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Betriebsstrategien für Brenngaserzeugungssysteme zur Anwendung in HT-PEFC-Hilfsstromaggregaten = Operating strategies for fuel processing systems for application in HT-PEFC auxiliary power units



VerantwortlichkeitsangabeDaniel Krekel

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek 2017

Umfang1 Online-Ressource (IX, 265 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-95806-203-0

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt ; 356


Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Druckausgabe: 2017. - Onlineausgabe: 2017. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University


Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
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Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-12-09

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-00553
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/681994/files/681994.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/681994/files/681994.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

  1. Lehrstuhl für Brennstoffzellen (FZ Jülich) (413010)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Brenngaserzeugung (frei) ; Reformierung (frei) ; Synthesegas (frei) ; Wassergas-Shift-Reaktor (frei) ; Wasserstoff (frei) ; Brennstoffzelle (frei) ; Brennstoffzellensystem (frei) ; HT-PEFC (frei) ; Edelmetallkatalysator (frei) ; Katalysatordeaktivierung (frei) ; Regeneration (frei) ; Betriebsstrategie (frei) ; Kohlenwasserstoffe (frei) ; Diesel (frei) ; Kerosin (frei) ; APU (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Das Thema der Arbeit war die Konzipierung einer Betriebsstrategie für Brenngaserzeugungssysteme in Kombination mit einer Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (HT-PEFC). Der Fokus der Betriebsstrategie lag darauf, den Edelmetallkatalysator des Wassergas-Shift-Reaktors (WGS) vor Deaktivierung zu schützen. Die methodische Vorgehensweise sah die Erforschung des Themas auf zwei Ebenen vor. Der Schwerpunkt lag auf der experimentellen Untersuchung auf System- und Katalysatorebene. Diese Arbeit wurde durch Modellrechnungen ergänzt. Die experimentellen Ergebnisse identifizierten eine hohe Raumgeschwindigkeit ab 45000 1/h als ersten Grund für einen beschleunigten Aktivitätsverlust des Katalysators. Hervorgerufen wurde die Degradation vermutlich durch eine Blockade der aktiven Zentren durch Reformatkomponenten oder Reaktionszwischenprodukte wie Karbonate/ Formiate. Der zweite Deaktivierungsgrund war ein unvollständiger Kraftstoffumsatz im autothermen Reformer (ATR). Höhere Kohlenwasserstoffe führten zu Nebenreaktionen auf dem WGS-Katalysator und bewirkten einen erhöhten CO-Gehalt sowie beschleunigte Deaktivierung. Die Betriebsstrategie beinhaltet neue Methoden, um den Kraftstoffumsatz während des An-/ Abfahrens zu verbessern. Mit den ursprünglichen Methoden konnten mehrere tausend ppmv höherer Kohlenwasserstoffe beobachtet werden. Die neuen Strategien reduzierten die Konzentrationen beim Anfahren bis zu einem Faktor von 10, beim Abfahren bis zu Faktor 400. Weiterhin wurde der ursprünglich eingesetzte Katalysator A durch einen zweiten Katalysator B ersetzt, der sich als deutlich aktiver und stabiler herausgestellt hatte. Als dritter Bestandteil der neuen Betriebsstrategie wurden Regenerationsmethoden erarbeitet. Ein kurzzeitiges Spülen (≈5 min) des WGS-Reaktors nach dem Abfahren des Systems mit 80 lN/h Luft bei ≈200 °C war ausreichend, um den Katalysator stets vollständig zu regenerieren. Das neue Betriebskonzept konnte anhand von Tageslastprofilen mit dem Kraftstoff HC-Kerosin validiert und der CO-Grenzwert der HT-PEFC von 1,2 Vol.-% (trocken) eingehalten werden. Bei drei weiteren Dieselkraftstoffen war die Validierung nicht durchweg möglich. Zukünftig muss das Katalysatorvolumen in der Hochtemperatur-Shift-Stufe (HTS) verdoppelt werden, um die Raumgeschwindigkeit zu senken und die auftretende Deaktivierung zu verlangsamen. Abseits davon zeigte Katalysator B auch nach ≈500 h Systembetrieb mit 20 An-/ Abfahrzyklen, Konzentrationen an höheren Kohlenwasserstoffen bis 3200 ppmv sowie zahlreichen Temperaturspitzen bis 763 °C keine Anzeichen einer irreversiblen Alterung. Die Integration der Systemkomponenten Brennstoffzelle und Katalytbrenner in die neue Betriebsstrategie ist unproblematisch und kann ohne Anpassung erfolgen. Ergänzend konnten die Modellrechnungen offenlegen, dass sich eine energetische Nutzung der Reaktorabwärme nach dem Betriebsstopp anbietet. Mittels des Katalytbrenners kann eine Warmwassermenge von 10 kg/h für 150 min bereitgestellt werden. Die ausgearbeitete Betriebsstrategie bildet die Basis für einen Langzeitbetrieb ohne Leistungsverluste und ist der Impuls für weitere Arbeiten am Brenngaserzeugungssystem.

This work set out to develop an operating strategy for fuel processing systems combined with high-temperature polymer electrolyte fuel cells (HT-PEFC). The operating strategy’s focus was to prevent the deactivation of the water-gas shift reactor’s (WGS) noble metal catalyst. The methodical approach undertaken included researching of the subject on two levels. Emphasis was placed on experimental investigation at the system and catalyst levels. This work was supplemented by model calculations. The experimental results identified high gas hourly space velocities of 45,000 1/h and above as a first reason for an accelerated activity drop of the catalyst. Presumably, the degradation was caused by a blockage of the active catalyst centers by reformate components or reaction intermediates like carbonates/ formates. The second reason for deactivation was incomplete fuel conversion in the autothermal reformer (ATR). Higher hydrocarbons caused side reactions on the WGS catalyst and resulted in a higher CO-concentration, as well as accelerated deactivation. The operating strategy comprises new methods to improve the fuel conversion during startup/ shutdown. With the original methods, several thousand ppmv higher hydrocarbons were observed. The new strategies reduced the concentrations up to a factor of 10 during startup and up to a factor of 400 during shutdown. Furthermore, the original catalyst A was displaced by a second catalyst B, which turned out to be much more active and stable. As a third part of the new operating strategy, regeneration methods were developed. A short-term purge (≈5 min) of the WGS-reactor after system shutdown with 80 lN/h air at ≈200 °C was enough to completely regenerate the catalyst activity. The new operating concept was validated by daily load profiles with the fuel HC-kerosene and the CO threshold value of the HT-PEFC of 1.2 vol.-% (dry) was met. With three additional diesel fuels, validation was not possible all of the time. In future, the catalyst volume of the high-temperature shift stage (HTS) must be doubled in order to lower the gas hourly space velocity and decelerate the degradation occurring. Apart from that, catalyst B showed no indication of irreversible deterioration, even after ≈500 h of system operation, including 20 startup/ shutdown cycles, concentrations of higher hydrocarbons up to 3200 ppmv, as well as numerous temperature peaks of up to 763 °C. The integration of the system’s fuel cell and catalytic burner modules into the new operating strategy is unproblematic and can take place without adjustment. Correspondingly, the model calculations could reveal that the energetic utilization of the rejected reactor heat after shutdown is reasonable. With the catalytic burner, a hot water quantity of 10 kg/h can be supplied for 150 minutes. The developed operating strategy constitutes the foundation of long-term operation without a loss of performance, and is an incentive for further work on the fuel processing system.

OpenAccess:
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Dokumenttyp
Book/Dissertation / PhD Thesis

Format
print, online

Sprache
German

Externe Identnummern
HBZ: HT019279631

Interne Identnummern
RWTH-2017-00553
Datensatz-ID: 681994

Beteiligte Länder
Germany

 GO


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Document types > Books > Books
Faculty of Mechanical Engineering (Fac.4)
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413010

 Record created 2017-01-13, last modified 2023-04-08