AiF-FV-Nummer 34 ZN

Herstellung von Reinstwasser mit Hilfe eines kombinierten Elektrolyse-/Brennstoffzellenverfahrens

Status & Laufzeit

Abgeschlossen: 01.10.2000 bis 31.03.2003

Forschungsstellen

  • Institut für Umwelt & Energie, Technik & Analytik e. V.
    Bliersheimer Str. 58 - 60, 47229 Duisburg
    http://www.iuta.de

Zusammenfassung

Ziel des Vorhabens war die Gewinnung von hoch reinem Wasser mit einem System, welches aus einer Elektrolyseeinheit zur Gaserzeugung und einer PEM-Brennstoffzelleneinheit besteht, und in dem die aus der Wasserelektrolyse entstehenden Gase Wasserstoff und Sauerstoff zu reinem Wasser reagieren. Vorgesehen war auch die Möglichkeit, die Brennstoffzellen mit Gasen aus Druckgasflaschen zu versorgen. Eine entsprechende Versuchsanlage wurde am IUTA konstruiert und gemäß den erarbeiteten Spezifikationen von einem Hersteller von Brennstoffzellen-Systemen als Prototyp gefertigt. Die Anlage wurde mit dem Ziel betrieben, die Produktwasserqualität in Abhängigkeit von Betriebsparametern und in Abhängigkeit von der gewählten Gasversorgung der Brennstoff-zellen zu untersuchen und zu optimieren. Zu diesem Zweck wurde das Produktwasser der Brennstoffzellen hinsichtlich chemischer und mikrobiologischer Begleitstoffe analysiert. Trotz sukzessiver Fortschritte bzgl. Anlagentechnik und Fahrweise erreichte das Produktwasser der Versuchsanlage jedoch nicht die ausgesprochen hohe, durch Reinstwasser-Spezifikationen vorgegebene, Qualität. Es konnten drei Hauptgruppen von Verunreinigungen und deren poten-zielle Herkunft ausgemacht werden: - Ionische und partikuläre Bestandteile, welche von Degradationsprozessen der Brennstoff-zellenmaterialien herrühren - Ionische Bestandteile, herausgelöst aus Edelstahlleitungen des Systems - Mikrobiologische Bestandteile, eingetragen in das System möglicherweise bei der Montage. Diese Bestandteile reduzierten sich während des Betriebs, so dass sie kein dauerhaftes Qualitätsproblem darstellten. Bei der Interpretation der Ergebnisse ist zu berücksichtigen, dass bei der Durchführung des Versuchsprogramms erhebliche anlagentechnische Probleme an der als Prototyp gefertigten Versuchsanlage auftraten, insbesondere zwei massive Defekte an den Brennstoffzellen. Diese Schäden bildeten sich jeweils schleichend aus und führten zu einer Verschlechterung der Pro-duktwasserqualität. Ein störungsfreier Betrieb konnte deshalb nur über kurze Zeitabstände realisiert werden, weswegen Aussagen über die erreichbare Produktwasserqualität einer entsprechend fehlerfrei arbeitenden Anlage nicht eindeutig getroffen werden können. Um dennoch weitergehende prinzipielle Aussagen über die Qualität von PEM-Brennstoffzellen-Produktwasser machen zu können, wurde im Rahmen des Vorhabens das Produktwasser von weiteren PEM-Brennstoffzellen-Systemen anderer Hersteller beschafft und analysiert. Diese Systeme wurden nach Aussagen der Betreiber über einen längeren Zeitraum störungsfrei betrieben. Die Wasserqualität dieser Systeme war deutlich besser als die der IUTA-Anlage, jedoch konnten auch hier Spuren der oben aufgeführten Verunreinigungen nachgewiesen werden. Daraus kann geschlossen werden, dass sich die Qualität des Produktwassers während längeren Betriebszeiten deutlich verbessert. Auch wenn das Ziel des Projektes, die Produktion von Reinstwasser über ein Brennstoffzellen-System in diesem ersten Forschungsschritt nicht vollständig erreicht wurde, konnten die Ursachen dieser Probleme lokalisiert sowie Lösungswege aufgezeigt werden, die prinzipiell bei der Konstruktion, der Herstellung und dem Betrieb einer Anlagenkombination aus PEM-Elektrolyse und PEM-Brennstoffzellen-System beachtet werden müssen, um letztendlich das Ziel der Erzeugung von reinem oder reinsten Wasser zu erreichen. Die in dem Projekt vorgenommene Kopplung beider PEM-Systeme stellt einen einzigartigen Versuchsaufbau dar. Die Umsetzung dieses Aufbaus und die Inbetriebnahme waren, gemessen an der Komplexität der Versuchsanlage, prinzipiell sehr erfolgreich. Unter den Annahmen, dass ein solches konstruktiv verändertes System in Zukunft auf Grund technischer Verbesserungen Wasser in Reinstwasserqualität liefert und die erforderlichen hohen Standzeiten erreicht, ergeben sich Reinstwasserkosten, die je nach gewähltem Kalkulationsansatz zwischen 3 € und 10 € je Liter betragen. Die Kosten für den Bezug von Reinstwasser über den Fachhandel liegen momentan - je nach Reinheitsgrad - bei bis zu 300 € je Liter. Die Perspektiven und Anreize für eine technisch erfolgreiche Umsetzung bleiben damit unverändert sehr hoch. Das Projekt Ieistete einen signifikanten Beitrag zur Weiterentwicklung der Brennstoffzellentechnologie, indem erstmalig neben der mit Brennstoffzellen gewonnenen zwei Produkte, der thermischen und der elektrischen Energie, das Produktwasser als drittes Kuppelprodukt eines Brennstoffzellenprinzips im FuE-Fokus stand. Die Thematik des Projektes soll, so auch die Empfehlung des Projektbegleitenden Ausschusses, mit einem Folgeprojekt weitergeführt werden, wobei Zielrichtung die prinzipielle Nutzbarkeit des Brennstoffzellen-Produktwassers z. B. als Trinkwasser oder auch Brauchwasser für verschiedene Anwendungen ist. IUTA steht deshalb in engem Kontakt mit Firmen über den Projektbegleitenden Ausschuss hinaus, die ein starkes Interesse daran haben, Brennstoffzellensysteme in ihre Anwendungen zu integrieren, wenn dabei auch das Produktwasser genutzt werden kann. Diesbezügliche Systeme betreffen z. B. die Energie- und Trinkwasserversorgung in Flugzeugen, im maritimen Bereich (Schiffe, U-Boote), sowie in mobilen Anwendungen (LKWs, Wohnmobile etc.). Potenziell ist eine gleichzeitige Energie- und Wassergewinnung weiterhin in Gegenden von Interesse, in denen keine ausreichenden natürlichen Trinkwasservorkommen vorhanden sind. Das Ziel des Vorhabens wurde teilweise erreicht.

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.

Dokumente