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.