PBZ

 IWV

 ZCH

 ZEL

 ZAT

Verantwortlich: Dr. R. Steinberger-Wilckens, PBZ, r.steinberger@fz-juelich.de

Aufgaben und Ziele

Im Rahmen des Vorhabens werden Zellen, Komponenten, Stacks und Systeme für die Hochtemperaturbrennstoffzelle mit Festelektrolyt (SOFC) und für die Niedertemperaturbrennstoffzelle mit Polymerelektrolyt (DMFC bzw. PEFC) entwickelt. Vorrangige Ziele sind eine erhöhte Leistungsdichte, verringerte Degradation (Verbesserung des Langzeitverhaltens), reduzierte Werkstoff- und Herstellkosten, verbessertes Stackdesign und optimierte Anlagentechnik. Dazu gehören die Entwicklung verbesserter Werkstoffe für Zellen und Stacks sowie kostengünstiger Herstellverfahren, die für die Massenproduktion tauglich sind (z.B. Rollcoating, Siebdruck, Foliengießen, Sputtern). Wichtige Aktivitäten fallen in den Bereich der Modellierung mechanischer und thermischer Komponentenbelastungen, der Entwicklung brauchbarer Lebensdauer- und Verhaltensvorhersagen für Einzelkomponenten, aber auch für Brennstoffzellensysteme, und der Bewertung der Entwicklungen im Rahmen der Verfahrens- und Systemanalyse.

Wichtige Ergebnisse im Jahr 2003

• Die Stromdichte der FZJ-SOFC-Zellen konnte mit neuen Kathodenwerkstoffen auf über 1,5 A/cm² (bei 800°C, 0,7V, 5x5 cm² Zellen) erhöht werden. Dadurch war eine gleichbleibende Leistung der eingesetzten Stacks trotz um 100 °C abgesenkter Betriebstemperatur (700°C) möglich. Dies eröffnet neue Potentiale zur Erhöhung der Lebensdauer und Reduktion von Korrosionserscheinungen.
• Der mit Krupp VDM entwickelte Stahl JS-3 wurde unter der Bezeichnung CroFer 22 APU durch VDM vermarktet. Dieses großtechnisch hergestellte Material zeigte allerdings nicht dieselben Eigenschaften wie die erfolgreich eingesetzten Vorläufer-Chargen. Es wurde eine beschleunigte Korrosion beobachtet, die zu vorzeitigem Betriebsende der Stacks führte. Eine detaillierte Analyse der Degradationsvorgänge zeigte, dass der Einfluss von Wasserstoff und die Kombination mit den eingesetzten BaSi-Gläsern notwendige Voraussetzung waren. Mittlerweile stehen neue Qualitäten des Stahls und neue Gläser zur Verfügung, die diese Korrosionsmechanismen nicht mehr fördern.
• Zur Aufklärung der Korrosionspänomene wurden Versuchsanordnungen aufgebaut, mit denen die einzelnen Mechanismen in kurzer Zeit und sehr gezielt untersucht werden konnten.
• Im Rahmen des ZeuS-Projektes (Projektende Juli 2003) wurde ein neues Stack-Design auf Basis von geprägten Blechen entwickelt (G-Design). Die Förderung für die zukünftige Arbeit an diesen extrem leichten Stacks (APU-Anwendungen) konnten 2003 gesichert werden (Projektlaufzeit 2004-2006).
• Die Modellierung einer Stackkonfiguration mit 60 Ebenen wurde erfolgreich implementiert. Durch eine geeignete Aggregierung des Modells konnte eine hohe Detaillierung bei gleichzeitig erheblich verringertem Rechenaufwand erzielt werden. Die zugrundeliegende Methodik wurde zum Patent angemeldet.
• Der weitere Aufbau des 20-kW-Systems erfolgte durch die Inbetriebnahme erster Komponenten-Teststände für Nachbrenner und Vorreformer. Das Konzept zur thermischen Isolierung der Stacks bei gleichzeitiger Integration aller ‚heißen' Komponenten in eine thermische Hülle wurde entworfen und auch diese Entwicklung zum Patent angemeldet.
• Schließlich wurde der Vertrag für das durch die EU geförderte Projekt Real-SOFC unterzeichnet, das auf eine wesentliche Erhöhung der Lebensdauer von in SOFC-Stacks eingesetzten Materialien abzielt. Dieses Projekt läuft bis Jan. 2008. FZJ ist Koordinator dieses Projektes, das weitere 25 europäische Partner umfasst.

• Im Bereich der Entwicklung von Direktmethanolbrennstoffzellen (DMFC) konnte der Edelmetallbedarf bei gleicher Leistungsdichte durch Kohlenstoff-geträgerte Elektrokatalysatoren und Optimierung der Membran-Elektroden-Einheit halbiert werden. Dabei wurde der Herstellungsprozess für die Gasdiffusionselektroden, auch für PEFC-Anwendungen, auf maschinelle Fertigung (Deskcoater) umgestellt. Dies war insbesondere durch die Entwicklung von feindispersiven, stabilen Katalysatorsuspensionen möglich.
• Ein DMFC-Short-Stack mit einer Einzelelektrodenfläche von 310 cm² und bipolaren Platten aus expandiertem Grafit wurde erfolgreich getestet und zeigte eine wesentliche Steigerung der Leistungs- bzw. Energiedichte.
• In der Entwicklung von PEFC-Stacks wurden in den Punkten Strömungsverteilung, Dichtung, Befeuchtungskonzept und Wärmemanagement Fortschritte erzielt und in die Auslegung und Konstruktion eines 5 kW Stacks umgesetzt.

• Ein Brenngaserzeugungssystems für Diesel im Leistungsbereich 1 - 5 kWel wurde ausgelegt und gebaut (autothermer Reformer, Wassergas-Shiftreaktor, Reaktor zur partiellen CO-Oxidation und katalytischer Nachbrenner). Der autotherme Reformer produziert während eines Warmstarts bei 350°C bereits nach 1 min. 95% des angeforderten Wasserstoffs. Er weist eine Leistungsdichte von 2 kWel/Liter auf.
• Für die Shiftreaktion wurden verschiedene Katalysatoren untersucht. Der aktivste weist bei 280°C und Raumgeschwindigkeiten von 12.000 1/h Umsätze von 85% (Produktkonzentrationen 0,9%) auf. Zwei Katalysatoren wurden in einem Shiftreaktor im 3 kW-Maßstab bei einer Leistungsdichte von 1 kWel/Liter erfolgreich getestet.

• Die Erreichbarkeit vorgegebener Kostenziele ist für Brennstoffzellen neben Aspekten der Lebensdauer, des Wirkungsgrades und der Umweltverträglichkeit die wichtigste Fragestellung. Hierzu wurde ein techno-ökonomisches Kostenmodell auf der Basis einer neu entwickelten Benchmarking-Methodik für PEFC-Materialien erstellt.
• Der zukünftige Einsatz von Brennstoffzellen in Fahrzeugen steht im Zusammenhang mit der Bereitstellung nicht-konventioneller Kraftstoffe. Internationale Studien hierzu wurden bewertet und Ethanol, Fischer-Tropsch-Diesel und Methanol einer weiteren Analyse unterzogen. Prozessanalysen dienten der dynamischen Simulation einer SOFC-basierten Bord-Stromerzeugung (APU) sowie dem Einsatz von Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC, MCFC) für wasserstoffreiche "Abfallgase" der Chemieindustrie.