriekomponenten und Systemkonzepte zählt ebenfalls zu den Arbeitschwerpunkten des Instituts. Extrem kleine und leistungsfähige DC/DC-Wandler, Druckregelungssysteme und das System-Packaging sind nur einige Beispiele.

Anwendungen

Durch die zunehmende Mobilität werden immer höhere Anforderungen auch an Informationssysteme gestellt. Portable Telefone und tragbare Computer ermöglichen es den Anwendern, den Arbeitsplatz quasi an jeden beliebigen Ort mitzunehmen und ebenfalls komplexe Informationen über lange Distanzen auszutauschen. Völlig neue Produkte sind daher durch eine erweiterte Nutzung des Internet mittels tragbarer Informationsgeräte möglich. Die netzunabhängige Arbeitszeit wird dabei zu einem der wichtigsten Kaufkriterien. Für alle Anwendungen im portablen und im CCC-Bereich sind hohe Leistungsdichten sowie eine hohe Energiespeicherkapazität, geringes Gewicht, sowie eine variable Geometrie des Systems die wichtigsten Parameter. Weitere wesentliche Voraussetzungen sind die schnelle Wiederbefüllung mit den jeweiligen Energieträgern zur Verlängerung der Netzautarkie sowie eine möglichst hohe Anzahl von Lade-/Entladezyklen. Wegen des breiten Produktspektrums in diesem Bereich und des ebenfalls sehr unterschiedlichen Nutzerverhaltens sind die Anforderungen allerdings nur schwer zu konkretisieren und in Zahlen zu fassen. Mögliche Anwendungen sind Mobiltelefone, Laptops, Videokameras, portable Informationsgeräte etc. Die Markteinführung einer neuen Batterie für die Energieversorgung elektronischer Geräte ist wegen der kurzen Lebenszyklen dieser Geräte – beispielsweise rund 2-3 Jahre für tragbare Computer – sehr schnell möglich. Je nachdem, wie wichtig eine verlängerte Laufzeit des elektronischen Gerätes für den Kunden ist, wird er bereit sein, eine teurere, qualitativ hochwertige Batterie mit hoher Speicherkapazität zu kaufen, wie auch Erfahrungen mit der Li-Ionen-Batterie zeigen. Die Randbedingungen sind stark vom Anwendungsgebiet abhängig. Nach einer groben Kostenschätzung auf Basis der heute verfügbaren Daten für die Komponenten eines Brennstoffzellensystems sollte das Kostenniveau der Li-Batterien erreichbar sein.

Dr. Angelika Heinzel, Dr. Chrisopher Hebling, Dipl.-Ing. Mario Zedda
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme

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