AiF-FV-Nummer 15654 N

Weiterentwicklung und Erprobung eines Reformers zur dynamischen Brenngaserzeugung aus Erdgas für Polymermembran-Brennstoffzellen (PEMFC) zum Einsatz in der Hausenergieversorgung

Status & Laufzeit

Abgeschlossen: 01.07.2008 bis 30.06.2010

Forschungsstellen

Zusammenfassung

Ziel des Forschungsvorhabens war der Aufbau sowie die Erprobung und Optimierung eines wärmeintegrierten, innovativen Reformersystems im Leistungsbereich 2,5 kWth für die Hausenergieversorgung, das sich insbesondere durch einen hohen Wirkungsgrad, ein kompaktes Design mit hieraus resultierender hoher Lastwechseldynamik, einfacher Betriebsführung sowie hoher Leistungsmodulation auszeichnet und gegenüber herkömmlichen Modellen Vorteile bezüglich des An- und Abfahrverhaltens aufweist. Nachdem im Vorläuferprojekt 157 ZN erfolgreich der Nachweis der prinzipiellen Funktionsfähigkeit der innovativen Technologien (Porenbrenner, metallschaumbasierter Reformerkatalysator und daraus aufgebauter einfacher Reformerreaktor) geführt wurde, sollten in diesem Anschlussvorhaben die Weiterentwicklung und die Heranführung an die Praxistauglichkeit erfolgen. Die wichtigsten angestrebten Forschungsergebnisse und die zentralen Aspekte waren: 1. Optimierung des Reformerkatalysators und des Reformerreaktors, 2. Entwicklung eines metallschaumbasierten Shiftkatalysators, 3. Entwicklung eines Shiftreaktors mit passiver Temperaturführung, 4. Aufbau eines wärmeintegrierten Reformer-Gesamtsystems und 5. Kopplung des Reformers mit einer Membran-Brennstoffzelle und Ermittlung der Leistungsfähigkeit unter praxisnahen Bedingungen. Die unter 1. genannten Optimierungsarbeiten führten zu dem im weiteren Verlauf des Vorhabens im Reformersystem erfolgreich eingesetzten Reformerkatalysator. Zusätzlich zur elektrolytischen Beschichtung mit Nickel wurde eine Kobeschichtung mit Cer entwickelt, die in einem nachfolgenden Verfahrensschritt ebenfalls mittels Elektrolyse erfolgte. Durch diese Behandlung konnte die gewünschte Rußunterdrückung herbeigeführt werden, die den Langzeitbetrieb des Katalysators ermöglicht. Bei einem Langzeittest über mehr als 100 Stunden zeigte der Katalysator bei einer Raumgeschwindigkeit von 2.500 h-1 bezogen auf Normbedingungen (entsprechend ca. 16.000 h-1 bezogen auf Betriebstemperatur) nur eine geringe (reversible) Degradation auf. Des Weiteren bestätigte sich das unkomplizierte Handling des metallschaumgeträgerten Katalysators, der insbesondere beim An- und Abfahren des Reformersystems zu Vorteilen gegenüber herkömmlichen Katalysatoren führt. Auf der Grundlage des entwickelten Katalysators erfolgten die Konstruktion und der Bau eines neuen Reformierreaktors, der für eine thermische Wasserstoffleistung von 2,5 kW ausgelegt war. Es wurde eine für diesen Leistungsbereich bei Reaktoren mehrfach erfolgreich eingesetzte ZBT-Reformergeometrie verwendet, die speziell für den Einsatz von Metallschäumen und für den Betrieb mit einem Porenbrenner überarbeitet wurde. Die unter 2. genannten Entwicklungsarbeiten zur Fertigung eines metallschaum¬basierten Katalysatorsystems zum Aufbau einer passiven Shiftstufe erwiesen sich als unerwartet schwierig. Es stellte sich heraus, dass eine zu den Entwicklungsarbeiten des nickelbasierten Reformerkatalysators analoge Übertragung der Herstellungsbedingungen auf das Cu-Zn basierte Shiftkatalysatorsystem nicht ohne Weiteres möglich war. Durch Ausdehnung der Arbeiten über die geplante Entwicklungszeit hinaus, gelang es, gegen Ende der Projektlaufzeit schließlich doch noch einen metallschaumgeträgerten Shiftkatalysator herzustellen. Der optimale Arbeitsbereich dieses Katalysators liegt bei ca. 420 °C. Bei dieser Temperatur wird eine CO-Minderung um ca. 60 % auf eine Restkonzentration von 5 Vol.-% erzielt. Ein großer Vorteil des Katalysators ist seine Unempfindlichkeit gegenüber sauerstoffhaltiger Umgebung, wodurch das Handling insbesondere beim An- und Abfahren erheblich vereinfacht wird. In Bezug auf die Leistungsdaten reicht die Performance des Katalysators für den Betrieb einer Single-Shiftstufe allerdings nicht aus. Hier wäre die Nachschaltung einer NT-Shiftstufe erforderlich. Eine weitere Steigerung der Performance durch eine Fortführung der Entwicklungsarbeiten kann aufgrund des bereits sehr hohen Forschungsaufwandes, der innerhalb des Vorhabens geleistet wurde, nur in aufwendigen Optimierungsarbeiten erzielt werden. Aufgrund des unerwartet hohen Zeitaufwands zur Entwicklung des Shiftkatalysators und der Verzahnung dieses Arbeitspaketes mit denjenigen, die die Herstellung des Shiftreaktors und den Bau und die Erprobung des Reformer-Gesamtsystems beinhalteten, musste das unter 3. angegebene Arbeitspaket zur Fertigung der Shiftstufe an die vorliegenden Gegebenheiten angepasst werden. Um das Hauptziel der Forschungsarbeiten, das in der Entwicklung eines wärmeintegrierten Reformer-Gesamtsystems und der Kopplung des Systems mit einer Membran-Brennstoffzelle bestand, nicht zu gefährden, wurde beschlossen, dass die weiteren Arbeiten zur Entwicklung des Reformer-Gesamtsystems mit einem am ZBT bekannten Standard¬katalysator durchgeführt werden sollten. Sofern durch die Vereinfachung des Entwicklungsschritts zur Fertigung der Shiftstufe freie Kapazitäten entstanden, wurden diese zur Weiterentwicklung des Porenbrenners genutzt. Da die automatisierte Zündung und Zündüberwachung für ein praxistaugliches Reformer-Gesamtsystem zwingend erforderlich ist, musste an deren Integration in das ursprüngliche Brennerkonzept gearbeitet werden. Diese Arbeiten mündeten schließlich in der Entwicklung eines problemlos zu zündenden und in allen Betriebszuständen zuverlässig zu überwachenden Porenbrenners. Die unter 4. genannte wärmetechnische Verschaltung des Gesamtsystems wurde wie geplant in Anlehnung an die aus einem ZBT-Patent bekannte Wärmeverschaltung umgesetzt. Obwohl es bei der realisierten Wärmeverschaltung beim Betrieb des Reformersystems bei längeren Laufzeiten häufiger zu einem Temperaturanstieg im Katalysatorbett des Shift-Reaktors kam, wurde die Verschaltung zunächst nicht geändert, da sich der Betrieb mit Erdgas und Anodenoffgas (AOG) oftmals stark vom reinen Methanbetrieb unterscheidet. Diese Einschätzung wurde später im Erdgas-Betrieb bestätigt, da sich die Temperatur in der Shiftstufe durch den höheren Wasserbedarf von Erdgas bei der Reformierung auf das richtige Niveau einregelte. Die Wärmeverschaltung hat sich somit sowohl für den Erdgasbetrieb mit AOG-Nutzung als auch im reinen Erdgasbetrieb bewährt. Der abschließende Arbeitspunkt umfasste die Kopplung eines Reformersystems mit einer NT-PEM Brennstoffzelle. Es konnte gezeigt werden, dass es kein Problem darstellt, mit dem Metallschaum-Reformersystem eine für PEM-Brennstoffzellen geeignete Produktgasqualität darzustellen. Auch beim Testbetrieb unter realitätsnahen Bedingungen, bei denen eine Abfolge von Lastwechseln zwischen 100 und 50 % im Erdgasbetrieb durchgeführt wurde, konnte ein brennstoffzellentaugliches Gas erzeugt werden, bei dem die CO-Konzentration in allen Laststufen dauerhaft unter 30 ppm lag. Auch ein abschließender Test unter praxisnahen Bedingungen mit schwefelhaltigem Erdgas aus dem Erdgasnetz und unter Nutzung eines (synthetisch erzeugten) Anodenoffgases verlief positiv. Optimierungsbedarf besteht allerdings noch hinsichtlich der Anbindung der Metallschäume mit den sie begrenzenden Reaktorwänden. Der an dieser Stelle auftretende Methanschlupf führte zu einer Begrenzung der Wasserstoffkonzentration im stationären gekoppelten Betrieb auf ca. 72 Vol.-% (im Methanbetrieb). Durch Entwicklung und Einsatz geeigneter Verbindungstechniken könnte der Wirkungsgrad des Reformers und damit auch der Wirkungsgrad des getesteten Gesamtsystems weiter gesteigert werden. Die beschriebenen F&E-Arbeiten zur Entwicklung bzw. Weiterentwicklung von Katalysatoren, zur Konzeption der Reaktoren, sowie zur Fertigung des Reformergesamtsystems und dessen Erprobung im gekoppelten Betrieb mit einer PEM-Brennstoffzelle wurden plangemäß mit den im Antrag vorgesehenen wissenschaftlichen Mitarbeitern durchgeführt und entsprechen im Wesentlichen dem beantragten Arbeitsumfang. Die bereitgestellten Mittel waren daher für die Durchführung des Vorhabens notwendig und angemessen. Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht. Mit dem neuen Brenngaserzeugungssystem für Brennstoffzellenheizgeräte steht für kleine und mittelständische Unternehmen eine innovative Basistechnologie zur Verfügung, die von diesen zur Weiterentwicklung eigener Produktlinien genutzt werden kann. Darüber hinaus bietet sich auch die Chance für die Gründung neuer Unternehmen, die sich auf die Fertigung der Teilkomponenten spezialisieren.

Förderhinweis

Das Forschungsvorhaben der Forschungsvereinigung Umwelttechnik wird / wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Dokumente