Stromversorgung von Lkw Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen

Testsystem mit 2 HT-PEFC-Stacks im Vordergrund. Die Stacks leisten im Reformatbetrieb bis zu 5,6 kW elektrisch.
Testsystem mit 2 HT-PEFC-Stacks im Vordergrund. Die Stacks leisten im Reformatbetrieb bis zu 5,6 kW elektrisch.

Jülicher Wissenschaftler haben ein neues System mit Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (HT-PEFC) entwickelt, das Diesel und Kerosin im Testbetrieb erfolgreich direkt umsetzt und somit ein Fahrzeug in Standzeiten mit Strom versorgen kann.

Die in Jülich entwickelte Anlage arbeitet autark und liefert eine elektrische Leistung von 5 kW. Bisher wird der Strom typischerweise durch einen an den Motor angeschlossenen Generator mit einer Batterie als Puffer bereitgestellt. Dabei beträgt der elektrische Gesamtwirkungsgrad der Stromproduktion in den Standzeiten, also im Leerlaufbetrieb der Antriebsmaschine, nur etwa rund 10 Prozent. Das Brennstoffzellensystem arbeitet laut Forschungszentrum mit einem potenziellen Wirkungsgrad von bis zu 40 Prozent deutlich effizienter. Darüber hinaus läuft es praktisch geräuschlos und verursacht deutlich weniger giftige oder gesundheitsschädliche Abgase als ein Dieselmotor.

Ausgangspunkt des HT-PEFC-Systems war eine Kooperation für Anwendungen in der Luftfahrt: "Bei dem gemeinsam mit Airbus entwickelten System stand immer die multifunktionale Nutzung der Brennstoffzellentechnik von Flugzeugen im Vordergrund. Das heißt, neben der Stromproduktion geht es um die Nutzung des entstehenden Wassers und um die Reduzierung des Sauerstoffgehalts im Kerosintank durch die Abgase des Systems. Ein geringerer Sauerstoffanteil senkt die Gefahr einer Tankexplosion, denn in Flugzeugtanks können sich Sauerstoff-Kerosindampf-Gemische bilden, die bei vorhandener Zündquelle eine Explosion auslösen können", erläutert Prof. Ralf Peters aus dem Bereich Elektrochemische Verfahrenstechnik (IEK-3) des Jülicher Instituts für Energie- und Klimaforschung. Seit es in Kalifornien verboten ist, Trucks während der Pausen im Leerlauf mit Strom für die Heizung oder Klimaanlage zu versorgen, sind Hilfsstromaggregate mit Brennstoffzellen eine interessante Lösung für amerikanische "Sleeper Trucks", in denen Fahrer auf längeren Strecken übernachten.

Da die Brennstoffzellen möglichst reinen Wasserstoff verarbeiten, werden Diesel oder Kerosin zunächst durch einen vorgeschalteten Reformer in ihre gasförmigen Bestandteile zerlegt, unter anderem in den begehrten Wasserstoff. Anschließend wird das zwangsläufig entstehende Kohlenmonoxid in einem sogenannten Shiftreaktor unter Zugabe von Wasserdampf in Kohlendioxid und Wasserstoff umgewandelt. Dies verhindert, dass giftiges und reaktives Kohlenmonoxid die aktive Oberfläche der Brennstoffzelle blockiert.

Die verwendeten, flüssiggekühlten HT-PEFCs arbeiten bei 160 bis 180 °C und wurden am Institut speziell für die Verstromung von Dieselreformat entwickelt. "Anders als klassischen Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen, die auf eine Betriebstemperatur von etwa 60 bis 80 Grad kommen, tolerieren HT-PEFCs einen Kohlenmonoxid-Gehalt von etwa 1 Prozent im Reformatgas aus der Dieselreformierung ohne größere Leistungseinbußen", erklärt Prof. Werner Lehnert, Leiter der Abteilung Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen des Bereichs IEK-3. "Das entspricht in etwa der Brenngas-Qualität, die nach der Shift-Reaktion vorliegt. Der gewählte Brennstoffzellentyp ist damit letztlich ein Kompromiss zwischen Hoch- und Niedertemperatur-Brennstoffzellen", führt Arbeitsgruppenleiter Dr. Remzi Can Samsun fort. Da weitere Schritte zur Reinigung des Brenngases entfallen, ist der Aufbau deutlich einfacher als mit einer klassischen Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle. Im Vergleich zu einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle wie der SOFC (Solid Oxide Fuel Cell), die bei 600 bis 800 °C arbeitet, ermöglicht die niedrigere Betriebstemperatur aber ein einfacheres Aufheizen.

Mit dem neuen Testsystem stehen jetzt erstmals HT-PEFC-Stacks mit allen aufeinander abgestimmten Komponenten der Brenngaserzeugung in der benötigten Leistungsklasse auf dem Prüfstand. Das ermöglicht es, die Anlage nicht mit Synthesegasen sondern mit realen Kraftstoffen zu betreiben. Das System verzichtet im stationären Betrieb auf eine äußere Wärmezufuhr, alle notwendigen Wärmeaustauscher sind im System integriert. Die ersten, im Dezember 2012 begonnenen Tests verliefen einwandfrei. Mit dem aufgebauten System konnte das komplexe Systemkonzept validiert und die angestrebte Leistung von 5 kW erreicht werden. "Nach dem Beleg der Lauffähigkeit streben wir den gemeinsamen Aufbau eines Demonstrationssystems für Nutzfahrzeuge mit Partnern aus der Industrie an", berichtet Prof. Ralf Peters.