Der Einsatz der Brennstoffzelle als vorteilhafter Energiewandler findet ein breites Anwendungsfeld. Das Spektrum reicht von einer unabhängigen und effizienten Bordstromversorgung, APU (Auxiliary Power Unit) bis zum gekoppelten Kraft-Wärme-Prozess, wie er in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) praktiziert wird. Während die oxidkeramische Hochtemperaturbrennstoffzelle, SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) bisher überwiegend für stationäre Anwendungen diskutiert wird, gehen in jüngerer Zeit aufgrund des hohen elektrischen Wirkungsgrads (50-60 %), der reduzierten Anforderungen an die Reinheit des Brenngases und der gegenüber einer polymeren Niedertemperaturbrennstoffzelle, PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) wesentlich einfacheren, kompakteren, leichteren und preisgünstigeren Systemtechnik die Entwicklungsbestrebungen dahin, die SOFC im mobilen Bereich und hier besonders in der Bordstromversorgung von Fahrzeugen einzusetzen. Dabei hat die planare Bauart im Vergleich zum tubularen System die höchste Relevanz, da sie das größte Kostenreduktionspotential aufgrund der massenfertigungs-kompatibleren Fertigungsschritte und eine höhere spezifische Leistung bezogen auf Volumen und Gewicht hat. Die Entwicklung dieser Bauform ist zurzeit jedoch noch geprägt von Problemen in der Abstimmung der Materialien und der Entwicklung des Stack-Konzepts hin zu einem mechanisch stärker beanspruchbaren Design. Besonders die bei einer mobilen Anwendung geforderte Zyklierbarkeit und die verkürzten Aufheizzeiten stellen hohe Ansprüche an die Materialeigenschaften und die thermische Trägheit eines Stacks und weisen in Richtung von Leichtbauweisen. Diese sind in Hinsicht auf Materialeinsparung und damit Kostensenkung essentiell. Bedingung für einen breiten Markteinsatz der Brennstoffzelle ist die Verwendung von herkömmlichen Motorenkraftstoffen, die Fähigkeit der Thermozyklierbarkeit und eine Senkung der bisherigen Herstellkosten. Vor diesem Hintergrund eignet sich eine Leichtbau-SOFC. Zur Realisierung dieses Leichtbaukonzepts sind die Weiterentwicklung der zur Herstellung von metallischen Bauteilen erforderlichen Werkzeug- und Fertigungstechnologien zur Großserientauglichkeit und die Erarbeitung von Kenntnissen im Stackbau im Hinblick auf die Massenproduktion erforderlich. Die betrifft den Einsatz, Herstellung und Verarbeitung von Werkstoffen sowie die Entwicklung von Dichtungs- und Kontaktierungsmethodiken. Im Rahmen dieses Projekts wurden Stackdesigns im Hinblick auf die thermomechanische und strömungstechnische Auslegung konzipiert und optimiert, Stackaufbau-Verfahren unter Berücksichtigung von großtechnischen Aspekten (Prozesskette, Qualitätssicherung) entwickelt und weitere Erkenntnisse bezüglich der Dichtungssysteme, Kontaktierungsmethodiken und der Fügetechnik gesammelt. Am Ende des Projekts steht ein Konzept einer Leichtbau-SOFC. Dieses Konzept wurde zur Herstellung zahlreicher Testobjekte und deren Testabläufe verifiziert und dient als Basis für weitere Leichtbau-SOFC-Aktivitäten.
The employment of fuel cells as energy converter offers a wide range of application. The spectrum reaches from an efficient auxiliary power unit (APU) to a combined heat power generation process like a cogeneration unit. Due to high electrical effectiveness (50-60%), reduced demand on purity of fuel and a simpler, compacter, lighter and cheaper system compared to that of polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), solid oxide fuel cells are getting more and more attention with regard to mobile application, especially as auxiliaries in cars. Thereby, the planar design offers some advantages versus the tubular design. These are a higher potential of cost reduction due to more suitable mass production routines and a higher power-to-weight respectively power-to-volume ratio. Currently, the development of planar concepts is dominating by fitting the compatibility of materials. Furthermore, the focus is on stack designs that exhibit a higher mechanical resistance. Especially, cycling and short start-up periods are vitally important for mobile application. Therefore, high requirements concerning material properties and thermal inertia have to be fulfilled. This leads to a lightweight design that is also essential regarding cost reduction. Several conditions have to be fulfilled to reach a successful market entry for fuel cells. These are the usage of conventional fuel, the ability of thermal cycling and cost reduction. Thereby, a SOFC system that is based on lightweight design might be suitable. Further developments concerning tools and manufacturing technologies for metal sheets and skills regarding stacking in a mass production matter are necessary. This involves not only the application, fabrication and processing of material but also the development of sealing and contact systems. In terms of thermo-mechanical and fluid aspects different stack designs were developed and optimized within the project. Furthermore, stacking allowing for mass production facet (process chain, quality control) was developed. Beside this, deeper understanding in respect of joining process, sealing and contact systems engineering could be collected. The outcome of this project is a SOFC system based on a lightweight concept. This was verified by the fabrication and tests of numerous objects. The developed design provides a basis for further SOFC activities based on a lightweight concept.
ZeuS II. Zellen und Stacks II . Schlussbericht
ZeuS II. Cells and stacks II. Final report
2007
27 Seiten, 10 Bilder, 2 Tabellen, 73 Quellen
Report
German
SMART II : Schlussbericht - Stacks und Zellen für mobilen und stationären Einsatz
TIBKAT | 2019
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