DECHEMA e.V.

Katalytisch modifizierte Anodenmaterialien für die interne Reformierung von Kohlenwasserstoffen in der Hochtemperatur-Brennstoffzelle

DI 696/3-1

Bild Forschungsprojekt
Laufzeit: 01.09.1999 - 30.11.2002
Partner: 01.09.1999 - 31.08.2000:  Institut für keramische Werkstoffe der TU Bergakademie Freiberg
Geldgeber:

01.09.1999 - 31.08.2000: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

01.01.2001 - 30.11.2002: Siemens AG

Bearbeiter: Dipl.-Ing. Melanie Boder, Wolfgang Rüth, Prof. Dr. Roland Dittmeyer
Arbeitsgruppe: Technische Chemie

Brennstoffzellen sind elektrochemische Systeme, die die chemische Energie von Oxidationsprozessen direkt und kontinuierlich in elektrische Energie umsetzen. Im allgemeinen wird als Brennstoff Wasserstoff verwendet, der im Fall der SOFC (= s olid o xide f uel c ell) unter Verwendung eines sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten mit Luftsauerstoff zu Wasser reagiert. Vom wirtschaftlichen Standpunkt ist gegenwärtig jedoch ein Betrieb mit Kohlenwasserstoffen, v.a. Erdgas, vorteilhafter. Dabei wird zur Vermeidung von Kohlenstoffablagerungen Wasserdampf zugesetzt und eine Reformierung, innerhalb der Zelle oder in einem externen Vorreformer, durchgeführt. Da bei der internen Reformierung keine externe Reformereinheit, Wärmetauscher oder Zusatzheizung benötigt werden, lassen sich dadurch die Investitionskosten senken und die Systemeffizienz steigern. Der im Anodenraum gebildete Wasserstoff kann sofort elektrochemisch umgesetzt werden. Dadurch werden hohe Ausnutzungsgrade der Kohlenwasserstoffe und ein großer Gesamtwirkungsgrad erreicht. Bei der internen Reformierung kann die Kontrolle der Zelltemperatur über die endotherme Reformierung erfolgen, anstatt mit einem hohen Luftüberschuss die Überschusswärme der elektrochemischen Oxidation abzuführen.

 Aufgrund der hohen Betriebstemperaturen erfolgt die Reformierungsreaktion an den standardmäßig eingesetzten Ni/YSZ-Anodenmaterialien sehr schnell, was eine eine lokale Abkühlung der Zelle zur Folge hat. Im weiteren Verlauf längs des Strömungsweges wird durch die exotherme Oxidation des erzeugten Synthesegases Wärme erzeugt. Die so auf engem Raum entstehenden Temperaturgradienten innerhalb der im Betrieb befindlichen Zelle führen zu starken Wärmespannungen, verursachen erhebliche Material- und Dichtungsprobleme und führen zu sehr geringen Leistungsdichten im Einlaufbereich der Stacks.

 Dieses komplexe Reaktionssystem ist bislang nicht ausreichend untersucht und charakterisiert worden. Deshalb wurde eine Apparatur konstruiert, die eine Untersuchung des Reaktionsverlaufs der gekoppelten Reformierung und Oxidation der Kohlenwasserstoffe ermöglicht. Das Gehäuse aus Al 2 O 3 wurde in eine Versuchsanlage integriert und bietet Platz für eine quadratische Elektrolyt-Elektroden-Einheit (Elektrodenfläche: 30 mm x 30 mm).

 Für die Untersuchungen werden planare, quadratische, elektrolytgeträgerte Brennstoffzellen verwendet. Die Elektrolytfolien wurden von der Fa. Kerafol GmbH hergestellt und bestehen aus mit 8 Mol-% Y 2 O 3 stabilisiertem ZrO 2 . Ihre geometrische Fläche beträgt 40 x 40 mm, die Dicke liegt bei 0,2 mm. Die Elektrodenschichten der Größe 30 x 30 mm wurden mittels Siebdruck von der Fa. Siemens AG, Erlangen, aufgebracht. Die Anodenschicht ist etwa 40 µm hoch, die Kathode besteht aus zwei verschiedenen Schichten mit einer Gesamthöhe von etwa 50 µm.

 Alle Zellen wurden zunächst mittels Strom-Spannungs-Kennlinien im Wasserstoffbetrieb charakterisiert. Zunächst wurde die interne Reformierung an den Standardzellen im Temperaturbereich von 650-950 °C untersucht. Dabei war durch metallische Netzen ein elektrischer Kontakt gewährleistet. Das Anodengas enthielt im Allgemeinen ein Gemisch aus Methan, Wasser und Wasserstoff. Die Zugabe von Wasserstoff gilt als wirksame Maßnahme, um eine Oxidation des Nickels im Eingangsbereich zu vermeiden. Da die Nickelnetz auch eine beträchtliche katalytische Aktivität zeigen, müssen die Zellen ohne Verwendung der Kontaktierungsnetze untersucht werden. Für die Beschreibung der Konzentrationsprofile , die sich im Anodenraum über der Zelle einstellen, wird ein einfaches pseudohomogenes eindimensionales Modell des idealen Strömungsrohres verwendet.

 Um die Reformierungsaktivität zu senken, werden die vorhandenen, für den Einsatz mit Wasserstoff optimierten, Anodenmaterialien mit Kupfer imprägniert . Ein nicht zu unterschätzender Vorteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass der Herstellungsprozess für die Zellen beibehalten werden kann. Kupfer weist eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf, wirkt aber nicht als Katalysator für die Reformierungsreaktion. Der Innenwiderstand der Standardzelle wird durch die Imprägnierung praktisch nicht verändert. Dies zeigt die Aufnahme von Strom-Spannungs-Kennlinien an den modifizierten Zellen. Die Untersuchungen zur Katalyse zeigen, dass die Aktivtät für die Reformierungsreaktion durch die Beschichtung stark abnimmt. Auf diese Weise können entlang des Strömungsweges Zonen mit unterschiedlich heterogenkatalytisch aktivem Anodenmaterial auf dem Festelektrolyten präpariert werden. Dabei muß die Reformierungsaktivität im Eintrittsbereich niedriger und am Austritt höher sein. Dies hat kleinere Temperaturgradienten zur Folge und soll einen zuverlässigen und effizienten Betrieb der Zellen mit Kohlenwasserstoffen ermöglichen.

 

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Kontakt

Dr. Jonathan Bloh

Tel.: 069 / 75 64-387
E-Mail: bloh 

 

Publikationen

Poster

Abschlussbericht

M. Boder, R. Dittmeyer, Journalof Power Sources 155 (2006) 13-22


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