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Posts Tagged ‘Brennstoffzelle’

Lightning_animation_-_NOAABrennstoffzellen sind die optimalen elektrochemischen Energiewandler: sie erzeugen aus wasserstoffhaltigen Medien Strom, Wärme und Wasser und arbeiten leise und emissionsarm. Im Blickpunkt eines aktuellen Projekts der industriellen Gemeinschaftsforschung steht die Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC) als Energielieferant für mobile, stationäre und portable Anwendungen. Auf dem Markt gibt es bereits Ladegeräte mit USB-Anschluss, mit denen die Betriebsdauer von GPS, Mobiltelefonen und MP3-Playern in Gegenden ohne Stromnetz verlängert werden kann. Auch in Wohnmobilen oder Booten kommen tragbare Ladegräte mit einer DMFC bereits zum Einsatz.

Als Brennstoff dient bei der DMFC Methanol, das an der Anode zu Kohlendioxid oxidiert wird. Oxidationsmittel ist der Luftsauerstoff, der an der Kathode zugeführt wird. Er reagiert mit Wasserstoff-Ionen und Elektronen zu Wasser. Die Leistungsdichte einer DMFC hängt sehr stark von den Betriebsbedingungen ab. Derzeit liegt diese zwischen 80-150 mW cm-2 bei Betriebstemperaturen zwischen 50-80°C und Atmosphärendruck. Bei höheren Temperaturen steigt die Leistung, allerdings müssen das Methanol und die Luft verdichtet werden. Dieses kostet zusätzlich Energie, erhöht die Betriebskosten und verschlechtert den Wirkungsgrad.

Wissenschaftler der Universität Stuttgart, dem Zentrum für Sonnenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg und des DECHEMA-Forschungsinstituts Frankfurt entwickeln neue Zell-Komponenten für einen Temperaturbereich von 100 – 150°C. Neue Membranen auf Basis von mikrophasenseparierten Block-Co-Polymeren, einem Gewebe zur mechanischen Verstärkung der Polymermembran, erhöhen die chemische, mechanische und thermische Stabilität und verringern die unerwünschte Diffusion von Methanol. Kombiniert mit leistungsfähigen Katalysatoren sowie optimierten Medienverteilerstrukturen sollen diese den Betrieb der Kathode bei Atmosphärendruck ermöglichen. Damit wird die DMFC zu einem attraktiven regenerativen System, das wetter- und zeit-unabhängig Strom liefern kann.

Mehr zum Projekt IGF 17955 Entwicklung neuartiger MEA Komponenten für MT DMFC, betrieben bei atmosphärischem Kathodendruck

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Er mag Schwefel, Katalysatoren nicht... (Gemälde von Hans Memling, 15. Jhd.)

Er mag Schwefel, Katalysatoren nicht… (Gemälde von Hans Memling, 15. Jhd.)

Wasserstoff wird in vielen industriellen Verfahren benötigt: In der chemischen Industrie, bei der Stahl- oder Glasherstellung oder in der Elektro- und in der Lebensmittelindustrie.

Doch nicht nur Fabriken brauchen Wasserstoff, auch als möglicher Kraftstoff für die Familienkutsche von morgen könnte er wichtig werden: In Brennstoffzellen kann er sicher und schadstofffrei verstromt werden und so das E-Mobil von A nach B befördern.

Wo kommt der Wasserstoff her? Die meisten erinnern sich aus dem Schulunterricht sicher noch an die Elektrolyse von Wasser, bei der mit Hilfe von Strom das Wasser (H2O) in Wasser- (H2) und Sauerstoff (O2) zerlegt wird. NB: Das war der Schulversuch, bei dem anschließend gerne die Knallgasreaktion gezeigt wurde. Sie ist einer der Gründe – neben der Effizienz des Verfahrens -, warum man für die großtechnische Wasserstoffproduktion bislang lieber auf andere Methoden setzt.

Großtechnische Wasserstoffherstellung durch Dampfreformierung

Eine der wichtigsten ist die sogenannte Dampfreformierung von Methan. Methan (CH4) – aus Erdgas oder Biogas – wird dabei bei hohen Temperaturen und hohem Druck mit Wasser umgesetzt. Als Endprodukte entstehen Wasserstoff und Kohlendioxid.

Für diese Reaktion wird ein Katalysator benötigt. Leider enthält Erdgas und besonders Biogas aber nicht nur Methan, sondern unter anderem auch Schwefelverbindungen. Katalysatoren vertragen Schwefel aber häufig überhaupt nicht. Deshalb muss bisher bei der Dampfreformierung eine Entschwefelungsstufe vorgeschaltet werden. Es gibt dafür verschiedene Möglichkeiten; allerdings besteht bisher die Qual der Wahl zwischen Verfahren, die viel Schwefel entfernen und auch am Stück betrieben werden können, aber sehr kompliziert (und damit teuer) sind und welchen, die einfacher sind, aber nur wenig Schwefel entfernen und häufig gewartet werden müssen.

Eine Möglichkeit, Schwefel aus Erdgas zu entfernen, ist die Hydrodesulfurierung. Dabei werden die Schwefelverbindungen vor der eigentlichen Dampfreformierung mit Wasserstoff an einem besonderen Katalysator zu Schwefelwasserstoff umgesetzt, der sich leicht entfernen lässt. Dafür braucht man aber eine gesonderte Anlage und muss Wasserstoff von außen zuführen, um das Verfahren überhaupt zu starten.

Neues Hydrodesulfurierungsverfahren als Ausweg

Forscher vom MPI für Kohlenforschung und vom Zentrum für Brennstoffzellentechnik wollen dieses Dilemma nun lösen. Sie arbeiten an der Entwicklung eines neuen Verfahrens zur Hydrodesulfurierung, das direkt in der eigentlichen Dampfreformierungsstufe ablaufen kann. Dazu entwickeln sie neue Katalysatoren auf der Grundlage von Zeolithen. Diese Katalysatoren sollen in der Lage sein, aus höheren Kohlenwasserstoffen wie Ethan oder Propan, die ebenfalls in Spuren im Erdgas vorliegen, Wasserstoff freizusetzen und diesen dann direkt mit Schwefelverbindungen reagieren zu lassen, so dass Schwefelwasserstoff entsteht. Zinkoxid-Nanopartikel sollen diesen Schwefelwasserstoff dann adsorbieren und so aus dem Gasstrom entfernen.

Möglich wird diese Forschung unter anderem dadurch, dass man heute sehr viel besser versteht, wie Katalysatoren funktionieren. So wollen die Wissenschaftler auch untersuchen, welche Parameter dafür ausschlaggebend sind, dass die Zeolithe in der gewünschten Weise arbeiten, und die Zeolithe gezielt darauf optimieren.

Gelingt das Vorhaben, so wäre es nicht nur für großtechnische Anlagen interessant, wo es eine zusätzliche Verfahrensstufe und damit eine Menge Kosten einspart. Auch für dezentrale Brennstoffzellen, für die die Hydrodesulfurierung wegen des Aufwands bislang nicht in Frage kommt, könnte damit eine neue Möglichkeit zur Entschwefelung der Brenngase erschlossen werden.

Mehr zum IGF-Projekt Nr. 18296 N – Entwicklung eines Hydrodesulfurierungsverfahrens mit autarker Wasserstoffversorgung für Brenngase

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Brennstoffzellen kennt mittlerweile jeder. Ob als zentraler Bestandteil der Wasserstoffwirtschaft oder zur Verstromung von Methanol,  Brennstoffzellen glänzen durch ihre Effizienz, Flexibilität und saubere Energieumwandlung. Warum sollte man damit nicht auch direkt von Kohle zu Strom kommen, ohne all die lästigen Zwischenschritte über Verbrennung und Turbinen, ganz zu schweigen von Rauchgasreinigung und ähnlichem?

Das dachten sich auch Forscher aus Garching und Duisburg; jetzt arbeiten sie in einem Projekt der Industriellen Gemeinschaftsforschung gemeinsam an der direkten Umsetzung von Kohlenstoff in Brennstoffzellen. Die Idee als solche ist nicht neu,  schon 1896 wurde ein erstes Patent auf eine Kohlenstoff-Luft-Batterie angemeldet. Doch bislang haben technische Probleme wie mangelnde Stabilität der Komponenten, aggressive Elektrolyte und geringe Leistungsdichten die praktische Umsetzung behindert. Dabei zeigen Rechnungen, dass mit Hilfe einer Kohlenstoffbrennstoffzelle Wirkungsgrade von 80 % zu erreichen sind – gegenüber 45 % im Kohlekraftwerk.

Im Rahmen des laufenden Forschungsvorhabens soll ein Demonstrationsmodell entwickelt werden, das auf einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle basiert. Dabei sind auch Unternehmen eingebunden, die sich mit Brennstoffzellen von der Systementwicklung über die Komponentenentwicklung bis hin zu Testsystemen beschäftigen. Ziel ist die Entwicklung einer stationären Brennstoffzelle, die zuverlässig und dauerhaft Kohlenstoff bzw. stark kohlenstoffhaltige Biomasse direkt verstromen kann.

Mehr zum Projekt

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