In der vorliegenden Arbeit wird ein mobiles Brenngaserzeugungssystem zum Betreiben einer Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle mit Reformat aus Mitteldestillaten entwickelt. Dabei steht die Anwendung zur Bordstromversorgung im Mittelpunkt. Die Bordstromversorgung mit Brennstoffzellensystemen ist eine energieeffiziente Alternative zur herkömmlichen Bordstromversorgung über die Antriebsmaschine oder über ein Bordstromaggregat mit Diesel-/Kerosinmotor. Das Brenngaserzeugungssystem dient dabei zur Herstellung eines wasserstoffreichen Gases aus dem an Bord verfügbaren Kraftstoff. Im Fall von Flugzeug- oder LKW-Anwendungen sind dies die Mitteldestillate Diesel oder Kerosin. Ein einfach aufgebautes System mit hohem Systemwirkungsgrad bietet die Kombination von Reformierung mit einer Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (HT-PEFC). Diese Brennstoffzelle ist besonders tolerant gegenüber Kohlenmonoxid, das bei der Reformierung von Diesel oder Kerosin zwangsläufig entsteht. Im Fokus dieser Arbeit stehen die Analyse des Systemwirkungsgrads, die Entwicklung einer geeigneten Anfahrstrategie, die Kompaktierung des Systems zur Erhöhung der Leistungsdichte und die experimentelle Validierung der (Teil-)Modelle. Die Methodik dieser Arbeit beruht auf einer engen Verknüpfung der Ergebnisse von stationären und dynamischen Modellen, die mit ASPEN Plus, Ansys Fluent und MATLAB/Simulink erstellt wurden. Beim Packaging wurden zwei Varianten eines neuen Designs vorgestellt. Dabei wurden der Reformer, der Wassergas-Shiftreaktor und der Reformat/Kathodenluft-Wärmetauscher in einem zylindrischen Apparat vereint. Die Leistungsdichte des Brenngaserzeugungssystems konnte von 118 W/l auf 690 W/l gesteigert werden. Mit dem dynamischen Modell wurden verschiedene Aufheizstrategien erarbeitet. Passend zu diesen Strategien konnte auf dem Markt ein Dieselbrenner gefunden und getestet werden. Die Aufheizstrategie wurde anhand der experimentellen Ergebnisse überarbeitet und ermöglicht die Strom Produktion innerhalb von 720 s. Für den experimentellen Teil dieser Arbeit wurden sämtliche Apparate in verschiedenen Systemen getestet. Mit der Reformergeneration ATR 9.1 ist es möglich, die gewünschten Austrittstemperaturen von 460 °C für den Dampf und 400 °C für das Reformat einzustellen. Dieses Ergebnis ist ein wichtiger Teilschritt auf dem Weg zur integrierten Dampferzeugung im Brennstoffzellensystem. Die Versuche mit dem Gesamtsystem der Brenngaserzeugung demonstrieren die Machbarkeit der komplexen Verschaltung von Reformer, Wassergas-Shiftreaktor und Katalytbrenner. In dieser Arbeit wurde außerdem zum ersten Mal am Institut mit einem Brennstoffzellensystem Strom aus Mitteldestillaten erzeugt.

    This thesis discusses the development of a mobile fuel processing system for operating hightemperature polymer electrolyte fuel cells (HT-PEFCs) with reformate from middle distillates. Attention is focused on applications for on-board power supply. Using fuel cell systems to generate on-board power is an energy-efficient alternative to conventional on-board power generation via the engine or an auxiliary power unit with a diesel or kerosene engine. The fuel processing system serves to produce a hydrogen-rich gas from the fuel available on board. In the case of aircraft or trucks, these fuels are the middle distillates diesel or kerosene. Combining the reforming process with an HT-PEFC creates a simple system with high system efficiency. HT-PEFCs are particularly tolerant of carbon monoxide, which is always formed during the reforming of diesel or kerosene. The work described here focused on the analysis of system efficiency, the development of an appropriate start-up strategy, making the system more compact in order to increase the power density and the experimental validation of the (sub-)models. The methodology of this work was based on closely linking the results of stationary and dynamic models created using ASPEN Plus, Ansys Fluent and MATLAB/Simulink. Two variants of a new design were presented for the packaging. In this design, the reformer, the water-gas shift reactor and the reformate/cathode-air heat exchanger were combined in a cylindrical apparatus. The power density of the fuel processing system was increased from 118 W/l to 690 W/l. Various heating strategies were explored with the dynamic model. A suitable commercial diesel burner for these strategies was found and tested. The heating strategy was revised on the basis of the experimental findings, which made it possible to produce power within 720 s. The apparatuses in the different systems were tested in the experimental part of this study. The ATR 9.1 reformer enables the outlet temperatures to be set at the desired values of 460 °C for steam and 400 °C for reformate. This result is an important step on the way towards integrated steam generation in fuel cell systems. The experiments with the fuel processing system as a whole demonstrate the feasibility of the complex connection of reformer, watergas shift reactor and catalytic burner. Furthermore, this was the first time that electric power had been generated from middle distillates using a fuel cell system at the Institute of Energy and Climate Research.


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    Title :

    Mobile Brenngaserzeugungssysteme mit Mitteldestillaten für Hochtemperatur-PEFC


    Additional title:

    A Mobile Fuel Processing System for HT-PEFC


    Contributors:


    Publication date :

    2013


    Size :

    179 Seiten, Bilder, Tabellen, 168 Quellen




    Type of media :

    Theses


    Type of material :

    Print


    Language :

    German




    Beurteilungskriterien fuer das Fliessverhalten von Mitteldestillaten

    Kolb,D.G. / Coley,T. / Greef.J.de et al. | Automotive engineering | 1983


    Beurteilungskriterien fuer das Fliessverhalten von Mitteldestillaten

    Coley,T. / Greef,J.de / Kolb,D.G. et al. | Automotive engineering | 1983




    PEFC : proceedings

    European PEFC Forum / World Fuel Cell Council / European Fuel Cell Forum | TIBKAT | 2001