Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Das Ziel ist die Entwicklung eines kompakten, leistungsstarken und Reformat tauglichen Brennstoffzellenstapels des Typs HT-PEM basierend auf dem Energietr\u00e4ger Methanol. F\u00fcr den Betrieb der Brennstoffzelle ist die Herstellung eines wasserstoffreichen Gases (Reformat) erforderlich. Durchgef\u00fchrte Untersuchungen haben gezeigt, dass f\u00fcr die Lebensdauer von HT-PEM Brennstoffzellen die Einfl\u00fcsse von CO und von Kohlenwasserstoffen, wie sie in realem Reformat insbesondere in dynamischen Betriebsphasen vorkommen, eine hohe Relevanz haben, aber bisher wenig dokumentiert sind. Der Anlass des Vorhabens ist daher die detaillierte Untersuchung der Auswirkungen von Methanol-Reformat auf unterschiedliche HT-PEM MEA\u00b4s. Der Beitrag zur Umweltentlastung erfolgt, neben einer Steigerung des Wirkungsgrades, durch die Identifikation der die Lebensdauer einschr\u00e4nkenden St\u00f6rgr\u00f6\u00dfen. Durch deren Kenntnis kann eine deutliche Verl\u00e4ngerung der Lebensdauer erzielt werden und somit die Austauschfrequenz reduziert werden. Weiter kann durch die Kenntnis von Schadgasgrenzwerten der Prozessbetrieb optimiert werden, wodurch die bei der Reformierung erforderliche Anzahl an Edelmetallkatalysatorblechen verringert werden kann.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZur Erreichung des Projektziels sind 4 Arbeitspakete (AP) geplant in denen ein Benchmark von kommerziell erh\u00e4ltlichen Membranen, verschiedener Hersteller, durchgef\u00fchrt wird. Dazu wird mit realem und synthetischem Reformat der Einfluss von Schadgasen untersucht. Neben dem AP Administration, das Projekt begleitend die Arbeiten zwischen den Projektpartnern koordiniert, gibt es drei weitere, aufeinander aufbauende Arbeitspakete. Im AP 2 erfolgen die f\u00fcr die Versuche erforderliche Auslegung und der Aufbau des Reformers sowie der Testst\u00e4nde. Das 3. AP umfasst die Untersuchungen zur Dauerstabilit\u00e4t der MEAs mit synthetischen Gasgemischen zur Simulation von realem Reformat. Neben einem Kurzscreening werden Dauerl\u00e4ufe durchgef\u00fchrt um eine Referenz f\u00fcr die Versuche mit realem Reformat zu schaffen. Im AP 4 werden die MEA\u00b4s unter realen Betriebsbedingungen mit Reformat auf Basis von Methanol aus dem Reformer beaufschlagt. In einem weiteren Schritt werden dann die in einem System auftretenden dynamischen Betriebsphasen und die damit verbundenen Schadgaskonzentrationen untersucht.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Das in diesem Projekt geplante Screening kommerzieller MEA\u00b4s mit synthetischem Reformat und die Kopplung mit einem Methanol-Dampfreformer konnten erfolgreich durchgef\u00fchrt werden. Dabei lagen die erzielten Ergebnisse des Projektes im erfolgreichen Vergr\u00f6\u00dfern der aktiven Fl\u00e4che einer Reformerstufe um den Faktor 5,5. Gleichzeitig konnte durch die Optimierung der Str\u00f6mungsf\u00fchrung die Anzahl der erforderlichen Bohrungen und die Anzahl der unterschiedlichen Blechtypen reduziert werden. Mit der Vergr\u00f6\u00dferung der beschichteten Katalysatorfl\u00e4che ging bei gleichbleibender zul\u00e4ssiger Raumgeschwindigkeit eine Reduktion der Beschichtungsvorg\u00e4nge der Reformerbleche einher. Da f\u00fcr die vergr\u00f6\u00dferte Beschichtungsfl\u00e4che bei den vorliegenden kleinen St\u00fcckzahlen keine Mehrkosten pro Beschichtungsvorgang entstanden, konnte im Rahmen der Anpassung der Reformergeometrie eine signifikante Kostenreduktion erreicht werden. Durch das Screening mit synthetischem Reformat konnten der Einfluss unterschiedlicher Gaszusammensetzungen, der Temperatur und einer ver\u00e4nderten St\u00f6chiometrie auf die Zellspannung der kommerziell Verf\u00fcgbaren MEA-Typen bestimmt werden. Anhand dieser Untersuchungen konnte die f\u00fcr einen Betrieb mit Methanol-Reformat am besten geeignete MEA identifiziert und der, in einer Systemanwendung, m\u00f6gliche Betriebsbereich eingegrenzt werden. Der identifizierte MEA-Typ weist zudem die h\u00f6chste elektrische Leistung bei minimalem Katalysatoreinsatz auf. Au\u00dferdem wurde in Dauerzyklentests die Lebensdauer der MEA\u00b4s im Hinblick auf den geplanten Systembetrieb untersucht. Dazu wurden Betriebszeiten von jeweils 300 Stunden, davon 125 unter Last, mit 50 Start-Stopp-Zyklen erfolgreich durchgef\u00fchrt und die Degradation bestimmt. Im Anschluss wurde die Zelle erfolgreich mit einem Methanol-Dampf-Reformer gekoppelt und der Einfluss des Reformats auf die Zellspannung untersucht. Die erzielten Ergebnisse der Versuche mit synthetischem Reformat konnten jedoch nicht vollst\u00e4ndig durch die Versuche mit Methanol-Reformat verifiziert werden. Die Ursache lag in der gegen\u00fcber dem berechneten Gleichgewicht erh\u00f6hten CO-Konzentration im Reformat. Es wurde daher kein gekoppelter Langzeitbetrieb durchgef\u00fchrt. Ein potentieller Grund f\u00fcr die erh\u00f6hte CO-Konzentration ist eine \u00fcberh\u00f6hte Temperatur am Reformerkatalysator. Durch eine Optimierung der Luftmenge auf der Brennerseite besteht die M\u00f6glichkeit diese lokalen Temperaturspitzen abzusenken. Die grunds\u00e4tzliche Erkenntnis aus den Kopplungsversuchen ist aber die Robustheit der ausgew\u00e4hlten HT-PEM-MEA gegen\u00fcber Methanol-Dampf-Reformat mit einer CO-Konzentration von etwa 5 Vol.-% (trocken). Die erfolgreiche Regeneration der MEA im reinen Wasserstoffbetrieb deutet auf eine reversible teilweise Blockierung des Brennstoffzellenkatalysators durch CO hin. Nach Abschluss dieses Projektes sind zur Entwicklung eines effektiven Energiewandlers, auf Brennstoffzellenbasis, anhand der hier erzielten Ergebnisse die folgenden weiteren Schritte daher als vielversprechend zu erachten: erstens die Optimierung des Reformerbetriebs zur Absenkung der CO-Konzentrationen bis zum Gleichgewichtspunkt und zweitens Auslegung und Aufbau eines Brennstoffzellenstacks sowie dessen Kopplung mit einem Reformer zu einem Gesamtsystem.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Der Projektfortschritt und erste Entwicklungsergebnisse wurden auf dem 7. \u00d6lw\u00e4rme-Kolloquium am 26. – 27. September 2012 in Aachen und auf dem 6. Workshop Brennstoffzellen-Allianz 2013, der am 23. und 24. April 2013 im Zentrum f\u00fcr Brennstoffzellen Technik (ZBT) in Duisburg stattfand pr\u00e4sentiert. Die vorgestellten Ergebnisse sind am ZBT dauerhaft in Form eines Posters ausgestellt und werden zuk\u00fcnftig auf der Internetseite des ZBT, des OWI und der Aixcellsys als Download verf\u00fcgbar sein. Weitere Pr\u00e4sentationen der Ergebnisse erfolgen auf dem 4th European PEFC & H2 Forum am 02. – 05. Juli 2013 in Luzern, Schweiz, sowie bei dem HYCELTEC – IV Iberian Symposium on Hydrogen, Fuel Cells and advanced Batteries am 26. – 28. Juni 2013 in Estoril, Portugal. Dar\u00fcber hinaus ist es geplant, die Ergebnisse in Form einer Dissertation zu ver\u00f6ffentlichen.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Das Screening kommerzieller MEA\u00b4s mit synthetischem Reformat und die Kopplung mit einem Methanol-Dampfreformer konnten erfolgreich durchgef\u00fchrt werden. Anhand der Versuche konnten die Einfl\u00fcsse der Zelltemperatur, der Gaszusammensetzung und einer ver\u00e4nderten St\u00f6chiometrie auf die Zellspannung untersucht werden. Die erzielten Ergebnisse erm\u00f6glichten die Identifikation des MEA-Typs mit der h\u00f6chsten elektrischen Leistung bei minimalem Katalysatoreinsatz und der geringsten Degradation. Die erzielten Ergebnisse der Versuche mit synthetischem Reformat konnten jedoch aufgrund erh\u00f6hter CO-Konzentrationen nicht vollst\u00e4ndig durch die Versuche mit Methanol-Reformat verifiziert werden. Daher erscheinen nach erfolgreicher Reformeroptimierung in Bezug auf eine Verringerung der CO-Konzentration der Aufbau eines Brennstoffzellenstapels mit der ausgew\u00e4hlten HT-PEM-MEA und der Betrieb eines langzeitstabilen Gesamtsystems als aussichtsreich. Die genannten Aspekte sollen im Rahmen eines geplanten Folgeprojekts behandelt werden.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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