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Design eines hocheffizienten Festoxid-Brennstoffzellensystems mit integrierter Schutzgaserzeugung = Design of a highly efficient solid oxide fuel cell system with integrated safety gas generation



VerantwortlichkeitsangabeMaximilian Florian Alexander Engelbracht

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek 2016

Umfang190 Seiten : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-95806-189-7

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt/Energy & Environment ; 346


Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Druckausgabe: 2016. - Onlineausgabe: 2016. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2017


Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
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Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-11-21

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-112556
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/679553/files/679553.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/679553/files/679553.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

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

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
SOFC (frei) ; Festoxid Brennstoffzelle (frei) ; anode off-gas recirculation (frei) ; Anodenabgasrezyklierung (frei) ; safety gas (frei) ; Schutzgas (frei) ; Teillast (frei) ; Wirkungsgrad (frei) ; Brennstoffzelle (frei) ; fuel cell (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Der Beschluss auf der UN-Klimakonferenz in Paris sieht eine Begrenzung der Erderwärmung von unter 1,5 °C vor, was die Auswirkungen des Klimawandels beschränken soll. Um dies zu erreichen, müssen insbesondere im Energiesektor neue emissionsarme und effiziente Energiewandlungssysteme bereitgestellt werden. Die neuen Systeme müssen darüber hinaus eine flexible Teillast besitzen, damit sie die fluktuierende Beeinflussung der erneuerbaren Energien auf die Stromnetze ausgleichen können. Festoxid-Brennstoffzellensysteme weisen gleichzeitig eine hohe Teillastflexibilität gekoppelt mit einer hohen Effizienz auf und erfüllen somit bereits heute die Anforderungen an zukünftige Energiewandlungssysteme. Das Forschungsziel dieser Arbeit ist die Effizienzsteigerung eines am Forschungszentrum Jülich entwickelten Festoxid-Brennstoffzellensystems, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf der Erarbeitung einer innovativen Schutzgaserzeugungskomponente für die Aufheiz- und Abkühlphase liegt. Diese ermöglicht insbesondere den Verzicht auf in Druckgasflaschen gelagertes Schutzgas, was aktuell die Alltagstauglichkeit der Festoxid-Brennstoffzellensysteme verschlechtert. Um das Ziel zu erreichen, wurden dynamische Komponentensimulationsmodelle auf Basis einer Rührkesselreaktorkaskade erstellt und zur Anlagenkonzeptbewertung hinsichtlich Realisierbarkeit und Effizienz genutzt. Das unter den gewählten Kriterien am besten geeignete Konzept ist ein Festoxid-Brennstoffzellensystem mit einer Anodenabgasrezyklierung in Kombination mit einem Niedertemperaturgebläse. Mit diesem Anlagenkonzept konnte der elektrische Wirkungsgrad von 41 % auf 60 % gesteigert werden. Um den Verzicht auf Schutzgas zu ermöglichen, wurde eine neuartige Schutzgasvermeidungsstrategie erarbeitet. Diese beinhaltet eine Komponente, welche in den schutzgasbedürftigen Betriebsphasen eine wasserstoffreiche Atmosphäre mit den von der Infrastruktur zur Verfügung gestellten Mitteln erzeugt. Die Funktionsfähigkeit sowohl des erarbeiteten Anodenabgasrezyklierungskonzepts als auch der entwickelten Schutzgasstrategie wurde experimentell nachgewiesen.Durch die Kombination der dynamischen Simulationsmodelle mit den durchgeführten Experimenten konnte ein hocheffizientes Gesamtsystem bestehend aus Anodenabgasrezyklierung und eigener Schutzgaserzeugung entwickelt werden. Dabei wurden die Herausforderungen des Systembetriebs durch die Erarbeitung eines Rezyklierratenmessverfahrens, einer Handlungsanweisung zur Erreichung des maximalen elektrischen Wirkungsgrads, einer Analyse des kohlenstoffbildungsfreien Betriebsfensters sowie einer innovativen Betriebsstrategie innerhalb der schutzgasbedürftigen Betriebsphasen gelöst.

The decision reached at the UN Climate Change Conference in Paris provides to keep global warming temperature increase below 1.5 °C, which should limit the impact of climate change. To achieve this, especially within the energy sector, new low emission and efficient energy conversion systems must be provided. The new systems must have a flexible part load capacity in order to compensate for the fluctuating influence of renewable energy sources on the power grid. Solid oxide fuel cell systems achieve a high partial load flexibility, and at the same time, a high electrical efficiency and thus fulfill today already the requirements for future energy conversion systems.The research objective of this work is an efficiency increase of a solid oxide fuel cell system developed at the Forschungszentrum Jülich, with a particular focus on the development of an innovative safety gas generator for the heating and cooling phases. In particular this means the removal of premixed safety gas compressed in gas cylinders, which currently limits the system’s suitability for everyday use.To achieve these objectives, dynamic component simulation models were developed on the basis of a stirred tank reactor cascade. With these models different system concepts were then investigated to ensure their feasibility and efficiency. Of the chosen criteria, the most suitable concept is a solid oxide fuel cell system with an anode off-gas recirculation, in combination with a low temperature blower. With this concept, electrical efficiency could be increased from 41% to 60%. In order to enable the release of premixed safety gas, a new safety gas release strategy was developed. This includes a component that uses the resources provided by the infrastructure to generate a hydrogen-rich atmosphere within the safety gas requiring operating phases. The functionality of the developed anode off-gas recirculation concept, as well as of the protection gas strategy, has been experimentally demonstrated.Through the combination of dynamic simulation models and experiments, a highly efficient system, consisting of anode off-gas recirculation and own safety gas generation, was achieved. Thereby, the challenges of operating the system could be resolved by developing a recirculation measuring method, an operation strategy to achieve maximum electrical efficiency, an analysis of the carbon-free operation window, as well as an innovative operating strategy within the safety gas requiring operating phases.

OpenAccess:
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Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book

Format
print, online

Sprache
German

Externe Identnummern
HBZ: HT019204536

Interne Identnummern
RWTH-2016-11255
Datensatz-ID: 679553

Beteiligte Länder
Germany

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Creative Commons Attribution CC BY 4.0 ; OpenAccess

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Document types > Theses > Ph.D. Theses
Document types > Books > Books
Faculty of Mechanical Engineering (Fac.4)
Publication server / Open Access
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413010

 Record created 2016-12-09, last modified 2023-04-08