Experimentelle Untersuchung der katalytischen Partialoxidation von Modellkraftstoffen unter definierten Randbedingungen Marco Hartmann*, Sven Lichtenberg, Nicole Hebben, Dan Zhang und Olaf Deutschmann Mit Rhodium beschichtete Katalysatoren ermöglichen durch katalytische Partialoxidation (CPOX) die Darstellung großer Mengen Wasserstoff aus höheren Kohlenwasserstoffen wie Benzin oder Diesel innerhalb weniger Millisekunden Kontaktzeit. Die Reaktionsenthalpie erzeugt Temperaturen von bis zu 1300°C und erlaubt den autothermen Betrieb von kom- pakten CPOX Reaktoren in Fahrzeugen, die einen neuen Weg zur Versorgung von APUs (auxiliary power unit) mit Wasserstoff bzw. Synthesegas aus bereits bestehenden Versor- gungsnetzen aufzeigen. Zur Evaluierung von Modellen und der Aufklärung wichtiger Ein- zelprozesse der Reaktion wurde eine Versuchsanlage entwickelt, an der die katalytische Par- tialoxidation von Modellkraftstoffen unter definierten Randbedingungen erforscht werden kann. Dabei realisiert die Verwendung kombinierter Messverfahren (Prozess-Infrarot-Spek- trometerie, Sektorfeld-Massenspektrometerie, paramagnetische Sauerstoffdetektion) die zeitaufgelöste Untersuchung der Reaktionsprodukte mit geschlossenen Bilanzen bei allen technisch relevanten Betriebspunkten. Eine detaillierte Analyse der Kohlenwasserstoffe er- folgt mit Hilfe eines Gaschromatographen. Beispielhaft werden Selektivität und Umsatz für die CPOX von i-Oktan im stationären wie instationären Betrieb diskutiert. Schlagwörter: Auxiliary power unit (APU), Katalysatoren, Kraftstoffe, Partialoxidation, Rhodium, Synthesegas Eingegangen: 26. Januar 2009; revidiert: 9. April 2009; akzeptiert: 27. April 2009 1 Einleitung Die Bereitstellung von Wasserstoff und Syn- thesegas (H 2 , CO) aus verfügbaren Energieträ- gern wie Benzin oder Diesel durch katalytische Partialoxidation (CPOX) und Wasserdampfre- formierung (SR) steht gegenwärtig sowohl im Fokus akademischer als auch industrieller For- schung [1–4]. Die genannten Reaktionen er- möglichen den Einsatz effizienter Stromerzeu- ger wie Brennstoffzellen (H 2 für PEM-FC bzw. H 2 /CO für SOFC) in denen fossile und erneu- erbare Kraftstoffe mit deutlich höherem elek- trischen Wirkungsgrad umgesetzt werden können als dies gegenwärtig in herkömm- lichen Generatoren (Lichtmaschine W el ≈ 3– 9%) möglich ist [5]. Während die Verwendung von komprimiertem oder verflüssigtem Was- serstoff an die Versorgung von Brennstoffzel- len immense technische und wirtschaftliche infrastrukturelle Anforderungen stellt, erlaubt der Einsatz der CPOX in kompakten Refor- mern die Darstellung des Inhalts einer han- delsüblichen 10 L Druckgasflasche Wasserstoff (200 bar, 1800 L Füllmenge) aus 1,6 L Otto- kraftstoff, wobei als Beiprodukt nochmals na- hezu die gleiche Menge elektrochemisch akti- ves Kohlenmonoxid entsteht. Durch eine autotherme Betriebsweise eignet sich CPOX insbesondere zur on-board Ver- sorgung von Brennstoffzellen im Kraft- fahrzeugbereich [5–7]. Die Rückführung des Anodenabgases einer SOFC in den Reformie- rungsprozess kann zu einer weiteren Steige- rung des Gesamtwirkungsgrades beitragen und lässt sich in einem CPOX-Reaktor pro- blemlos integrieren, da dieser ohne Modifikati- on auch als autothermer Reformer mit CPOX- und SR-Kopplung betrieben werden kann. Die prinzipielle Möglichkeit den Reformer mit in weiten Grenzen variierendem Kraftstoff/Sauer- stoff/Wasserdampf/Kohlendioxid-Verhältnis betreiben zu können, gestattet effiziente Stra- tegien für instationäre Betriebsweisen (Fahr- zeugstart, variierender Strombedarf). Zudem ermöglicht durch katalytische Partialoxidation Die Bereitstellung von Wasserstoff und Synthesegas aus verfügbaren Energieträgern wie Benzin oder Diesel durch katalytische Partialoxidation (CPOX) und Wasser- dampfreformierung (SR) steht gegen- wärtig sowohl im Fokus akademischer als auch industriel- ler Forschung. Katalytische Partialoxidation 909 Chemie Ingenieur Technik 2009, 81, No. 7 © 2009 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim www.cit-journal.de DOI: 10.1002/cite.200900011