Entfernung von Kohlenmonoxid aus Einsatzgasen für Brennstoffzellengeräte durch die Wassergas-Shift-Reaktionen an SILP-Katalysatoren

Problemstellung

In energieautarken Gebäuden der Zukunft könnte wasserstoffbasierende Brennstoffzellen eine tragende Rolle zu kommen. Der Brennstoff (Wasserstoff) wird dabei heutzutage zum größten Teil über das sog. Dampfreforming-Verfahren (CH₄ + H₂O –> CO+ 3H₂) aus Erdgas erzeugt. Das in diesem Prozess entstehende Kohlenmonoxid muss jedoch aus dem Brenngas entfernt werden, da es in höherer Konzentration auf die Brennstoffzelle deaktivierend wirkt. Hierfür wird das CO mit Hilfe der Wassergas-Shift-Reaktion (CO+ H₂O –> CO₂ + H₂) in unschädliches CO₂ überführt. Technisch werden dabei feste Katalysatoren (z. B. Cu/ZnO) bei Prozesstemperaturen von mindestens 200 °C verwendet. Aus thermodynamischen Gründen findet jedoch bei diesen Temperaturen kein vollständiger CO-Umsatz statt (z. B. 94 % bei äquimolarem H₂O/CO-Verhältnis).  Daher wird ein weiterer Verfahrensschritt (selektive CO-Oxidation, CO-Methanisierung) bei der Brenngasaufbereitung notwendig, um einen, für Brennstoffzellenanwendungen typischen CO-Gehalt von 100 ppm nicht zu überschreiten.

Zielsetzung

Verringerung der Temperatur der WGS-Reaktion durch die Verwendung von sehr aktiven SILP-Katalysatoren auf ca. 120 °C. Hierdurch verschiebt sich das thermodynamische Gleichgewicht und der CO-Umsatz gleicht annähernd einem Vollumsatz (siehe Abbildung 1). 

Abbildung 1: CO-Gleichgewichtsumsatz der WGS-Reaktion in Abhängigkeit vom S/G (Wasserdampf/trockenes Feed-Gas) mit einem typischen Feed einer Methan-Dampfreformierung

Durch diese Optimierung der WGS-Reaktion kann somit bei der Aufbereitung des Brenngases der zusätzliche Prozessschritt (selektive CO-Oxidation oder CO-Methanisierung) komplett wegfallen, was Brennstoffzellengeräte deutlich vereinfachen bzw. verbessern würde.