Brennstoffzellen für portable Anwendungen · 2015. 2. 2. · Forschungszentrum Jülich in der Helmholtz-Gemeinschaft Institut für Energieverfahrenstechnik (IWV-3) Brennstoffzellen

Forschungszentrum Jülich in der Helmholtz-Gemeinschaft

Institut für Energieverfahrenstechnik (IWV-3)

Brennstoffzellen für portable Anwendungen

J. Mergel

Forschungszentrum Jülich GmbHInstitut für Energieverfahrenstechnik (IWV-3)

52425 Jülich

[email protected]



Ringvorlesung “Zukunftstechnik Brennstoffzelle”29. April 2004, Köln



Brennstoffzellen für portable AnwendungenBrennstoffzellen für portable AnwendungenBrennstoffzellen für portable Anwendungen Brennstoffzellen für portable Anwendungen ????????????Smart Fuel Cell to present new portable product during CeBIT Computer Show

Smart Fuel Cell präsentiert marktreife Produkte

Die Zukunftstechnologie Brennstoffzelle erobert den MarktMünchen, 26. August 2003. Das weltweit erste Brennstoffzellen-System für den privaten Gebrauch ist ab September auf dem Markt: Technologieführer SFC Smart Fuel Cell AG (SFC) präsentiert die innovative Technologie zusammen mit Hymer, dem Marktführer für Reisemobile auf dem Caravan Salon Düsseldorf (30.08.- 07.09.) in Halle 17.

oshiba topresent la

test fuel c

ell notebook durin

g CeBIT

uter show

Fuel-Cell Tech May Be Coming SooncT

omp



Brennstoffzellen für portable AnwendungenBrennstoffzellen für portable Anwendungen

•• EinleitungEinleitung

•• Zielgrößen, technische HerausforderungenZielgrößen, technische Herausforderungen

•• DMFC Entwicklung am Forschungszentrum JülichDMFC Entwicklung am Forschungszentrum Jülich

•• AusführungsbeispieleAusführungsbeispiele für portable Anwendungen für portable Anwendungen (PEFC/IMFC/DMFC)(PEFC/IMFC/DMFC)

•• Zusammenfassung und AusblickZusammenfassung und Ausblick











DMFC für DMFC für portableportable und mobile Anwendungenund mobile Anwendungen

Source: Motorola

Vectrix

DaimlerChrysler



Definition Definition portableportable Brennstoffzellen (IEC TC 105)Brennstoffzellen (IEC TC 105)

hand-heldtragbar und vorgesehen für das Halten in der Hand während des üblichen Betriebes

portablegeeignet, von einer einzelnen Person getragen zu werden

(die Bezeichnung “portable“ schließt häufig zusätzlich die Betriebsfähigkeit während des Transportes ein.)

transportableleicht von einem Ort zu einem anderen bewegbar, im Allgemeinen mit einem Fahrzeug

mobilebetriebsfähig während des Transportes



Was erwartet der Kunde?Was erwartet der Kunde?

• lange Stromversorgung

• hohe Leistung

• kleine Abmaße

• wenig Gewicht

• einfache Handhabung

• umweltfreundlich

• kostengünstig



Laufzeiten von Notebooks mit LiLaufzeiten von Notebooks mit Li--IonenIonen--Akkus (Akkus (CentrinoCentrino--Notebooks)Notebooks)

Li-Ionen-Akkus: 40 – 70 Wh

Laufzeiten: 2,5 - 6,5 habhängig vom Betrieb

normaler Betrieb ca. 12 WDVD-Video-Wiedergabe ca. 16 – 20 W

Gewicht/Energiedichte:65 Wh 413g 160 Wh/kg 250 Wh/l39 Wh 292g 133 Wh/kg 200 Wh/l

Preise für Zweitakku unterschiedlicher Hersteller:

40 Wh 181 €49 Wh 234 €72 Wh 129 €39 Wh 195 €



Fuel Cell

System



Vorteile von Brennstoffzellen gegenüber LiVorteile von Brennstoffzellen gegenüber Li--AkkusAkkus

- erhöhte Energiedichte

längere Betriebszeit

erhöhte Funktionalität

- sofortiges Aufladung nach Auftanken

- simples Energiesystem mit direktem Energiewandler

- hohe Energiedichte von MeOH:5 Wh/ml; 6 Wh/gr MeOH

0,3 Wh/ml Li-Ionen-Batterie

Li-Akku

Li-Akku

Li-Akku

Li-Akku

Li-Akku

Li-Akku

Li-Akku

verdoppeln der Betriebszeitverdoppelt Platzbedarf

DMFC DMFC DMFC

MeOHMeOH

MeOH

verdoppeln der Betriebszeitverdoppelt nicht den Platzbedarf



Nachteile von BrennstoffzellenNachteile von Brennstoffzellen

- geringe Ausgangsspannung

≤ 0,5 V/Zelle (DMFC)

≤ 0,8 V/Zelle (PEFC)

- geringe Leistung bei “start-up“

- Lastwechsel (DMFC)

Brennstoffzellen sind kein BatterieersatzBrennstoffzellen sind kein BatterieersatzBrennstoffzellen sind gut geeignet für HybridsystemeBrennstoffzellen sind gut geeignet für Hybridsysteme



DMFCDMFC--HybridsystemeHybridsysteme• größere Kapazität Wh ohne zusätzliches Volumen und Gewicht

Volumen,Gewicht,Kosten

50Energie [Wh]

Li-ionAkku DMFC

Hybrid

DMFCAnwenderVorgabeLaptop-Akku

Kapazität heute

160



Lösungsansätze für portable Brennstoffzellensysteme Lösungsansätze für portable Brennstoffzellensysteme

Luft H2Druck-H2Metallhydrid

PEFC mitWasserstoff

K E A

Luft

MeOHKW

Reformer

CO + O2→ CO2

PEFCmitReformer

K E A

Luft CH3OH

DMFCDirect MethanolFuel Cell

K E A




• Energieinhalte unterschiedlicher Energieträger

500 Wh18,0Methanol0,79 g/cm³

330 Wh11,9Metallhydrid (FeTiH1,6)5,5 g/cm³

119 Wh4,3Druckwasserstoff(345 bar)

Energieinhalt / 100 mlH0 / VolumenMJ / Liter




DMFC PEFC



CH3OHH2O

Methanol-oxidation

CO2CH3OHH2O

O2 / Luft

O2 / N2H2OCO2

Sauerstoff-reduktion

Methanol-transport und-oxidation

CO2

H2O

O2

Anode Membran Kathode

Pel

O2

H2O

CH3OH

H2O

CO2CH3OH

H+solv

H2O

Schema der Vorgänge in einer DMFCSchema der Vorgänge in einer DMFC

Schlüsselprobleme:• mangelhafte Kinetik der elektrochemischen Prozesse, hohe Überspannungen• Methanol- und Wasserpermeation durch die Membran• Mischpotentialbildung an der Kathode (Spannungsverluste)



Schema der Vorgänge in einer DMFCSchema der Vorgänge in einer DMFC

0

200

400

600

800

1000

1200

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

Leis

tung

sdic

hte

/ (W

/cm

²)

WasserstoffDMFCWasserstoffDMFC

Zells

pann

ung

/ mV

Stromdichte / (mA/cm²)Schlüsselprobleme:• mangelhafte Kinetik der elektrochemischen Prozesse, hohe Überspannungen• Methanol- und Wasserpermeation durch die Membran• Mischpotentialbildung an der Kathode (Spannungsverluste)

höherer Katalysatorbedarf gegenüber PEFC











Zielgrößen zur Kommerzialisierung von portablen BrennstoffzellenZielgrößen zur Kommerzialisierung von portablen Brennstoffzellen--Systemen (Systemen (Quelle: U.S. DOE, Fuel Cells for Portable Power, January 15-17, 2002)

1,500-2,000 hrs com.5,000 hrs for

military/industrial use

1,000 hrs of full power use

(1.5 h/day for 2 years)

5,000 hLifetime / Durability

< 1 min for APUs~20 µsec for back-up

20 µsec-Start-up Time

-600 Wh/l1,000 Wh/lEnergy Density

$ 1/W for commercial use$ 3/W for

military/industrial use

$ 400 for a 20 W unit$ 1,000 for a 50 W unit

$ 3/WCost

30 %25 % for commercial50 % for military/industrial

-Efficiencyoutput electrical power / HHV fuel

200 W/l-100 W/lPower Density

200 W/kg-100 W/kgSpecific Power

High-PowerAuxiliary Power Unit

1 – 5 kW 2007, 10-50°C

High-PowerLaptop / Computer

20 - 50 W 2007, 10-50°C

Low-Power Consumer ElectronicsSub-watt to 20 W 2010



Aufbau einer MembranAufbau einer Membran--ElektrodenElektroden--Einheit MEAEinheit MEA

Nafion-Membran

microlayer:PTFE +CarbonBlack

microlayer:PTFE +CarbonBlack

Carbon cloth,Carbon paper

(Substrat)

Carbon Cloth,Carbon paper

(Substrat)

KathodeAnode

DiffusionsschichtAnode

DiffusionsschichtKathode

Kat.-SchichtPt + Naf

Kat.-SchichtPtRu + Naf.

Methanol/Wasser

CO2 H2O

Luft



MEAMEA--LeistungsdatenLeistungsdaten

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 5000

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Zells

pann

ung

/ mV

Stromdichte / mA/cm²

rot: 80°C, Umgebungsdruckblau: 90°C, Umgebungsdruckschwarz: 90°C, 2barLambda=4=konst.

Lei

stun

gsdi

chte

/ m

W/c

m²

Belegung: • Anode: 4 mg PtRu/cm² (HISPEC 6000), Kathode: 4 mg Pt/cm² (HISPEC 1000)



DMFC Kostenanalyse, ‘HighDMFC Kostenanalyse, ‘High--Power 50 W’ Power 50 W’

Kosten MEA RohmaterialMembran: 900 $/m²Anoden-Katalysator, PtRu: 26 $/gKathoden-Katalysator, Pt: 30 $/gNafion-Lösung: 290 $/lCarbon-Substrat: 100 $/m²

MEA Materialkosten 50 W DMFC-Stack, 50 mW/cm²Membran: 117 $Anoden-Katalysator, PtRu : 104 $Kathoden-Katalysator, Pt: 120 $Nafion-Lösung: 5 $Carbon-Substrat: 20 $

366 $ (1.370 $ komm. Anbieter)



SensitivitätsSensitivitäts--Analyse um 50 mW/cm²Analyse um 50 mW/cm²

ReferenzfallLeistungsdichte: 50 mW/cm² Membran: 150 $/m²Anode: 1 mg PtRu/cm² Katalysator, PtRu,Pt: 25 $/gKathode: 4 mg Pt/cm² Nafion-Lösung: 290 $/l

Carbon-Substrat: 100 $/m²



SensitivitätsSensitivitäts--Analyse um 50 mW/cm²Analyse um 50 mW/cm²

$0 $50 $100 $150 $200 $250 $300

1

2

3

4

MEA-Kosten für 50 W DMFC Stack

GDL$ 20 – 150/m²

$168

Edelmetall2 – 8 mg/cm²

Membran$ 50 – 250/m²

Leistungsdichte30 – 100 mW/cm²



Technische Herausforderungen zur KommerzialisierungTechnische Herausforderungen zur Kommerzialisierung

PackagingPower density (W/l) 100 – 200Specific Power (W/kg) 100 – 200Energy Density (Wh/l) 600Cost (Precious Metal Loading)Balance of Plant ComponentsCodes & Standards Recommended PracticesWater managementDurabilityStart-up Time

Power density / Specific Power CostSystem and Component MiniaturizationEnergy Density & Conversion EfficiencyConsumer Safety & EffluentsBalance of PlantWater managementDurability

High Power Systems20 W to 5 kW

Low Power Systemsub-watt to 20 W

Targets

Source: U.S. DOE



Notwendige Notwendige F+EF+E--AktivitätenAktivitäten

Improve power density / specific power- Electro-catalysts, Membrane Electrode Assembly, electrode structure- Stack design/engineering to reduce size and weight, low-pressure stack

Reduce cost- Identify and integrate low-cost materials and processes- Simplify system design and engineering- Develop low-cost balance of plant components- Develop and demonstrate high volume/low-cost manufacturing techniques

Energy density & conversion efficiency- Improved membranes to eliminate MeOH crossover- Achieve higher voltage cell operation at a given power output

Manufacturing / mass productionSystem and component miniaturizationCodes & standards / infrastructure

Source: U.S. DOE











Arbeitsplan DMFC: vom Katalysator zum SystemdesignArbeitsplan DMFC: vom Katalysator zum Systemdesign

KatalysatorPtRu

KatschichtStruktur

Diffusions-schicht

KatalysatorPt

KatschichtStruktur

Diffusions-schicht

Anode

Kathode

DMFC-System

Komponentenentwicklung

KatalysatorPtRu

KatalysatorPt

DMFC-System

Ziel:Ziel: -- Erhöhung Leistungsdichte (mW/cm²)Erhöhung Leistungsdichte (mW/cm²)

-- Reduzierung der EdelmetallbelegungReduzierung der Edelmetallbelegung

-- Verringerung der DegradationVerringerung der Degradation

EWN:EWN: -- KatalysatorscreeningKatalysatorscreening

-- Optimierung Schichtstruktur von Optimierung Schichtstruktur von KatalysatorKatalysator-- und Diffusionsschichtund Diffusionsschicht

-- StrukturStruktur--/Wirkungsbeziehung/Wirkungsbeziehung

-- AlterungsuntersuchungenAlterungsuntersuchungen



Casio forecasts the widespread use of Fuel Cell Technology in Casio forecasts the widespread use of Fuel Cell Technology in Mobile DevicesMobile Devices

01 October 2003Author: Stefan Geiger, Fuel Cell Today

...............................................

In the field, such as in a laptop, where high density energy of 1,000 Whr/L or higheris required, it predicts that among fuel cells, direct methanol fuel cells (DMFC) willbe insufficient in generating enough output density, and a modified type that supplieshydrogen from methanol will be in use. At present, the output density of DMFC is50 mW/cm². The company says, “DMFC cannot be used until it reaches 100 mW/cm²”.

……………………………..



MEAMEA--LeistungsdatenLeistungsdaten

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 5000

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Zells

pann

ung

/ mV


rot: 80°C, Umgebungsdruckblau: 90°C, Umgebungsdruckschwarz: 90°C, 2barLambda=4=konst.

Lei

stun

gsdi

chte

/ m

W/c

m²

Belegung: • Anode: 4 mg PtRu/cm² (HISPEC 6000), Kathode: 4 mg Pt/cm² (HISPEC 1000)



80 °C, 4x 1M MeOH, 3x Air

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

0.55

0.60

0.65

0 100 200 300

Current Density (mA/cm2)

Volta

ge (V

)

0

20

40

60

80

100

120

140

Pow

er D

ensi

ty (m

W/c

m2 )

GEN II (STD) - IVGEN III - IVGEN II (STD) - PDGEN III - PD

96 mW/[email protected]

115 mW/[email protected]

* Commercially available diffusion backings used

DuPont Fuel Cells“. . . powered by DuPont”

DuPont Fuel Cells“. . . powered by DuPont” MEA3 PerformanceMEA3 Performance



MEAMEA--LeistungsdatenLeistungsdatenBelegung: • Anode: 2 mg PtRu-C/cm² (HISPEC 10000), Kathode: 2 mg Pt-C/cm² (HISPEC 9100)

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 5000

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Zells

pann

ung

/ mV


Laufzeit: 456hrot: 80°C, Umgebungsdruckblau: 90°C, Umgebungsdruckschwarz: 90°C, 2barLambda=4=konst.

Lei

stun

gsdi

chte

/ m

W/c

m²




KatalysatorPtRu

KatschichtStruktur

Diffusions-schicht

KatalysatorPt

KatschichtStruktur

Diffusions-schicht

Membran

Anode

Kathode

MEA-Herstellverfahren

DMFC-SystemMEA


Ziel:Ziel: -- ‘high‘high volumevolume//lowlow--cost’cost’ HerstelltechnikenHerstelltechniken

EWN:EWN: -- Entwicklung neuer HerstellverfahrenEntwicklung neuer Herstellverfahren

-- Entwicklung geeigneter KatalysatorEntwicklung geeigneter Katalysator--und Kohlepasten für unterschiedliche und Kohlepasten für unterschiedliche BeschichtungstechnikenBeschichtungstechniken

-- Übertragung auf maschinelle FertigungÜbertragung auf maschinelle Fertigung



Herstellungsprozesse MembranHerstellungsprozesse Membran--ElektrodenElektroden--Einheiten (Einheiten (MEAsMEAs))• Qualitätssteigerung und Kostenreduktion durch kontinuierliche, maschinelle Fertigung

Beschichtungsverfahren• Rakeln• Siebdruck• Breitschlitzdüse

Gas Diffusion LayerDeskcoater



Herstellungsprozesse MembranHerstellungsprozesse Membran--ElektrodenElektroden--Einheiten (Einheiten (MEAsMEAs))• Qualitätssteigerung und Kostenreduktion durch kontinuierliche, maschinelle Fertigung

Anforderungen an die Pasten• Geeignete Viskosität• Schnelles Beschichten und Trocknen ohne

Minderung der Mikrostruktur

Beschichtungsverfahren• Rakeln• Siebdruck• Breitschlitzdüse

Deskcoater




Stackentwicklung

KatalysatorPtRu

KatschichtStruktur

Diffusions-schicht

KatalysatorPt

KatschichtStruktur

Diffusions-schicht

Membran

Anode

Kathode


DMFC-System

Strukturbipolare Platte

Zelle/StackMEA

Simulation

bipolare Platte

Dichtungen

Material

Material

Ziel:Ziel: -- kostengünstigekostengünstige StacksStacks für portable für portable und kleine mobile Anwendungenund kleine mobile Anwendungen

-- Steigerung der EnergieSteigerung der Energie-- (W/kg) und(W/kg) undLeistungsdichte (W/l)Leistungsdichte (W/l)

EWN:EWN: -- Optimierung von ‘Optimierung von ‘flowflow--fields’fields’ mittels mittels Strömungssimulation / ModellierungStrömungssimulation / Modellierung

-- Integration von kostengünstigen Integration von kostengünstigen MaterialienMaterialien

-- AssemblierungAssemblierung



ZellaufbauZellaufbau• Spannungserhöhung durch Reihenschaltung

O2 O2 O2

MeOH MeOH MeOH MeOH

+ + +- - -

+ -

O2 O2 O2

MeOH MeOH MeOH MeOH

+ + +- - -

+ -+-

+-

+- +-

MMM OOO

+-

MM O

+-

M OO

+-+- +-

+-

+- +- +- +-

MMM OOO

+-

MM O

+- +-

MM O

+- +-

M OO

+- +-

+ + +- - -+ + +- - -

bipolare Bauweise monopolare Bauweise

+

-

+

-MeOH

Luft

Streifenmembranbauweise



StackentwicklungStackentwicklung• 500 W DMFC-Stack: Leistungsdaten

Stack: 160 x 160 x185 mm³4.7 l

Leistung: 650 W Leistungsdichte: 140 W/l

Zellenzahl: 71Einzelelektrodenfläche: 144 cm2

Zellabstand: 2,2 mm

Temperatur: ≤ 80°C

Strom: 28 ASpannung: 23 V

Spez. Leistungsdichte : 65 mW/cm2

Stack: 160 x 160 x185 mm³4.7 l

Leistung: 650 W Leistungsdichte: 140 W/l

Zellenzahl: 71Einzelelektrodenfläche: 144 cm2

Zellabstand: 2,2 mm

Temperatur: ≤ 80°C

Strom: 28 ASpannung: 23 V

Spez. Leistungsdichte : 65 mW/cm2



GrafitischeGrafitische Materialien in der DMFCMaterialien in der DMFC

• ®SIGRAFLEX, Bipolarplatten und Flow-fields aus expandiertem Grafit:

– gute elektrische Eigenschaften– chemisch stabil – kommerziell erhältlich in unterschiedlichen Dicken– geringe Kosten– Dichtungswerkstoff, keine zusätzlichen Dichtungen– geringe Dichte– verstärkte Platten für Bipolarplatten erhältlich– gute Verarbeitbarkeit

Short-Stack, 4 Zellen Flow-field Anode, Einzelelektrodenfläche 310 cm²Short-Stack, Einzelelektrodenfläche 310 cm²

50 mW/cm² @ 60°C




KatalysatorPtRu

KatschichtStruktur

Diffusions-schicht

KatalysatorPt

KatschichtStruktur

Diffusions-schicht

Membran

Anode

Kathode


DMFC-System

Material

Prozess-führung

Strukturbipolare Platte

Zelle/StackMEA

Verfahrens-und

Systemanalyse

Simulation

bipolare Platte

Dichtungen

Material

Material

Systemtechnik

Ziel:Ziel: -- wasserautarker DMFCwasserautarker DMFC--BetriebBetrieb

-- Vereinfachung des SystemdesignsVereinfachung des Systemdesigns

-- Entwicklung von kostengünstigen Entwicklung von kostengünstigen SystemkomponentenSystemkomponenten



DMFCDMFC--Systemtechnik:Systemtechnik:Problemfelder der Systemtechnik:• Wasserverluste auf der Anoden- und Kathodenseite (Wassermanagement)• Auskühlung der Kathode • Regelung der Methanolkonzentration im Anodenkreislauf• Methanolverlust über CO2-Absaugung

BZ Luftversorgung

Luft

+ -

Kondensator

Kat-Brenner

PKL

CO2-Abscheider

H2O (f)MeOH (f)

CO2MeOH, H2O

(g)

KondensatpumpeH2O ,MeOH

(f)

MeOH-Pumpe



DMFCDMFC--SystemtechnikSystemtechnik : : WassermanagementWassermanagement

Anode KathodeCH3OH + H2O CO2 + 6 H+ + 6 e-

11/2 O2 + 6 H+ + 6 e- 3 H2OMembran

Was

ser/M

etha

nol (

f) H+

H+

H+

H+

H+

H+

Produktwasser

Atmosphäre

2 Mol67 %

33 % 1 Mol

Rückführung



DMFCDMFC--SystemtechnikSystemtechnik : : DragDrag--Faktor fürFaktor für Nafion117Nafion117

0

1

2

3

4

5

6

0 20 40 60 80 100 120 140

Temperatur [°C]

H2O

Dra

g-Ko

effiz

ient

[H2 O

/H+ ]

Nafion117, X. Ren

Nafion117, H. Dohle



DMFCDMFC--SystemtechnikSystemtechnik : : WassermanagementWassermanagement

Anode Kathode11/2 O2 + 6 H+(H2O)n + 6e- -> (3+6*n) H2OCH3OH + H2O -> CO2 + 6 H+ + 6 e- Membran

Was

ser/M

etha

nol (

f)8 %

Rückführung

92 %

2 Mol

22 Mol

H+ (H2O)n

mit Wasser EO drag!Auswirkungen:- “flooding” der Kathode- begrenzte Leistungsfähigkeit- hoher Luftvolumenstrom notwendig- Pumpe für Rückführung notwendig- geringerer Systemwirkungsgrad

H+ (H2O)n

H+ (H2O)n

H+ (H2O)n

H+ (H2O)n

H+ (H2O)n

Permeation/ Produktwasser

Atmosphäre



DMFCDMFC--Systemtechnik : WassermanagementSystemtechnik : Wassermanagement• Wasserdampfgehalt Kathodenabluft für wasserautarken Betrieb

- Normaldruck- Kathodenzuluft 20°C / 40% RH

Anode

Kathode

ZuluftAbluft

Bilanzgrenze

30

35

40

45

50

55

60

65

0 1 2 3 4 5 6

Lambda Kathode

Taup

unkt

tem

pera

tur [

°C]

λ / Luft

Taup

unkt

tem

pera

tur /

°C

nicht autonom

autonom





LeistungLeistung und und MassenwirkungsgradMassenwirkungsgrad: : • Einfluß der Betriebsparameter

0

20

40

60

80

100

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14Stromdichte (A/cm²)

Mas

senw

irkun

gsgr

ad (%

)

0

20

40

60

80

100

Leistungsdichte (mW

/cm²)

80°C60°C40°C

MeOH-Konz.: 0,4 M

0

10

20

30

40

50

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6MeOH-Konz. (M)

Leis

tung

sdic

hte

(mW

/cm

²) @

0.4

5V

50

60

70

80

90

100

Massenw

irkungsgrad (%) @

0.45V

T=70°C

• optimale MeOH-Konzentration <1M• Massenwirkungsgrade von 80-90% erreichbar• präzise, dynamische Regelung der MeOH-Konzentration erforderlich





•• Zielgrößen, technische Herausforderungen, F&E AktivitätenZielgrößen, technische Herausforderungen, F&E Aktivitäten






AusführungsbeispieleAusführungsbeispiele: : PEFCPEFC

Fhg ISE / LG Chem: 2002PEFC-Stack: 27 ZellenSpannung: 10 – 20 VMetall/Hydrid-Speicher: 3DC/DC-Converter: 24 VPeak-Leistung: 50 W Leistung: 40 Wh

Fhg ISE / General Atomic: 2002PEFC-Stack: 2 ZellenMetall/Hydrid-Speicher: 2 / 46 l H2DC/DC-Converter: 14 VPeak-Leistung: 45 W Leistung: 70 Wh



AusführungsbeispieleAusführungsbeispiele: : PEFCPEFC

Masterflex Brennstoffzellentechnik: 2004

Leistung: 50 W DauerleistungGewicht: 2,2 kg Mobile Office System: 50 h Notebookbetrieb



AusführungsbeispieleAusführungsbeispiele: : DMFCDMFC

SFC PowerBoy: 2004Spannung: 12 VLeistung: 25 WPeak-Leistung: 50 W (Standard-Hybridbatterie)Abmessungen: 168 x 81 x 40 mmGewicht: 0,7 kg

M90 M180MeOH: 100 % 100 %Kapazität: 100 Wh 220 WhMax. Laufzeit: 5,5 h 12 hAbmessungen: 50 x 77 x 27 mm 95 x 77 x 27 mmGewicht: 150 g 280 g

Systemwirkungsgrad: 28 %Energiedichte: 150 Wh/l




TOSHIBA: 2004Spannung: ? VLeistung: 12 WPeak-Leistung:Abmessungen:Gewicht:

MeOH: 100 %Volumen: 100 mlKapazität: 120 WhMax. Laufzeit: 10 h

Systemwirkungsgrad: 25 %




Samsung Advanced Institute of Technology:2004

Spannung: ? VLeistung: 10 W

MeOH: 100 %Volumen: 100 mlKapazität: 100 WhMax. Laufzeit: >10 h

Systemwirkungsgrad: 20 %



AusführungsbeispieleAusführungsbeispiele: : DMFCDMFCFujitsu DMFC Notebook: 2004Leistung: 15 W Methanol: 300 ml (30%)Laufzeit: 8 – 10 hSystemwirkungsgrad: 30 % (aber geringere Energiedichte Wh/l)

DMFC-Technik:• passives System• 30 % MeOH• 15 mm




NEC DMFC Notebook: 2003Leistung (max. Leistung): 14 W (24W)MEA-Leistung: 50 mW/cm²Spannung: 12 VSystemgewicht: 900 g Methanol: 300 ml (10%)Notebook + DMFC: 2 kgNotebook: 270 x 270 x 40 (mm)Laufzeit: ca. 5 h

Systemwirkungsgrad: 46 %Energiedichte: 85 Wh/kg




Smart Fuel Cell A25: 2003Leistung: 25 W / 80 W max.Spannung: 11 - 14VPufferbatterie: 4 AhEnergie: 50 Ah pro Tag

600 Wh pro TagSystemgewicht: 9,7 kg Methanol: 2,5 l

Verbrauch: 1,5 l MeOH / kWh

Systemwirkungsgrad: 13 %Energiedichte: 170 Wh/kg

Preis:Preis: € 3.990,€ 3.990,----



AusführungsbeispieleAusführungsbeispiele: : IMFCIMFC





AusführungsbeispieleAusführungsbeispiele: : IMFCIMFC



AusführungsbeispieleAusführungsbeispiele: : militärische Anwendungenmilitärische Anwendungen



AusführungsbeispieleAusführungsbeispiele: : militärische Anwendungenmilitärische Anwendungen

500 W DMFC

MTI DMFC power source 150 W PEFC System, Voller Energy





•• Zielgrößen, technische Herausforderungen, F&E AktivitätenZielgrößen, technische Herausforderungen, F&E Aktivitäten






Zusammenfassung und AusblickZusammenfassung und Ausblick

• Als elektrochemische Energiewandler können Brennstoffzellen höhereEnergiedichten erreichen als die heute eingesetzten Technologien

• Wegen der hohen Kosten beschränkt sich der kommerzielle Einsatz in dernäheren Zukunft noch auf Nischenmärkte

• Die DMFC ist ein vielversprechender Energiewandler im Bereich Watt bis einige 100 W mit einem breiten Optimierungsansatz

• Favorisierter Energieträger für portable Systeme ist Methanol

• Es müssen weitere technische Durchbrüche bei Materialien, Fertigungs-technologien, Systemkomponenten und Betriebskonzepten erfolgen

Documents

Brennstoffzellen für portable Anwendungen · 2015. 2. 2. · Forschungszentrum Jülich in der Helmholtz-Gemeinschaft Institut für Energieverfahrenstechnik (IWV-3) Brennstoffzellen