Projekt 21738/01

Entwicklung eines Mikroreaktors für die selektive Oxidation von Kohlenmonoxid

Projektträger

Institut für Mikrotechnik Mainz GmbHAbteilung Energietechnik und Katalyse
Carl-Zeiss-Str. 18 - 20
55129 Mainz

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Bei Verbrennungsmotoren mit Leistungen <25 kW besteht ein Bedarf für ein Katalysatorsystem, das auch im Kaltstartbetrieb die Schadstoffe, insbesondere CO umwandeln kann. Die Aktivität und Selektivität der konventionell eingesetzten Edelmetalle zur CO-Oxidation in Automobilen setzt jedoch erst bei Be-triebstemperaturen um die 200°C ein. Mit diesem Vorhaben sollte eine Katalysatorschicht in einem Mikroreaktor entwickelt werden, die die selektive CO-Oxidation schon bei Umgebungstemperatur mit gleicher Aktivität ermöglicht. Insbesondere Kleinmotoren von Zweirädern, Arbeitsgeräten und Stromerzeugern werden zu einem erheblichen Teil ihrer Betriebszeit im Kaltstartmodus betrieben, was zu nicht unerheblichen Umweltbelastungen führt, gerade durch das entstehende Kohlenmonoxid. Für die Brennstoffzellentechnik, insbesondere für die PEM Brennstoffzellen, ist eine selektive Oxidation (SELOX) des CO, das aus den Reformaten unterschiedlichster Brennstoffe stammt, ein wesentlicher Verfahrensschritt. Die Möglichkeit einer selektiven Oxidation im Kaltbereich ist hier ebenfalls von größtem Interesse, da das gereinigte Reformat sonst in einer nachgeschalteten Stufe nochmals abgekühlt werden muß und die unerwünschte Selektivität bezüglich der Oxidation des Wasserstoffs bei herkömmlichen Systemen zu hoch ist. Mit dem Einsatz von mikrostrukturierten Katalysatorträgern werden die Grenzen konventioneller Technik durch die Intensivierung der Stoffübergangsbedingungen überschritten.
Zielsetzung des Vorhabens war es, drei mikrostrukturierte Demonstratoren, die mit Goldkatalysatoren auf der Basis von Washcoats beschichtet sind, zu realisieren und deren Funktionsfähigkeit unter praxis-nahen Bedingungen zu testen. Einer der Demonstratoren wird für die Reinigung der Abgase eines Verbrennungsmotors und zwei weitere für die Reinigung von Reformergasen konzipiert werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenUm die Ziele des Vorhabens zu erreichen, werden im Rahmen des Projektes Gold-Katalysatoren entwi-ckelt und in Form von Washcoats in Mikrokanälen aufgebracht, um die Stofftransportwiderstände zu mi-nimieren, die bisher die Verwendung von Goldkatalysatoren verhindert hat. Damit kann also die tatsächli-che Aktivität des Katalysators erhöht werden. Damit verbunden ist die Entwicklung und Fertigung entsprechender Reaktoren. Das Vorhaben untergliedert sich in die drei grundlegenden Arbeitspakete Katalysatorentwicklung (HIAT, IMM), Entwicklung und Fertigung der mikrostrukturierten Reaktoren (IMM) und Erprobung der Demonstratoren (HIAT, ICEMASTER, IMM). Die Bearbeitung erfolgt arbeitsteilig entsprechend den Kompetenzen der Kooperationspartner in enger Kooperation und häufiger zeitlicher Abstimmung der Arbeitschritte, ausgehend vom jeweils aktuellen Erkenntnisfortschritt. Für die Fertigung der Reaktoren werden partiell Aufträge an Fremdfirmen vergeben.
Für die Katalysatorentwicklung werden Testreaktoren mikrotechnisch ausgelegt, konstruiert und gefertigt. Gegenstand der Katalysatorentwicklung sind die Ko-Prezipitation von Au-Katalysatoren auf verschiedenen Trägeroxiden in Mikrostrukturen, die Entwicklung optimierter Katalysator-Slurry für die Washcoat-Herstellung und die Herstellung von Katalysator-Slurry für verschiedene Katalysatorchargen im Rahmen eines Optimierungsprozesses. Davon ausgehend werden die Bestimmung der CO-Kaltoxidationsrate in Abhängigkeit der Herstellungsbedingungen sowie Standzeituntersuchungen in den Testreaktoren vorge-nommen.
Die zwei Testreaktoren für die Katalysatorentwicklung werden mit wechselbaren Katalysatorträgern ausgerüstet und sind zur Untersuchung von Temperaturabhängigkeiten beheizbar.
Es werden zwei Demonstratortypen für die Abgasreinigung und Reformergasreinigung entwickelt und realisiert. Die Erprobung der CO-Kaltgasreinigung erfolgt an einem Verbrennungsmotor, die der CO-Feinreinigung mit synthetischem H2-Reformat einschließlich von Stabilitätsuntersuchungen.
Mit dem Vorhaben sollen wesentliche Grundlagen und Erkenntnisse für eine neue Generation von Katalysatorbeschichtungen in Kombination mit mikrostrukturierten Trägern und Reaktoren zur selektiven CO-Reduzierung gewonnen werden. Damit werden Möglichkeiten für zukünftige Untersuchungen und Ent-wicklungen auf dem Gebiet von Umweltentlastungen aufgezeigt. Des weiteren ist eine Verwertung der Ergebnisse vorgesehen.


Ergebnisse und Diskussion

Ursprünglich war die Abgasmessung am Verbrennungsmotor ausschließlich mit einem kommerziellen Abgasuntersuchungsgerät vorgesehen. Zur besseren Bilanzierung des Abgases (Konzentration, Menge) des Testmotors wurden die Abgasdaten gaschromatographisch gemessen. Dazu war ein gesonderter Teststand aufzubauen, der gleichzeitig auch für den Test am Demonstrator nutzbar war. Die Messungen mit dem Abgasmeßgerät wurden nur ergänzend durchgeführt. Um in der Startphase des Motors flüssiges Wasser zeitweise zu binden wurde dem Demonstator für den Verbrennungsmotor eine adsorptiv (Zeolith) arbeitende Trocknereinheit in Form eines beschichteten Metllmonolithen vorgeschaltet. Als Testmotor wurde ein Benzinmotor mit 4 kW Leistung mit elektrischem Generator gewählt. Im Abgas traten CO-Konzentrationen von bis zu 5 % auf. Um die Katalysatoraktivität bei gegebener Oberfläche zu gewährleisten, wurde der CO-Reiningungsreaktor für den Motor als Metallmonolith ausgeführt. Im Versuchsbetrieb konnte ein CO-Umsatz um 30 % nachgewiesen werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

- 15th World Hydrogen Energy Conference, Yokohama, Japan, 27. Juni bis 2. Juli 2004: Posterpräsentation und Beitrag im book of abstracts
- XI Symposium Nutzung regenerativer Energiequellen und Wasserstofftechnik, 4.-6. November 2004, Stralsund: Vortrag, Posterpräsentation und Beitrag für den Tagungsband.
Titel des Vortrages: Reinigung von Reformat-Wasserstoff mittels Mikroreaktortechnik
Beitrag im Tagungsband: Elgar Fokkens, Bernd Rohland, Gunther Kolb, Removal of CO from me-thanol reformate by micro-reactor technology, p. 37-39.
- 2nd France-Deutschland Fuel Cell Conference FDFC 2004, Belfort, Frankreich, 29. November bis 2. Dezember 2004: Posterpräsentation, Beitrag im book of abstracts und Abgabe Full Paper zur Veröf-fentlichung im Journal of Power Sources


Fazit

Die Vorgehensweise bei der Katalysatorentwicklung, der Konstruktion und dem Aufbau eines Mikro-Testreaktors haben sich durch die gute Zusammenarbeit IMM/HIAT bewährt und wurden bei der Herstel-lung der Demonstratoren und deren Labor- und Feldtests zusammen mit der Fa. ICEMASTER fortgesetzt.

Es konnte gezeigt werden, daß eine selektive CO-Kaltgasreinigung mit Goldkatalysatoren in mikrostrukturierten Reaktoren technisch machbar ist. Herstellungsverfahren für die Katalysatorschicht wurden ent-wickelt und erfolgreich getestet. Durch die Anwendung mikrostrukturierter Reaktoren konnte eine signifi-kante Aktivität und Selektivität der Katalysatoren erzielt werden.

Bei der Entwicklung des Gasreinigungsverfahrens für kleine Verbrennungsmotoren wurden erste grund-legende Erkenntnisse gewonnen. Weitergehende Untersuchungen waren aufgrund der nicht unerhebli-chen Aufwendungen für den Motorteststand im Rahmen dieses Projektes nicht möglich.

Die CO-Feingasreinigung von synthetischem H2-Reformat wurde erfolgreich demonstriert.

Die Resultate des Projekts zeigen, dass der vorgesehene Lösungsweg richtig gewählt wurde. Weitere umwelttechnische Entwicklungen können auf den Ergebnissen aufbauen.