Brennstoffzellen in der Raumfahrt - Heinz Schmidt-Walter

Fachhochschule Darmstadt SS 2005
Dr. Schmidt-Walter
Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnik
Brennstoffzellen in der Raumfahrt
Jörg Haun-609346 / Ralf Haun-609333

Das Grundprinzip der Brennstoffzelle
In der nebenstehenden Prinzipskizze ist der schematische Aufbau einer
Brennstoffzelle dargestellt. Eine Anode und eine Kathode bilden mit dem Elektrolyt
drei Schichten, aus denen die eigentliche
Brennstoffzelle zusammengesetzt ist. Der Anode
wird meist Wasserstoff als Brenngas, der
Kathode Sauerstoff zugeführt. An der mit
Katalysatoren beschichteten Anode teilen sich
die Wasserstoffmoleküle in ihre zwei
Wasserstoffatome auf. Jedes Atom gibt dabei
ein Elektron ab, das über einen elektrischen
Leiter zur Kathode wandert. Es fließt ein
elektrischer Strom, der sich an den Elektroden
abgreifen lässt. Zurück bleiben positiv geladene
Wasserstoffionen (H + ). Auf der Kathodenseite
teilen sich Sauerstoffmoleküle unter Einfluss von
Katalysatoren in ihre zwei Sauerstoffatome auf.
Diese nehmen dann jeweils zwei Elektronen auf,
wodurch negativ geladene Sauerstoffionen entstehen. Die Wasserstoffionen (H + )
wandern von der Anodenseite durch den Elektrolyten auf die Kathodenseite. Dort
vereinigen sie sich mit den negativ geladenen Sauerstoffionen (O 2- ) zu Wasser.
Dieses Grundprinzip der Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff gilt für alle
Brennstoffzellen gleichermaßen, wobei sich Brennstoffzellen bezüglich ihres
Elektrolyten, ihres Brenngases und ihrer Betriebstemperatur stark unterscheiden.
Anforderungen der Raumfahrt an die Brennstoffzelle
Die kommerzielle Nutzung von Brennstoffzellen in der Raumfahrt begann Anfang der
1960er Jahre, als die neu gegründete US-Weltraumbehörde NASA die Pläne für eine
Serie bemannter Raumflüge, dem Gemini-Programm, bekannt gab. Gemini galt als
Wegbereiter für die noch weit in der Zukunft liegenden Apollo-Missionen und sollte
dafür dienen, die nötige Technik für einen zweiwöchigen Aufenthalt einer
mehrköpfigen Besatzung im Orbit inklusive diverser Andockmanöver im All zu
erproben. Die NASA suchte für ihr Projekt nach einer Möglichkeit, die für eine Zwei-
Mann-Besatzung vorgesehene Gemini-Raumkapsel völlig autark mit elektrischem
Strom zu versorgen. Es musste eine Energiequelle gefunden werden, die höchsten
technischen Anforderungen entsprach.
Gefordert waren geringes Gewicht bei ausreichender Leistungsabgabe, hohe
mechanische Belastbarkeit aber auch ausreichende Lebensdauer ohne
Leistungsabfall. Neben der Funktionstüchtigkeit in absoluter Schwerelosigkeit spielte
auch die Größe der Anlage eine wichtige Rolle, stand doch in der Kapsel sehr wenig
Platz zur Verfügung.
Batterie-Systeme konnten zwar im Gemini-Programm vorerst verwendet werden,
schieden aber für die geplanten Mondmissionen wegen ihres hohen Gewichts bei
großem Platzbedarf und geringer Lebensdauer aus. An eine ausschließliche
Energieversorgung der Kapsel über Solartechnik war ebenfalls nicht zu denken, sie
war neben den damaligen horrenden Kosten in hohem Maße unpraktikabel, waren
schließlich Sonnensegel und Akkumulatoren als Energiespeicher nötig. Nukleare
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Energieversorgung bot zu wenig Sicherheit für die Besatzung und stellte eine
unkalkulierbare Gefahr für die Bevölkerung dar.
So erwies sich für die NASA das lange bekannte Prinzip der Brennstoffzelle als
einzige Alternative zur Bordversorgung über Batterien, und gab bei der
amerikanischen General Electric Company (GE) die Entwicklung einer Anlage in
Auftrag, die neben geringem Gewicht und wenig Platzbedarf die elektrische
Energieversorgung der Raumkapsel über 14 Tage garantieren sollte.
Das Gemini-Programm- Erste Nutzung der Brennstoffzelle in der Raumfahrt
GE forschte seit Mitte der fünfziger Jahre auf dem Gebiet der
Brennstoffzellentechnik. 1955 hatte Willard Thomas Grubb, Chemiker bei General
Electric, das konventionelle Design der Brennstoffzelle aufgegriffen und
weiterentwickelt. Er verwendete erstmals einen Schwefel-Polysteren-Elektrolyt, eine
spezielle Kunststoff-Membran zwischen den Elektroden. Drei Jahre später wurde
diese Zelle von einem weiteren Chemiker und Kollegen Grubbs namens Leonard
Niedrach weiterentwickelt, erprobt und unter dem Namen Grubb-Niedrach-FC als
erste PEM-Brennstoffzelle bekannt. In Zusammenarbeit mit der NASA wurde dieser
Zelltyp von General Electric speziell für die Gemini-Missionen weiterentwickelt und
erprobt.
Die nebenstehende Abbildung zeigt Roy
Mushrush, Manager bei GE, bei einer
Vorführung der PEM-Brennstoffzelle, wie sie
allen Missionen ab Gemini 5 eingesetzt wurde.
Am linken Bildrand ist eine einzelne Zelle zu
erkennen, in seiner Hand zeigt Mushrush einen
Substack, in dem mehrere Einzelzellen
zusammengefasst sind. Insgesamt befinden sich
in der Anordnung, die im Durchmesser etwa
dreißig und der Länge nicht mehr als sechzig
Zentimeter misst, 96 in Reihe geschaltete
Einzelzellen. Die Zelle liefert kurzzeitig 1kW
Ausgangsleistung bei 490A und 23-26V und
einer Betriebstemperatur von etwa 65°C.
Die linke Abbildung zeigt den
schematischen Aufbau der gesamten
Anlage. Die tiefgekühlten und unter
hohem Druck stehenden Gase
Wasserstoff und Sauerstoff wurden der
Brennstoffzelle über Wärmetauscher und
Druckregler zugeführt. Bei der Reaktion
entstehendes Produktwasser wurde
gefiltert und deionisiert einem
Wasserspeicher zugeleitet. Ein positiver
Nebeneffekt: Beim Einsatz der
Brennstoffzelle konnte das aus der
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kalten Reaktion entstehende Produktwasser als Trinkwasser für die Besatzung
genutzt werden. Darauf wurde während der Gemini-Missionen jedoch weitgehend
verzichtet, da die vorgeschriebene Wasserreinheit nicht gegeben war. Die
gewonnene elektrische Energie konnte bei Bedarf vom Hauptbussystem abgegriffen
oder in einen Akkumulator gespeichert werden.
Die obere Abbildung rechts zeigt die Gemini-
Raumkapsel (dunkle Hülle) mit noch
angeschlossenem Versorgungsmodul (weiße
Hülle), in welchem auch die Brennstoffzellenanlage
untergebracht ist. Im Inneren des
Versorgungsmoduls sind die Wasser- und
Sauerstoff- sowie Produktwasserbehälter
dargestellt.
Die untere Abbildung zeigt eine Vergrößerung
und die genaue Positionierung der gesamten
Anordnung im Versorgungsmodul bei Gemini
5. Der kleine kugelförmige Tank beinhaltet
Sauerstoff, der große, das doppelte Volumen
fassende Kugel-Behälter beinhaltet den stark
gekühlten Wasserstoff. Direkt an den
Behältern sind Wärmetauscher,
Druckregulatoren und weitere Sensorik
angebracht. Im linken Bildbereich sind die
beiden tonnenförmigen Brennstoffzellen in
ihrer Aufhängung mit ihren Zu- und
Ableitungen zu erkennen.
Die anfänglichen Probleme mit der ersten von
GE gelieferten Zelle PB2, die im Gemini-Programm noch nicht zuverlässig einsetzbar
war, konnten mit einer zweiten, verbesserten Zelle weitgehend beseitigt werden.
Waren Zellkontaminierung und Leckage von Sauerstoff durch die Membran bei PB2
noch große Probleme, konnte die NASA mit der zweiten, verbesserten
Brennstoffzelle P3 trotz Fehlfunktion und Leistungsverlust während der Gemini-5-
Mission erste Erfolge verzeichnen. Auch die Möglichkeit, Trinkwasser für die
Besatzung herzustellen und der Umstand, dass die Kosten für das nötige Brenngas
Wasserstoff wegen des ohnehin schon riesigen Bedarfs für die Trägerrakete kaum
ins Gewicht fielen, trugen dazu bei, dass sich die NASA in ihren Plänen, weiterhin
Brennstoffzellentechnik im Apollo-Programm zu verwenden, bestätigt sah.
Das Apollo-Programm - Weiterentwicklung der Brennstoffzelle
In den frühen sechziger Jahren begann auch die Pratt&Whitney Company (P&W),
amerikanischer Triebwerkhersteller, mit der Entwicklung einer raumfahrttüchtigen
Brennstoffzelle, setzte dabei aber auf einen anderen Brennstoffzellentyp - die
alkalische Brennstoffzelle (AFC). Dieser Typ Brennstoffzelle hatte gegenüber der von
GE entwickelten PEMFC den Vorteil des höheren Wirkungsgrades von etwa sechzig
Prozent bei einer relativ hohen Ausgangsleistung von konstant 500W und
kurzzeitigen 1.5kW. Außerdem konnte die Brennstoffzelle ein für die Beatzung
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nutzbares Trinkwasser produzieren, das sogar den strengen Vorschriften der US-
Gesundheitsbehörde entsprach.
Eindrucksvoll wird demonstriert, dass das Produktwasser aus der chemischen
Reaktion genießbar ist. Allerdings wies die AFC einen Nachteil gegenüber der
PEMFC auf: Sie konnte nur mit reinstem
Sauerstoff betrieben werden, da im
Oxidationsgas auftretendes
Kohlenmonoxid sofort mit der Kalilauge zu
Kaliumkarbonat reagieren und die Poren
der Elektroden verstopfen würde. Dieser
Nachteil fiel jedoch weniger stark ins
Gewicht, da für den Raketenantrieb
ohnehin reiner Sauerstoff benötigt wurde.
Somit beauftragte die NASA
Pratt&Whitney für die Herstellung der
Apollo-Brennstoffzellen.
Die obere Abbildung auf der linken Seite
zeigt P&W-Ingenieure beim Zusammen-
bau der Brennstoffzellen. Im unteren
Bereich ist deutlich der Stack, in dem die
einzelnen Zellen in Serie geschaltet sind,
sichtbar. Der Stack beinhaltet 31
einzelne Brennstoffzellen und
verschwindet nach dem Zusammenbau
komplett in einer aus Titan gefertigten
Schutztrommel, in der auch das
Kühlsystem untergebracht ist. Mit ihrer
Serienschaltung kann jede Anlage
kontinuierlich 563 bis 1420W
Ausgangsleistung bei 27 bis 31V liefern
bei einer Betriebsstemperatur von etwa
200°C. Kurzzeitig können Leistungen bis
zu 2300W entnommen werden. Jedes
Service-Modul der Apollo-Reihe war mit
drei solcher Brennstoffzellen
ausgerüstet, die die drei
Besatzungsmitglieder mit Trinkwasser
versorgten. Die überschüssige Wärme
wurde auch zum Heizen des Moduls und
zur Erwärmung des auf -173°C
tiefgekühlten Sauerstoffs vor dem
Eintreten in die Brennstoffzelle benutzt.
Die untere Abbildung zeigt das konisch
geformte Kommando-Modul mit unten
angekoppeltem Service-Modul, welches
vor Wiedereintritt in die Erdatmosphäre
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abgekoppelt wurde. Im Service-Modul ist die gesamte Brennstoffzellenanlage
installiert.
Das Space Shuttle - Revolutionäre Brennstoffzellentechnik in der Raumfahrt
Nach dem Erfolg der Brennstoffzellentechnik während der Apollo-Missionen
entschied sich die NASA Anfang der siebziger Jahre des letzten Jahrhunderts,
Brennstoffzellen auch in den geplanten Space-Shuttle-Missionen einzusetzen. Dabei
stellten erhöhte Anforderungen der NASA große Herausforderungen dar: Der Einsatz
von Brennstoffzellen sollte wirtschaftlicher bezüglich Anschaffung, Wartung und
Wiederverwendbarkeit werden. Sicherheit, Gewichtsersparnis, geringer Platzbedarf
und die Trinkwassernutzung waren weitere wichtige Kriterien für die
Weiterentwicklung der Brennstoffzelle in der Raumfahrt.
Die NASA entwickelte in Zusammenarbeit mit Pratt&Whitney/UTC Fuel Cells die auf
der rechten Seite abgebildete, alkalische Brennstoffzelle. Der Space Shuttle Orbiter
hat drei separate Brennstoffzellenanlagen dieses Typs an Bord, die unter dem
Nutzlastbereich im vorderen
Teil des Rumpfes
untergebracht sind. Die drei
Brennstoffzellen operieren
als unabhängige
Stromquellen, jede versorgt
einen eigenen 28V-
Gleichstrom-Bus. Die
Anlage liefert etwa 2kW bei
32,5V und 61,5A
kontinuierlich und bis zu
12kW bei 27,5V und 436A
über einen Zeitraum von
fünfzehn Minuten. Im
stationären Betrieb leistet
die Brennstoffzelle unter
7kW, so bleiben bei einem Durchschnittsbedarf des Shuttles von etwa 14kW
ausreichende Reserven beim Ausfall einer Zelle und dauerhaft ein Überschuss von
7kW für durchzuführende Sonderapplikationen. Jede Zelle ist für eine Betriebsdauer
von über 2000 Stunden ausgelegt und kann nach jeder Mission generalüberholt
werden.
Der in helle Schutzfolie eingefasste Bereich auf der linken Seite der Abbildung wird
als Power-Section bezeichnet. Dieser Teil der Anlage setzt sich aus drei Teilstacks,
den so genannten Substacks, mit je 32 Einzelzellen zusammen, insgesamt werden
also 96 Einzelzellen zu einer Batterie zusammengefasst. Verzweigte Rohrleitungen
durchtreten diese Substacks der Länge nach und versorgen sie mit Wasserstoff,
Sauerstoff und Kühlung.
Der rechte Teil des Systems ist die so genannte ECU (Electronic Control Unit),
einelektronisches Überwachungssystem, das den Reaktionsfluss, die
Betriebstemperatur, Produktwasserabführung und weitere Betriebsparameter
überwacht, aufzeichnet und auf dem Control-Panel im Cockpit dargestellt.
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Bevor Wasser- und Sauerstoff in die Brennstoffzelle einströmen, fließen sie durch
einen Vorheizer, in dem sie aus tiefgekühltem Zustand auf eine Temperatur von etwa
4,4°C oder höher erwärmt werden. Nach dem anschließenden Durchlaufen eines
Filters durchfließen sie einen zweistufigen Druckregulator, nach der zweiten
Druckstufe wurde der Druck des Sauerstoffs auf etwa 4,3 - 4,5bar reduziert und der
Druck des Wasserstoffs auf 0,3 - 0,4bar unter dem Druck des Sauerstoffs gehalten.
Nach der Druckregulierung werden Wasser- und Sauerstoff dem Stack zugeleitet.
Der gesamte Sauerstoff, der in die Zelle eintritt, wird konsumiert, das heißt, für die
Reaktion benutzt.
Es wird jedoch mehr Wasserstoff als benötigt durch den Stack gepumpt, um
einerseits mit dem Sauerstoff zu reagieren, andererseits den Produktwasserdampf
abzuführen. Denn bei einer operativen Nutzleistung von 7 kW braucht es nur einige
Minuten, die Zelle mit nicht abtransportiertem Produktwasser zu fluten. Wasserstoff
und Reaktions-Wasserdampf verlassen als Mischung den Stack und treten in einen
Kondensator ein, in dem überschüssige Wärme aus Wasserstoff und Wasserdampf
dem Kühlsystem zugeführt werden kann. Im Kondensator wird der Wasserdampf zu
Tröpfchen kondensiert, das flüssige Wasser durch eine Zentrifuge extrahiert und
einem unter hohem Druck stehenden Wassertank im Unterdeck der Crewkabine als
Trinkwasser zugeführt. Der zurückbleibende Wasserstoff wird über einen internen
Wasserstoffkreislauf in die Zelle zurückgeführt.
Die Abbildung zeigt die Anordnung der drei Brennstoffzellenanlagen (Fuel Cell Power
Plants) im vorderen Mittelrumpf des Orbiters. Die Brennstoffzellen, hier blau
eingefärbt, werden über ein Rohrleitungssystem von den kugelförmigen
Druckbehältern mit Wasser- und Sauerstoff versorgt. Die Detailskizze A im oberen
Bereich der Abbildung zeigt die Anordnung der Zuleitungsventile für die einzelnen
Tanks.
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Wasserstoff und Sauerstoff werden in Abhängigkeit des Strombedarfs des Space
Shuttles konsumiert. Der Verbrauch ist dabei direkt proportional zum Bedarf. Dieser
Zusammenhang dient als Indikator für mögliche Undichtigkeiten und Lecks im
gesamten Leitungssystem: Durch einen ständigen Abgleich von Wasser- und
Sauerstoffverbrauch und der von der Anlage gelieferten Nutzleistung können
Leckageverluste in den Leitungen unter hoher Verlässlichkeit ausgemacht werden.
Falls sich der Kalium-Hydroxid-Elektrolyt der Brennstoffzelle in das Produktwasser
lösen sollte, schlägt ein PH-Sensor Alarm.
Treten fremde Gase oder Kontaminierungen in die Zelle ein, reduzieren sie die
Reaktionseffizienz und somit die Stromversorgung des Schiffs. Somit ist eine
regelmäßige Spülung der Zellen unabdingbar. Zweimal täglich werden Spülventile
betätigt, die sonst geschlossenen Wasser- und Sauerstoff-Kreisläufe werden so
geöffnet. Der jetzt höhere Durchfluss von Wasserstoff und Sauerstoff erlaubt nun den
Gasen, die im Stack befindlichen Verunreinigungen und Fremdgase bei der
Zirkulation durch die Anlage auszuspülen und ins All auszublasen. Während der
Spülung wird jedoch weiterhin Strom generiert, im Space Shuttle dürfen aber
während des Spülvorgangs nicht mehr als 10kW pro Brennstoffzelle gefordert
werden. Durch geschickte Verteilung der Nutzleistung und Druckerhöhung (und der
damit verbundenen Flusserhöhung) kann die Durchspülung bei mehreren Zellen
gleichzeitig durchgeführt werden. Zudem können alle drei Zellen kontrolliert ein- und
ausgeschaltet sowie im Stand-By-Zustand betrieben werden.
Die Zukunft der Brennstoffzelle in der Raumfahrt
1981 traten während einer Space-Shuttle-Mission erstmals Fehlfunktionen bei einer
an Bord installierten Zelle auf. Im Jahr 1997 musste eine Brennstoffzelle während
einer Mission der Raumfähre Columbia sogar vollständig abgeschaltet werden - die
Mission wurde trotz Sicherheitsreserven durch die zwei verbleibenden Zellen
frühzeitig abgebrochen. Nichts desto trotz hält die NASA bis heute am Einsatz von
Brennstoffzellen, insbesondere im Space Shuttle, fest.
In der bemannten Raumfahrt spielt die Brennstoffzellentechnik bis heute eine
wichtige Rolle und wird diese aufgrund ihrer vielen Vorteile bezüglich Zuverlässigkeit,
Wirtschaftlichkeit, Gewicht- und Platzbedarf nicht verlieren.
Quellenangaben für Abbildungen und technische Informationen
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UTC Fuel Cells
NASA Space Agency
Fuel Cell Today
Innovation Brennstoffzelle
Deutsches Luft- und Raumfahrtzentrum
NASM
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