Brennstoffzellensysteme arbeiten mit Gasen, die Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthalten. Die Erzeugung dieser Brenngase aus flüssigen Brenn- und Kraftstoffen, insbesondere Diesel und Benzin, steht im Fokus der Entwicklungstätigkeiten. Kernkomponente ist dabei die Reformierung. Für die zumeist katalytisch ablaufenden Prozesse werden die Einsatzstoffe Luft, Wasserdampf und Brennstoff in einem vorgelagerten Schritt gemischt.
Ziel ist die Erzeugung eines homogenen Gemisches, das die Anforderung an Stöchiometrie und Massenstromverteilung von dem Katalysator erfüllt. Für diesen Schritt wird das Verfahren der Kalten Flammen eingesetzt. Am Oel-Waerme-Institut werden die Reformierungsverfahren der Partiellen Oxidation, der Autothermen Reformierung und der Dampfreformierung untersucht. Als Forschungsdienstleister bietet das OWI darüber hinaus Lösungen für Gesamtsysteme der Gasprozesstechnik. Auf voll automatisierten Prüfständen können standardisierte Screenings von katalytischen Materialien durchgeführt werden. Die kundenspezifische Entwicklung schließt die notwendigen Verfahrensschritte wie die CO-Reinigung, die Steuerungsentwicklung für Reformersysteme, die Implementierung von Verdampfern und Brennern sowie die Peripherieeinbindung mit ein. Die Entwicklungen zielen sowohl auf mobile als auch auf stationäre Anwendungen ab. In diesem Arbeitsgebiet werden eine Reihe von öffentlich geförderten Projekten und solche im direkten Industrieauftrag durchgeführt.
Abbildung 1: Konzept eines Brennstoffzellengesamtsystems mit Reformierung
Die Entwicklung der katalytischen partiellen Oxidation von Diesel zielt auf den Einsatz in SOFC Systemen ab. Als spinoff wird hier gleichzeitig der Einsatz der Technik für die mobile Abgasnachbehandlung bewertet.
Die Dampfreformierung von Heizöl wird in einem öffentlich geförderten Projekt (BMWA) zusammen mit den Projektpartnern Behr, Umicore, und S&R Regeltechnik untersucht. Ziel ist hier die Entwicklung eines Dampfreformers in einem innovativen Reaktordesign auf Basis von Heizöl EL zur dezentralen Wasserstofferzeugung und die Systemerprobung an einem stationären PEM-Brennstoffzellensystem.
Das Verfahren der autothermen Reformierung von Diesel wird durch das OWI untersucht. Schwerpunkt ist hier die Vermeidung der Kohlenstoffbildung bei der autothermen Reformierung von kommerziellem Diesel. Es wird ein innovatives Konzept der Mischkammer umgesetzt. Die CO-Abtrennung mittels Wasser-Gas-Shift-Reaktion ist bis auf CO-Konzentrationen im Reformat unter 1 Vol.-% möglich. Die Arbeiten umfassen weiterhin die Entwicklung eines Feinreinigungsreaktors zur Erzeugung eines PEFC-verträglichen Gases. Die Entwicklung wird insbesondere unter Berücksichtigung von fertigungstechnischen Fragestellungen der gesamten Reformatgaserzeugung umgesetzt. Systeme dieser Art können in Kopplung mit einer PEM-Brennstoffzelle z. B. für die APU von Bussen und LKW eingesetzt werden.
Abbildung 2: Reformer für flüssige Brennstoffe
Im Verbundprojekt MIMEMIZ (www.mimemiz.de) wird ein hoch integriertes Mikrobrennstoffzellengesamtsystem entwickelt. Ziel ist es, die hohe Leistungsdichte der Wasserstoff HT-PEM (High Temperature Proton Exchange Membrane)-Brennstoffzelle mit den Vorteilen der Versorgungsinfrastruktur des flüssigen Energieträgers Methanol zu verknüpfen. Durch den Einsatz von extrem kleinen Strukturen wird ein frei skalierbarer Lösungsansatz entwickelt. Eine modulare Anordnung ermöglicht eine einfache Adaption sowohl zu höheren als auch geringeren Leistungsanforderungen. Ein wesentlicher Teil der Arbeit des Oel-Waerme-Instituts im Rahmen des Projektes bezieht sich auf die Entwicklung eines Reformers für Methanol mit einer thermischen Leistung von 150 W. Zur Herstellung eines wasserstoffreichen Gases aus Methanol wird das Verfahren der Dampfreformierung eingesetzt, welches in einem beidseitig beschichteten kompakten Wärmeübertrager ausgeführt wird. Zur Beheizung der endothermen Reformierungsreaktion findet auf der Gegenseite eine katalytisch unterstützte Verbrennung von Brennstoffzellenabgas statt. Die Verdampfung der Edukte Wasser und Methanol erfolgt ebenfalls in einem kompakten Wärmeübertrager. Die benötigte Verdampfungswärme wird einseitig mittels eines katalytischen Brenners bereitgestellt. Neben der Reformierung führt das Oel-Waerme-Institut im Rahmen des Projekts die gesamten Versuche mit dem HT-PEM-Stack sowie die experimentellen und numerischen Arbeiten zur Systemkopplung durch.
Abbildung 3: Methanol-Dampfreformierung in einem strukturierten Wärmeübertrager