Erster Test mit Hot Box-Stackmodul SOFC20 erfolgreich abgeschlossen.
Im Rahmen des Verbundprojektes SOFC20 arbeiten das Fraunhofer IKTS, PLANSEE SE, AVL List GmbH, SCHOTT AG und das Forschungszentrum Jülich an einem erdgasbetriebenen, stationären Systemdemonstrator. Bei einer elektrischen Leistung von über 5 kW wird er einen elektrischen Wirkungsgrad von mehr als 50% erreichen. Der erste Test der dafür vorgesehenen Hot-Box wurde im März 2012 erfolgreich abgeschlossen. SOFC20 wird vom deutschen Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie gefördert.
Für das Projekt SOFC20 konzipierte das Fraunhofer-Institut für keramische Technologie und Systeme IKTS eine Hot-Box mit acht in Reihe geschalteten Brennstoffzellenstapeln.
Der erste Test der neu entwickelten Hot-Box wurde im März 2012 erfolgreich abgeschlossen. Das Stackmodul erreichte dabei bereits eine Leistung von 5,5 kW. Nach einem weiteren Test mit simuliertem Erdgasreformat wird das Stack-Modul bei der AVL List GmbH in eine speziell hierfür entwickelte Systemumgebung eingebaut und anschließend getestet.
Mit Abmessungen von 130 x 150 mm liefert PLANSEE für dieses Projekt die weltgrößten pulvermetallurgisch hergestellten SOFC-Interkonnektoren mit integrierter Schutzschicht. Diese Bauteile verbinden die einzelnen Brennstoffzellen und verteilen Brenngas und Luft im System. Mit dem MK351 hat PLANSEE einen Interkonnektor aus Chrom (Cr), Eisen (Fe) und Yttrium (Y) - kurz CFY-Legierung - speziell für den Einsatz in elektrolytgetragenen Zellen aus vollstabilisiertem Zirkonoxid entwickelt. Der Ausdehnungskoeffizient dieses chrombasierten Interkonnektors ist optimal an jenen des Elektrolyten angepasst. Im Gegensatz zu kundenspezifischen, geschützten Designs ist der MK351-Interkonnektor für alle potentiellen Stack-Hersteller verfügbar.
Der Technologiekonzern SCHOTT AG, als Glasspezialist unter anderem führend im Bereich der Entwicklung und Herstellung anspruchsvoller Glas-Metall-Verbindungen, entwickelt gemeinsam mit Fraunhofer IKTS neue Fügematerialien, die thermomechanisch ideal mit den CFY-Interkonnektoren kompatibel sind. Eine optimale, langzeitstabile Abdichtung durch geeignete Fügegläser ist Voraussetzung, um einen hohen Wirkungsgrad der Brennstoffzellen-Zellstapel zu realisieren.
Neben der Koordination des Gesamtprojektes übernimmt das Fraunhofer IKTS den Stackbau, die Fügung und die Charakterisierung der Stacks.
Die wenigen Einzelteile des neu entwickelten MK351-Stackdesigns ermöglichen einen einfachen und automatisierbaren Herstellungsprozess. Die verwendeten Komponenten stehen teilweise schon kommerziell zur Verfügung oder werden im Pilotmaßstab bei Zulieferern oder Projektbeteiligten gefertigt.
Die aus den Tests und Charakterisierungen gewonnenen Erkenntnisse fließen in die Entwicklung und Optimierung der Einzelkomponenten ein. Nur eine perfekte Abstimmung ermöglicht die angestrebten hohen Zell-Leistungsdichten und die für die Anwendungsgebiete erforderliche Zyklenstabilität.
AVL entwickelt das Brennstoffzellensystem von der Gasaufbereitung bis hin zum Wechselrichter und übernimmt die Integration des Stackmoduls. Das Unternehmen hat speziell für dieses Projekt viele Peripheriekomponenten wie den Startbrenner oder ein spezielles Anodenrestgas-Rezyklierungsgebläse entwickelt.
Das Forschungszentrum Jülich unterstützt besonders die Systemauslegung und die Qualifizierung der einzusetzenden Entschwefelungsmaterialien.
CFY-Interkonnektor / PLANSEE
MK351 Stack-Zusammenbau / Fraunhofer IKTS
Hot-Box im Teststand / Fraunhofer IKTS
FACTBOX
Was ist eine SOFC
Die Festoxidbrennstoffzelle (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) kommt bei Betriebstemperaturen zwischen 650 und 1000°C zum Einsatz. Bei einer ESC-Festoxidbrennstoffzelle (Electrolyte Supported Cell) leitet der Elektrolyt nicht nur die Sauerstoffionen, er sorgt gleichzeitig für die mechanische Stabilität der Zellen. Im Gegensatz zu anderen Brennstoffzellentypen ist die SOFC nicht nur in der Lage Wasserstoff mit Hilfe von Sauerstoff in Wasser, sondern auch CO in CO2 umzuwandeln. Bei dieser elektrochemischen Reaktion wird aus der in den Gasen enthaltenen Energie überwiegend elektrischer Strom erzeugt.
Die hohe Betriebstemperatur der SOFC bietet einen entscheidenden Vorteil: Aus Erdgas, Biogas oder anderen kohlenwasserstoffhaltigen Gasen kann innerhalb des Brennstoffzellensystems mit einer Reformierreaktion Wasserstoff und CO hergestellt werden.
Metallische Interkonnektoren verbinden die Anode und Kathode der einzelnen Zellen elektrisch miteinander und verteilen Brenngas und Luft auf die aktiven Flächen. Durch mehrere übereinandergestapelte Zellebenen entsteht ein Zellstapel, der sogenannte Stack. Die Stacks einer SOFC sind in einer Hot-Box untergebracht. Diese Hot Box schirmt die hohe Temperatur vom Rest des Brennstoffzellensystems ab und beinhaltet Durchführungen für Brenngas, Luft, Stromleitung und Sensorik.
Die Peripherie versorgt das Stackmodul mit allen notwendigen Medien. Sie enthält unter anderem eine Entschwefelung für das Brenngas, alle Regelorgane für Brenngas und Luft, Wärmetauscher, Gebläse und einen Wechselrichter, der den von der Brennstoffzelle produzierten Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt.
Firmenbeschreibungen
AVL
AVL ist das weltweit größte private Unternehmen für die Entwicklung, Simulation und Prüftechnik von Antriebssystemen (Hybrid, Verbrennungsmotoren, Getriebe, Elektromotoren, Batterien, Brennstoffzellen und Software) für mobile und stationäre Anwendungen. AVL besteht aus 3 Geschäftsbereichen: Entwicklung Antriebsstrang, Motorenmesstechnik und Testsysteme und Advanced Simulation Technologies. Die AVL Gruppe beschäftigt weltweit knapp 5.000 Personen und erzielte 2011 einen Umsatz von 825 Millionen Euro.
Forschungszentrum Jülich
Das Forschungszentrum Jülich betreibt interdisziplinäre Spitzenforschung, stellt sich drängenden Fragen der Gegenwart und entwickelt gleichzeitig Schlüsseltechnologien für morgen. Hierbei konzentriert sich die Forschung auf die Bereiche Gesundheit, Energie und Umwelt sowie Informationstechnologie. Einzigartige Expertise und Infrastruktur in der Physik, den Materialwissenschaften, der Nanotechnologie und im Supercomputing prägen die Zusammenarbeit der Forscherinnen und Forscher. Mit rund 4 700 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern gehört Jülich, Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, zu den großen Forschungszentren Europas.
Fraunhofer IKTS
Das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS entwickelt anwendungsorientiert moderne keramische Hochleistungswerkstoffe, industrierelevante pulvertechnologische, nasschemische und precursorgestützte
Herstellungsverfahren sowie prototypische Bauteile und Systeme. Auf der Basis angewandter Grundlagenforschung werden im Rahmen von FuE-Projekten mit Kooperationspartnern Konzepte für Produkt- und Prozessinnovationen
in vielen Zukunftsbranchen der Wirtschaft realisiert. Bereits seit 20 Jahren engagiert sich das Fraunhofer IKTS in der Brennstoffzellenforschung und zählt heute zu den führenden Forschungszentren im Bereich Hochtemperaturbrennstoffzellen.
Das Fraunhofer IKTS ist eines von 60 Instituten der Fraunhofer-Gesellschaft in Deutschland. Die rund 20 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter, überwiegend mit natur- oder ingenieurwissenschaftlicher Ausbildung, bearbeiten ein jährliches Forschungsvolumen von 1,8 Milliarden Euro.
PLANSEE SE
PLANSEE gehört zu den weltweit führenden Konzernen in der Pulvermetallurgie.
Das Privatunternehmen wurde 1921 gegründet und ist Experte für hochschmelzende Metalle und Verbundwerkstoffe. Ob in der Elektronik, der Beschichtungstechnik oder in Hochtemperaturöfen: wo herkömmliche Materialien an ihre Grenze stoßen, kommt PLANSEE ins Spiel. Für die Produktion der Interkonnektoren bringt PLANSEE sein profundes Wissen in der Serienfertigung von endabmessungsgenauen Sinterformteilen sowie deren Beschichtung ein. In einem leistungsfähigen Netzwerk aus Forschungseinrichtungen und Industrieunternehmen ist PLANSEE der führende Anbieter von einbaufertigen metallischen Komponenten für Hochtemperatur-Brennstoffzellen.
SCHOTT AG
SCHOTT ist ein internationaler Technologiekonzern mit mehr als 125 Jahren Erfahrung auf den Gebieten Spezialglas, Spezialwerkstoffe und Spitzentechnologien. Mit vielen seiner Produkte ist SCHOTT weltweit führend. Hauptmärkte sind die Branchen Hausgeräteindustrie, Solarenergie, Pharmazie, Elektronik, Optik, Transportation und Architektur. Der Geschäftsbereich Electronic Packaging ist ein führender Entwickler und Hersteller von hermetischen Gehäusen und anderen Komponenten für den zuverlässigen und langfristigen Schutz von empfindlichen Elektroniken. Die Kernkompetenzen umfassen Glas-Metall und Keramik-Metall-Durchführungen, Temperatursicherungen sowie eine Vielzahl von Spezialgläsern.
Pressebericht
