Date post: | 02-Jul-2015 |
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L-B-Systemtechnik
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Martin Zerta, Dipl. Ing. (FH)
Brennstofzellen-Stack
L-B-Systemtechnik GmbHOttobrunn/Dresden
Brennstoffzellentechnologie im Automobilbau
L-B-Systemtechnik
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DER BRENNSTOFFZELLEN-
STACK
DER BRENNSTOFFZELLEN-
STACK
Brennstoffzellentechnologie im Automobilbau
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Kühlung:
• Luftkühlung
• Wasserkühlung
Design:
• Planar
• Tubular
• weitere
INHALT:INHALT:
Brennstoffzellentechnologie im Automobilbau
Brennstoffzellen-Stack
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KÜHLUNGKÜHLUNG
Typische Leistung heute: bis zu 0,8 Wel/cm² je Zelle @ 0,7 V
--> ~ 1 Wth/cm² je Zelle
erzeugte Wärme => irreversiblen Zellverlusten
Kühlung (Luft)
Produktwasserverdampfung/-verdunstung
Wärmekapazität der zugeführten Gase
WÄRMEBZ-STACK
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Brennstoffzellen-Stack
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BZ-Stack
Kühlgebläse
BZStack
Kühler mit Gebläse
Ionen-tauscher
Pumpe
KÜHLUNG MIT FLÜSSIGKEITKÜHLUNG MIT FLÜSSIGKEIT
LUFTKÜHLUNGLUFTKÜHLUNG
KÜHLUNG:
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Brennstoffzellen-Stack
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Beispiel: Dimensionierung der Kühlkanäle - ZSW Stack
Kühlleistung: 370 W ( 25 x 25 cm aktive Zellfläche)
Parallele Kühlkanäle mit: Länge = 25 cm, Breite= 5 mm
Erforderliche Höhe der Kühlkanäle: Luftkühlung: 0,4 mmWasserkühlung: 0,2 mm
Vergleich eines wassergekühlen Stacks (vorne) und eines luftgekühlen Stacks (hinten) von ZSW
Jede Zelle des luftgekühlten Stacks ist 0,4 mm dicker als eine wassergekühlte Zelle!
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Brennstoffzellen-Stack
Stack-KühlungStack-Kühlung
Quelle: ZSW
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LUFTKÜHLUNGLUFTKÜHLUNG
Getrennte Zuluftströme für Kühlung und Kathode
Gemeinsamer Zuluftstrom für Kühlung und Kathode
Besonders favorisiert für mobile Anwendungen:
- Unabhängige Steuerung von Kathoden- und Kühlluft (Reaktionsgaszufuhr und TStack) abhängig von TUmgebung, TStack und der Stackleistung.
- Hohe Empfindlichkeit der Reaktionsluft gegenüber Verunreinigungen (Staub) und Feuchtegehalt. -> Bei gemeinsamen Zuluftstrom sind Filter zum Schutz einer Verunreinigung der Kathode notwendig.
- Während die Mehrheit der Entwickler von Luftkühlsystemen die Trennung der Zuluftströme bevorzugt, entwickelte die Firma Proton Motor, sowie NovArs, Hydrocell (ehem. Cellpower) sowie andere Unternehmen eine Kombination von Kathoden- und Kühlluftstrom.
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Brennstoffzellen-Stack
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Brennstoffzellentechnologie im Automobilbau
Brennstoffzellen-Stack
LUFTKÜHLUNGLUFTKÜHLUNG
Quelle: Siemens
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LUFTKÜHLUNGLUFTKÜHLUNG
EC-Projekt mit Siemens, ECN (NL) und PSI (CH) für die Entwicklung und Demonstration von effizienten,
hochdruckbetriebenen BZ geeignet für die einfache und billige Massenfertigung (Automobil).
Rahmenbedingungen - Annahmen:
- Leistung: 0,35 Wel/cm²
- 4 kWel (6,2 kWel); H2/Luft; 1,5 bara
- Automatisierte Fertigung: 100.000 Stacks pro Jahr
Rahmenbedingungen - Annahmen:
- Leistung: 0,35 Wel/cm²
- 4 kWel (6,2 kWel); H2/Luft; 1,5 bara
- Automatisierte Fertigung: 100.000 Stacks pro Jahr
Ergebnis:
Materialkosten: 36 Euro/kWel möglich (heute: 2.800 Euro/kWel)
1,8 l/kWel; 2,0 kg/kWel (100 Zellen)
Ergebnis:
Materialkosten: 36 Euro/kWel möglich (heute: 2.800 Euro/kWel)
1,8 l/kWel; 2,0 kg/kWel (100 Zellen)
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LUFTKÜHLUNGLUFTKÜHLUNG
Ballard - Nexa- Modul; 1,2 kWel @26 V, 46 A; 13 kg; DCH-Enable, 20 Wel
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LUFTKÜHLUNGLUFTKÜHLUNG
NovArs-Manhattan Scientifics
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WASSERKÜHLUNGWASSERKÜHLUNG
Haupprobleme:
• Deionisierung des Kühlwassers (geringe elektrische Leitfähigkeit; Ablagerungen)
• Gefriergefahr
• Siedepunkt
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WASSERKÜHLUNGWASSERKÜHLUNG
Separate Kühlelemente, -platten Integrierte Kühlkanäle
Kohlenstoffverbundmaterial Metallische Bipolar-Platten
Bipolar Platte
Gaskanäle - Wasserstoff
Gaskanäle - Luft (Sauerstoff)
Kühlkanäle - Wasser
KühlkanalH2 H2 H2 H2
O2 O2 O2
Anode
Kathode
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BZ-STACK DESIGN
BZ-STACK DESIGN
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• Planar (Plattenkonzept)
• Tubular (Röhrenkonzept)
• Weitere
BZ-DesignBZ-Design
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Das planare Zell-Designkonzept
Quelle: GM/Opel
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-> AFC, DMFC, MCFC, SOFC, PAFC, PEMFC
Das Planare Zell-Designkonzept
- Elektrolyten
- Elektroden: Gasdiffusionsschicht + Katalysator*
- Bipolar Platten - Separatoren - Stromsammler
- Stackendplatten
* alternativ kann der Katalysator direkt auf dem Elektrolyten aufgetragen werden
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Brennstoffzellen-Stack
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Source: Ceramic Fuel Cells
Planar cell design
Ceramic Fuel Cells LTD
Planar cell design
Global Thermoelectric
Source: Global Thermoelectric / Research Institute Juelich
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Brennstoffzellen-Stack
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-> SOFC, PEMFC
Das tubulare Zell-Designkonzept
- Elektrolyten
- Elektroden: Gasdiffusionsschicht + Katalysator*
- Bipolar Platten - Separatoren - Stromsammler
- Stackendplatten
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TUBULAR DESIGN
Source: Siemens Westinghouse
Source: www.fluent.com
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Brennstoffzellen-Stack
Tubulare DesignTubulare Design
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www.lbst.deQuelle: Mitsubishi Heavy Industr.
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Brennstoffzellen-Stack
Beispiele: tubulare Zellentwicklungen - SOFC
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Brennstoffzellentechnologie im Automobilbau
Brennstoffzellen-Stack
Beispiel: tubulare Zellentwicklungen - SOFC
Cylindrical design
Modified design,
flattened geometric
Tubular SOFC evolution - Siemens Westinghouse
Source: Siemens Westinghouse
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Beispiele: tubulare Zellentwicklungen - PEMFC
Quelle: H2 Interpower
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Brennstoffzellen-Stack
Luftgekühlt
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Beispiel für alternatives BZ-Design-Varianten:
Quelle: Avista Labs
PEMFC
ModulbauweiseModulbauweise
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Brennstoffzellen-Stack
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Websites der L-B-Systemtechnik
Informationen zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen:www.HyWeb.de www,HyNet.info
Informationen zum Thema fossile Energieträger:www.Energiekrise.de
Informationen zur Brennstoffzelle:www.innovation-brennstoffzelle.de
Informationen zu Wasserstoff-Projekten:www.h2guide.de
Alle Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Fahrzeuge:www.h2cars.de