Projekte

Laufende Projekte

MODEST - Modularer Low-Cost Stack-Aufbau

Kurzbeschreibung:    Mit dem Projekt MODEST wurde im Rahmen der Fachhochschulförderung des BMBF ein Verbundprojekt initiiert, das die Fertigungstechnik für Brennstoffzellen (Stacks) voran bringen soll. Hierzu konnten kompetente Industriepartner aus den Bereichen Spritzguss (Wellgo) und der Fertigungs- und Montagetechnik (Fix) gewonnen werden. Innovative Komponententechnik fließt durch die Beteiligung der Partner Freudenberg und Treofan ein, während Ille für Anwendung und Feldtests steht.

Projektträger:            Bundesministerium für Bildung und Forschung

Fördersumme:            240.912€

Laufzeit:                     1. Juli 2008 bis 30. Juni 2011

Projektpartner:          Ille Papierservice GmbH, Fix GmbH, Freudenberg FCCT, Treofan, Wellgo GmbH

µMEGA

µMEGA – Mikrobrennstoffzellen in Spritzgusstechnologie für frühe Massenmärkte

Gefördert durch: Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung

Kurzbeschreibung:    Das Konsortium unter Leitung der Firma FWB entwickelt eine planare Mikrobrennstoffzelle in Spritzgusstechnologie mit einer passiven Luftzufuhr und semiaktiver Methanolverteilung. Das Kompetenzzentrum Brennstoffzelle bringt hier insbesondere seine Erfahrung in der Steuerung und Brennstoff-Nachdosierung von DMFC-Systemen ein.

Projektträger:            NOW GmbH

Gesamtvolumen:        6,5 Mio. €

Laufzeit:                     1. Juli 2009 bis 30. Juni 2012

Projektpartner:          FWB (Pirmasens),Freudenberg, Fraunhofer-ISE, VDE-Prüfinstitut, EPSa, Siemens, Solvicore, Freudenderg, Ticona, Bartels

DMFC - Direkt-Methanol Brennstoffzelle

Handtuchspender

Abb.1: Als erstes Anwendungssystem wird ein batteriebetriebener handtuchspender der Firma Ille verwendet.

In enger Kooperation mit den Firmen Ille Papier-Service GmbH und Wellgo GmbH wird ein System für die dezentrale Stromversorgung von Verkaufs- und Distributionsautomaten mit einer Direkt-Methanol Brennstoffzelle entwickelt. Innerhalb dieses Marktsegmentes soll das DMFC-betriebene Energiesystem die bislang verwendeten Batteriesysteme ersetzen.

Das Besondere am hier als Einstieg vorgesehenen Nischenmarkt der sanitären Distributionsautomaten ist die Verlängerung der Wartungsintervalle im Vergleich zum Batterieeinsatz von durchschnittlich einem Monat auf ca. sechs Monate. Es wird also durch den Einsatz der DMFC-Technik nicht einfach eine billige Einwegbatterie verdrängt, sondern es entfallen ganz erhebliche Fahrt- und Wartungskosten an z.T. abgelegenen Standorten.

Weitere mögliche Einsatzgebiete sind Park- und Distributionsautomaten, insbesondere Chipkartenautomaten. Hierzu zählt auch z. B. die Alterskontrolle bei Zigarettenautomaten.

Abb.2: Die Direkt-Methanol Brennstoffzelle wandelt Methanol direkt in elektrischen Strom. Hierbei entstehen an der Anode Kohlendioxid und an der Kathode Wasser.

System

Abb.3: Prinzipieller Systemaufbau

Das System besteht aus folgenden Baugruppen:

Systemregelung
Die Regelung des Direkt-Methanol Systems regelt die Leistungsentnahme, die Pumpleistung und die Luftzufuhr auf Basis der Kenndaten Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Verbrauch.

Brennstoffversorgung
(Tank, Pumpe, Methanol-Sensor) Die Komponenten müssen gegen Methanol beständig sein.

Brennstoffzellenstapel
Konstruktion und Verschaltung mehrerer Zellen zur Steigerung der Leistung.

Vorteile eines Direkt-Methanol Systems

Abb.4: Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten z. B. Netzunabhängige Distributionsautomaten, Telekomunikationseinheiten oder Überwachungssysteme.

Idealer Einstiegsmarkt:
Verlängerte Wartungsintervalle durch Langzeitbetrieb mittels DMFC.

Dadurch Einsparungen beim Unterhalt des Systems:
Zum Austausch einer Methanolkartusche muss ein Servicemitarbeiter je nach Leistung nur etwa einmal im Halbjahr anreisen anstatt einmal im Monat wie beim bisherigen Batteriesystem.

Brennstoffzellen ersetzen also teure Dienstleistungen, nicht billige Energiequellen.

Projektpartner

MESENS - Methanol-Sensorik

Für die Prozesskontrolle von Direkt-Methanol-Brennstoffzellen konnte eine robuste, kostengünstige Sensorik entwickelt werden, die eine Auflösung von ca. 0.1M Methanol in Wasser gestattet. 

Abgeschlossene Projekte

Initiative Brennstoffzelle Rheinland-Pfalz

des Ministeriums für Wirtschaft, Verkehr, Landwirtschaft und Weinbau

S. Schaus, V. Loos (Stackentwicklung), K. Wu (Gassensorik) und G. Hoogers

Im Rahmen der Initiative Brennstoffzelle Rheinland-Pfalz des Ministeriums für Wirschaft, Verkehr, Landwirtschaft und Weinbau
entwickelt ein Team von zwanzig Partnern aus
Wirtschaft und Forschung ein Brennstoffzellen-
system für den dezentralen Einsatz. Die technische Projektleitung liegt in den Händen des Umwelt-Campus Birkenfeld.

Mit 1-2kW elektrischer Leistung aus Propan zielt das System zunächst auf Einstiegsmärkte wie Wohnmobile und Boote ab. Hierbei werden überwiegend industriell gefertigte Komponenten der Projektpartner verwendet, die anderen Massenmärkten entlehnt sind.

Die enge Zusammenarbeit führt zu sehr kurzen Entwicklungszeiten von seriennahen Komponenten durch die Partnerfirmen, wodurch die beteiligten Unternehmen Ihre Präsenz im wachsenden Markt der Brennstoffzellentechnologie ausbauen können.

Das System besteht aus einem autothermen Reformer, gefolgt von einer Shiftstufe und einer CO-Feinreinigung. Im Laborbetrieb konnte das Reformat am Umwelt-Campus Birkenfeld bereits in eine ebenfalls dort entwickelte Brennstoffzelle eingespeist werden. Die Brennstoffzelle enthält kostengünstige MEA-Technik und Plattenkomponenten aus Metall.

Die Arbeiten im laufenden Jahr konzentrieren sich auf die Systemintegration und den Aufbau einer mobilen Einheit, die durch Batteriepufferung bis zu 2kW liefern kann und sofort startbereit ist.

Entwicklung des heimischen Wirtschaftspotentials

Wirtschaftsminister Hans-Artur Bauckhage und Prof. Dr. Gregor Hoogers - März 2004
  • Aufbau einer Zulieferbasis für Brennstoffzellen-Technologie
  • Realisierung eines gemeinsamen Referenzprojektes
  • Schaffung einer landesweiten Vermarktungsplattform

Mit dieser Zukunftstechnologie wollen wir in Rheinland-Pfalz einen wichtigen Impuls im Bereich Energie setzen. Durch die enge Vernetzung von Wissenschaft und Wirtschaft werden Synergien genutzt und Überschneidungen und damit Effizienzverluste im F&U-Sektor vermieden."

(Hans-Artur Bauckhage)

 

Technologische Innovation durch Vernetzung von Wissenschaft und Wirtschaft

Realisierung eines gemeinsamen Referenzprojektes:

  • 1kW Propan-Reformer-System
  • Anwendungen in der dezentralen Stromerzeugung
  • Nutzung in Schulung und Ausbildung

Praxisnahe Ausbildung in Hochschulen, Kammern und Technologiezentren

  • Weiterbildungsangebote für KMU
  • Einbindung von BZ bei Energieversorgungsunternehmen
  • Jährliche Informationsveranstaltungen
PROREF - Propan Reformer System

basierend auf monolithischer Reaktor-Technik

Stefanie Schaus, Alexander Di Bella, and Gregor Hoogers

(Seite ins Deutsche übersetzen)

The objective of PROPREF is the development of a propane reformer based on monolithic gas phase reactors for generating up to 2kW equivalent of hydrogen. As part of a larger project, this reformer will be coupled to a fuel cell resulting in a portable power system for camping, yachts, and residential applications.

The reformer consists of an autothermal reformer followed by an initial conversion stage based on the water-gas shift reaction. The purification system is completed by a fixed bed reactor in which the gas is cleaned to below 10ppm of carbon monoxide by preferential oxidation [1].

The initial screening of promising catalytic materials is done by a Catalyst Rapid Screening Apparatus - CARS - developed at Birkenfeld. The best performing catalysts are subsequently tested in fixed-bed reactors and, ultimately, as monolithic gas phase reactors in the reformer system.

Autothermal Reforming

Autothermal Reforming followed by Water-Gas Shift (WGS)

Autothermal Reforming followed by WGS and Preferential Oxidation (PROX)

Scheme

  • Discontinuous analysis of hydrogen, methane and nitrogen by gas chromatography
  • On-line analysis of carbon monoxide and carbon dioxide by IR spectrometry

Active surface area of a catalyst coated monolith

For CO adsorption measurements, a defined CO concentration in hydrogen is passed over the catalyst coated monolith. the exiting flow is detected by an IR spectrometer.

The total amount of CO is calculated from the integral over the retained CO. Under the assumption of an approx. surface concentration of 1.6 x 1015; cm-2 surface molecules the active monolith catalyst surface area is calculated at 114m² (one CO per metal atom)[2].

Comparison with figures measured after catalyst ageing determines the loss of surface area by metal sintering and/or site blocking.

Project status

The entire system will be tested and optimized in durability experiments. Thermal integration and the packaging of the system to a prototype reformer will complete the project objective. The reformer will then be coupled to a 2kW fuel cell.

Future work

The entire system will be tested and optimized in durability experiments. Thermal integration and the packaging of the system to a prototype reformer will complete the project objective. The reformer will then be coupled to a 2kW fuel cell.

Collaborators

IMM, Mainz

Acknowledgements

We would like to acknowledge financial support from the ministry of the Economy,
Rhineland-Palatinate, and the Stiftung Rheinland-Pfalz für Innovation.

References

[1] D.L. Trimm and Z.i. Önsan, On-board Fuel Conversion for Hydrogen-Fuel-Cell vehicles,
Catalysis Reviews 43 (2001) 31.84
[2]G.A. Somorjai.introduction to surface chemistry and catalysis.
John Wiley & Sons, Inc., New York, 1994

COMPELL

Gassensorik für die Prozesskontrolle in Brennstoffzellen-Systemen mit integrierter Brenngaserzeugung

Ziel des Verbundprojektes COMPELL

Ziel ist die Entwicklung eines Kohlenmonoxid-Sensors für die Verwendung in Brennstoffzellen-Systemen. In diesen Systemen führt die Brenngaserzeugung in sogenannten Reformern neben Wasserstoff zwangsläufig auch zur Produktion von Kohlenmonoxid undKohlendioxid, deren Konzentrationen überwacht werden müssen.

Bis jetzt existiert kein System, welches die Messungvon CO und CO2 in Wasserstoff erlaubt. Im Rahmen dieses Projektes wird ein auf dem Pellistorprinzip basierendes Sensorsystem entwickelt, welches die Reaktionswärme der katalytisch aktivierten Methanisierungsreaktion ausnutzt.

Pellistorprinzip

Reaktionen

Die Temperatur der Pellistoren wird während der Messung konstant gehalten und die Heizleistungsänderung als Messsignal ausgewertet. Durch die geeignete Auswahlverschieden reaktiver Katalysatoren und Messungen bei unterschiedlichen Temperaturen kann nach anschließender Verrechnung der Signale auf die Konzentrationen zurückgeschlossen werden. Die Auswahl der Katalysatoren und die Messungen wurden am Umweltcampus Birkenfeld durchgeführt.

Auswertung von Mehrsensorsystemen

Unterschiedlich optimierte beziehungsweise beiunterschiedlichen Temperaturen betriebene Sensoren bilden ein Sensorarray, welches bei verschiedenen Gasangeboten charakteristische Sensorsignale liefert. Neuronale Netze können durch geeignete Verrechnung auf diese Signalbilder „trainiert“ werden. Nach Bestimmung geeigneter Algorithmen können die Gase und Einzelkonzentrationen bestimmt und im Merkmalsraum aufgetragen werden.

Entwicklung von Membransubstraten

Um eine Verbesserung der Selektivität und der Ansprechzeiten zu erreichen, werden derzeit mikrostrukurierte Sensoren im Institut für Mikrotechnik Mainz entwickelt. Die Abbildung rechts zeigt einen Siliziumchip mit freitragender Nitrid-Membran und Platinstrukturierung, auf die ein Katalysatormaterial aufgetragen werden kann.

Projektpartner

PROTRON

Für den Shell Eco-Marathon 2007 entwickelte das Kompetenzzentrum Brennstoffzelle ein Wasserstoff-Brennstoffzellensystem, das einen Wirkungsgrad um 50% (Brennwert) aufweist - vgl. Grafik unten.

Das System umfasst einen 24-zelligen Zellstapel der im Rahmen einer Diplomarbeit [BUSL 07] aufgebaut und für den Betrieb bei niedrigem Druck optimiert wurde. Weitere Systemkomponenten sind ein Kompressorsystem mit automatischer Auswahl des effizientesten Kompressors für den geforderten Laststrom, Luftkühlung und eine Einzelzellüberwachung [WEIM 06].

Das Brennstoffzellensystem wurde in den PROTRON, ein von Trierer Studenten aufgebautes Rennfahrzeug, eingebaut und sicherte dem Wagen einen respektablen fünften Platz innerhalb der Brennstoffzellen-Konkurrenz. 

[BUSL 07] Lucas Busemeyer, Diplomarbeit, 2007

[WEIM 06] Markus Weinig, Volker Loos, Gregor Hoogers, unveröffentlichte Arbeiten

Kontakt

Kompetenzzentrum Brennstoffzelle
Hochschule Trier
Umwelt-Campus Birkenfeld
Postfach 1380
55761 Birkenfeld 

Tel +49 (0) 67 82 - 17 12 50
Fax  +49 (0) 67 82 - 17 12 87
fuelcell[at]umwelt-campus.de 

Besucheradresse

Campusallee 9916
55768 Hoppstädten-Weiersbach

Tel +49 (0) 67 82 - 17 12 50
Fax +49 (0) 67 82 - 17 12 87
fuelcell[at]umwelt-campus.de