KOMPONENTEN 38 AUTOMOBIL-ELEKTRONIK Juni 2007 Potenziale der Brennstoffzellen- APU für zukünftige Bordnetze Der Bedarf an immer größerer Elektrischer Leistung treibt die Entwicklung neuer Energiekonzepte zur Stromerzeugung voran. EIN LÖSUNGSWEG KÖNNTE DIE mit Benzin betriebene keramische SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) BRENNSTOFFZELLE SEIN. D ie heutige Stromerzeugung im Auto verlangt, angesichts des wachsenden Strombedarfs, nach immer größerenGeneratoren und kom- plizierten mechanischen Riemenantrie- ben, was den Wirkungsgrad des Gesamt- systems Automobil verringert. Die stei- gende Leistung, zum Antrieb des Genera- tors und der anderen Nebenaggregate, hat bei niedrigen Motordrehzahlen deut- lichen Einfluss auf Fahrdynamik, Kom- fort, Abgas und Verbrauch. Die im Fahr- zeug häufig verwendete mechanische Energieübertragung wird durch Einsatz von bedarfsgerechten elektrischen Syste- men immer haufiger ersetzt, was zu wei- terem Anstieg des Strombedarfs führt. Brennstoffzellen-Systeme für die Bordnetz-Energieversorgung Die Brennstoffzelle bietet die Möglichkeit der direkten Umwandlung der im Kraft- stoff gebundenen chemischen Energie in elektrische Energie durch die technische Umkehrung der Elektrolyse. D.h., anstatt mit Hilfe des elektrischen Stroms Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspal- ten, entsteht bei der elektrochemischen. Verbindung der beiden Gase direkt Strom, ohne den sonst üblichen Umweg über einen thermodynamischen Prozess. Dabei kann dieser elektrochemische Energiewandler im Gegensatz zu einer Batterie solange Strom liefern, wie Brennstoff aus einem Tank bezogen wer- den kann. Der modulare Aufbau einer Brennstoffzellen-Batterie ermöglicht es, sie optimal an die spezifischen Anforde- rungen zukünftiger Bordnetze bzgl. Spannung und Leistung anzupassen. Die gewünschte Bordnetzspannung wird durch entsprechende Anzahl der sand- wichartig in Reihe geschalteten Einzel- zellen, mit Nennspannung von 0,7 Volt, festgelegt. Die elektrische Leistung einer Zelle variiert je nach Größe der aktiven Zellfläche und Höhe der spezifischen Stromdichte. Bei heute erreichbaren Dauerströmen luftgekühlter Generato- ren von 200A ist die erforderliche Zellflä- che etwa 200cm², für eine Brennstoffzel- le mit realisierbarer Stromdichten von 1A/cm². Die wesentlichen Vorteile von Brennstoffzellen für das Bordnetz sind im Vergleich mit dem Generator: 1. Der Strom wird mit einem höheren Wirkungsgrad bereitgestellt als über den konventionellen Weg „Motor, Generator und Batterie“. Dies trägt zu einer Redukti- on von Kraftstoffverbrauch und Emissio- nen bei. Im Vergleich zu motorgetriebe- nen Generatoren braucht ein Brennstoff- zellen-System nur die Hälfte des Kraft- stoffs bei gleicher Elektrischer Leistung. 2. Sie kann motorunabhängig betrieben werden. Dieses eröffnet, neben der gleich- mäßigen Energieversorgung des Bord- netzes, völlig neue Möglichkeiten für Zu- Solid Oxid Fuel Cell (SOFC) für Benzin und Diesel zur Bordnetz Stromver- sorgung
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KOMPONENTEN
38 AUTOMOBIL-ELEKTRONIK � Juni 2007
Potenziale der Brennstoffzellen-APU für zukünftige Bordnetze Der Bedarf an immer größerer Elektrischer Leistung treibt die Entwicklung neuer Energiekonzepte zur Stromerzeugung voran. EIN LÖSUNGSWEG KÖNNTE DIE mit Benzin betriebene keramische SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) BRENNSTOFFZELLE SEIN.
D ie heutige Stromerzeugung im Auto verlangt, angesichts des wachsenden Strombedarfs, nach
immer größerenGeneratoren und kom-plizierten mechanischen Riemenantrie-ben, was den Wirkungsgrad des Gesamt-systems Automobil verringert. Die stei-gende Leistung, zum Antrieb des Genera-tors und der anderen Nebenaggregate, hat bei niedrigen Motordrehzahlen deut-lichen Einfluss auf Fahrdynamik, Kom-fort, Abgas und Verbrauch. Die im Fahr-zeug häufig verwendete mechanische Energieübertragung wird durch Einsatz von bedarfsgerechten elektrischen Syste-men immer haufiger ersetzt, was zu wei-terem Anstieg des Strombedarfs führt.
Brennstoffzellen-Systeme für die Bordnetz-Energieversorgung Die Brennstoffzelle bietet die Möglichkeit der direkten Umwandlung der im Kraft-stoff gebundenen chemischen Energie in
elektrische Energie durch die technische Umkehrung der Elektrolyse. D.h., anstatt mit Hilfe des elektrischen Stroms Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspal-ten, entsteht bei der elektrochemischen. Verbindung der beiden Gase direkt Strom, ohne den sonst üblichen Umweg über einen thermodynamischen Prozess. Dabei kann dieser elektrochemische Energiewandler im Gegensatz zu einer Batterie solange Strom liefern, wie Brennstoff aus einem Tank bezogen wer-den kann. Der modulare Aufbau einer Brennstoffzellen-Batterie ermöglicht es, sie optimal an die spezifischen Anforde-rungen zukünftiger Bordnetze bzgl. Spannung und Leistung anzupassen. Die gewünschte Bordnetzspannung wird durch entsprechende Anzahl der sand-wichartig in Reihe geschalteten Einzel-zellen, mit Nennspannung von 0,7 Volt, festgelegt. Die elektrische Leistung einer Zelle variiert je nach Größe der aktiven
Zellfläche und Höhe der spezifischen Stromdichte. Bei heute erreichbaren Dauerströmen luftgekühlter Generato-ren von 200A ist die erforderliche Zellflä-che etwa 200cm², für eine Brennstoffzel-le mit realisierbarer Stromdichten von 1A/cm². Die wesentlichen Vorteile von Brennstoffzellen für das Bordnetz sind im Vergleich mit dem Generator: 1. Der Strom wird mit einem höheren Wirkungsgrad bereitgestellt als über den konventionellen Weg „Motor, Generator und Batterie“. Dies trägt zu einer Redukti-on von Kraftstoffverbrauch und Emissio-nen bei. Im Vergleich zu motorgetriebe-nen Generatoren braucht ein Brennstoff-zellen-System nur die Hälfte des Kraft-stoffs bei gleicher Elektrischer Leistung. 2. Sie kann motorunabhängig betrieben werden.
Dieses eröffnet, neben der gleich-mäßigen Energieversorgung des Bord-netzes, völlig neue Möglichkeiten für Zu-
Solid Oxid Fuel Cell (SOFC) für Benzin und Diesel zur Bordnetz Stromver-sorgung
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satzfunktionen, wie z.B. eine Standkli-matisierung.
Keramische Brennstoffzellen für Benzinfahrzeuge. Bedingung für einen breiten Marktein-satz einer Brennstoffzelle als APU (Auxi-liary Power Unit) ist die die Verwendung von herkömmlichem Motorenkraftstoff. Die derzeit als Stromquelle für Elektro-fahrzeuge favorisierte PEM-Brennstoff-zelle (Polymer Electrolyte Membrane) ist dabei nur begrenzt geeignet, da zu deren Betrieb Wasserstoff höchster Reinheit be-nötigt wird. Bei der keramischen SOFC (Solid Oxide Fuel Cell)(Bild 1) reicht durch die geringe Empfindlichkeit der Zelle gegenüber Verunreinigungen ein einfacher POx-Reformer (Partielle Oxi-dation) zur Aufbereitung des Motoren-kraftstoffs aus. Der Transport der Sauer-stoff-Ionen durch den Elektrolyten der SOFC ermöglicht die katalytische Oxida-tion auf der Brenngas-Seite. Dadurch nutzt die SOFC, neben Wasserstoff auch das im Synthesegas des Reformers zu-sätzlich enthaltene Kohlenmonoxid zur Stromproduktion. Weitere Reinigungs-schritte sind nach dem Reformierungs-prozess für die SOFC generell nicht erfor-derlich. Die hohe Arbeitstemperatur ei-nes SOFC-Stacks von 650 bis 800°C ist zwar für den schnellen Kaltstart der APU ein Nachteil, aus Gesichtspunkten des Wärmehaushalts und der Kühlung des Stacks von Vorteil. Die bei der Reaktion an den Elektroden entstehende Wärme wird über die überschüssige Reaktions-luft und das Abgas vollständig abgeführt.
Bild1: Funktionsweise einer Brennstoffzelle.
Externe Kühler und ein Schutz vor Ein-frieren des Systems sind überflüssig. Das Brennstoffzellen-System kann somit als autarkes Komplettsystem in einer wär-meisolierten Box im Fahrzeug integriert werden und ist nur über Medien- und Stromanschlüsse verbunden. Notwendi-ge Schritte für die Serienentwicklung. Nach weniger als zwei Jahren Entwick-lungszeit konnte BMW bereits im Febru-ar 2001 das weltweit erste Fahrzeug vor-stellen, dessen Bordnetz von einer ben-zinbetriebenen SOFC-APU (APU=Auxi-liary Power Unit) versorgt wird. Das Sys-tem wurde gemeinsam mit dem ame-
rikanischen Automobilzulieferer Delphi entwickelt und in einen BMW 750iL in-tegriert. Die SOFC-APU bestand im We-sentlichen aus folgenden Komponenten: � Vier SOFC-Stacks à 15 Zellen mit Gas-
verteilereinheit zur Stromerzeugung � Reformer zur Umwandlung von Ben-
zin in wasserstoffreiches Synthesegas � Wärmetauschereinheit zur Vorkonditio-
nierung der Reaktionsluft und katalyti-schen Nachverbrennung des Abgases
� Luftversorgungsanlage mit Gebläse und Regelventilen
� Thermisch isoliertes Gehäuse für das gesamte SOFC-System
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ten Strukturanalysen ermittelt und auf die konstruktive Auslegung des Stacks übertragen. Besonders die Abdichtungen der keramischen Funktionsschichten ge-genüber den metallischen Interkonnek-toren erforderten umfangreiche Ana-lysen und Versuche. Der aktuelle Status hat gezeigt, dass mit dem SOFC-Design von Delphi wiederholtes thermisches Zy-klieren mit Aufheizzeiten unter 20 Minu-ten möglich ist, ohne das Undichtigkeiten auftreten. Weitere Tests sind noch not-wendig, um das Langzeitverhalten der Dichtungen und Materialien sowie den Einfluss auf die elektrochemische Stabili-tät sicher zu beherrschen. Delphi und BMW sind daher auch daran interessiert, mit alternativen Stack-Designs und Fer-tigungstechnologien die Grenzen der SOFC-Technologie für den Fahrzeugein-satz auszuloten. Als sehr aussichtsreich hat sich eine SOFC auf einem Metall-Trä-gersubstrat, das in die metallische Bipo-larplatte eingeschweißt wird, erwiesen. Die keramischen Funktionsschichten
� Elektronische Regelungs- und Steue-rungseinheit
Obwohl die Funktion der SOFC-APU mit Benzin prinzipiell nachgewiesen wurde, konnten die für den mobilen Einsatz not-wendigen technischen Anforderungen nur durch eine völlige Neukonstruktion
auch bei Volumen und Gewicht des Stacks, erzielt wurden, bleiben ther-misches Zyklieren (>5000 mal) und schneller Kaltstart (<10 Minuten) die größte technischen Herausforderung für eine Anwendung der SOFC-Technologie als APU für Benzin- und Dieselfahrzeuge. Bezüglich Wirtschaftlichkeit können Brennstoffzellen noch nicht mit konven-tionellen Systemen konkurrieren. Des-halb sind für eine Markteinführung neue kundenwertige Innovationen notwen-dig, bei der die Vorteile der BZ-APU zum Tragen kommen.
Standklimaanlage (SKA) als hochwer-tige Funktion zur Markteinführung Durch die sehr wertige Standardausstat-tung der heutigen Pkw hat sich die Suche nach weiteren innovativen und wertigen Funktionen verstärkt. Ein neues Kom-fortelement ist die Standklimatisierung. Damit ist die SKA mit optionaler Stand-heizfunktion eine ideale Einstiegsapp-likation für die Benzin(BZ)-APU. Ohne Klimakomfort im Innenraum wird der Kunde weitere Features wie Parking Car Info- und Entertainment, Office-Funk-tionen und neue Lichtkonzepte kaum nutzen. Die Sicherstellung eines ausrei-chenden Standklimakomforts kann nur über eine leistungsstarke BZ-APU er-reicht werden. Die APU muss dabei den Elektrischen Klimakompressor (EKK), das Heizungsgebläse, den Elektrolüfter am Kondensator und das Klimagerät mit Strom versorgen. Unter Heißlandbedin-gungen muss die BZ-APU für eine an-spruchsvolle Standklimatisierung 4 bis 5 kW elektrische Leistung zur Verfügung stellen können. Die anfänglich relativ ho-hen Kosten der SKA mit BZ-APU auf Grund des doch nicht unbeträchtlichen technischen Aufwandes stellen ein Han-dikap dar. Wegen des hohen Kundennut-zen der SKA werden sich genügend Käu-fer finden, wodurch eine wichtige Ini-tialfunktion zur Markteinführung von Brennstoffzellen gegeben ist.
Einsatzpotenziale für zukünftige Bordnetze Ziel der nahen Zukunft wird sein, die Po-tenziale der APU über die aufgezeigten kundenwertigen Funktionen hinaus aus-zuschöpfen und positiven Einfluss bei der Energieversorgung des konventionellen Bordnetzes zu nehmen. Grundlage für je-de Energiemanagementfunktion im Kraftfahrzeug ist die effiziente Erzeugung der elektrischen Energie, die intelligente Verteilung und optimale Speicherung für eine maximale Verfügbarkeit und Zuver-lässigkeit. Ein von Motordrehzahl
Bild3: Der BMW 750hl bekommt eine Brenn-stoffzelle APU (Auxiliary Power Unit) mit 5kw.
Bild2: Die SOFC-APU der zweiten Generation.
Thermisches Zyklieren und schneller Kaltstart sind die großen technischen Herausforderungen der SOFC-Brennstoffzelle als APU für Benzin- und Dieselfahrzeuge.
der in der APU-Box enthaltenen System-komponenten erreicht werden.
Die zweite Generation Mit Delphi wurde ein in Volumen und Gewicht um 75% reduziertes System in nur 18 Monaten Entwicklungszeit konzi-piert. Neben einer Optimierung des APU-Gesamtsystems liegt der Schwerpunkt vor allem bei der Entwicklung eines au-tomobilgerechten SOFC-Stacks. Gemein-sam mit BMW untersucht Delphi hierzu verschiedene neue SOFC-Konzepte, die in Hinblick auf Kosten, Funktionalität und Herstellungsqualität speziell auf die Anforderungen beim Pkw zugeschnitten sind. Für die SOFC-APU der zweiten Ge-neration wird ein Stackkonzept mit dün-nen Edelstahl-Interkonnektoren und op-timierter Gasverteilung entwickelt, das auf die hohen Anforderungen an das SOFC-Gesamtsystem bzgl. Bauraum (50 Liter) und Gewicht (50kg) zugeschnitten ist (Bild2). Bei der Konstruktion wurde die Notwendigkeit zu schnellen Tem-peraturwechseln, insbesondere beim Kaltstart des Systems, berücksichtigt. Die hohen thermomechanischen Spannun-gen infolge der großen Temperaturgra-dienten im Stack wurden mit detaillier-
tigungsverfahren, da sehr dünne Zell-schichten produziert werden können und ein zeitintensives Sintern der Zellen entfällt. Die Entwicklung dieser SOFC er-folgt in enger Kooperation von BMW und Delphi mit ElringKlinger AG, Rhodi-us GmbH, ThyssenKrupp, DLR e.V. und Stainless (Nirosta und VDM unterstützt durch das Forschungszentrum Jülich).
Obwohl große Fortschritte bei der Entwicklung der SOFC-Zellen selbst, als
werden hierbei mittels Vakuum-Plasma-Spritzen (VPS) auf eine vorgefertigte Zelle aufgetragen. Der Vorteil liegt bei der höheren Flexibili-tät beim Fer-
unahbhängiger konstanter Energiebei-trag durch die APU würde den Generator entlasten und aufgrund des höheren Wir-kungsgrads zu einer weiteren Verringe-rung des Kraftstoffverbrauchs führen. Auf notwendige Eingriffe zur Sicherstel-lung der Energieversorgung wie Anhe-bung der Leerlaufdrehzahl kann dann verzichtet werden. Mit Unterstützung der APU kann der Energiedurchsatz durch die Batterie harmonisiert und so-mit die Zyklenzahl, Entladetiefe und die Stärke der Entladeströme reduziert wer-den (Bild4)(((Bild 4 Abbildung10)). Dies trägt zur Erhöhung der Batterielebens-dauer bei. Bei zukünftig vermehrtem Einsatz einer Motor-Start-Stopp-Funk-tion kann mit einer APU die Batterie ge-schont werden. Mit einer bedarfsgerech-te Einschaltstrategie der SOFC-APU wäre die Startfähigkeit, auch bei längeren Standzeiten sichergestellt, sofern die ge-setzlichen Rahmenbedingungen dies er-laubt. Ein zunehmend wichtiger Punkt in der Fahrzeugentwicklung ist die Bord-netzstabilität. Abhängig von der Reakti-onszeit der SOFC-APU könnten größere Lastspitzen und die damit verbundenen Spannungseinbrüche im Bordnetz abge-schwächt werden. Die für zukünftige An-wendungen wie X-By-Wire geforderte Versorgungssicherheit durch redundante Energieversorgung wäre durch den Ein-satz einer APU zusammen mit dem Gene-rator eine denkbare Lösung. Hierbei muss allerdings berücksichtigt werden, dass die SOFC-APU nach einem Kaltstart nicht sofort Strom liefert sondern für den Start erst einmal elektrische Energie be-nötigt. Dies stellt bei der SOFC-Technolo-
Zu erwartender elektrischer Leistungsbedarf im Pkw
gie aufgrund ihrer hohen Betriebstem-peratur die größte Herausforderung dar.
Chance für den Massenmarkt Die Möglichkeit der Einführung der Brennstoffzelle im Pkw ist dort am größ-ten, wo die von ihr erzeugte elektrische Energie direkt eingesetzt werden kann, nämlich im Bordnetz. Gründe hierfür sind signifikante Vorteile einer BZ-APU für den Kunden hinsichtlich der motor-unabhängigen Verfügbarkeit elektrischer Funktionen, wie z.B. einer Standklimati-sierung, und das Kraftstoff-Einspar-potenzial aufgrund des hohen Wirkungs-grades bei der Stromerzeugung. Aus technischer Sicht verspricht die SOFC-Technologie hier den größten Erfolg, vor allem wenn es darum geht, die bis auf weiteres bestehende Kraftstoffinfrastruk-tur –Benzin bzw. Diesel– zu nutzen. Auch wenn sich die SOFC-APU noch in einem frühen Entwicklungsstadium befindet, hat sie das Potenzial für einen Paradig-menwechsel bei der Bordnetz-Stromver-sorgung. Das heißt: Wenn thermische Zy-klierbarkeit, Start-Up-Zeit und Kosten die Anforderungen im Automobilbau er-füllen, könnte die Brennstoffzelle lang-fristig den Generator im Fahrzeug ergän-zen oder sogar ersetzen. (tk) Autoren: Dipl.-Ing. J. Tachtler, Dipl.-Phys. T. Zweimüller, Dr.rer.nat. R. Höppler BMW Group, München
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