Wasserstoff für Brennstoffzellen

Neues Verfahren zur Gewinnung von Wasserstoff
mit niedrigem Gehalt an Kohlenmonoxid

Brennstoffzellen sind im Kommen. Aber erst wenn das aufwendige “Nachtanken” von Wasserstoff entfällt, wird sich dieses Konzept, etwa für Fahrzeuge, auf breiter Basis durchsetzen. Entsprechend wird an transportablen Wasserstofferzeugern gearbeitet. Problem dabei: Wasserstoff, der nach den üblichen Verfahren hergestellt wird, enthält größere Mengen an Kohlenmonoxid (CO), das die Funktion der Brennstoffzelle beeinträchtig und nur durch mehrere aufwendige Verfahrensschritte entfernt werden kann. James A. Dumesic und Rupali R. Davda von der University of Wisconsin haben nun ein Verfahren entwickelt, nach dem Wasserstoff mit geringem CO-Anteil hergestellt werden kann.
Die Forscher setzen dabei nicht auf ein Steam-Reforming von Erdölprodukten, sondern verwenden Kohlenhydrate, beispielsweise Ethylenglycol, die aus Biomasse gewonnen werden. In einem katalytischen Reforming-Prozess werden diese Ausgangsstoffe bei ca. 225 °C unter Druck in flüssigem Wasser zu CO und Wasserstoff gespalten. In einer Folgereaktion, dem so genannten Wassergas-Shift,wird dann CO mit Wasserdampf zu CO2 und wiederum Wasserstoff umgesetzt. Da beide Reaktionen im gleichen vergleichsweise niedrigen Temperaturbereich laufen, können sie gemeinsam in einem Reaktor stattfinden – ein besonderer Vorteil für transportable Wasserstoff-Erzeuger.

Beim Reforming entstehen CO und Wasserstoff, also gasförmige Produkte, die in der flüssigen Phase Gasblasen bilden. Innerhalb dieser Blasen findet anschließend der Wassergas-Shift statt. Diese Reaktion ist eine Gleichgewichtsreaktion, das heißt, die Edukte werden nicht vollständig zu Produkten umgesetzt, sondern es stellt sich ein bestimmtes Mengenverhältnis ein. Um die CO-Menge zu minimieren, müssen die Bedingungen in den Blasen so eingestellt werden, dass das Gleichgewicht möglichst weit auf die Seite der Produkte verschoben wird. Das geht, indem die Menge an Wasserdampf in den Blasen maximiert wird. Unter diesen Bedingungen können sich allerdings die Ausgangsstoffe für den Reforming-Prozess zersetzen. Um auch noch dieses Problem zu lösen, griffen Davda und Dumesic zu einem Kniff. Sie teilten den Reaktor in zwei Zonen. In der unteren findet das Reforming statt, es entstehen Gasblasen mit relativ wenig Wasserdampf, die aufsteigen und dann die obere Zone erreichen. In dieser “Shift-Zone” wird die Temperatur um etwa 10 °C herauf gesetzt. Dadurch verdampft eine große Menge Wasser, so dass der Wassergas-Shift unter optimalen Bedingungen stattfindet und die CO-Menge auf Brennstoffzellen-taugliche Levels gesenkt werden kann.

Kontakt: Prof. J. A. Dumesic
Chemical Engineering
Department
University of Wisconsin
Madison
WI 53706
USA