AiF-FV-Nummer 266 ZN

Entwicklung eines stationären Brennstoffzellensystems auf Basis Hochtemperatur-PEM zur Verstromung von Biogas

Status & Laufzeit

Abgeschlossen: 01.12.2007 bis 31.10.2010

Forschungsstellen

  • Zentrum für BrennstoffzellenTechnik gGmbH
    Carl-Benz-Str. 201, 47057 Duisburg
    http://www.zbt-duisburg.de/

  • Johann Heinrich von Thünen-Institut Bundesforschungsinstitut für Ländliche Räume, Wald und Fischerei Institut für Agrartechnologie und Biosystemtechnik
    Bundesallee 50, 38116 Braunschweig
    http://www.vti.bund.de

Zusammenfassung

Die Zielsetzung des Forschungsvorhabens bestand zum einen in dem Aufbau eines optimierten HT-PEM Reformers mit einer Wasserstoffleistung von 5 kW und zum anderen in der Demonstration der Hochtemperatur-Membranbrennstoffzelle zur Verstromung von unterschiedlichen Biogasqualitäten. Durch die Nutzung eines Teils der Brennstoffzellenabwärme zur Vorwärmung der Reformeredukte sollte gezeigt werden, dass sich die Brennerleistung des Reformerbrenners deutlich reduzieren und damit der Wirkungsgrad des Reformers bzw. des Gesamtsystems signifikant steigern lässt. In dem Forschungsvorhaben war beabsichtigt durch den Kompetenzverbund der Projektpartner ZBT GmbH und vTI (Johann Heinrich von Thünen Institut) erstmalig ein HT-PEM-Brennstoffzellensystem mit einer elektrischen Leistung von 2 kW als Funktionsmuster aufzubauen und den Versuchsbetrieb an einer landwirtschaftlichen Biogasanlage, sowohl mit aufbereitetem Biogas als auch mit Biomethan, zu demonstrieren. Angestrebte Forschungsergebnisse und die zentralen Aspekte des Projekts waren: 1. Aufbau einer Biogasvorreinigung und Integration eines Methananreicherungsmoduls in eine bestehende 50 kW-Biogasanlage zwecks der Bereitstellung der Gasqualitäten‚ aufbereitetes Biogas’ und ‚Biomethan’. 2. Entwicklung eines auf die HT-PEM Brennstoffzelle angepassten, hocheffizienten Reformersystems. 3. Experimentelle Ermittlung und Darstellung der zulässigen Konzentrationsgrenzen für ausgewählte Schadstoffe (CO, NH3, H2S) im anodischen Brenngas an HT-PEMEinzelzellen. 4. Integration eines Biogasreformers mit einer Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzelle zu einem Gesamtsystemfunktionsmuster im Leistungsbereich 2 kWel. und Demonstration seiner Funktionsfähigkeit im Versuchsbetrieb mit realem Biogas. 5. Vollständige Bilanzierung des Gesamtsystems inklusive der Bewertung klimarelevanter Emissionen. Der unter Punkt 1 genannte Aufbau einer Biogasvorreinigung führte zu einer Anlage, in der das in einem Fermenter durch Vergärung von Rindergülle produzierte Biogas in mehreren Prozessschritten für die Verwendung in einem Dampfreformersystem zur Wasserstofferzeugung aufbereitet wurde. Dabei umströmt das Rohbiogas in einer biologischen Entschwefelungsstufe zunächst eine Schüttung aus mit Bakterien besiedelten Füllkörpern die gasförmige Schwefelkomponenten in Elementarschwefel und wasserlösliche Schwefelverbindungen umsetzten können. Diese wasserlöslichen Schwefelverbindungen setzten sich in dem flüssigen Sumpf der biologischen Entschwefelungsstufe ab und können kontinuierlich abgeführt werden. Das Rohbiogas wird dadurch von einem großen Teil der gasförmigen Schwefelverbindungen abgereinigt. Das nach geschaltete, mit Aktivkohle gefüllte Adsorberbett dient der Feinentschwefelung. Auf die beiden Entschwefelungsstufen folgt die Druckwechselabsorptionsanlage (DWA) in der der Methangehalt des entschwefelten Rohbiogases, durch Entfernung des Kohlendioxidanteils, erhöht wird. Das die DWA verlassende Biogas steht somit, unabhängig vom Grad der Methananreicherung, schwefelfrei zur Verfügung. Die unter Punkt 2 genannten Entwicklungsarbeiten zur Konstruktion und Fertigung eines auf die HT-PEM Brennstoffzelle angepassten, hocheffizienten Reformers konnten ebenfalls erfolgreich durchgeführt und abgeschlossen werden. Aufgrund der Verschaltung des Reformers mit einer HT-PEM und der beabsichtigten Integration der Abwärme der Brennstoffzelle musste ein neues Wärmeintegrationskonzept erstellt werden. Parallel dazu war eine Anpassung des Katalysatorsystems des Reformers an die Zusammensetzung des Biogases erforderlich. Aufgrund des Restsauerstoffgehaltes im Biogas, resultierend aus dem Betrieb der biologischen Entschwefelungsstufe, konnte in dem Reformersystem nicht auf die üblichen Nickelkatalysatoren für die Reformierung zurückgegriffen werden. Deshalb wurde im Reformerreaktor ein Edelmetallkatalysator eingesetzt, der auch bei den zu erwartenden Sauerstoffgehalten seine Aktivität behält. Letztlich konnte ein Dampfreformersystem dargestellt werden, dessen Wirkungsgrad im Nennlastbetrieb und unter Verwendung von Anoden-Offgas (AOG) im Systembrenner bis zu 85 % erreichte. Die unter Punkt 3 genannten Untersuchungen zur Schadgastoleranz von HT-PEM Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) wurden an Test-Einzellern durchgeführt, die der Forschungsstelle von einem Mitglied des Projektbegleitenden Ausschusses (PbA) zur Verfügung gestellt wurden. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigten deutliche Einsatzgrenzen der MEA’s bzgl. der Exposition der genannten Schadgase auf. Die Integration des Biogasreformers mit einer HT-PEM-Brennstoffzelle zu einem Gesamtsystemfunktionsmuster, wie es unter Punkt 4 genannt wird, konnte leider nicht durchgeführt werden. Die Vermessung des am ZBT verfügbaren HT-PEM Stacks der Leistungsklasse 2kW wies bei der Inbetriebnahme Undichtigkeiten im Bereich des Thermoölkühlkreislaufes auf, die während des Projekts nicht behoben werden konnten. Durch die hohe Kriechfähigkeit des Thermoöls wurden einige Membranen geschädigt und der Stack wurde unbrauchbar. Auch ein Ersatzstack, der uns von der Universität Duisburg-Essen zur Verfügung gestellt wurde, konnte aufgrund gleich gelagerter Probleme im Thermoölkühlkreislauf nur kurzzeitig betrieben werden. Im Rückblick muss man feststellen, dass die Entwicklung von thermoölgekühlten HT-PEM Stacks zum Zeitpunkt der Projektdurchführung noch nicht den erwarteten Status für einen längeren Testbetrieb aufwies. Während der Projektlaufzeit existierten gerade erste, verlässlich arbeitende luftgekühlte Stacks im Leistungsbereich einiger hundert Watt. Flüssigkeitsgekühlte Stacks der Leistungsklasse 1 kWel. und größer befanden sich noch in der Entwicklung und wiesen allenfalls den Status eines Labormusters auf. Im Fordergrund der derzeitigen Entwicklungsbemühungen bei flüssigkeitsgekühlten HT-PEM-Stacks stehen die oben beschriebenen Probleme in Bezug auf die Abdichtung zwischen dem Kühlkreislauf und den Gasseiten von Anode und Kathode der Brennstoffzelle. Die unter Punkt 5 beschriebene Gesamtbilanzierung konnte wegen der nicht erfolgten Kopplung von Reformer und Brennstoffzelle nur teilweise durchgeführt werden. Fazit: Die beschriebenen F&E-Arbeiten zur Biogaserzeugung und Aufbereitung sowie der Entwicklung eines hochintegrierten und hocheffizienten Biogasreformers konnten in vollem Umfang erfolgreich abgeschlossen werden. Leider besteht bei der Entwicklung ölgekühlter HT-PEM-Brennstoffzellenstacks noch erheblicher Entwicklungsbedarf der aber erst bei der Durchführung des Projekts offenkundig wurde. Trotzdem können die Arbeiten zur Vermessung des/der Brennstoffzellenstacks als erfolgreich bezeichnen werden, da dieses Projekt die Schwachstellen im Bereich der Abdichtung des Stacks offen gelegt hat, den Entwicklungsstatus flüssigkeitsgekühlter HT-PEM Stacks darstellt, Anforderungen in Bezug auf den Reformatgasbetrieb beschreibt und dadurch die zukünftigen Entwicklungsziele definiert. Der kontinuierliche Kontakt mit der Firma elcomax GmbH, die in enger Zusammenarbeit mit dem ZBT versucht hat den ursprünglich für dieses Projekt zu verwendenden HT-Stack der Sartorius AG zu reaktivieren, hatte klare Handlungsanleitungen und Randbedingungen für andere Dichtungskonzepte zur Folge. Damit wurde eines der Ziele der AIF-Vorhaben erfüllt klein- und mittelständischen Unternehmen mögliche Schwachstellen aufzuzeigen, um tragfähige Entwicklungsansätze und neue Konzepte zu erarbeiten. Ferner wurden mit den Brennstoffzellenentwicklern Rahmenbedingungen zur sinnvollen Integration der Brennstoffzelle in ein HT-PEM Gesamtsystem diskutiert. Daher bleibt festzuhalten, dass die beschriebenen F&E-Arbeiten zur Entwicklung und Erprobung einer Biogasaufbereitung und zur Entwicklung eines Biogasreformers für die Kopplung mit einer HT-PEM-Brennstoffzelle plangemäß mit den im Antrag vorgesehenen wissenschaftlichen Mitarbeitern durchgeführt werden konnten und im Wesentlichen dem beantragten Arbeitsumfang entsprechen. Die bereitgestellten Mittel waren daher für die Durchführung des Vorhabens notwendig und angemessen. Das Ziel des Vorhabens wurde teilweise erreicht. Der an die HT-PEM adaptierte Dampfreformer stellt für kleine und mittelständische Fertigungsbetriebe und Ingenieurdienstleister eine neuartige Produktlinie zur Verfügung, die basierend auf dem bereits in den Firmen vorhandenen Kenntnisstand über Dampfreformer für Anwendungen mit der NT-PEM, eingeführt werden können. Darüber hinaus bietet sich auch die Chance für die Gründung neuer Unternehmen, die sich auf die Fertigung der Teilkomponenten spezialisieren. Für Dienstleister im Bereich der Gasaufbereitung werden durch die Untersuchungen zur Gasaufbereitung von Biogas zu Biomethan (Entschwefelung und Abreinigung von Kohlendioxid) direkte Informationen zur Umsetzung in die Praxis bereitgestellt. Gerade der Bereich Gasaufbereitung und Sicherung einer gleich bleibenden Gasqualität wird im Zuge der breiten Diskussion zur Einspeisung von Biogas in das Gasverteilnetz immer wichtiger. Hier profitieren Anbieter, zumeist kmU’s, von den Arbeiten in diesem Projekt.

Förderhinweis

Das Forschungsvorhaben der Forschungsvereinigung Umwelttechnik wird / wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

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