projekt aircraft sofc - ffg
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19. März 2007 1
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alp²s fuel cell systems
Projekt
Aircraft SOFC
P. Claassen, H. Wancura, N. Huber, R. Claassen
ALPPS Fuel Cell Systems GmbH
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Kurzvorstellung alp²s
• Gegründet: 2002 als GmbH
• Sitz: Graz• Corporate Mission: Advanced
LowPollution PowerSystems
Innovation in umweltfreundlicher Energie im Leistungsbereich bis ca. 100 kW
Die neuen Freiheitsgrade der Brennstoffzellentechnologie nutzen (Ergänzung statt Ersatz)
•Mitarbeiterstand: 25, davon 15Ingenieure oder Wissenschaftler•3 mittätige Gesellschafter
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Zwei Bereiche, vier Produktfamilien
• Bereich Brennstoffzellensysteme– alp²s premium power unit
• (Bio-)Diesel-Brennstoffzellen-Stromaggregat
• alp²s kryotest 1– Prüfvorrichtung für H2-Speicherung
– alp²s ReDeNOx• Innovatives Abgasentstickungssystem
• Bereich Thermische Systeme– Kraftwerkskomponenten
• Fertigung im Kundenauftrag
– alp²s Dampfprozess• Energetische Nutzung von Abwärme in kleinen Leistungsklassen(bis 100 KWe)
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alp²s ReDeNOx
• Die alp²s Technologie zur Reduktion von NOx nutzt den Kraftstoff, der den Hauptmotor antreibt.
• Reduktionswerte von 90 % wurden in Labortests erreicht und zeigen Potentiale bis unter 10 ppm.
DeNOx Efficiency
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0 100 200 300 400 500 600
Exhaust Gas Temperature [°C]
NO
x C
on
ve
rsio
n R
ate
Storage Catalyst Ammonia SCR ReDeNOx
Typical Diesel
Exhaust Gas
Temperature after
Diesel Particulate
Filter
• NOx-Reduktion für Motoren, Heiz- und Kraftwerke, Turbinen, etc.
NOx-Reduktion
Reformierung
Partikelfilter
Auspuff
Dieseltank
Selektive Katalytische Reduktion der NOx mittels Reformer ProduktgasMotorabgas
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alp²s Kryotest 1
• Anwendung: Entwicklung neuer H2-Speichermethoden für den Einsatz in Fahrzeugen
Prüfsystem zur Wasserstoffspeicherung
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alp²s Premium Power Unit (AP²U)
• Diesel, Kerosin, biogeneflüssige Kraftstoffe, Biogas
• Leistungsbereich 1,5 bis >100 kWe
• 24VDC, 28VDC, 270VDC, 230 VAC, 400VAC
• Turn Key System (vom
Kraftstoff zu Strom und Wärme)
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alp²s Mikrotubuläre Brennstoffzelle(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
94 96 98 100 102 104 106 108
time (minutes)
Te
mp
era
ture
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
cu
rre
nt
(A)
furnace temperature
loading
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
Cycle num be r
Cu
rre
nt
(A)
current 40% ocv
current 20% ocv
current 10% ocv-17,5% / 1000 cycles
-7,8% / 1000 cycles
Zyklustests zeigen hervorragende Eigenschaften für mobilen Einsatz unter variabler Last.
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Mikrotubuläre SOFC
© FH Wels, 2006
Zell- und Mikroreaktor-Testanlage, REM und CT an der FH Wels
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Stack Simulation
Erwärmung Kathode / Luft
Erwärmung AnodeBearbeitung: Uni Tor Vergata, Rom
CFD der Aufheizphase zeigt Stack betriebsfähig nach 5 min
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Aircraft SOFC : Projektziel
• Bau eines Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Stacks für Luftfahrtanwendung
– Erarbeiten von Spezifikationen und Entwicklungszielen aufgrund erster Erprobung
– Test an Kundenprüfstand
– Machbarkeits- und Fehleranalyse
– Planung der nächsten Entwicklungsschritte
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Warum BZ als APU?
• „More Electric Aircraft“ erfordert mehr elektrische Leistung
– Derzeitige APU wird zu schwer und ist nicht für Dauerbetrieb gedacht
• Beitrag zur Kraftstoff- und CO2-Senkung durch besseren Wirkungsgrad
– Studie hat Kraftstoffeinsparungspotential in % Größe ergeben
• Modularität
• Nutzung von Abwärme und Wasser aus dem Abgas der BZ
– Einsparung von Startgewicht
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Warum Hochtemperatur-BZ ?SOFC (Solid Oxide Fuel Cell)
• Kann alle Kraftstoffe (Wasserstoffträger) verarbeiten– Bessere Energienutzung als bei (derzeitigem) Wasserstoff
• Abwärme als Prozeßwärme nutzbar (bis 700°C)
• Innenreformation von Kraftstoffen möglich – Hoher elektrischer Wirkungsgrad (bis 70% im Labor)
• Verarbeitet nicht nur Wasserstoff, sondern auch CO
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SystemaufbauFlußschema
Stack
Tail Gas
Burner
Vaporizer
Reformer
Air
Fuel Pump
Compressor Airfilter
Fuelfilter
Fuel
Wet Air
Anode OffgasCondenser
Cathode Offgas
Projektumfang Aircraft SOFC
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Besondere Bedingungen
• Betrieb mit handelsüblichem Kerosin– Relativ hoher Schwefelgehalt (erst in weiterer Stufe bearbeitet)
• Betrieb von 0 bis 14.000 m Seehöhe– Luftdruck in Höhe nur 1/5 vom Bodendruck
• Hohe Lebensdauer (20.000 h)
• Kurze Startzeit
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Umsetzung (FTE Strategie)
Università di Tor Vergata, Rom
FH Wels
alp²s15 R&D Staff
.
F&E – Kooperation:
Forschung im Netzwerk mit erfahrenen Partnern, die aktives Interesse an unserer Aufgabenstellung zeigen.
Universität d.Saarlandes
arsenal research
Airbus / EADS
Südchemie
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Stack ModulGeneration1
Erster alp2s-SOFC-Stackmodul vorgeführt bei “Zukunft Wasserstoff” in Linz, October 2003Start-Zeit < 1min
Kooperation mit
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Stack ModulGen3 - MidiReaktor
• Kleinster Modul im System
• Elektrisch parallel und seriell verschaltet
• Bis zu 150We je Modul
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SOFC SystemeHaupt-Komponenten
• Stack / Zelle
• Reformer– ATR (1. Generation)– CPO (Serienlösung)
• BoP (bis 900°C)– Wärmetauscher– Ventile, Pumpen, Verdichter– Brenner
• Leistungselektronik– Für hohe Ströme
• Regelung
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FunktionsmusterSystem Design
• Beispiel eines 3kWe
netto Funktionsmusters mit ATR-Reformer
• Vollständiges System zum Betrieb des Stacks
• Kraftstoffvarianten:– Diesel
– Biodiesel
– Kerosin
Stack-Zone
Hot-Zone
Cold-Zone
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Weitere Planung
• 2008/9 Serienanlauf für Bodenanwendungen
• 2009/10 flugfähiger Prototyp
• 2012/15 Einsatz im Flugzeug
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Eine der Voraussetzungen:zukünftige Systemgrößen
?
3kWe
6 kWeAPU HD Truck
15 kWeAPU MAS
3 kWeNiCd Batt. MAS
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ALPPS Fuel Cell Systems GmbHExerzierplatzstrasse 4 A-8051 Graz/AUSTRIA
Dirk Peter Claassen, Herbert Wancura
Wir danken herzlich:
-dem BMVIT und den Juroren von Take Off für das Vertrauen, das eine „radikale“ Innovation wie diese erst möglich macht.
-der FFG für eine professionelle und verständnisvolle Betreuung
-Airbus und EADS für den Vertrauensvorschuss, vom Konzept weg eine Kooperation einzugehen, die sich als sehr fruchtbar erwiesen hat.
-Hrn. Prof. Meissner und seinem Team der FH Wels für wertvolle fachliche Unterstützung und großes Engagement.
-unseren Mitarbeitern für außergewöhnlichen Einsatz und den unerschütterlichen Glauben an die große Aufgabe