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SOFCs mit simuliertem Reformat und Kohlenmonoxid
H. Apfel U. Stimming
Technische Universität München, Institut für Physik E19,James-Frank-Str., 85748 Garching
Teil I: Betrieb mit Reformat
Reformat: Gasmix, in einem Reformer aus Kohlenwasserstoffen, Wasser und/oder Luft erzeugt.
Vorteile:
• Kohlenwasserstoffe wie Benzin, Diesel etc. sind verfügbar, handhabbar und bekannt.
• Höhere Energiedichte als Wasserstoff
Nachteil:
• Komplexeres Systemdesign.
Diesel H2 (fl.) CNG (20 MPa) H2 (30 MPa)
9,8 kWh/l 2,4 kWh/l 2,2 kWh/l 0,75 kWh/l
SOFC-System für Wasserstoff
Wärme-tauscher
Stack
NachbrennerH2 +1/2O2 → H2O
Hot Box 800 °C
H2
Luft ↑O2-↑O2 N
H2 H2O
SOFC-System fürKWe mit Reformer
Wärme-tauscher
Stack
Nachbrenner
Hot Box 800 °C
Luft
H2O
KW
Ref.
Autotherme Reformation
CnHm + n1 H2O + n2 O2
→n3 CO + n4 H2 + n5 CO2 + n6 H2O
Vorteil:
• Keine externe Wärmeankopplung nötig.
• Keine weitere thermische Belastung der Hot Box.
• Hoher Wirkungsgrad möglich.
Nachteil:
• Zu dem Brennstoff sind zwei zusätzliche Reaktanden (Wasser + Luft) nötig.
Untersuchte Mischungsverhältnisse
Wasser
O2
Wasser:Sauerstoff:Hexan
7:3:1 13:3:13:3:1
7:5:1
7:1:1
Variation des Luftanteils
Gaszusammensetzung: M. Brandmair Messprotokolle 2003 / Diss. 2005
Plot !H2 ! !%N2 ! !%CO! !%CO2 !%H2O !%CH4 !H2O : Luft (O2) : Hexan!44% ! !18% ! !15% ! !07,6% !11% ! !4,5%! ! !7 : 5 (1) : 1!36% ! !30% ! !12% ! !08,3% !12% ! !1,8%! ! !7 : 10 (2) : 1!29% ! !38% ! !09% ! !09,1% !14% ! !0,6%! ! !7 : 15 (3) : 1!23% ! !45% ! !07% ! !09,7% !16% ! !0,2%! ! !7 : 20 (4) : 1!17% ! !50% ! !05% ! !10,1% !17% ! !0,1%! ! !7 : 25 (5) : 1!91% ! ! ! ! ! ! ! !09% ! ! ! ! ! !-
Reformerfeed
0 100 200 300 400 500 6000.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0.0
100.0
200.0
300.0
Stromdichte (mA/cm2)
Zells
pannung (
V)
Leis
tungsdic
hte
(m
W/c
m2)
Variation der Wasseranteils
Gaszusammensetzung: M. Brandmair Messprotokolle 2003 / Diss. 2005
0.50.60.70.80.91.00.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
Zellspannung (V)
Rela
tive L
eis
tung (
Pre
f./P
H2)
Plot !H2 ! !%N2 ! !%CO! !%CO2 !%H2O !%CH4 !H2O:O2:Hexan!20% ! !38% ! !10% ! !05% ! !24% ! !1,7%! !3:3:1!23% ! !41% ! !09% ! !06,6% !20% ! !0,8%! !5:3:1!24% ! !43% ! !08% ! !07,2% !17% ! !0,8%! !7:3:1!25% ! !43% ! !06% ! !08,7% !17% ! !0,0%! !10:3:1!24% ! !41% ! !05% ! !08,5% !21% ! !0,0%! !13:3:1!91% ! ! ! ! ! ! ! ! 9% ! ! ! ! -
Reformerfeed
Referenzgas 91% H2 / 9% H2O := 1.0
Zusammenfassung Teil I:
• Das Betriebsverhalten von SOFCs ist bezüglich der Reformatzusammensetzung relativ unkritisch.
• In den meisten Fällen bleiben mindestens 80% der Leistung eines wasserstoffbetriebenen Systems erhalten.
Teil II: Betrieb mit Kohlenmonoxid
CO2
CO2
Photo-katalyse
CO
CO
O2
SOFC
StromWärme
CO2
CO2
ESC: ‘no stable operation’ Weber et. al., SSI 2002 (152-153) pp. 543
200h-Test
0h 50h 100h 150h 200h0
62
125
188
250
312
Zeit
Str
om
dic
hte
(m
A/c
m2)
Aktive Fläche: 16 cm2
Zellspannung: 0.7 V
Ofentemperatur: 830 °C
0.1 l/min CO
0.2 l/min O2
Anodengestütze Zelle (ASC) 200 h unter Last mit Kohlenmonoxid und Sauerstoff.
Veränderungen an der Anode
Gaskanal
Gas
fluss
Zelle Stromabnehmer
Kontakt
Gas-einlass
1 mm
Zusammenfassung Teil II
• Der Betrieb von ASC’s mit reinem Kohlenmonoxid ist für mehrere 100 Stunden möglich.
• Makroskopisch sichtbare Auflösungs-erscheinungen der Anode, bedingt durch den verwendeten Nickel-Katalysator.
Danksagung
Ein herzliches Dankeschön den Mitarbeitern von E19 für die Unterstützung und den Rat.
Dank auch an das Institut “Technische Chemie II” der TUM, insbesondere Frau Maria Brandmair, für die Überlassung der Messwerte.
Finanziert wurde das Projekt von dem BMWVT.