brennstoffzellen für portable anwendungen · 2015. 2. 2. · forschungszentrum jülich in der...
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Forschungszentrum Jülich in der Helmholtz-Gemeinschaft
Institut für Energieverfahrenstechnik (IWV-3)
Brennstoffzellen für portable Anwendungen
J. Mergel
Forschungszentrum Jülich GmbHInstitut für Energieverfahrenstechnik (IWV-3)
52425 Jülich
Institut für Energieverfahrenstechnik (IWV-3)
Forschungszentrum Jülich in der Helmholtz-Gemeinschaft
Ringvorlesung “Zukunftstechnik Brennstoffzelle”29. April 2004, Köln
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Brennstoffzellen für portable AnwendungenBrennstoffzellen für portable AnwendungenBrennstoffzellen für portable Anwendungen Brennstoffzellen für portable Anwendungen ????????????Smart Fuel Cell to present new portable product during CeBIT Computer Show
Smart Fuel Cell präsentiert marktreife Produkte
Die Zukunftstechnologie Brennstoffzelle erobert den MarktMünchen, 26. August 2003. Das weltweit erste Brennstoffzellen-System für den privaten Gebrauch ist ab September auf dem Markt: Technologieführer SFC Smart Fuel Cell AG (SFC) präsentiert die innovative Technologie zusammen mit Hymer, dem Marktführer für Reisemobile auf dem Caravan Salon Düsseldorf (30.08.- 07.09.) in Halle 17.
oshiba topresent la
test fuel c
ell notebook durin
g CeBIT
uter show
Fuel-Cell Tech May Be Coming SooncT
omp
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Brennstoffzellen für portable AnwendungenBrennstoffzellen für portable Anwendungen
•• EinleitungEinleitung
•• Zielgrößen, technische HerausforderungenZielgrößen, technische Herausforderungen
•• DMFC Entwicklung am Forschungszentrum JülichDMFC Entwicklung am Forschungszentrum Jülich
•• AusführungsbeispieleAusführungsbeispiele für portable Anwendungen für portable Anwendungen (PEFC/IMFC/DMFC)(PEFC/IMFC/DMFC)
•• Zusammenfassung und AusblickZusammenfassung und Ausblick
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Brennstoffzellen für portable AnwendungenBrennstoffzellen für portable Anwendungen
•• EinleitungEinleitung
•• Zielgrößen, technische HerausforderungenZielgrößen, technische Herausforderungen
•• DMFC Entwicklung am Forschungszentrum JülichDMFC Entwicklung am Forschungszentrum Jülich
•• AusführungsbeispieleAusführungsbeispiele für portable Anwendungen für portable Anwendungen (PEFC/IMFC/DMFC)(PEFC/IMFC/DMFC)
•• Zusammenfassung und AusblickZusammenfassung und Ausblick
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DMFC für DMFC für portableportable und mobile Anwendungenund mobile Anwendungen
Source: Motorola
Vectrix
DaimlerChrysler
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Definition Definition portableportable Brennstoffzellen (IEC TC 105)Brennstoffzellen (IEC TC 105)
hand-heldtragbar und vorgesehen für das Halten in der Hand während des üblichen Betriebes
portablegeeignet, von einer einzelnen Person getragen zu werden
(die Bezeichnung “portable“ schließt häufig zusätzlich die Betriebsfähigkeit während des Transportes ein.)
transportableleicht von einem Ort zu einem anderen bewegbar, im Allgemeinen mit einem Fahrzeug
mobilebetriebsfähig während des Transportes
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Was erwartet der Kunde?Was erwartet der Kunde?
• lange Stromversorgung
• hohe Leistung
• kleine Abmaße
• wenig Gewicht
• einfache Handhabung
• umweltfreundlich
• kostengünstig
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Laufzeiten von Notebooks mit LiLaufzeiten von Notebooks mit Li--IonenIonen--Akkus (Akkus (CentrinoCentrino--Notebooks)Notebooks)
Li-Ionen-Akkus: 40 – 70 Wh
Laufzeiten: 2,5 - 6,5 habhängig vom Betrieb
normaler Betrieb ca. 12 WDVD-Video-Wiedergabe ca. 16 – 20 W
Gewicht/Energiedichte:65 Wh 413g 160 Wh/kg 250 Wh/l39 Wh 292g 133 Wh/kg 200 Wh/l
Preise für Zweitakku unterschiedlicher Hersteller:
40 Wh 181 €49 Wh 234 €72 Wh 129 €39 Wh 195 €
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Fuel Cell
System
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Vorteile von Brennstoffzellen gegenüber LiVorteile von Brennstoffzellen gegenüber Li--AkkusAkkus
- erhöhte Energiedichte
längere Betriebszeit
erhöhte Funktionalität
- sofortiges Aufladung nach Auftanken
- simples Energiesystem mit direktem Energiewandler
- hohe Energiedichte von MeOH:5 Wh/ml; 6 Wh/gr MeOH
0,3 Wh/ml Li-Ionen-Batterie
Li-Akku
Li-Akku
Li-Akku
Li-Akku
Li-Akku
Li-Akku
Li-Akku
verdoppeln der Betriebszeitverdoppelt Platzbedarf
DMFC DMFC DMFC
MeOHMeOH
MeOH
verdoppeln der Betriebszeitverdoppelt nicht den Platzbedarf
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Nachteile von BrennstoffzellenNachteile von Brennstoffzellen
- geringe Ausgangsspannung
≤ 0,5 V/Zelle (DMFC)
≤ 0,8 V/Zelle (PEFC)
- geringe Leistung bei “start-up“
- Lastwechsel (DMFC)
Brennstoffzellen sind kein BatterieersatzBrennstoffzellen sind kein BatterieersatzBrennstoffzellen sind gut geeignet für HybridsystemeBrennstoffzellen sind gut geeignet für Hybridsysteme
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DMFCDMFC--HybridsystemeHybridsysteme• größere Kapazität Wh ohne zusätzliches Volumen und Gewicht
Volumen,Gewicht,Kosten
50Energie [Wh]
Li-ionAkku DMFC
Hybrid
DMFCAnwenderVorgabeLaptop-Akku
Kapazität heute
160
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Lösungsansätze für portable Brennstoffzellensysteme Lösungsansätze für portable Brennstoffzellensysteme
Luft H2Druck-H2Metallhydrid
PEFC mitWasserstoff
K E A
Luft
MeOHKW
Reformer
CO + O2→ CO2
PEFCmitReformer
K E A
Luft CH3OH
DMFCDirect MethanolFuel Cell
K E A
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Lösungsansätze für portable Brennstoffzellensysteme Lösungsansätze für portable Brennstoffzellensysteme
• Energieinhalte unterschiedlicher Energieträger
500 Wh18,0Methanol0,79 g/cm³
330 Wh11,9Metallhydrid (FeTiH1,6)5,5 g/cm³
119 Wh4,3Druckwasserstoff(345 bar)
Energieinhalt / 100 mlH0 / VolumenMJ / Liter
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Lösungsansätze für portable Brennstoffzellensysteme Lösungsansätze für portable Brennstoffzellensysteme
DMFC PEFC
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CH3OHH2O
Methanol-oxidation
CO2CH3OHH2O
O2 / Luft
O2 / N2H2OCO2
Sauerstoff-reduktion
Methanol-transport und-oxidation
CO2
H2O
O2
Anode Membran Kathode
Pel
O2
H2O
CH3OH
H2O
CO2CH3OH
H+solv
H2O
Schema der Vorgänge in einer DMFCSchema der Vorgänge in einer DMFC
Schlüsselprobleme:• mangelhafte Kinetik der elektrochemischen Prozesse, hohe Überspannungen• Methanol- und Wasserpermeation durch die Membran• Mischpotentialbildung an der Kathode (Spannungsverluste)
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Schema der Vorgänge in einer DMFCSchema der Vorgänge in einer DMFC
0
200
400
600
800
1000
1200
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
Leis
tung
sdic
hte
/ (W
/cm
²)
WasserstoffDMFCWasserstoffDMFC
Zells
pann
ung
/ mV
Stromdichte / (mA/cm²)Schlüsselprobleme:• mangelhafte Kinetik der elektrochemischen Prozesse, hohe Überspannungen• Methanol- und Wasserpermeation durch die Membran• Mischpotentialbildung an der Kathode (Spannungsverluste)
höherer Katalysatorbedarf gegenüber PEFC
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Brennstoffzellen für portable AnwendungenBrennstoffzellen für portable Anwendungen
•• EinleitungEinleitung
•• Zielgrößen, technische HerausforderungenZielgrößen, technische Herausforderungen
•• DMFC Entwicklung am Forschungszentrum JülichDMFC Entwicklung am Forschungszentrum Jülich
•• AusführungsbeispieleAusführungsbeispiele für portable Anwendungen für portable Anwendungen (PEFC/IMFC/DMFC)(PEFC/IMFC/DMFC)
•• Zusammenfassung und AusblickZusammenfassung und Ausblick
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Zielgrößen zur Kommerzialisierung von portablen BrennstoffzellenZielgrößen zur Kommerzialisierung von portablen Brennstoffzellen--Systemen (Systemen (Quelle: U.S. DOE, Fuel Cells for Portable Power, January 15-17, 2002)
1,500-2,000 hrs com.5,000 hrs for
military/industrial use
1,000 hrs of full power use
(1.5 h/day for 2 years)
5,000 hLifetime / Durability
< 1 min for APUs~20 µsec for back-up
20 µsec-Start-up Time
-600 Wh/l1,000 Wh/lEnergy Density
$ 1/W for commercial use$ 3/W for
military/industrial use
$ 400 for a 20 W unit$ 1,000 for a 50 W unit
$ 3/WCost
30 %25 % for commercial50 % for military/industrial
-Efficiencyoutput electrical power / HHV fuel
200 W/l-100 W/lPower Density
200 W/kg-100 W/kgSpecific Power
High-PowerAuxiliary Power Unit
1 – 5 kW 2007, 10-50°C
High-PowerLaptop / Computer
20 - 50 W 2007, 10-50°C
Low-Power Consumer ElectronicsSub-watt to 20 W 2010
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Aufbau einer MembranAufbau einer Membran--ElektrodenElektroden--Einheit MEAEinheit MEA
Nafion-Membran
microlayer:PTFE +CarbonBlack
microlayer:PTFE +CarbonBlack
Carbon cloth,Carbon paper
(Substrat)
Carbon Cloth,Carbon paper
(Substrat)
KathodeAnode
DiffusionsschichtAnode
DiffusionsschichtKathode
Kat.-SchichtPt + Naf
Kat.-SchichtPtRu + Naf.
Methanol/Wasser
CO2 H2O
Luft
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MEAMEA--LeistungsdatenLeistungsdaten
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 5000
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Zells
pann
ung
/ mV
Stromdichte / mA/cm²
rot: 80°C, Umgebungsdruckblau: 90°C, Umgebungsdruckschwarz: 90°C, 2barLambda=4=konst.
Lei
stun
gsdi
chte
/ m
W/c
m²
Belegung: • Anode: 4 mg PtRu/cm² (HISPEC 6000), Kathode: 4 mg Pt/cm² (HISPEC 1000)
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DMFC Kostenanalyse, ‘HighDMFC Kostenanalyse, ‘High--Power 50 W’ Power 50 W’
Kosten MEA RohmaterialMembran: 900 $/m²Anoden-Katalysator, PtRu: 26 $/gKathoden-Katalysator, Pt: 30 $/gNafion-Lösung: 290 $/lCarbon-Substrat: 100 $/m²
MEA Materialkosten 50 W DMFC-Stack, 50 mW/cm²Membran: 117 $Anoden-Katalysator, PtRu : 104 $Kathoden-Katalysator, Pt: 120 $Nafion-Lösung: 5 $Carbon-Substrat: 20 $
366 $ (1.370 $ komm. Anbieter)
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SensitivitätsSensitivitäts--Analyse um 50 mW/cm²Analyse um 50 mW/cm²
ReferenzfallLeistungsdichte: 50 mW/cm² Membran: 150 $/m²Anode: 1 mg PtRu/cm² Katalysator, PtRu,Pt: 25 $/gKathode: 4 mg Pt/cm² Nafion-Lösung: 290 $/l
Carbon-Substrat: 100 $/m²
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SensitivitätsSensitivitäts--Analyse um 50 mW/cm²Analyse um 50 mW/cm²
$0 $50 $100 $150 $200 $250 $300
1
2
3
4
MEA-Kosten für 50 W DMFC Stack
GDL$ 20 – 150/m²
$168
Edelmetall2 – 8 mg/cm²
Membran$ 50 – 250/m²
Leistungsdichte30 – 100 mW/cm²
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Technische Herausforderungen zur KommerzialisierungTechnische Herausforderungen zur Kommerzialisierung
PackagingPower density (W/l) 100 – 200Specific Power (W/kg) 100 – 200Energy Density (Wh/l) 600Cost (Precious Metal Loading)Balance of Plant ComponentsCodes & Standards Recommended PracticesWater managementDurabilityStart-up Time
Power density / Specific Power CostSystem and Component MiniaturizationEnergy Density & Conversion EfficiencyConsumer Safety & EffluentsBalance of PlantWater managementDurability
High Power Systems20 W to 5 kW
Low Power Systemsub-watt to 20 W
Targets
Source: U.S. DOE
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Notwendige Notwendige F+EF+E--AktivitätenAktivitäten
Improve power density / specific power- Electro-catalysts, Membrane Electrode Assembly, electrode structure- Stack design/engineering to reduce size and weight, low-pressure stack
Reduce cost- Identify and integrate low-cost materials and processes- Simplify system design and engineering- Develop low-cost balance of plant components- Develop and demonstrate high volume/low-cost manufacturing techniques
Energy density & conversion efficiency- Improved membranes to eliminate MeOH crossover- Achieve higher voltage cell operation at a given power output
Manufacturing / mass productionSystem and component miniaturizationCodes & standards / infrastructure
Source: U.S. DOE
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Brennstoffzellen für portable AnwendungenBrennstoffzellen für portable Anwendungen
•• EinleitungEinleitung
•• Zielgrößen, technische HerausforderungenZielgrößen, technische Herausforderungen
•• DMFC Entwicklung am Forschungszentrum JülichDMFC Entwicklung am Forschungszentrum Jülich
•• AusführungsbeispieleAusführungsbeispiele für portable Anwendungen für portable Anwendungen (PEFC/IMFC/DMFC)(PEFC/IMFC/DMFC)
•• Zusammenfassung und AusblickZusammenfassung und Ausblick
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Arbeitsplan DMFC: vom Katalysator zum SystemdesignArbeitsplan DMFC: vom Katalysator zum Systemdesign
KatalysatorPtRu
KatschichtStruktur
Diffusions-schicht
KatalysatorPt
KatschichtStruktur
Diffusions-schicht
Anode
Kathode
DMFC-System
Komponentenentwicklung
KatalysatorPtRu
KatalysatorPt
DMFC-System
Ziel:Ziel: -- Erhöhung Leistungsdichte (mW/cm²)Erhöhung Leistungsdichte (mW/cm²)
-- Reduzierung der EdelmetallbelegungReduzierung der Edelmetallbelegung
-- Verringerung der DegradationVerringerung der Degradation
EWN:EWN: -- KatalysatorscreeningKatalysatorscreening
-- Optimierung Schichtstruktur von Optimierung Schichtstruktur von KatalysatorKatalysator-- und Diffusionsschichtund Diffusionsschicht
-- StrukturStruktur--/Wirkungsbeziehung/Wirkungsbeziehung
-- AlterungsuntersuchungenAlterungsuntersuchungen
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Casio forecasts the widespread use of Fuel Cell Technology in Casio forecasts the widespread use of Fuel Cell Technology in Mobile DevicesMobile Devices
01 October 2003Author: Stefan Geiger, Fuel Cell Today
...............................................
In the field, such as in a laptop, where high density energy of 1,000 Whr/L or higheris required, it predicts that among fuel cells, direct methanol fuel cells (DMFC) willbe insufficient in generating enough output density, and a modified type that supplieshydrogen from methanol will be in use. At present, the output density of DMFC is50 mW/cm². The company says, “DMFC cannot be used until it reaches 100 mW/cm²”.
……………………………..
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MEAMEA--LeistungsdatenLeistungsdaten
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 5000
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Zells
pann
ung
/ mV
Stromdichte / mA/cm²
rot: 80°C, Umgebungsdruckblau: 90°C, Umgebungsdruckschwarz: 90°C, 2barLambda=4=konst.
Lei
stun
gsdi
chte
/ m
W/c
m²
Belegung: • Anode: 4 mg PtRu/cm² (HISPEC 6000), Kathode: 4 mg Pt/cm² (HISPEC 1000)
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80 °C, 4x 1M MeOH, 3x Air
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0.50
0.55
0.60
0.65
0 100 200 300
Current Density (mA/cm2)
Volta
ge (V
)
0
20
40
60
80
100
120
140
Pow
er D
ensi
ty (m
W/c
m2 )
GEN II (STD) - IVGEN III - IVGEN II (STD) - PDGEN III - PD
96 mW/[email protected]
115 mW/[email protected]
* Commercially available diffusion backings used
DuPont Fuel Cells“. . . powered by DuPont”
DuPont Fuel Cells“. . . powered by DuPont” MEA3 PerformanceMEA3 Performance
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MEAMEA--LeistungsdatenLeistungsdatenBelegung: • Anode: 2 mg PtRu-C/cm² (HISPEC 10000), Kathode: 2 mg Pt-C/cm² (HISPEC 9100)
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 5000
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Zells
pann
ung
/ mV
Stromdichte / mA/cm²
Laufzeit: 456hrot: 80°C, Umgebungsdruckblau: 90°C, Umgebungsdruckschwarz: 90°C, 2barLambda=4=konst.
Lei
stun
gsdi
chte
/ m
W/c
m²
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Arbeitsplan DMFC: vom Katalysator zum SystemdesignArbeitsplan DMFC: vom Katalysator zum Systemdesign
KatalysatorPtRu
KatschichtStruktur
Diffusions-schicht
KatalysatorPt
KatschichtStruktur
Diffusions-schicht
Membran
Anode
Kathode
MEA-Herstellverfahren
DMFC-SystemMEA
MEA-Herstellverfahren
Ziel:Ziel: -- ‘high‘high volumevolume//lowlow--cost’cost’ HerstelltechnikenHerstelltechniken
EWN:EWN: -- Entwicklung neuer HerstellverfahrenEntwicklung neuer Herstellverfahren
-- Entwicklung geeigneter KatalysatorEntwicklung geeigneter Katalysator--und Kohlepasten für unterschiedliche und Kohlepasten für unterschiedliche BeschichtungstechnikenBeschichtungstechniken
-- Übertragung auf maschinelle FertigungÜbertragung auf maschinelle Fertigung
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Herstellungsprozesse MembranHerstellungsprozesse Membran--ElektrodenElektroden--Einheiten (Einheiten (MEAsMEAs))• Qualitätssteigerung und Kostenreduktion durch kontinuierliche, maschinelle Fertigung
Beschichtungsverfahren• Rakeln• Siebdruck• Breitschlitzdüse
Gas Diffusion LayerDeskcoater
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Herstellungsprozesse MembranHerstellungsprozesse Membran--ElektrodenElektroden--Einheiten (Einheiten (MEAsMEAs))• Qualitätssteigerung und Kostenreduktion durch kontinuierliche, maschinelle Fertigung
Anforderungen an die Pasten• Geeignete Viskosität• Schnelles Beschichten und Trocknen ohne
Minderung der Mikrostruktur
Beschichtungsverfahren• Rakeln• Siebdruck• Breitschlitzdüse
Deskcoater
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Arbeitsplan DMFC: vom Katalysator zum SystemdesignArbeitsplan DMFC: vom Katalysator zum Systemdesign
Stackentwicklung
KatalysatorPtRu
KatschichtStruktur
Diffusions-schicht
KatalysatorPt
KatschichtStruktur
Diffusions-schicht
Membran
Anode
Kathode
MEA-Herstellverfahren
DMFC-System
Strukturbipolare Platte
Zelle/StackMEA
Simulation
bipolare Platte
Dichtungen
Material
Material
Ziel:Ziel: -- kostengünstigekostengünstige StacksStacks für portable für portable und kleine mobile Anwendungenund kleine mobile Anwendungen
-- Steigerung der EnergieSteigerung der Energie-- (W/kg) und(W/kg) undLeistungsdichte (W/l)Leistungsdichte (W/l)
EWN:EWN: -- Optimierung von ‘Optimierung von ‘flowflow--fields’fields’ mittels mittels Strömungssimulation / ModellierungStrömungssimulation / Modellierung
-- Integration von kostengünstigen Integration von kostengünstigen MaterialienMaterialien
-- AssemblierungAssemblierung
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ZellaufbauZellaufbau• Spannungserhöhung durch Reihenschaltung
O2 O2 O2
MeOH MeOH MeOH MeOH
+ + +- - -
+ -
O2 O2 O2
MeOH MeOH MeOH MeOH
+ + +- - -
+ -+-
+-
+- +-
MMM OOO
+-
MM O
+-
M OO
+-+- +-
+-
+- +- +- +-
MMM OOO
+-
MM O
+- +-
MM O
+- +-
M OO
+- +-
+ + +- - -+ + +- - -
bipolare Bauweise monopolare Bauweise
+
-
+
-MeOH
Luft
Streifenmembranbauweise
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StackentwicklungStackentwicklung• 500 W DMFC-Stack: Leistungsdaten
Stack: 160 x 160 x185 mm³4.7 l
Leistung: 650 W Leistungsdichte: 140 W/l
Zellenzahl: 71Einzelelektrodenfläche: 144 cm2
Zellabstand: 2,2 mm
Temperatur: ≤ 80°C
Strom: 28 ASpannung: 23 V
Spez. Leistungsdichte : 65 mW/cm2
Stack: 160 x 160 x185 mm³4.7 l
Leistung: 650 W Leistungsdichte: 140 W/l
Zellenzahl: 71Einzelelektrodenfläche: 144 cm2
Zellabstand: 2,2 mm
Temperatur: ≤ 80°C
Strom: 28 ASpannung: 23 V
Spez. Leistungsdichte : 65 mW/cm2
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GrafitischeGrafitische Materialien in der DMFCMaterialien in der DMFC
• ®SIGRAFLEX, Bipolarplatten und Flow-fields aus expandiertem Grafit:
– gute elektrische Eigenschaften– chemisch stabil – kommerziell erhältlich in unterschiedlichen Dicken– geringe Kosten– Dichtungswerkstoff, keine zusätzlichen Dichtungen– geringe Dichte– verstärkte Platten für Bipolarplatten erhältlich– gute Verarbeitbarkeit
Short-Stack, 4 Zellen Flow-field Anode, Einzelelektrodenfläche 310 cm²Short-Stack, Einzelelektrodenfläche 310 cm²
50 mW/cm² @ 60°C
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Arbeitsplan DMFC: vom Katalysator zum SystemdesignArbeitsplan DMFC: vom Katalysator zum Systemdesign
KatalysatorPtRu
KatschichtStruktur
Diffusions-schicht
KatalysatorPt
KatschichtStruktur
Diffusions-schicht
Membran
Anode
Kathode
MEA-Herstellverfahren
DMFC-System
Material
Prozess-führung
Strukturbipolare Platte
Zelle/StackMEA
Verfahrens-und
Systemanalyse
Simulation
bipolare Platte
Dichtungen
Material
Material
Systemtechnik
Ziel:Ziel: -- wasserautarker DMFCwasserautarker DMFC--BetriebBetrieb
-- Vereinfachung des SystemdesignsVereinfachung des Systemdesigns
-- Entwicklung von kostengünstigen Entwicklung von kostengünstigen SystemkomponentenSystemkomponenten
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DMFCDMFC--Systemtechnik:Systemtechnik:Problemfelder der Systemtechnik:• Wasserverluste auf der Anoden- und Kathodenseite (Wassermanagement)• Auskühlung der Kathode • Regelung der Methanolkonzentration im Anodenkreislauf• Methanolverlust über CO2-Absaugung
BZ Luftversorgung
Luft
+ -
Kondensator
Kat-Brenner
PKL
CO2-Abscheider
H2O (f)MeOH (f)
CO2MeOH, H2O
(g)
KondensatpumpeH2O ,MeOH
(f)
MeOH-Pumpe
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DMFCDMFC--SystemtechnikSystemtechnik : : WassermanagementWassermanagement
Anode KathodeCH3OH + H2O CO2 + 6 H+ + 6 e-
11/2 O2 + 6 H+ + 6 e- 3 H2OMembran
Was
ser/M
etha
nol (
f) H+
H+
H+
H+
H+
H+
Produktwasser
Atmosphäre
2 Mol67 %
33 % 1 Mol
Rückführung
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DMFCDMFC--SystemtechnikSystemtechnik : : DragDrag--Faktor fürFaktor für Nafion117Nafion117
0
1
2
3
4
5
6
0 20 40 60 80 100 120 140
Temperatur [°C]
H2O
Dra
g-Ko
effiz
ient
[H2 O
/H+ ]
Nafion117, X. Ren
Nafion117, H. Dohle
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DMFCDMFC--SystemtechnikSystemtechnik : : WassermanagementWassermanagement
Anode Kathode11/2 O2 + 6 H+(H2O)n + 6e- -> (3+6*n) H2OCH3OH + H2O -> CO2 + 6 H+ + 6 e- Membran
Was
ser/M
etha
nol (
f)8 %
Rückführung
92 %
2 Mol
22 Mol
H+ (H2O)n
mit Wasser EO drag!Auswirkungen:- “flooding” der Kathode- begrenzte Leistungsfähigkeit- hoher Luftvolumenstrom notwendig- Pumpe für Rückführung notwendig- geringerer Systemwirkungsgrad
H+ (H2O)n
H+ (H2O)n
H+ (H2O)n
H+ (H2O)n
H+ (H2O)n
Permeation/ Produktwasser
Atmosphäre
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DMFCDMFC--Systemtechnik : WassermanagementSystemtechnik : Wassermanagement• Wasserdampfgehalt Kathodenabluft für wasserautarken Betrieb
- Normaldruck- Kathodenzuluft 20°C / 40% RH
Anode
Kathode
ZuluftAbluft
Bilanzgrenze
30
35
40
45
50
55
60
65
0 1 2 3 4 5 6
Lambda Kathode
Taup
unkt
tem
pera
tur [
°C]
λ / Luft
Taup
unkt
tem
pera
tur /
°C
nicht autonom
autonom
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LeistungLeistung und und MassenwirkungsgradMassenwirkungsgrad: : • Einfluß der Betriebsparameter
0
20
40
60
80
100
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14Stromdichte (A/cm²)
Mas
senw
irkun
gsgr
ad (%
)
0
20
40
60
80
100
Leistungsdichte (mW
/cm²)
80°C60°C40°C
MeOH-Konz.: 0,4 M
0
10
20
30
40
50
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6MeOH-Konz. (M)
Leis
tung
sdic
hte
(mW
/cm
²) @
0.4
5V
50
60
70
80
90
100
Massenw
irkungsgrad (%) @
0.45V
T=70°C
• optimale MeOH-Konzentration <1M• Massenwirkungsgrade von 80-90% erreichbar• präzise, dynamische Regelung der MeOH-Konzentration erforderlich
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Brennstoffzellen für portable AnwendungenBrennstoffzellen für portable Anwendungen
•• EinleitungEinleitung
•• Zielgrößen, technische Herausforderungen, F&E AktivitätenZielgrößen, technische Herausforderungen, F&E Aktivitäten
•• DMFC Entwicklung am Forschungszentrum JülichDMFC Entwicklung am Forschungszentrum Jülich
•• AusführungsbeispieleAusführungsbeispiele für portable Anwendungen für portable Anwendungen (PEFC/IMFC/DMFC)(PEFC/IMFC/DMFC)
•• Zusammenfassung und AusblickZusammenfassung und Ausblick
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AusführungsbeispieleAusführungsbeispiele: : PEFCPEFC
Fhg ISE / LG Chem: 2002PEFC-Stack: 27 ZellenSpannung: 10 – 20 VMetall/Hydrid-Speicher: 3DC/DC-Converter: 24 VPeak-Leistung: 50 W Leistung: 40 Wh
Fhg ISE / General Atomic: 2002PEFC-Stack: 2 ZellenMetall/Hydrid-Speicher: 2 / 46 l H2DC/DC-Converter: 14 VPeak-Leistung: 45 W Leistung: 70 Wh
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AusführungsbeispieleAusführungsbeispiele: : PEFCPEFC
Masterflex Brennstoffzellentechnik: 2004
Leistung: 50 W DauerleistungGewicht: 2,2 kg Mobile Office System: 50 h Notebookbetrieb
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AusführungsbeispieleAusführungsbeispiele: : DMFCDMFC
SFC PowerBoy: 2004Spannung: 12 VLeistung: 25 WPeak-Leistung: 50 W (Standard-Hybridbatterie)Abmessungen: 168 x 81 x 40 mmGewicht: 0,7 kg
M90 M180MeOH: 100 % 100 %Kapazität: 100 Wh 220 WhMax. Laufzeit: 5,5 h 12 hAbmessungen: 50 x 77 x 27 mm 95 x 77 x 27 mmGewicht: 150 g 280 g
Systemwirkungsgrad: 28 %Energiedichte: 150 Wh/l
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AusführungsbeispieleAusführungsbeispiele: : DMFCDMFC
TOSHIBA: 2004Spannung: ? VLeistung: 12 WPeak-Leistung:Abmessungen:Gewicht:
MeOH: 100 %Volumen: 100 mlKapazität: 120 WhMax. Laufzeit: 10 h
Systemwirkungsgrad: 25 %
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AusführungsbeispieleAusführungsbeispiele: : DMFCDMFC
Samsung Advanced Institute of Technology:2004
Spannung: ? VLeistung: 10 W
MeOH: 100 %Volumen: 100 mlKapazität: 100 WhMax. Laufzeit: >10 h
Systemwirkungsgrad: 20 %
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AusführungsbeispieleAusführungsbeispiele: : DMFCDMFCFujitsu DMFC Notebook: 2004Leistung: 15 W Methanol: 300 ml (30%)Laufzeit: 8 – 10 hSystemwirkungsgrad: 30 % (aber geringere Energiedichte Wh/l)
DMFC-Technik:• passives System• 30 % MeOH• 15 mm
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AusführungsbeispieleAusführungsbeispiele: : DMFCDMFC
NEC DMFC Notebook: 2003Leistung (max. Leistung): 14 W (24W)MEA-Leistung: 50 mW/cm²Spannung: 12 VSystemgewicht: 900 g Methanol: 300 ml (10%)Notebook + DMFC: 2 kgNotebook: 270 x 270 x 40 (mm)Laufzeit: ca. 5 h
Systemwirkungsgrad: 46 %Energiedichte: 85 Wh/kg
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AusführungsbeispieleAusführungsbeispiele: : DMFCDMFC
Smart Fuel Cell A25: 2003Leistung: 25 W / 80 W max.Spannung: 11 - 14VPufferbatterie: 4 AhEnergie: 50 Ah pro Tag
600 Wh pro TagSystemgewicht: 9,7 kg Methanol: 2,5 l
Verbrauch: 1,5 l MeOH / kWh
Systemwirkungsgrad: 13 %Energiedichte: 170 Wh/kg
Preis:Preis: € 3.990,€ 3.990,----
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AusführungsbeispieleAusführungsbeispiele: : IMFCIMFC
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AusführungsbeispieleAusführungsbeispiele: : IMFCIMFC
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AusführungsbeispieleAusführungsbeispiele: : militärische Anwendungenmilitärische Anwendungen
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AusführungsbeispieleAusführungsbeispiele: : militärische Anwendungenmilitärische Anwendungen
500 W DMFC
MTI DMFC power source 150 W PEFC System, Voller Energy
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Brennstoffzellen für portable AnwendungenBrennstoffzellen für portable Anwendungen
•• EinleitungEinleitung
•• Zielgrößen, technische Herausforderungen, F&E AktivitätenZielgrößen, technische Herausforderungen, F&E Aktivitäten
•• DMFC Entwicklung am Forschungszentrum JülichDMFC Entwicklung am Forschungszentrum Jülich
•• AusführungsbeispieleAusführungsbeispiele für portable Anwendungen für portable Anwendungen (PEFC/IMFC/DMFC)(PEFC/IMFC/DMFC)
•• Zusammenfassung und AusblickZusammenfassung und Ausblick
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Zusammenfassung und AusblickZusammenfassung und Ausblick
• Als elektrochemische Energiewandler können Brennstoffzellen höhereEnergiedichten erreichen als die heute eingesetzten Technologien
• Wegen der hohen Kosten beschränkt sich der kommerzielle Einsatz in dernäheren Zukunft noch auf Nischenmärkte
• Die DMFC ist ein vielversprechender Energiewandler im Bereich Watt bis einige 100 W mit einem breiten Optimierungsansatz
• Favorisierter Energieträger für portable Systeme ist Methanol
• Es müssen weitere technische Durchbrüche bei Materialien, Fertigungs-technologien, Systemkomponenten und Betriebskonzepten erfolgen