Gasnachbehandlung

Der Wasser-Gas-Shift Reaktor hat in einem Brennstoffzellensystem die Funktion, die Konzentration an Kohlenmonoxid im Produktgas der autothermen Reformierung (Reformat) von ca. 10 Vol.-% auf ca. 1 Vol.-% zu verringern. Zu hohe Konzentrationen führen zu einer adsorptiven Vergiftung der katalytisch aktiven Zentren in der Anode derBrennstoffzelle, die bei 160 – 180 °C betrieben wird. Dies äußert sich in einer deutlich schlechteren Strom-Spannungskurve der Brennstoffzelle. Die Reaktionsgleichung hierfür ist unten stehend angegeben.

Auch für die Wasser-Gas-Shiftreaktion wurde im IEK-14 eine Reihe von Reaktorgenerationen konstruiert, hergestellt und experimentell getestet. Es gibt einige Charakteristika, die diese Generationen gemeinsam haben:

• Einsatz eines kommerziellen Edelmetall/ZrO₂-CeO₂-Katalysators
• Design mit Hochtemperatur- (400–450 °C) und Niedertemperaturstufe (300–330 °C)
• Kühlung zwischen den Stufen durch Quenchen das Gasstroms mit kaltem Wasser

Für eine Brennstoffzelle mit einer Betriebstemperatur von ungefähr 80 °C muss die Konzentration an Kohlenmonoxid im Reformat mittels eines weiteren Verfahrens (CO-Feinreinigung) von 1 Vol.-% auf 10 – 100 ppm gesenkt werden. Am IEK-14 wird dafür die präferentielle Oxidation von CO in einem wasserstoffreichen Gasgemisch untersucht. In einem Teststand werden verschiedene Katalysatoren mit idealem Reformat mit unterschiedlichen Konzentrationen an Kohlenmonoxid untersucht, um optimale Betriebsbedingungen für diese Reaktion ermitteln zu können.

Der katalytische Brenner hat zwei wesentliche Funktionen. Zum einen werden in seinem katalytischen Teil die brennbaren Komponenten Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Methan im aus der Anode der Brennstoffzelle austretenden Abgas zu Kohlendioxid und Wasser umgesetzt, so dass das Brennstoffzellensystem keine giftigen oder brennbaren Substanzen emittiert (vgl. unten stehendes Schema). Zum anderen wird der Enthalpiestrom aus der katalytischen Verbrennung mittels integrierter Wärmeaustauscher auf die drei folgenden Fluidströme eines Brennstoffzellensystems übertragen: (i) Einen wesentlichen Teil des Wasserstroms, der für die autotherme Reformierung benötigt wird, zu seiner Verdampfung und Überhitzung, (ii) das Wärmeträgerfluid in der Brennstoffzelle zu seiner Temperierung und (iii) den Luftstrom vor Eintritt in den autothermen Reformer zu seiner Vorwärmung.