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SOFC für regenerative Brennstoffe aus hydrothermaler Vergasung

Volltext

Beschreibung

Das Ziel dieses Projektes war es, den Nachweis zu erbringen, dass hydrothermale Vergasung und SOFC zur Stromerzeugung sinnvoll und effektiv gekoppelt werden können. Der Schwerpunkt der Untersuchungen lag in der Identifikation von Gaszusammensetzungen und Betriebsbedingungen, unter denen ein stabiler Betrieb der SOFC möglich ist. Deshalb wurden SOFC-Einzelzellen mit den am FZK (jetzt KIT Campus Nord) über hydrothermale Vergasung hergestellten Brenngasen (im Nachfolgenden als ?Biogas? bezeichnet) betrieben. Die Leistungsfähigkeit und die Stabilität der SOFC wurden in Abhängigkeit der Gaszusammensetzung und der Betriebsparameter der Zelle ermittelt.

Im Laufe des Projektes hat sich herausgestellt, dass zwar hohe Leistungsdichten (1.26W/cm2 bei T=793°C und S/C=4) erreicht werden können, jedoch ein kohlenstofffreier Betrieb unter typischen SOFC Betriebsbedingungen nicht möglich ist. Versuche, die Gasqualität anlagenseitig zu erhöhen, sprich die Kohlenstoffketten in Richtung C1Komponenten zu verschieben, wurden am Institut für Technische Chemie (ITC-CPV) nicht unternommen weil nicht von technischer Relevanz. Aus diesem Grund wurde seitens des Engler Bunte Instituts (EBI) der Schwerpunkt der Untersuchungen auf die Kohlenstoffbildung gelegt. Durch systematische Untersuchungen mit unterschiedlichen Modellgasen konnte der Einfluss einzelner Kohlenwasserstoffkomponenten auf die Kohlenstoffbildung ermittelt werden. Die Untersuchungen zeigten, dass die im Brenngas enthaltenen Kohlenwasserstoffe wie z. B. Ethan, Propan und n-Butan homogen umgesetzt werden können, wenn die Temperatur in der Gaszuleitung bzw. im Anodengaskanal über 600°C liegt. Die dabei entstehenden ungesättigten Olefine können während der internen Dampfreformierung an der Anodenoberfläche der SOFC eine starke Kohlenstoffablagerung verursachen, wie am Einzellteststand nachgewiesen. Außerdem ändert sich die Zusammensetzung des kohlenwasserstoffhaltigen Rohgases durch die homogene Gasphasenreaktion, so dass diese die anschließende interne Reformierung bzw. die elektrochemische Oxidation beeinflusst. Die Untersuchungen zur Kohlenstoffbildung haben schließlich gezeigt, dass das Rohgas aus hydrothermaler Vergasung durch einen Konditionierungsschritt von den höheren Kohlenwasserstoffen (größer als C2) gereinigt werden muss, bevor es als Brenngas in der SOFC eingesetzt werden kann. Dies könnte durch externe Dampfreformierung, partielle Oxidation oder Autotherme Reformierung realisiert werden. Parallel zu den zuvor geschilderten Untersuchungen am EBI, wurden am Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik (IWE) SOFC - Einzelzellen mittels Impedanzspektroskopie und Strom/Spannungs-Kennlinien elektrochemisch charakterisiert. Eine hochauflösende Messdatenauswertung ermöglichte eine eindeutige Identifizierung aller zum Gesamtwiderstand der Einzelzelle beitragenden Verlustprozesse. Auf Basis dieser Erkenntnisse wurde ein eindimensionales stationäres Modell zur Vorhersage des Strom/Spannungsverhaltens von planaren anodengestützten SOFC Einzelzellen entwickelt. Die Simulationsresultate zeigen eine hervorragende Übereinstimmung mit den experimentell ermittelten Daten. Durch die gerechtfertigte Annahme, dass die Elektrooxidation der Brenngase ausschließlich über den Wasserstoffpfad abläuft, ist das Modell in der Lage, bei bekannter lokaler Gaszusammensetzung, das Stromspannungsverhalten der Zelle im Biogasbetrieb sehr gut wiederzugeben. Das entwickelte elektrochemische Modell kann zukünftig ohne weiteres in ein Gesamtmodell, welches dann auch die heterogene Katalyse von kohlenwasserstoffhaltigen Brenngasen beinhaltet, integriert werden.

Ausblick zum Gesamtprojekt

Die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse haben gezeigt, dass die im Biogas enthaltenen höheren Kohlenwasserstoffe eine verstärkte Degradation der Zelle hervorrufen. Dies erfordert eine Vorkonditionierung (Reformierung) der Brenngase, die ohne energetische Verluste in den Prozess der hydrothermalen Vergasung integrierbar sein sollte. Für die Entwicklung, Auslegung und Integration eines Reformers zur Reduzierung höherer Kohlenwasserstoffe in die am ITC-CPV installierte VERENA-Anlage sind Informationen bezüglich der Umsetzung der betreffenden chemischen Komponenten in Abhängigkeit von Reformerbetriebsbedingungen wie auch die Anforderungen an die Restkohlenwasserstoffkonzentration im Brenngas notwendig. Dazu wären zukünftige Untersuchungen zur katalytischen Umsetzung der höheren Kohlenwasserstoffe an einem der Brennstoffzelle vorgeschalteten Katalysator notwendig um die für die Brennstoffzelle akzeptablen Konzentrationen an höheren Kohlenwasserstoffen bestimmen zu können.

Metadaten

Titel SOFC für regenerative Brennstoffe aus hydrothermaler Vergasung 
Stand 2009 
Seitenzahl104 
Förderkennzeichen ZO4B26014
ZO4B26013

 

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