View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

2.2 Mitteldestillate als Kraftstoffe für Brennstoffzellensysteme
Benzothiophene. Hochsiedende Mitteldestillatfraktionen mit einem Siedepunkt von mehr als
250°C enthalten dagegen überwiegend Dibenzothiophene mit den entsprechenden Alkylierungen.
Die aliphatischen Schwefelverbindungen werden durch die hydrierende Entschwefelung
in der Raffinerie weitgehend entfernt, da sie im Vergleich zu heterocyclischen Schwefelverbindungen
eine deutlich höhere Reaktivität besitzen [37, S. 21].
Der Schwefelgehalt in Kraftstoffen wird in massebezogenen ppm (parts per million) angegeben
und bezieht sich immer auf den elementaren Schwefel und nicht auf die Schwefelverbindung.
Das bedeutet, dass ein Kilogramm Kraftstoff mit einem Schwefelgehalt von
10.000 ppm 10 g elementaren Schwefel enthält.
2.2 Mitteldestillate als Kraftstoffe für Brennstoffzellensysteme
Um eine Brennstoffzelle mit flüssigen Kohlenwasserstoffen zu betreiben, müssen diese
durch eine chemische Umwandlung in einen geeigneten wasserstoffhaltigen Gasstrom umgewandelt
werden. Während die Wasserstoffkonzentration im Idealfall 100 % beträgt, ergeben
sich für Gasströme, die im trockenen Zustand nur 35 % Wasserstoff enthalten, lediglich
geringe Leistungseinbußen [38, S. 9]. Die verschiedenen Brennstoffzellen stellen unterschiedliche
Anforderungen an das zugeführte Brenngas.
Für den Einsatz in mobilen Brennstoffzellensystemen sind insbesondere Polymerelektrolytbrennstoffzellen
(PEMFC) geeignet. Sie zeichnen sich durch gute dynamische Eigenschaften
und eine hohe Zyklierbarkeit aus. Beim Einsatz von herkömmlichen PEFCs mit Betriebstemperaturen
von etwa 80°C sind neben dem erforderlichen Wassermanagement die geringe
Toleranz gegenüber Kohlenmonoxid und Schwefelverbindungen im Brenngas von Nachteil.
Die Kohlenmonoxid-Konzentration im Brenngas darf maximal 10 ppm betragen [39]. Bei einem
höherem CO Gehalt findet eine Deaktivierung des Edelmetallkatalysators statt, die jedoch
reversibel ist. Dagegen führt jede Konzentration von Schwefelwasserstoff im Brenngas
zu einer irreversiblen Schädigung des anodenseitigen Katalysators. Bei einem Schwefelwasserstoffgehalt
von 1 ppm im Brenngas nimmt die Stromdichte einer herkömmlichen PEMFC
auf Grund von Degradationseffekten innerhalb von 10 h um etwa 90 % ab. Für einen Schwefelwasserstoffgehalt
von 0,5 ppm verlängert sich die Betriebszeit auf etwa 100 h bis ein Leistungsabfall
um 90 % beobachtet wird [7, S. 111f.]. Um Betriebszeiten von mehreren tausend
Stunden zu erreichen, sind daher Schwefelgehalte im maximal zweistelligen ppb Bereich
tolerierbar [39].
Weitreichende Vorteile sind mit der Verwendung einer Hochtemperatur-PEFC (HT-PEFC)
verbunden, die bei Temperaturen zwischen 160°C und 200°C arbeitet. Neben dem Vorteil
eines stark vereinfachten Wassermanagements haben diese Brennstoffzellen eine deutlich
höhere Toleranz gegenüber CO und Schwefelwasserstoff. Versuche zur Langzeitstabilität
von Polybenzimidazol (PBI) Membranen zeigten im stationären Betrieb nach 3500 Betriebsstunden
keine signifikante Degradation durch einen Zusatz von 5 ppm H2S und 2 % CO im
Brenngas [40].
Keramische Hochtemperaturbrennstoffzellen (SOFC) arbeiten bei Temperaturen zwischen
650°C und 850°C. Da die Anode keinen Edelmetallkatalysator enthält, kann Kohlenmonoxid
bei diesen Temperaturen als Brennstoff verwendet werden. Untersuchungen mit einem H2S-
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