Am 19. Dezember 2006 hat der Rat der Europäischen Union das spezifische Programm „Zusammenar-eit“ zur Durchführung des Siebten Rahmenprogramms der Europäischen Gemeinschaft für Forschung, technologische Entwicklung und Demonstration für den Förderzeitraum von 2007 – 2013 verabschie-det [AEU06]. Dieses spezifische Programm ist mit einem Fördervolumen von ca. 32.4 Mrd. Euro der größte Einzeletat innerhalb des Siebten Forschungsrahmenprogramm der EU, das mit einem Gesamt-budget von über 53 Mrd. Euro das weltweit größte Förderprogramm für Forschungsprojekte ist. Wasser-stoff- und Brennstoffzellen-Technologien werden dabei in den Forschungsbereichen Nano, Werkstoffe und neue Produktionstechniken mit 3.5 Mrd. Euro, im Bereich Energie mit 2.4 Mrd. Euro und im Bereich Verkehr mit 4.2 Mrd. Euro gefördert. Im Forschungsbereich Energie werden die Maßnahmen für die Förderung von Wasserstoff-Brennstoffzellen-Technologien wie folgt formuliert [AEU06]:
„Die von der europäischen Plattform für Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologien konzipierte integrierte Forschungs- und Einführungsstrategie ist die Grundlage eines integrierten strategischen Programms für stationäre und mobile Anwendungen sowie für Verkehrsanwendungen, das eine starke technologische Basis für den Aufbau einer wettbewerbsfähigen Industrie für die Versorgung mit Brennstoffzellen und Wasserstoff und für die entsprechenden Geräte schaffen soll. Das Programm wird
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und zur Bereitstellung einer rationalen Grundlage für politische Entscheidungen und für die gungen.“
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des beinhalten: Grundlagenforschung, angewandte Forschung und technologische Entwick nstrationsprojekte in geeignetem Maßstab zur Validierung der Forschungsergebnisse und fü von Rückmeldungen für die weitere Forschung, bereichsübergreifende und sozioökonom
Einbeziehung von Infrastrukturfragen als Basis für solide Übergangsstrategien
Konzipierung von Marktrahmenbedin
In Deutschland wurde am 8. Mai 2006 von der Bundesregierung das Nationale Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP) beschlossen, das für die Forschung und Entwicklung sowie der Demonstration und Marktvorbereitung in diesem Bereich zusätzlich ca. 500 Mio. Euro bis 2015 zur Verfügung stellt [NIP06]. Das Arbeitsprogramm zur Umsetzung der einzelnen Fördermaß-nahmen des NIP ist im Nationalen Entwicklungsplan festgelegt, der in seiner aktuellen Version 2.1 vom Strategierat für Wasserstoff und Brennstoffzellen am 21. 03. 2007 herausgegeben wurde [NEP2.107].
Der Strategierat setzt sich dabei aus Vertretern der beteiligten Bundesministerien sowie den Vertretern aus Industrie und Wissenschaft zusammen. Die wesentlichen Elemente dieses Umsetzun
2.2 Förderprog mme für Wasra serstoff- und Brennstoffzellen-Technologien 9
usenergiever-sorgung“, „Stationäre Industrieanwendungen“ und „Spezielle Märkte für Brennstoffzellen“. In Abbildung die einzelnen Entwicklungspläne für „Verkehr“, „Stationäre Anwendungen in der Ha
2.2-1 sind beispielhaft die einzelnen Phasen und Meilensteine des Entwicklungsplans für „Stationäre Anwendungen in der Hausenergieversorgung“ dargestellt:
Abbildung 2.2-1: Entwicklungsplan für stationäre Anwendungen in der Hausenergieversorgung [EURW03].
Wie aus Abbildung 2-2-1 hervorgeht, ist die Weiterentwicklung von Nieder- (NT-PEMFC) und Hoch-temperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (HT-PEMFC) zur Vorbereitung auf die kom-merzielle Anwendung ein wesentlicher Schwerpunkt in diesem Entwicklungsplan. Die in diesem Plan erforderlichen Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten werden dabei wie folgt formuliert [NEP2.107]:
„Bei der PEMFC-Entwicklung im Niedertemperaturbereich sind die Erhöhung der Stack-Leistungsdichte, die Reduktion des Edelmetallgehalts und des Wasserumsatzes, die weitgehende Unabhängigkeit des Betriebs vom Wassernetz sowie die Erhöhung der CO- und der Schwefeltoleranz die wichtigsten technischen Ziele. Dane-
Diese Arbeit, die sich schwerpunktmäßig mit dem Leistungsvergleich von NT- und HT-PEM-Brennstoff-zellen beschäftigt, soll auch einen Beitrag zu dieser Weiterentwicklung leisten. In diesem Zusammen-hang ist das 2005 gegründete Brennstoffzellen-Bündnis Deutschland und die seit 2002 bestehende Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Initiative (H2BZ) Hessen zu nennen, die als Netzwerk-Kompetenz-träger für die in der Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Technologie beteiligten Partner in Politik, Industrie und Wissenschaft fungieren.
2.3 Aktueller Stand der Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Technologie
ben eröffnet sich durch die Hochtemperaturmembran (120 - 200 °C) eine viel versprechende Technologie. Sie bietet den Vorteil, dass das entstehende Produktwasser sich in der Dampfphase befindet und leichter aus der Brennstoffzelle ausgetragen werden kann. Außerdem erlaubt die Hochtemperaturmembran eine vereinfachte Gasaufbereitung.“
Im Folgenden wird kurz der aktuelle Entwicklungsstand der Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Technologie für einzelne Anwendungsbereiche beschrieben, in denen schwerpunktmäßig PEM-Brenn-stoffzellen eingesetzt werden.
Im Bereich der mobilen Anwendung von Brennstoffzellen-Systemen in Kraftfahrzeugen (Kfz) konzen-trieren sich die Entwicklungsaktivitäten beim PEMFC-Stack14 schwerpunktmäßig auf die Entwicklung korrosionsbeständiger Materialien, Verbesserung der Dichtungseigenschaften, Reduktion des Edel-metallgehalts und der Erhöhung der Leistungsdichte und der Lebensdauer bei gleichzeitiger Redukt n
der Ko .5
/cm² mit einer Lebensdauer von 2000 – 3000 Stunden und spezifischen Kosten von ca. 250 Euro pro
iese befinden sich bereits in der Erprobung. Schwerpunkte liegen hier in der Entwicklung
io sten. Aktuell haben in Kfz-Antrieben eingesetzte PEMFC-Stacks eine Leistungsdichte von ca. 0 W
kW Leistung. Zielgrößen für die kommerzielle Anwendung sind spezifische Kosten von max. 100 Euro pro kW, Leistungsdichten von mehr als 1 W/cm² und eine Lebensdauer von mind. 5000 h [NEP2.107].
Parallel dazu werden Kfz-Antriebssysteme auf Basis eines Wasserstoffverbrennungsmotors entwickelt;
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optimierter Motorkonzepte und Peripheriekomponenten. Die Mehrheit der Automobilhersteller hat sich
stack: engl. Stapel – Hintereinanderschaltung von mehreren Einzel-Brennstoffzellen.
14
2.3 Aktueller Stand der Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Technologie 11
peicherung des Wasserstoffs in kyrogenen Speichern wirft z. Zt. noch erhebliche robleme auf, die im wesentlichen auf das Entweichen des Wasserstoffs infolge der Erwärmung des
tationäre Brennstoffzellen-Heizgeräte für die Hausenergieversorgung befinden sich schon seit einigen ahren unter realen Bedingungen in der Feldtesterprobung. Diese stationären Anlagen haben den
il, Serienreife wird
jedoch nicht vor 2012 erreicht sein, da wesentliche Teile der komplexen Anlagentechnik, wie das
hwerpunktmäßig auf die Entwicklung neuer MEAs mit vereinfachtem assermanagement, erhöhter CO- und Schwefel-Toleranz und geringerem Edelmetallgehalt, die
gleich-rgung (USV) haben stationäre und portable PEM-Brennstoffzellenanlagen im Leistungsbereich bis zu
für die Druckspeicherung von Wasserstoff bei 700 bar entschieden. Probleme bereiten hier z. Zt. noch Allterungsmechanismen des Tankwerkstoffs, die Materialbeständigkeit der für die Wasserstoffzufuhr eingesetzten Elastomere und die Handhabbarkeit des Tanksystems (Gewicht, Volumen, Betankungszeit, etc.). Die Flüssigs
P
Tanks zurückzuführen sind. Die thermische Isolierung des Tanks muss hier noch deutlich verbessert werden, als Zielgröße für die Markteinführung wird hier ein max. Abdampfverlust von 1 g/h per kg Wasserstoff vorgegeben. Mit einer kommerziellen Markteinführung von wasserstoffbetriebenen Brenn-stoffzellen-Kfz ist nicht vor 2015 zu rechnen. Allerdings setzt dies eine flächendeckende Wasserstoff-Infrastruktur voraus, damit diese Fahrzeuge betankt werden können.
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Vorte eine bestehende Erdgas-Infrastruktur nutzen zu können. Die kommerzielle
„Balance-of-Plant“15, der Reformer für die Gasaufbereitung und die Elektronik noch deutlich zu teuer sind [Heinzel+06]. In prozesstechnischer Hinsicht konzentrieren sich die Forschungsaktivitäten bei Anlagen mit PEMFC-Stack sc
W
zeitig eine größere Leistungsdichte und eine längere Lebensdauer haben. Die aktuelle Leistungsdichte (NT-PEMFC) liegt bei 0.17 – 0.27 W/cm² bei einer Lebensdauer von max. 10000 Stunden; die Zielgröße für die kommerzielle Markteinführung liegt bei 0.25 – 0.32 W/cm² und einer Lebensdauer von min-destens 25000 Stunden. Durch die Verwendung von HT-PEMFC-Stacks kann die Anlagenkomplexität, insbesondere die Gasaufbereitung, deutlich reduziert werden; die Leistungsdichte ist jedoch etwas geringer (0.5 – 0.7 x NT-PEMFC) [NIP06].
In speziellen Anwendungen wie der Notstromversorgung bzw. der unterbrechungsfreien Stromver-so
5 kW den Stand der Vorserienreife erreicht. Aufgrund ihrer emissionsfreien und sehr geräuscharmen Betriebsweise werden diese USV-Geräte schon heute bevorzugt in kritischen Infrastrukturen, wie Tele-kommunikationsanlagen und Rechenzentren eingesetzt. Weitere spezielle Anwendungsfelder für PEM-
15 Balance-of-Plant: engl. Anlagen-Gleichgewicht, bezeichnet alle Kleinteile einer Anlage, wie Pumpen, Schlauchleitungen, Ventile, Sensoren, etc.
Brennstoffzellenanlagen liegen, wie in Kapitel 2.2 bereits erwähnt, in der Bordstromversorgung (APU16) für Kraftfahrzeuge, Wohnmobile und Boote und als Antriebssystem für Lagertechnikfahrzeuge (Gabelstapler und Vorfeldfahrzeuge auf Flughäfen). Auch hier liegt der Fokus der Forschungsaktivitäten auf der Erhöhung der Leistungsdichte und der Lebensdauer bei gleichzeitiger Systemoptimierung hinsichtlich Vereinfachung und Integration [GeitWB04, NEP2.107].
16 APU: Auxiliary Power Unit: Zusätzliche Stromversorgungs-Einheit
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