Micro surface discharge for plasma-assisted catalysis in portable fuel cell reforming applications

Die Erzeugung eines Nichtgleichgewichtsplasmas bei Atmosphärendruck zeigt immer wieder Vorteile bei Niedertemperatur-Anwendungen und erlaubt den Betrieb, wo Vakuumanlagen nicht realisierbar sind. Mikroplasmen, Nichtgleichgewichtsplasmen in Geometrien von weniger als einem Millimeter, haben insbesondere gute Eigenschaften hinsichtlich der homogenen chemischen Reaktion und des niedrigen Leistungsbedarfes, so dass sie für portable Anwendungen geeignet sind. In dieser Arbeit wird das neuartige Design eines Barrierenentladungsreaktors, genauer eines sogenannten Mikrooberflächenentladungsreaktors (MSD), für die Anwendung in plasmaunterstützten katalytischen Brennstoffreformern präsentiert, um in einer Hochtemperatur (HT) Polymer-Elektrolyt- Membran-Brennstoffzelle eingesetzt zu werden. Die Erzeugung von hohen elektrischen Feldern, die für die Entladung benötigt werden, wurde simuliert und die einzelnen Komponenten analytisch betrachtet. Durch Anwendung von mikrotechnologischen Prozessen wurde die monolithische Kombination elektrischer und fluidischer Komponenten realisiert. Die praktische Machbarkeit des Reaktors wurde während der Auslegung berücksichtigt, mit einem Fokus auf der Integration in eine Brennstoffzelle und minimalem Volumen. Dieses war abhängig von der Anpassung des Reaktors an die kleinsten industriell verfügbaren Generatorkomponenten. Um die Entladungs- und Plasmaeigenschaften zu charakterisieren, wurde der Reaktor optisch, elektrisch und thermisch analysiert. Die Verwendung des MSD Reaktors wurde für die Reformierung von Methan in Wasserstoff für Brennstoffzellenanwendungen untersucht. Dazu wurde ein spezielles Gehäuse angefertigt, um den mikrostrukturierten Reaktor mit pneumatischen und elektrischen Makroverbindungen zu verschließen. Die Umsatzrate, die Produktselektivität und der Wirkungsgrad der Reaktion wurde für unterschiedliche Durchflussraten des Edukts, dessen Zusammensetzung, sowie bei Anwesenheit eines heterogenen Katalysators, bei verschiedenen Plasmaleistungen durchgeführt. Der wesentliche Umsatz des Methans, sowie thermische, mechanische und chemische Beständigkeit des Reaktors wurden demonstriert. Besonders wurde ein synergistischer Effekt entdeckt, wobei sich die Bildung von Wasserstoff signifikant steigerte, bei der Verwendung einer Kombination von Plasma und einem Katalysator gegenüber dem Betrieb ohne. Zukünftige Versuche mit anderen Brennstoffen und bei erhöhter Temperatur könnten zu einer Weiterentwicklung führen und einen Beweis für die Umsetzbarkeit des Reaktors liefern. Diese Fallstudie zeigt, dass derartige Reaktoren ein großes Potential für portable Leistungsquellen haben. Es handelt sich bei den untersuchten Reaktoren um die den ersten miniaturisierten, portablen Reaktoren. Die Ergebnisse dieser Arbeit sollen als Basis für weitere Forschung dienen.