Presse und Veröffentlichungen

Erfahrungen mit PEM-Brennstoffzellen in stationären Versuchs- und Feldtestanlagen

Arnold, J.

Die Firma Schalt-und Regeltechnik GmbH, kurz s&r, beschäftigt sich seit 1995 mit der Entwicklung und Applikationserprobung von PEM-Brennstoffzellen (PEMFC) für den Einsatz in der Gebäude- und Energietechnik im Leistungsbereich von 1 bis 12 kWel.

Am Anfang wurde in Orientierungsversuchen analysiert, ob bzw. unter welchen Bedingungen mit PEMFC bezüglich der Lebensdauer, Kosten, Zuverlässigkeit und Handhabung wettbewerbsfähige Geräte und Anlagen für die Energieversorgung von Gebäuden realisierbar sind. Dafür wurden aus Kostengründen Ministacks im Leistungsbereich von 25W bis 1kW und Erdgassteamreformer im Leistungsbereich von 1kWel, regelbar von 30 bis 120%, eingesetzt. 25W-Stacks wurden in Dauerversuchsständen mit Wasserstoff bis zu 27.000 Stunden betrieben. Der erste Erdgasreformer wurde im Versuchsbetrieb insgesamt ca. 800 Stunden betrieben.

Die wichtigsten Schlussfolgerungen und Ergebnisse dieser Orientierungsversuche, die auf fernüberwachten Dauerversuchsständen durchgeführt wurden, waren folgende:

  • Bei der Einhaltung wichtiger technologischer Bedingungen und einer geeigneten Systemgestaltung kann die für stationäre Anlagen erforderliche Lebensdauer von mehr als 40.000 Stunden im Rahmen der weiteren Entwicklung mit großer Wahrscheinlichkeit erreicht werden.
  • Bei einer gemeinsamen Optimierung des Gesamtsystems und der Prozessführung gibt es erhebliche Potentiale zur Kostensenkung. Aber die Zielsetzung von ca. 2000 € Anlagenkosten pro kW, kann nur erreicht werden, wenn insbesondere die spezifischen Kosten für die MEAs, Sensorik, Wechselrichter und die für Wasserstoff und DI-Wasser geeignete Verbindungstechnik deutlich reduziert werden, komplette Funktionsgruppen eingespart werden und eine konsequente Optimierung des Gesamtsystems erfolgt.
  • Die Handhabung stellt umfangreiche neue Herausforderungen an die Beteiligten. Diese sind aber durch gemeinsame Anstrengung von Herstellern, Ausbildungseinrichtungen und Kunden gut beherrschbar.

Ausgehend von dem positiven Ergebnis der Machbarkeitsstudie wurde 1997 mit der Systementwicklung kundenorientierter stationärer PEMFC-Anlagen mit Wasserstoff- und Reformatstacks begonnen. Die Kernkompetenz der Firma s&r konzentriert sich dabei auf den PEM-Stack mit Peripherie und auf die MSR-Technik. Für das gesamte Hausenergieversorgungssystem wurde ein Konsortium gebildet, in dem insbesondere auch die Kompetenz für die Reformerentwicklung und die Anwendungserprobung im Bereich der Versorgungstechnik konzentriert ist.

Gegenwärtig befinden sich vier Versuchs- und Testanlagen von 1kW und 4kW für Erdgas in der Erprobung oder Realisierung. Diese Projekte werden im Rahmen des ZIP-Programms des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit gefördert. Darüber hinaus wurde eine Testanlage für Biogasuntersuchungen mit einem 1kW Biogas-Reformer gebaut und es wurden Wasserstoffstacks für Versuchsanlagen bei anderen Partnern geliefert.

Weil das Know-how für alle wesentlichen Bestandteile der Brennstoffzellenanlage im Konsortium vorhanden ist, sind die Möglichkeiten für kundenspezifische Lösungen und die Optimierung der Gesamtanlage besonders günstig. Beispiele für solche Optimierungsmöglichkeiten sind:

  • die optimale Abstimmung der Schnittstelle zwischen Brenner und Stackausgang bezüglich Druck und Gaszusammensetzung (optimierte Abgaszumischung in einem speziellen Brenner)
  • die Optimierung der Prozessschnittstelle zwischen Reformer und Stackeingang bezüglich Massflow, Druck, Feuchte, Dynamik und CO-Gehalt (implizite Reformatbefeuchtung)
  • die Anpassung der Flow-Field-Konstruktion im Stack an die Möglichkeiten des Reformers und der Luftversorgungseinheiten bezüglich Massflow, Feuchte, Druck und Hilfsenergie.
1kW-Containeranlage im Innovationspark Wuhlheide in Berlin-Köpenick

Um den Zeit- und Kostenaufwand für die Optimierungsarbeiten zu minimieren, wurde ein speziell dafür entwickeltes modulares Stacksystem eingesetzt, das in kaum mehr als einer Stunde umgebaut werden konnte und dessen Standardgrundstrukturen jeweils sehr schnell anforderungsgerecht modifiziert wurden.

Mit den o. g. einzelnen Anlagen werden jeweils unterschiedliche Zielstellungen verfolgt und dementsprechend auch spezifische Erfahrungen gesammelt:

Bild 1 zeigt diese 1kW-Containeranlage im Innovationspark Wuhlheide in Berlin-Köpenick.

1kW-Versuchsanlage im Innovationspark Wuhlheide in Berlin

Diese Anlage dient vorrangig der Erprobung von verschiedenen Konstruktions-, und Prozessvarianten bei Wasserstoff- und Reformatstacks. Sie besteht im wesentlichen aus einem Steamreformer, dem Brennstoffzellenmodul, der automatischen Steuerung, Messwerterfassung und der Anlagenüberwachungstechnik. Durch den Aufbau als autonome Containeranlage konnten gleichzeitig wertvolle Erfahrungen für den Betrieb solcher Anlagen außerhalb geschlossener Objekte gesammelt werden. Als Testzeiten für vergleichende Stackmusteruntersuchungen haben sich 24-Stundentests und 100- Stundentests für viele Aufgaben als günstig erwiesen. Besonders wichtig ist die penible automatisierte Datenaufzeichnung und grafische Auswertung. Für die Testung von unterschiedlichen MEAs, Flow-Fields, Dichtungen und anderen Komponenten in Stackmustern haben sich in unserem Fall 4-Zeller und 12-Zeller bezüglich der Extrapolation auf größere Stacks ausgezeichnet bewährt.

Kennlinie eines 12-zelligen Stackmusters mit einer Stromdichte von 0,67 A/cm² bei mittleren Einzelzellspannung von ca. 620 mV

Demgegenüber wurden früher benutzte 1-Zeller-Teststände komplett ausgemustert. Nach ca. 840 Betriebsstunden trat an dem ersten Reformer der 1kW-Anlage infolge nicht ausgereifter Filterauslegung und -überwachung ein Durchbruch des Erdgas-Schwefelfilters auf, der einen Ersatz der Katalysatoren erforderlich macht. Viele der anfänglich eingesetzten Komponenten haben der Dauerbeanspruchung nicht standgehalten und mussten durch neue Produkte ersetzt werden. Das Problem bei den Komponentenlieferanten besteht meist darin, dass sie mindestens eine der Forderungen bezüglich Brennstoffzellenkompatibilität, Lebensdauer, Qualität oder Preis nicht erfüllen und erst im Ergebnis eines längeren gemeinsamen Entwicklungsprozesses deutliche Fortschritte erreicht werden.

Bild 2 zeigt die Kennlinie eines 12-zelligen Stackmusters mit einer Stromdichte von 0,67 A/cm² bei mittleren Einzelzellspannung von ca. 620 mV.

Die Feldtestanlage im TGZ/ZTS in Glaubitz

Das ist die erste 4kW-Feldtestanlage des Konsortiums. Sie ist in das Hausversorgungssystem des Technologiezentrums eingebunden und dient der anwendungsnahen Erprobung und Weiterentwicklung des Gesamtsystems. Im Vergleich zu vorher installierten ersten Brennstoffzellenversuchsanlagen gelang es insbesondere einen stabilen automatischen Dauerbetrieb, einen Leistungsregelbereich bis 30% und eine gute Prozessdynamik zu realisieren. Ein 4kW-Stack wurde durch auftretende CO-Spitzen im dynamischen Betrieb in der ersten Erprobungsphase zerstört. Inzwischen wurde dieses Problem insbesond ere durch eine verbesserte Prozessführung beseitigt. Eine weitere Erhöhung des Sicherheitsabstandes bezüglich CO-Gehalt und CO-Toleranz soll durch den Einsatz verbesserter MEAs erreicht werden. Gleichzeitig zeigte der heiße Sommer, dass die reine Kraft-Wärmekopplung der sogenannten Brennstoffzellenheizgeräte in Häusern längerfristig wahrscheinlich ein schwieriges Marktsegment für den Einsatz von Brennstoffzellen sein wird, weil die benötigte Wärmeabnahme oft nicht gegeben ist.

4kW-Feldtestanlage und 4-kW-Versuchsanlage

Die bis Juni 2003 gesammelten Erfahrungen werden jetzt beim Bau einer neuen 4kW-Feldtestanlage und einer 4kW-Versuchsanlage umgesetzt. Bei der Feldtestanlage steht der zuverlässige Dauerbetrieb und die Erprobung in einem größeren Versorgungssystem im Vordergrund.

1kW-Biogastestanlage

Um erste Erfahrungen bezüglich der Eignung der PEMFC-Technik für Biogasreformat zu sammeln wurde im Auftrag des ATB in Bornim eine Biogas-Testanlage mit einem 1kW-Biogasreformer und 2-PEM-Teststacks aufgebaut. Bei dieser Anlage erfolgt die Frischluftbefeuchtung und -erwärmung in einem Kapillarübertrager aus der Abluft des Stacks. Weil die Variante der Komprimierten Biogasbereitstellung in Flaschen scheiterte, wurden die ersten Versuche mit Ballonspeichern in Containern durchgeführt.

Anlage bestehend aus Reformer und Brennstoffzellentestmodul.

Auf dem umstrittenen Gebiet des PEMFC-Einsatzes in Verbindung mit Biogasreformern besteht offensichtlich noch sehr viel Forschungsbedarf. Das betrifft insbesondere solche Probleme wie die zulässigen Verunreinigungen des Biogases, die Toleranz der Katalysatoren und Membranen gegen verschiedene Verunreinigungen, passende Filter, geeignete Sensorik und vieles mehr. Grundsätzlich waren die ersten Ergebnisse des Steamreformingprozesses aber sehr vielversprechend und mit der Aussicht auf PEMFC mit höheren Arbeitstemperaturen, können PEM-Brennstoffzellen hier Ihre Chancen weiter verbessern.

Bild 3 zeigt diese Anlage bestehend aus Reformer und Brennstoffzellentestmodul.

Obwohl wir in den letzten Jahren sehr viele Erfahrungen bei der Entwicklung, dem Aufbau und dem Betrieb von PEM-Brennstoffzellenanlagen gesammelt haben, ist nach unserer Auffassung bis zur Lieferung wettbewerbsfähiger Anlagen noch viel Forschungs- und Entwicklungsarbeit zu leisten. Und wie bei allen neuen Technologien wird bis zur Erreichung dieses Zieles noch viel Enthusiasmus und Geld verbraucht werden.

Veröffentlichung :

Arnold, J. :
Erfahrungen mit PEM-Brennstoffzellen in stationären Versuchs- und Feldtestanlagen, Zehntes Fachforum Brennstoffzellen 7./8. Oktober 2003, Berlin, 2003 (OTTI)