Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung von Präventions- und Regenerierungsmaßnahmen zur Erhöhung der Standzeiten von Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzellen unter realen Betriebs- und Schadgasszenarien

Im Bereich der Brennstoffzellentechnik gibt es aktuell einen erheblichen Drang der Unternehmen, Brennstoffzellensysteme in den Markt einzuführen. Auch die HT-PEMBZ findet zunehmend den Weg in die Märkte, obwohl noch nicht alle Problemstellungen der Technologie gelöst sind. So ist es notwendig, gerade im Bereich der KWK-Systeme die Lebensdauer und die Standzeit weiter zu erhöhen sowie gleichzeitig die Katalysatorbeladung zu vermindern, um Kosten langfristig zu senken.

Im Vorgängerprojekt konnte gezeigt werden, dass äußere Einflüsse durch fast alle relevanten Luftschadgase (NOx, NH3 und SO2) negative Auswirkungen auf die HT-PEMBZ haben. Daher ist es wichtig, diese von der HT-PEMBZ fernzuhalten und/oder durch entsprechende Maßnahmen die negativen Auswirkungen zu verringern.

Dies geschieht z.B. durch entsprechend ausgelegte Filter oder zum Beispiel mit Hilfe von benutzerfreundlichen Regenerierungsmaßnahmen, die Verunreinigungen teilweise wieder rückgängig machen können ohne den laufenden Betrieb zu beeinflussen.

Voraussetzung für die Entwicklung und Auslegung der Gegenmaßnahmen ist es, die Prozesse und Wechselwirkungen mit den Gasen zu verstehen. Möglicherweise gibt es Grenzwerte, unterhalb deren keine dauernde Schädigung zu erwarten ist.

Aufbauend auf den vorliegenden Ergebnissen ist die Motivation dieses Projektvorhabens, eine detailliertere Analyse der Mechanismen unter realen Schadgaskonzentrationen vorzunehmen und dabei gleichzeitig Erkenntnisse über akzeptable Grenzwerte einzelner Schadgase zu sammeln.

Mit den Ergebnissen des Projektes und der Anwendung der zu entwickelnden Maßnahmen kann je nach Standort entweder ein preisgünstiger Standardfilter ausreichen oder bestenfalls ganz auf einen Filter verzichtet werden. So kann den Marktteilnehmern, unter denen sich derzeit viele KMU befinden, ein Lösungsansatz geboten werden, mit dem die Lebensdauer ihrer Systeme erhöht sowie die Gesamtkosten gesenkt werden können.

Ergebniszusammenfassung:

Es wurde für relevante Luftschadgase wie NO, NO2, NH3 und SO2 der Einfluss auf die HT-PEMBZ unter realitätsnahen Schadgasszenarien ermittelt. Der Fokus lag dabei auf niedrigen Schadgaskonzentrationen. Parallel wurden mittels elektrochemischer Messmethoden und einer intensiven ex-situ Analytik die Schädigungsmechanismen erforscht.

Bei den Untersuchungen zeigte sich, dass Ammoniak schon bei geringen Konzentrationen im ppb Bereich zu einen deutlichen Spannungsabnahme der HT-PEM führt. Neben der Entwicklung und Validierung von Reinigungszyklen, die nur teilweise Erfolg zeigten, wurde daher der Fokus auf eine Filtermessung unter geringen NH3-Konzentrationen gelegt. Es konnte gezeigt werden, dass definiert beschichtete Aktivkohle Ammoniak auch unter sehr geringen Konzentrationen aus dem Luftstrom entfernen kann. Unbeschichtete Aktivkohle dagegen zeigte keine Filterwirkung. Der Einsatz eines Schadgasfilters zumindest für Ammoniak wird daher empfohlenen, um die geforderten Lebensdauern erreichen zu können.

Insgesamt gesehen konnten im Projekt auf einen bisher in der Literatur noch nicht untersuchten Themengebiet eine gute Wissensbasis erstellt werden, die für zukünftige Themen der HT-PEM-Technologie eine große Hilfestellung bietet.