Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTSBestnoten für Brennstoffzellen-Demonstrator im stationären Energiemarkt
Die Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie wird künftig eine wesentliche Rolle bei Fragen der Energieversorgung spielen. Um die Marktvorbereitung von Produkten auf Basis von Hochtemperaturbrennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cell) für den stationären Energiemarkt entscheidend zu beschleunigen, müssen effiziente und stabile Systeme verfügbar sein. Im Rahmen des Gemeinschaftsprojekts »SOFC20« gelangen nun der Aufbau und die Demonstration eines leistungsfähigen Brennstoffzellensystems, welches erstmalig auf der diesjährigen Hannover Messe am Stand 27/D57 präsentiert wird.
Unter Verwendung einer am Fraunhofer IKTS entwickelten CFY-Stack-Technologie für den Leistungsbereich 5 bis 100 kW und höher wurde so ein Brennstoffzellensystem mit einer elektrischen Leistung ≥ 5 kW aufgebaut und über 1000 h stabil betrieben.
Durch die Optimierung der Fertigungsprozesse sowie die Entwicklung und den Einsatz neuer Werkstoffe, wie beispielsweise für CFY-Interkonnektoren mit integrierten Schutzschichten der Firma Plansee SE, MEA-Elektroden des Fraunhofer IKTS und spezielle Glaslote der Schott AG können CFY-Stacks mit einer erhöhten Stackleistung von bis zu 850 W/Stack reproduzierbar gebaut werden. Während einer Testzeit von bis heute 18 000 h, ist beim Betrieb eines Stacks in einer HotBox eine Degradation von < 0,7 %/kh bei 35 A und einer Brenngasnutzung von 75 % ermittelt worden.
»Das Stack-Modul, welches das erforderliche Spannungsniveau sowie die erforderliche Leistung für den SOFC20-Demonstrator liefert, wurde komplett neu entwickelt und wird nun erstmals in Hannover der Öffentlichkeit präsentiert«, sagt Dr. Mihails Kusnezoff, Leiter der Abteilung Werkstoffe und Komponenten am Fraunhofer IKTS.
Durch die bei der AVL GmbH und am Forschungszentrum Jülich durchgeführten Simulationen konnte ein besonders einfaches und effizientes System unter anderem durch Nutzung der heißen Anodengasrezirkulation bis 600 °C ausgelegt werden. Nach der Entwicklung des Zellstapelmoduls erfolgte in drei Iterationsstufen inklusive einer Komponentenoptimierung der Systembetrieb über 1000 Stunden ohne Degradation.
»Die Betriebsdaten aller Systemkomponenten stimmten hervorragend mit den Ergebnissen der Einzeltests überein« resümiert Prof. Ludger Blum vom Forschungszentrum Jülich.
Vom Demonstrator zum Produkt
Die Netto-Spitzenleistung von 5,1 kWel DC sowie ein Netto-Wirkungsgrad von 46 %el DC wurden demonstriert. Eine nachträgliche Systemanalyse ergab, dass die Steigerung der Stack-Modul-Effizienz, die Verringerung der Wärmeverluste und der Rezirkulationsrate zu Wirkungsgraden von über 50 % führen werden.
Zusammenfassend stellt der Leiter der Brennstoffzellenentwicklung bei AVL, Jürgen Rechberger, fest: »Die Projektpläne für die Weiterentwicklung zur Produktreife für 5 und 20 kW Systeme sind ausgearbeitet. Ebenso ist eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung durchgeführt worden. Aktuell werden diese Informationen mit verschiedenen Industrieunternehmen diskutiert, um den nächsten Schritt zu gehen: vom Demonstrator zum Produkt.«