Untersuchungen zum Einfluss von Methanol-Reformat und Schadgasen auf die Membran-Elektroden-Einheit von Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzellen im Kurz- und Langzeitbetrieb

Aktenzeichen 29412/01
Zusammenfassung / Abstract:
Abschlussbericht: DBU-Abschlussbericht-AZ-29412.pdf (9.47 MB)
Projektträger: AixCellSys GmbH
Kaiserstr. 100
52134 Herzogenrath
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Bundesland: Nordrhein-Westfalen
Beschreibung:
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Das Ziel ist die Entwicklung eines kompakten, leistungsstarken und Reformat tauglichen Brennstoffzellenstapels des Typs HT-PEM basierend auf dem Energieträger Methanol. Für den Betrieb der Brennstoffzelle ist die Herstellung eines wasserstoffreichen Gases (Reformat) erforderlich. Durchgeführte Untersuchungen haben gezeigt, dass für die Lebensdauer von HT-PEM Brennstoffzellen die Einflüsse 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´s. Der Beitrag zur Umweltentlastung erfolgt, neben einer Steigerung des Wirkungsgrades, durch die Identifikation der die Lebensdauer einschränkenden Störgrößen. Durch deren Kenntnis kann eine deutliche Verlängerung 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.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZur Erreichung des Projektziels sind 4 Arbeitspakete (AP) geplant in denen ein Benchmark von kommerziell erhältlichen Membranen, verschiedener Hersteller, durchgeführt 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 für die Versuche erforderliche Auslegung und der Aufbau des Reformers sowie der Teststände. Das 3. AP umfasst die Untersuchungen zur Dauerstabilität der MEAs mit synthetischen Gasgemischen zur Simulation von realem Reformat. Neben einem Kurzscreening werden Dauerläufe durchgeführt um eine Referenz für die Versuche mit realem Reformat zu schaffen. Im AP 4 werden die MEA´s 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.


Ergebnisse und Diskussion

Das in diesem Projekt geplante Screening kommerzieller MEA´s mit synthetischem Reformat und die Kopplung mit einem Methanol-Dampfreformer konnten erfolgreich durchgeführt werden. Dabei lagen die erzielten Ergebnisse des Projektes im erfolgreichen Vergrößern der aktiven Fläche einer Reformerstufe um den Faktor 5,5. Gleichzeitig konnte durch die Optimierung der Strömungsführung die Anzahl der erforderlichen Bohrungen und die Anzahl der unterschiedlichen Blechtypen reduziert werden. Mit der Vergrößerung der beschichteten Katalysatorfläche ging bei gleichbleibender zulässiger Raumgeschwindigkeit eine Reduktion der Beschichtungsvorgänge der Reformerbleche einher. Da für die vergrößerte Beschichtungsfläche bei den vorliegenden kleinen Stückzahlen 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 veränderten Stöchiometrie auf die Zellspannung der kommerziell Verfügbaren MEA-Typen bestimmt werden. Anhand dieser Untersuchungen konnte die für einen Betrieb mit Methanol-Reformat am besten geeignete MEA identifiziert und der, in einer Systemanwendung, mögliche Betriebsbereich eingegrenzt werden. Der identifizierte MEA-Typ weist zudem die höchste elektrische Leistung bei minimalem Katalysatoreinsatz auf. Außerdem wurde in Dauerzyklentests die Lebensdauer der MEA´s im Hinblick auf den geplanten Systembetrieb untersucht. Dazu wurden Betriebszeiten von jeweils 300 Stunden, davon 125 unter Last, mit 50 Start-Stopp-Zyklen erfolgreich durchgeführt 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 vollständig durch die Versuche mit Methanol-Reformat verifiziert werden. Die Ursache lag in der gegenüber dem berechneten Gleichgewicht erhöhten CO-Konzentration im Reformat. Es wurde daher kein gekoppelter Langzeitbetrieb durchgeführt. Ein potentieller Grund für die erhöhte CO-Konzentration ist eine überhöhte Temperatur am Reformerkatalysator. Durch eine Optimierung der Luftmenge auf der Brennerseite besteht die Möglichkeit diese lokalen Temperaturspitzen abzusenken. Die grundsätzliche Erkenntnis aus den Kopplungsversuchen ist aber die Robustheit der ausgewählten HT-PEM-MEA gegenüber 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.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Der Projektfortschritt und erste Entwicklungsergebnisse wurden auf dem 7. Ölwärme-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 für Brennstoffzellen Technik (ZBT) in Duisburg stattfand präsentiert. Die vorgestellten Ergebnisse sind am ZBT dauerhaft in Form eines Posters ausgestellt und werden zukünftig auf der Internetseite des ZBT, des OWI und der Aixcellsys als Download verfügbar sein. Weitere Präsentationen 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. Darüber hinaus ist es geplant, die Ergebnisse in Form einer Dissertation zu veröffentlichen.


Fazit

Das Screening kommerzieller MEA´s mit synthetischem Reformat und die Kopplung mit einem Methanol-Dampfreformer konnten erfolgreich durchgeführt werden. Anhand der Versuche konnten die Einflüsse der Zelltemperatur, der Gaszusammensetzung und einer veränderten Stöchiometrie auf die Zellspannung untersucht werden. Die erzielten Ergebnisse ermöglichten die Identifikation des MEA-Typs mit der höchsten elektrischen Leistung bei minimalem Katalysatoreinsatz und der geringsten Degradation. Die erzielten Ergebnisse der Versuche mit synthetischem Reformat konnten jedoch aufgrund erhöhter CO-Konzentrationen nicht vollständig 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 ausgewählten HT-PEM-MEA und der Betrieb eines langzeitstabilen Gesamtsystems als aussichtsreich. Die genannten Aspekte sollen im Rahmen eines geplanten Folgeprojekts behandelt werden.

Förderzeitraum: 14.12.2011 - 13.02.2013 (1 Jahr und 2 Monate)
Fördersumme: 170.383,00
Förderbereich: I.2.2
Themengebiet: Umwelttechnik
Stichworte: Umweltforschung, Klimaschutz, Umwelttechnik, Ressourcenschonung
Publikationen:
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