Einsatz von Biogas in PEM-Brennstoffzellen

Abstract

In vorliegendem Forschungsbericht wird sowohl der internationale Stand der Forschung und Entwicklung zum Einsatz von Biogas in Brennstoffzellen dargestellt als auch die jüngsten im ATB gewonnen experimentellen Ergebnisse. Bislang wurden in Japan, USA, Deutschland und der Schweiz mehr als 10 Brennstoffzellensysteme im Leistungsbereich von 25 Wel bis 250 kWel mit Bio- oder Klärgas in Labor- und Pilotanlagen getestet. Dabei handelt es sich um Phosphorsäure-, Schmelzkarbonat-, Festoxid- und Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PAFC, MCFC, SOFC, PEMFC). Die Auswahl der Typen wurde insbesondere von den Kosten, aber auch von Wirkungsgrad, Lebensdauer und Toleranz gegenüber Brennstoffzellen schädigenden Gasen bestimmt. Die Arbeiten im ATB Potsdam-Bornim sind auf die Ermittlung von Schadgasen im Spurenbereich fokussiert sowie auf die Analyse und Optimierung von PEMFC-Systemen, einschließlich des Dampfreformers. In Biogas aus verschiedenen Praxisanlagen und Laborfermentern werden Schwefelwasserstoff (H2S), Carbonylsulfid (COS), Schwefelkohlenstoff (CS2), Dimethylsulfid (DMS), Ethylmerkaptan (EtSH) und Methylmerkaptan (MeSH) analysiert und teilweise in ihrem zeitlichen Verlauf dargestellt sowie erste Zusammenhänge zu Technologie, Prozessführung und Substrat hergestellt. In den Untersuchungen zur Reformierung wird der Einfluss des Methangehaltes (CH4), der Reformierungstemperatur, des Dampf-Methan-Verhältnisses (S/C) und der Reformerlast auf den Wasserstoff- und Kohlenmonoxidgehalt sowie auf die Wirkungsgrade ermittelt. Der Wasserstoffwirkungsgrad liegt im Bereich von 45 bis 55 % und die Methanumsatzrate zwischen 83 und 98 %, wobei ein enger Zusammenhang zur Kohlenmonoxidkonzentration im Reformat besteht. Mit einer 500 Wel-Laboranlage wird die Eignung des Biogasreformats für die Verstromung in PEM-Brennstoffzellen experimentell nachgewiesen.