bz stack aufbau june2003

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L-B-Systemtechnik www.lbst.de Martin Zerta, Dipl. Ing. (FH) Brennstofzellen-Stack L-B-Systemtechnik GmbH Ottobrunn/Dresden Brennstoffzellentechnologie im Automobilbau

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Page 1: BZ Stack Aufbau June2003

L-B-Systemtechnik

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Martin Zerta, Dipl. Ing. (FH)

Brennstofzellen-Stack

L-B-Systemtechnik GmbHOttobrunn/Dresden

Brennstoffzellentechnologie im Automobilbau

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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:

Brennstoffzellentechnologie im Automobilbau

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!

Brennstoffzellentechnologie im Automobilbau

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.

Brennstoffzellentechnologie im Automobilbau

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)

Brennstoffzellentechnologie im Automobilbau

Brennstoffzellen-Stack

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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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Brennstoffzellen-Stack

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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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Brennstoffzellen-Stack

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• Planar (Plattenkonzept)

• Tubular (Röhrenkonzept)

• Weitere

BZ-DesignBZ-Design

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Brennstoffzellen-Stack

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Das planare Zell-Designkonzept

Quelle: GM/Opel

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Brennstoffzellen-Stack

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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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Brennstoffzellentechnologie im Automobilbau

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

Brennstoffzellentechnologie im Automobilbau

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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Brennstoffzellen-Stack

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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

Brennstoffzellentechnologie im Automobilbau

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