Development, investigation and modelling of a micro reformer as part of a system for off-grid power supply with PEM fuel cells

Entwicklung, Untersuchung und Modellierung eines Mikroreformers als Teil eines Systems zur netzfernen Stromversorgung mit PEM-Brennstoffzellen

  • In this thesis a micro reformer fuel cell system (µRFCS) for 300 Wel off-grid power supply, fuelled with bioethanol, was simulated, designed, developed and investigated in a test-rig. First a literature study was carried through to point out the specific characteristics of micro reforming, the most important being heat transfer, and present the systems currently under research and already on the market. As a next step, the processes of the RFCS were simulated with the commercial simulation tool CHEMCAD. This comprised thermodynamic equilibrium simulations for the separate reactions of steam reforming, water gas shift and selective methanation. It also included a simulation of the complete µRFCS with thermodynamic equilibrium for all reactors and assumed values for heat loss and fuel cell efficiency. The resulting net electrical efficiency was 24%. As a third step, a reaction pathway scheme with parallel and serial reactions for the steam reforming reaction of ethanol was simulated, developed, evaluated and proven plausible by matchingIn this thesis a micro reformer fuel cell system (µRFCS) for 300 Wel off-grid power supply, fuelled with bioethanol, was simulated, designed, developed and investigated in a test-rig. First a literature study was carried through to point out the specific characteristics of micro reforming, the most important being heat transfer, and present the systems currently under research and already on the market. As a next step, the processes of the RFCS were simulated with the commercial simulation tool CHEMCAD. This comprised thermodynamic equilibrium simulations for the separate reactions of steam reforming, water gas shift and selective methanation. It also included a simulation of the complete µRFCS with thermodynamic equilibrium for all reactors and assumed values for heat loss and fuel cell efficiency. The resulting net electrical efficiency was 24%. As a third step, a reaction pathway scheme with parallel and serial reactions for the steam reforming reaction of ethanol was simulated, developed, evaluated and proven plausible by matching the simulation to experimental results obtained in the µRFCS test rig. The equilibrium simulations were used to evaluate the catalyst screening carried through for reformer, water gas shift and selective methanation catalysts. The catalysts for the µRFCS were chosen and the optimum operating conditions determined by the screening tests. Having accomplished the simulation and design of the system, the largest proportion of this work was spent on the construction, set-up, testing and evaluation of the complete µRFCS. The focus for the evaluations lay on the reformer side of the system. The technical feasibility was demonstrated for an ethanol/water mix of 3 ml/min at S/C 3. The first tests without optimized heat and water management between the reformer system and the fuel cell system resulted in power output of around 115 Wel, at a total electrical efficiency of 31%.show moreshow less
  • In der vorliegenden Arbeit wurde ein Mikroreformer Brennstoffzellen System (µRBZS) zur netzfernen Stromversorgung mit 300 W elektrischer Leistung, das mit Bioethanol betrieben wird, entwickelt, simuliert, konstruiert und im Laborteststand untersucht. Zunächst wurde eine Literaturrecherche durchgeführt, um die speziellen Charakteristika von Mikroreformern darzustellen und die derzeit in der Forschung befindlichen, ferner die ersten kommerziellen Systeme zu präsentieren. Das Hauptcharakteristikum ist dabei die Wärmeübertragung. Im nächsten Schritt wurden die Verfahrensschritte des µRBZS mit dem kommerziellen Prozesssimulationstool CHEMCAD nachgebildet. Dies beinhaltete thermodynamische Gleichgewichtssimulationen für die Reaktionen der Dampfreformierung, Wasser-Gas-Shift und selektiven Methanisierung. Des Weiteren wurde das komplette µRBZS mit thermodynamischen Gleichgewichtsreaktoren simuliert, mit geschätzten Wärmeverlusten und Wirkungsgraden für die Brennstoffzelle. Der dabei berechnete elektrische Netto-Wirkungsgrad des SystemsIn der vorliegenden Arbeit wurde ein Mikroreformer Brennstoffzellen System (µRBZS) zur netzfernen Stromversorgung mit 300 W elektrischer Leistung, das mit Bioethanol betrieben wird, entwickelt, simuliert, konstruiert und im Laborteststand untersucht. Zunächst wurde eine Literaturrecherche durchgeführt, um die speziellen Charakteristika von Mikroreformern darzustellen und die derzeit in der Forschung befindlichen, ferner die ersten kommerziellen Systeme zu präsentieren. Das Hauptcharakteristikum ist dabei die Wärmeübertragung. Im nächsten Schritt wurden die Verfahrensschritte des µRBZS mit dem kommerziellen Prozesssimulationstool CHEMCAD nachgebildet. Dies beinhaltete thermodynamische Gleichgewichtssimulationen für die Reaktionen der Dampfreformierung, Wasser-Gas-Shift und selektiven Methanisierung. Des Weiteren wurde das komplette µRBZS mit thermodynamischen Gleichgewichtsreaktoren simuliert, mit geschätzten Wärmeverlusten und Wirkungsgraden für die Brennstoffzelle. Der dabei berechnete elektrische Netto-Wirkungsgrad des Systems beträgt 24%. In einem dritten Schritt wurde ein Reaktionsschema aus Parallel- und Folgereaktionen für die Dampfreformierung von Ethanol entwickelt und simuliert. Zur Bewertung wurden experimentelle Ergebnisse des µRBZS herangezogen und nachgewiesen, dass die gemessenen Gaszusammensetzungen mit dem Reaktionsschema beschrieben werden können. Die Gleichgewichtssimulationen wurden für die Beurteilung der durchgeführten Screenings von Katalysatoren zur Dampfreformierung, Wasser-Gas-Shift und zur selektiven Methanisierung verwendet. Mit Hilfe der Screenings wurden die Katalysatoren für das µRFCS ausgesucht und ihre optimalen Betriebsparameter bestimmt. Die Konstruktion, der Aufbau des Teststandes, die Messungen und die Auswertung der Ergebnisse für das komplette µRBZS machten den überwiegenden Teil der Zeit aus, den die Verfasserin für diese Arbeit aufgewendet hat, nachdem die Simulations- und Designphase des Systems abgeschlossen war. Dabei lag der Schwerpunkt auf der Seite des Reformersystems. Die technische Machbarkeit und die Funktionstüchtigkeit aller Komponenten wurden mit einem Ethanol/ Wasser-Gemisch von 3 ml/min bei S/C 3 demonstriert. Die ersten Tests ohne optimiertes Wärme- und Wassermanagement zwischen dem Reformersystem und dem Brennstoffzellensystem erzielten Leistungen von ca. 115 W und damit einen elektrischen Gesamtwirkungsgrad von 31 %.show moreshow less

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Metadaten
Author: Rochlitz, Lisbeth
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-5900
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Krautz, Hans Joachim
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2008
Date of final exam:2008/11/18
Release Date:2009/01/19
Tag:Bioethanol; Dampfreformierung; Mikroreformer Brennstoffzellen System; Netzferne Stromversorgung
Bioethanol; Micro reformer fuel cell system; Off-grid power supply; Steam reforming
GND Keyword:Brennstoffzelle; Stromversorgungseinheit
Institutes:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Kraftwerkstechnik
Institution name at the time of publication:Fakultät für Maschinenbau, Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwesen (eBTU) / LS Kraftwerkstechnik