Zur Verbesserung der Effizienz, Lebensdauer und Wirtschaftlichkeit von Brennstoffzellensystemen werden stetig neue Verfahrenskonzepte diskutiert, u.a. auch Membrananwendungen im Bereich der Onboard-Wasserstofferzeugung. Durch Implementierung einer Metallmembran in den Reaktionsraum eines Reformers kann die Baugröße und Komplexität des Brennstoffzellensystems signifikant verringert werden. Durch Einsatz der Membran wird der Wasserstoff während der Reaktion entfernt und der Umsatz des Brennstoffs im Vergleich zu einem herkömmlichen Dampfreformer gesteigert.
Im Rahmen eines Forschungsvorhabens wurde die katalytische Dampfreformierung von GtL-Kraftstoff (Gas to Liquid) zu einem wasserstoffreichen Reformatgas erfolgreich durchgeführt. Dieser Kraftstoff wurde eingesetzt, da der im Forschungsantrag vorgesehene Kraftstoff BtL (Biomass to Liquid) bis zum Projektende nicht kommerziell erhältlich war. Die beiden Kraftstoffe unterscheiden sich nach Herstellerangaben nur durch den Ursprungsrohstoff, sind in der Zusammensetzung aber identisch.
Die katalytische Dampfreformierung von GtL in den entwickelten Reformer-Brenner-Einheiten erfolgte mit vier Vergleichssystemen, von denen eines zur Kopplung mit der Membraneinheit ausgewählt wurde. Palladiummembranen mit zwei unterschiedlichen Membranstrukturen und zwei verschiedenen keramischen Zwischenschichten (Yttrium stabilisiertes ZrO2, kurz: YSZ und Titandioxid, kurz: TiO2) wurden hergestellt und die Zwischenschichten im Hinblick auf hohe Stickstoffpermeanzen und kleine maximale Porendurchmesser optimiert. Zehn Palladiummembranen wurden durch das electroless plating Verfahren gefertigt und getestet. Die H2/N2-Permselektivität konnte von Werten zwischen 20 und 40 auf Werte zwischen 100 und 400 gesteigert werden. Simulationen von Membranreformersystemen mit PEM-Brennstoffzelle wurden durchgeführt und zeigen ein hohes Potential für den elektrischen Wirkungsgrad. Ein neues Konstruktionskonzept für Membranreformer wurde erstellt, untersucht und iterativ weiterentwickelt. Dabei konnten eine rauchgasbetriebene Eduktkonditionierung, ein Retentatrückführungssystem und ein Sweepgassystem entwickelt und untersucht werden. Schließlich konnten zwei Refomer-Brenner-Einheiten mit zwei Membraneinheiten jeweils zu einem Membranreformersystem gekoppelt und erfolgreich mit GtL-Kraftstoff betrieben werden. Das erzeugte wasserstoffreiche Brenngas kann für den Betrieb einer HT-PEM-Brennstoffzelle genutzt werden.
Weitere Informationen
- Wasserstofferzeugung am ZBT
- Projekte des ZBT
- Der publizierte Projektbericht
- Abteilung Gasprozesstechnik
