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.