Emissionsarme Stromversorgung für Wohnmobile / 26.05.2015

Mobile Brennstoffzelle verstromt Diesel

Teilansicht des Brenngaserzeugers des dieselbetriebenen Brennstoffzellensystems. © OWI Oel-Waerme-Institut GmbH

Das neue autonome Brennstoffzellensystem wandelt geräuscharm - ohne Motor und Generator - Dieseltreibstoff in elektrische Energie. Ein unter der Leitung des Oel-Wärme-Instituts in Aachen entwickelte System zur mobilen Stromversorgung hat seine Bewährungsprobe bestanden. Die Forscher konnten die technische Reife der modular aufgebauten Demonstratoranlage im Inselbetrieb belegen.

 

Das modulare Brennstoffzellensystem für mobile Anwendungen wurde im Verbundvorhaben MÖWE III entwickelt. Es versorgt als Auxiliary Power Unit (APU) beispielsweise Wohnmobile oder Boote mit elektrischer Energie. Die APU liefert eine elektrische Nettoleistung von 3 kWel für die Stromversorgung elektrischer Geräte wie Klimaanlage oder Kühlschrank. Um den an Bord sowieso vorhandenen Brennstoff Diesel nutzen zu können, wird dieser durch das Verfahren der Dampfreformierung zunächst in ein wasserstoffreiches Brenngas umgewandelt. Dieses setzt die Brennstoffzelle anschließend zu Strom um.

 

Entwicklungsschritte zum marktfähigen Aggregat

Das Brennstoffzellensystem besteht aus Diesel- und Wassertank, Brenngaserzeuger- und Brennstoffzellenmodul inklusive Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzelle (NT-PEM) mit 90 Zellen sowie Batterie und Leistungselektronik.
Ziel der Entwickler war es, die Prozessführung zu verbessern, die Systemkomplexität zu reduzieren und Einzelkomponenten und Module bis zur Marktreife zu entwickeln.
Sie optimierten die Verschaltung des Systems: Restgas kann nun im Reformer umgesetzt werden, dadurch entfällt der Restgasbrenner einschließlich der zugehörigen Systemkomponenten. Außerdem ersetzten sie eine Brennstoffdüse durch ein Metallvlies. Dadurch wird ein Kühlkreislauf eingespart.
Ein wichtiger Schritt war es, den Systemstart zu beschleunigen: Die Entwickler verbesserten das Brenngaserzeugermodul. Durch den Einsatz von brennfähigen Gemischbildnern konnten sie die Startzeit des Fuel Processor von zwei auf eine halbe Stunde verkürzen.
Im März 2015 waren Auslegung, Aufbau und Packaging (kompakte Gestaltung) des Demonstrators und  Inbetriebnahme abgeschlossen. Die Funktionsfähigkeit des Systems wurde im Inselbetrieb des Brennstoffzellenstacks und des E-Moduls mit einem exemplarischen Versuchszyklus erfolgreich demonstriert.

 

Das MÖWE-System ist aktuell das einzige bekannte Vorhaben mit der Technologiekombination Diesel SR (Dampfreformierung) –PEMFC. Seine Vorzüge gegenüber anderen Technologiekombinationen:

 

  • Da es mit Diesel betrieben wird, ist kein zusätzlicher Kraftstoff erforderlich; Diesel ist überall verfügbar, die Energiedichte ist hoch.
  • Durch Dampfreformierung sind Wasserstoff-Ausbeute und -Partialdruck sehr hoch (keine Verdünnung mit N2).
  • LT-PEM ist serienreif, erreicht lange Lebensdauer und braucht nur kurze Startzeiten.

 

Eine Herausforderung für die Entwickler lag darin, dass beim Betrieb einer Niedertemperatur-PEM mit kommerziellem Diesel die Dauerstabilität vom Reformerbetriebspunkt abhängt. In einem Dauerbetrieb des Reformers von über 500 Stunden bestätigte sich, dass die Degradation der Reformierung durch eine neue Regenerationsstrategie weitestgehend zu vermeiden ist.

 

Emissionsarme, leise Bordstromversorgung ersetzt herkömmliche Generatoren

In der Leistungsklasse von rund 3 kWel sind im mobilen Bereich aktuell nur mit Benzin- oder Dieselmotor betriebene Stromgeneratoren auf dem Markt. Diese dürfen aber auf Stellplätzen für Reisemobile oder im Hafenbereich aus Lärm- und Emissionsschutzgründen nur beschränkt betrieben werden. Dagegen arbeitet das Brennstoffzellensystem geräusch-, emissions- und vibrationsarm.

 

Die Entwickler sehen die Diesel-Brennstoffzellen-APU als Technologie als vielversprechenden Ansatz für mehrere Marktsegmente wie Reisemobile oder Yachten. Sie erwarten dabei für verschiedene Marktsegmente folgende Kosten pro erzeuger kWh:

 

 

Absatz pro Jahr

Kosten in Euro / kWel

Wohnmobile (Diesel)

25.000

2,00

Yachten (Diesel)

25.000

5,00

Hausenergieversorgung (HEL)

5.000

3,50

Den aktuellen Stand des Projektes Möwe III stellt Jörg vom Schloß vom OWI am 1. Juni 2015 bei dem Statusseminar Brennstoffzelle des Nationalen Innovationsprogramms Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie in Berlin vor.

 

Über die Forschungsarbeit zu einem anderen dieselbetriebenen Brennstoffzellensystem für die Stromversorgung parkender Nutzfahrzeuge berichtete BINE Informationsdienst im Projektinfo 2/2013. Die in den Projekten ENSA I und II entwickelte Brennstoffzellen-APU kann die Verbraucher in LKW-Führerhaus, Wohnmobil oder Schiff effizienter, leiser und emissionsärmer versorgen als die auf dem Markt verfügbaren Dieselgeneratoren. Eine brennstoffzellenbetriebene APU mit einem angepeilten Wirkungsgrad von 30 Prozent  ist sparsamer als eine motorbetriebene, die ungefähr 25 % erreicht (das bedeutet eine Kraftstoffersparnis von etwa 20 Prozent).

 

Aufgaben der Partner im Forschungsprojekt

Die Projektpartner im Projekt MÖWE III haben die Entwicklung des Brennstoffzellensystems auf folgende Arbeitspakete aufgeteilt:


OWI (Projektleitung)

  • Koordinierung der Arbeiten mit dem Ziel einer Optimierung der Einzelkomponenten für den Aufbau des Demonstrationssystems
  • Test und Betrieb des Brenngaserzeugers und Optimierung der Regelungsstrategie mit Rücksicht auf die Kopplung mit dem Brennstoffzellenmodul und dem Elektronikmodul
  • Laboruntersuchungen zur Kopplung von Brenngaserzeuger und Brennstoffzelle
  • Steuerung des Brenngaserzeugers
  • Aufbau des Demonstrators:
    Auslegung und das Packaging des Brenngaserzeugermoduls für das Gesamtsystem
    Berechnungen zur Betriebsstrategie des Demonstrators
    Be- und Entladestrategie des Batteriespeichers
    Aufbau, Inbetriebnahme und Betrieb des Demonstrators
    Optimierung der Betriebsstrategie

 

Mahle Behr    

  • Konstruktion und Fertigung des Brenngaserzeugermoduls
  • Weiterentwicklung und Herstellung von Reformer, Wärmeübertrager und Verdampfer
  • Überprüfung der gefertigten Prototypen auf ihre Eignung hinsichtlich einer Industrialisierungsfähigkeit für größere Stückzahlen


Inhouse Engineering

  • Benchmarking der verschiedenen PEM-Stack-Technologien
  • Entwicklung einer neuen Brennstoffzellen-Modulgeneration
  • Packaging des Brennstoffzellemoduls
  • Test und Betrieb des Brennstoffzellenmoduls und Optimierung Regelungsstrategie
  • Verschaltung des Brennstoffzellen- mit dem Elektronikmodul
  • Kopplung des Gesamtsystems, Anpassung der Betriebsstrategie

 

Enasys

  • Entwicklung der Stromrichter (DC/DC, DC/AC)
  • Entwicklung von Mikrocontroller
  • Auslegung und Bau der Batterieeinheit

 

 

Mehr zum Projekt

Verbundvorhaben MÖWE III: Entwicklung eines modularen Brennstoffzellensystems basierend auf Diesel für den Einsatz in mobilen Anwendungen 

Abschlussbericht ist erhältlich als externer Download von der TIB Hannover.

Projektbeteiligte

Projektkoordination, Test und Betrieb von Brenngaserzeuger und Gesamtsystem:
OWI Oel-Waerme-Institut GmbH

Brennstoffzellenmodul-Entwicklung und Packaging:
inhouse engineering GmbH

Stromrichter, Microcontroller und Batterieeinheit:
Enasys

Brenngaserzeugermodul und Weiterentwicklung von Komponenten:
MAHLE Behr GmbH & Co. KG

Förderkennzeichen:
03ET2052A,C,D

Laufzeit:
2012 - 2015

Links

BINE-Projektinfo 02/2013
Emissionsarme Energieversorgung auf dem Rastplatz
(PDF, 4 Seiten, 1,2 MB)

BINE Projektinfo 10/2011
Bordstromversorgung mit Brennstoffzellen
(PDF, 4 Seiten, 1,3 MB)

Nationale Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.