Bauhaus Luftfahrt Jahrbuch 2018

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50 energy technologies & power systems Brennstoffzellen als Mobilitätsoption: Fortschritte und Perspektiven Fuel Cells as Power Option for Mobility: Progress and Prospects Mit der direkten elektrochemischen Umwandlung von chemischer in elektrische Energie stellen Brennstoffzellen eine vielversprechende Lösung für elektrische Mobilität dar. Im Gegensatz zum Verbrennungsmotor mit Generator ist die PEM-Brennstoffzelle kompakter bei vergleichbarer spezifischer Leistung. Die PEM-Brennstoffzelle ist heutzutage eine ausgereifte Technologie, wobei Kosten, Lebensdauer und Zuverlässigkeit drei Hauptkriterien für den kommerziellen Erfolg und die Akzeptanz sind, in denen ein Brennstoffzellensystem besser sein muss als ein herkömmliches System. Die Kosten eines PEM-Systems werden auf Zellebene durch den Katalysator und die Membran bestimmt. Der Stapel hat jedoch nur einen Anteil von circa 40 % an den Gesamtkosten, die damit zum größeren Teil durch die Nebenaggregate bestimmt werden. Letztere sind auch die „Achillesferse“ bei der Zuverlässigkeit. So führen Probleme mit Lüftern, Kompressoren und Undichtigkeiten am häufigsten zu einer Abschaltung des Systems. Die Kernkomponente, der Stapel, arbeitet dagegen meist zuverlässig über die geforderten Betriebsstunden und ist wartungsfrei. Die Technologieziele für die PEM-Brennstoffzelle von 2009 für das Jahr 2020 sowie die langfristigen Ziele des „Fuel Cell Technologies Office“ im „US Department of Energy“ wurden bereits in 2015 erreicht und teilweise übertroffen, wie zum Beispiel die Leistungsdichte des Stapels und Systems oder die geforderte Betriebsdauer. Der kommerzielle Durchbruch erfordert jedoch ein leistungsfähiges Gesamtsystem mit einer entsprechenden Wasserstoff-Infrastruktur. Ein solches wird im Rahmen urbaner Mobilität bereits erprobt. Im Gesamtbild der Klimawirkung des Luftverkehrs werden am Bauhaus Luftfahrt die langfristigen Technologiepotenziale auf allen Hierarchieebenen der Integration neu bewertet, von der Effizienz des Stapels bis zum techno-ökonomischen Potenzial des Gesamtsystems. Schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems Schematic representation of a fuel cell system + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + H 2 O 2 With the direct electrochemical conversion of chemical energy to electrical energy, fuel cells represent a promising solution for electrical mobility. In contrast to the internal combustion engine with a generator, the PEM fuel cell is more compact at a comparable specific power. The PEM fuel cell is a mature technology today, whereby cost, lifetime, and reliability are three main criteria for commercial success and acceptance on the market, wherein a fuel cell system must be better than a conventional system. The catalyst and the membrane determine the cost of a PEM system at cell level. At system level, the auxiliary equipment cost accounts for the largest share, whereas the stack accounts for about 40 % of the total system cost. The auxiliary equipment is also the “Achilles’ heel” in terms of reliability. Problems with fans, compressors, and leakages are the most frequent causes for a shutdown of the system. The core component, the stack, usually works reliably over the required operating hours and is truly maintenance-free. The technology targets for the PEM fuel cell for 2020 and the long-term targets, both set in 2009 by the “Fuel Cell Technologies Office” of the “US Department of Energy”, were already achieved in 2015 and surpassed in some cases, such as the power density of the fuel cell stack and system or the required operating time. The commercial breakthrough, however, requires a well-performing overall system with a corresponding hydrogen infrastructure. Such system is already being tested in the context of urban mobility. Bauhaus Luftfahrt re-evaluates in the field of climate impact of aviation the long-term technology potentials at all levels of integration, ranging from stack efficiency to the techno-economic potential of the overall system.
51 Gravimetrische und volumetrische Leistungsdichte Aktueller Stand der Technologie 2018 von PEM-Brennstoffzellenstapeln in verschiedenen Leistungsklassen im Vergleich zu den Technologiezielen des „US Department of Energy“ Specific power and power density State of the art (2018) of the technology of PEM fuel cell stacks in different power classes compared to the technology targets of the “US Department of Energy” Specific power in kW/kg 3.5 3.0 Intelligent Energy Ltd. 2.5 DoE ultimate target kW/kg 2.0 1.5 Toyota Mirai Ballard Power Inc. 1.0 0.5 General Motors air-cooled 0 0 20 40 60 80 100 120 Net. el. power in kW Power density in kW/L 4.0 3.5 Intelligent Energy Ltd. 3.0 2.5 DoE ultimate target kW/L Toyota Mirai 2.0 Ballard Power Inc. 1.5 1.0 General Motors 0.5 air-cooled 0 0 20 40 60 80 100 120 Net. el. power in kW + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Erfüllung der Technologieziele Multi-Kriterien-Darstellung des Istzustandes (2015) von PEM- Brennstoffzellen (Bestwerte) gegenüber den Department-of-Energy 2020-Zielen und langfristigen Ambitionen Fulfilling technology targets Multi-criteria representation of the 2015 state of PEM fuel cells (best values) against the Department of Energy 2020 targets and long-term ambitions 2015 2020 targets Ultimate targets (reference) System Peak efficiency % 2015 2020 targets Ultimate targets (reference) Stack Power density W/L Relative cost-specific power 2015 2020 targets MEA kW/$ Power density W/L 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Power density W/L Durability h 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Specific power W/kg 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Cost-specific power kW/$ Specific power W/kg Cost-specific power kW/$ Bipolar plate kW/$ Membrane kw/$ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Dr. Holger Kuhn Co-lead Energy Technologies and Power Systems Batteriebasierte Elektromobilität hat sich als praxistauglich erwiesen, trotz des bestehenden Entwicklungsbedarfs hin zu höherer Reichweite. Brennstoffzellensysteme hingegen haben andere Skalierungseigenschaften und bieten daher eine bessere Lösung bei längeren Betriebszeiten. Während Brennstoffzellensysteme heute mit Verbrennungsmotoren vergleichbar sind, weisen sie bei ähnlichen elektrischen Gesamtwirkungsgraden im Gegensatz zu einer Gasturbine-Generator-Kombination für den hohen Leistungsbereich immer noch erhebliche Gewichtsnachteile von bis zu einem Faktor von 10 auf. Brennstoffzellen scheinen jedoch als APU-Ersatz aufgrund spezieller Integrationsvorteile ein sinnvolles Anwendungspotenzial zu bieten. Battery-based electric mobility has proven practical, despite the need for further development towards extended operating range. Fuel cell systems, on the other hand, have different scaling characteristics and may provide a better solution for extended operation times. Whereas fuel cell systems can compare to internal combustion engines today, they still exhibit significant weight penalties by a factor of 10 at similar overall electric efficiencies, when opposed to core engines of gas turbines coupled with an electric generator in the high-power regime. However, fuel cell systems as replacement for the APU seem to have reasonable potential because of their specific integration benefits.
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