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Reformer-Brennstoffzellen-Systeme (RBZS) vereinen eine hohe Energiespeicherdichte des Brennstoffs mit hoher Leistungsdichte der Brennstoffzellen. Forscher am Fraunhofer ISE haben ein vollautomatisches 250-W-System auf Basis von Ethanol entwickelt.

24. März 2009

Brennstoffzellen (BZ) zur netzfernen Stromversorgung im Bereich mehrerer hundert Watt werden am besten direkt mit einem Reformer kombiniert, wenn sie lange autarke Betriebszeiten erreichen sollen, weil dann der Einsatz von Wasserstoffspeichern nicht wirtschaftlich oder praktikabel ist. Um die Stromversorgung mittels RBZS möglichst vielen Verbrauchern zugänglich zu machen, muss der Brennstoff kommerziell verfügbar, preiswert und ungefährlich sein. Ethanol, in Form von Brennspiritus, besitzt all diese Eigenschaften.

In der Vergangenheit hat die Entwicklung kleiner Reformer für BZ-Systeme zur mobilen, netzfernen Stromversorgung scheinbar weniger Aufmerksamkeit erfahren als die der BZ und ihrer Peripherie selbst. Dies ist umso erstaunlicher, weil sich die wenigsten Zellen betreiben lassen, ohne dass ein Reformer vorher Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Gas erzeugt hätte. Es lässt sich zudem nicht leugnen, dass Reformer komplexe, kleine chemische Fabriken sind.

Im Rahmen des vom BMWi geförderten InnoNet-Projekts ›RBZ-Modul‹ entwickelten Forscher am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg ein komplettes Ethanol-Reformer-BZ-System mit einer elektrischen Nettoleistung von 250W. Das System sollte außentauglich sein und damit bei Außentemperaturen zwischen –10 bis +40 °C betrieben werden können. Als Anwendung ist die Stromversorgung medizinischer Geräte in Gegenden mit unsicherer Stromversorgung vorgesehen. Als Anforderung kommt hinzu, die elektrische Leistung auf Knopfdruck verfügbar zu machen. Dazu muss die Startphase des Reformers, in der noch kein Wasserstoff zur Zelle strömt, mit einer Pufferbatterie überbrückt werden. Gesamtgröße und Gewicht des Systems mit Tank betragen 95l und 30kg. Partner in diesem Gemeinschaftsprojekt sind die Firmen DMT, EGO, Elbau, Intratec, Lifebridge, Magnum und Umicore sowie das Forschungsinstitut HSG-IMIT.

In der ersten Hälfte des dreijährigen Projektes wurde ein RBZS in einer Teststandsumgebung aufgebaut und verfahrenstechnisch optimiert. Das Reformersystem wurde am Fraunhofer ISE ausgelegt, konstruiert und hergestellt. Die Niedertemperatur-PEM-Zelle der Firma Schunk ist für den Betrieb mit Reformatgas (Produktgas des Reformers) nicht optimiert.

Schonende Vorgänge für das An- und Abfahren

In der zweiten Hälfte übertrugen die ISE-Forscher das System aus dem Teststand in ein modular aufgebautes, vollautomatisiertes Funktionsmuster. Wesentliche Arbeitsschritte dabei umfassten die Optimierung der An- und Abfahrvorgänge. So gelang es, durch einen schonenden Anfahrprozess und eine Regenerationsphase beim Abfahren, die Dauerstabilität der Katalysatoren soweit zu erhöhen, dass auch nach 50 Starts und Stopps, nach mehr als 150 Stunden Betrieb und nach längeren Standzeiten eine für den BZ-Betrieb geeignete Gaskonzentration erreicht wird.

Der Reformer selbst umfasst einen autothermen Reformer für Ethanol, eine zwei-stufige Shift und eine selektive Methanisierung, nach der das Produktgas einen Wasserstoffanteil von über 40Vol.-% und einen Kohlenmonoxidgehalt von deutlich unter 20 ppmv besitzt. Das Anoden-Offgas wird in einem Brenner oxidiert und die freiwerdende Wärme zur Verdampfung und Überhitzung der Edukte eingesetzt. In der Startphase und zur Regelung des Brenners wird ihm flüssiges Ethanol zugeführt.

Auf eine weitere Wärmeintegration innerhalb des Reformersystems verzichteten die Entwickler, um den Systemaufbau möglichst einfach zu gestalten. So ließen sich die Gasströme nach den einzelnen Reaktoren durch Luftkühler auf die erforderliche Eintrittstemperatur des nachfolgenden Reaktors senken. Dies bringt zwar Einbußen im Wirkungsgrad mit sich, das Entwicklungsteam nahm dies jedoch zugunsten einer einfacheren Systemarchitektur und Regelbarkeit in Kauf.

Die BZ erreicht mit Reformat auf der Ano-de und Umgebungsluft auf der Kathode eine elektrische Brutto-Leistung von rund 300W. Nach umfangreichen Tests, in denen die Luftzufuhr, die Eintrittstemperatur, das Airbleed (Luftzugabe vor der Anode), das Spülintervall und die Kühlwassertemperatur variiert wurden, gelang es, einen stabilen Betriebszustand zu erreichen. Der Gasnutzungsgrad beträgt bei voller Leis-tung rund 80%.

Die Luftzahl auf der Kathodenseite liegt zwischen 2,5 und 3. Das Airbleed erhöht die Kohlenstoffmonoxid(CO)-Toleranz der Brennstoffzelle durch Oxidation des CO. Bei der Spülung auf der Anodenseite wird kurzzeitig Gas an die Umgebung entlassen und auf diese Weise ein Impuls erzeugt, der Wassertröpfchen aus der Anodenseite austrägt. In Langzeittests überprüfen die Fraunhofer-Experten derzeit, ob die Zelle dauerhaft mit diesen Betriebsparametern gefahren werden kann.

Gemeinsam mit der Firma DMT erarbeiteten die Forscher zudem ein Gehäusekonzept, das das RBZ-Modul in mehrere Funktionsmodule unterteilt. Alle Module sind dort in einem Transportwagen übereinander gesteckt und mittels Multi-Contact-Stecker miteinander verbunden, wobei sich einzelne Module herausnehmen lassen. Zum Befüllen können die Tanks einfach getauscht werden. Das Konsortium bietet die Technologie interessierten Herstellern zur Verwertung (Serienproduktion) an.

Johannes Full, Thomas Aicher

Erschienen in Ausgabe: 01/2009