Mobile Stromgeneratoren, wie sie z. B. in Überland-LKWs, Wohnmobilen oder Booten für die Klimatisierung und den Betrieb von elektrischen Geräten bei Stillstand des Fahrzeugs benötigt werden, basieren auf Verbrennungsmotoren, die einen Generator antreiben. Aufgrund der geringen Leistungsklasse sind diese kleinen Verbrennungsmotoren sehr ineffizient und verursachen relativ hohe Lärm- und Schadstoffemissionen.
Von AVL LIST GMBH wurde in Kooperation mit Forschungspartnern (Institut für Leichtbau und Institut für Wärmetechnik an der Technischen Universität Graz) ein SOFC APU System (Solid Oxide Fuel Cell Auxiliary Power Unit) entwickelt. Das Produkt ist ein Brennstoffzellen-Stromgenerator für mobile Anwendungen, der beliebige Kraftstoffe z. B. Erdgas, synthetisches Methan, Bioethanol, Biomethanol hocheffizient, schadstofffrei und geräuscharm in elektrische Energie umwandelt. Das aktuelle System wird mit handelsüblichem Dieselkraftstoff betrieben, verbraucht allerdings nur halb soviel Treibstoff wie ein Dieselmotor, um die gleiche Menge Strom zu generieren.
Für den Betrieb der Brennstoffzelle wird ein Reformer (eine Art Katalysator) eingesetzt, der den Kraftstoff vollständig in ein wasserstoffhaltiges Synthesegas umwandelt. Dieses Gas gelangt dann in die eigentliche Brennstoffzelle, wo in einer elektrochemischen Reaktion aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid Strom erzeugt wird.
Neuartiges SOFC APU System
Im Rahmen von ASys I wurde erstmals ein komplett autarkes 2-3 kW SOFC APU System mit neuen Komponenten aufgebaut, über 1.000 Stunden erfolgreich betrieben und intensiven Analysen (u.a. in einem Vibrationstest) unterzogen. Parallel dazu wurden im Rahmen einer Zuverlässigkeitsstudie dominante Fehlermechanismen analysiert, modelliert und daraus abgeleitete beschleunigte Testverfahren entwickelt. Insgesamt konnte das Projektteam enorme technische Fortschritte hinsichtlich wettbewerbsfähiger SOFC APU Systeme erzielen. Alle Zielsetzungen wurden dabei umgesetzt: eine elektrische Leistung von 2 kW, ein Wirkungsgrad von 30 % und Geräuschemissionen von < 55 dB (A).
Das AVL SOFC APU-Gesamtsystem zeichnet sich durch eine kompakte, kleine und leichte Systemintegration aus, es hat ein Volumen von 80 Litern und ein Gewicht von 70 kg. Im Rahmen des Projekts wurden gemeinsam mit Partnern aus der US Nutzfahrzeugindustrie ein Fahrzeugintegrationskonzept erarbeitet und ein Steuergerät für den vollautomatischen Betrieb des Systems entwickelt. Das Packaging Konzept der SOFC APU ist für den Einbau von zwei SOFC Stacks ausgelegt, wodurch bereits in der ersten Generation Leistungen von bis zu 4 kW erreicht werden können.
Ausgezeichnete Ergebnisse
Mit dem Brennstoffzellen-Stromgenerator können der Dieselverbrauch und die CO2-Emissionen der Nutzfahrzeuge im Leerlauf um bis zu 60 % reduziert werden. Das Projekt wurde mit dem steirischen Innovationspreis „Fast Forward Award 2012“ ausgezeichnet und war für den Österreichischen Staatspreis Innovation 2013 nominiert.
Im Folgeprojekt ASys II liegt der Fokus auf der Erhöhung der Lebensdauer. Zielsetzung ist es, eine Lebensdauer von über 5.000 Stunden für kohlenwasserstoffbasierte SOFC Systeme zu erreichen. Dazu sollen die grundsätzlichen Schädigungsprozesse während des Betriebs eines SOFC Systems mit einem kohlenwasserstoffbasierten Kraftstoff erforscht werden. Parallel dazu werden umfangreiche Validierungstests durchgeführt, um mehr über im realen Betrieb auftretende Umwelt- und Schädigungseinflüsse zu lernen.
