Design eines hocheffizienten Festoxid-Brennstoffzellensystems mit integrierter Schutzgaserzeugung

Jülich / Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek (2016, 2017) [Buch, Doktorarbeit]

Seite(n): 190 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Kurzfassung

Der Beschluss auf der UN-Klimakonferenz in Paris sieht eine Begrenzung der Erderwärmung von unter 1,5 °C vor, was die Auswirkungen des Klimawandels beschränken soll. Um dies zu erreichen, müssen insbesondere im Energiesektor neue emissionsarme und effiziente Energiewandlungssysteme bereitgestellt werden. Die neuen Systeme müssen darüber hinaus eine flexible Teillast besitzen, damit sie die fluktuierende Beeinflussung der erneuerbaren Energien auf die Stromnetze ausgleichen können. Festoxid-Brennstoffzellensysteme weisen gleichzeitig eine hohe Teillastflexibilität gekoppelt mit einer hohen Effizienz auf und erfüllen somit bereits heute die Anforderungen an zukünftige Energiewandlungssysteme. Das Forschungsziel dieser Arbeit ist die Effizienzsteigerung eines am Forschungszentrum Jülich entwickelten Festoxid-Brennstoffzellensystems, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf der Erarbeitung einer innovativen Schutzgaserzeugungskomponente für die Aufheiz- und Abkühlphase liegt. Diese ermöglicht insbesondere den Verzicht auf in Druckgasflaschen gelagertes Schutzgas, was aktuell die Alltagstauglichkeit der Festoxid-Brennstoffzellensysteme verschlechtert. Um das Ziel zu erreichen, wurden dynamische Komponentensimulationsmodelle auf Basis einer Rührkesselreaktorkaskade erstellt und zur Anlagenkonzeptbewertung hinsichtlich Realisierbarkeit und Effizienz genutzt. Das unter den gewählten Kriterien am besten geeignete Konzept ist ein Festoxid-Brennstoffzellensystem mit einer Anodenabgasrezyklierung in Kombination mit einem Niedertemperaturgebläse. Mit diesem Anlagenkonzept konnte der elektrische Wirkungsgrad von 41 % auf 60 % gesteigert werden. Um den Verzicht auf Schutzgas zu ermöglichen, wurde eine neuartige Schutzgasvermeidungsstrategie erarbeitet. Diese beinhaltet eine Komponente, welche in den schutzgasbedürftigen Betriebsphasen eine wasserstoffreiche Atmosphäre mit den von der Infrastruktur zur Verfügung gestellten Mitteln erzeugt. Die Funktionsfähigkeit sowohl des erarbeiteten Anodenabgasrezyklierungskonzepts als auch der entwickelten Schutzgasstrategie wurde experimentell nachgewiesen.Durch die Kombination der dynamischen Simulationsmodelle mit den durchgeführten Experimenten konnte ein hocheffizientes Gesamtsystem bestehend aus Anodenabgasrezyklierung und eigener Schutzgaserzeugung entwickelt werden. Dabei wurden die Herausforderungen des Systembetriebs durch die Erarbeitung eines Rezyklierratenmessverfahrens, einer Handlungsanweisung zur Erreichung des maximalen elektrischen Wirkungsgrads, einer Analyse des kohlenstoffbildungsfreien Betriebsfensters sowie einer innovativen Betriebsstrategie innerhalb der schutzgasbedürftigen Betriebsphasen gelöst.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Engelbracht, Maximilian Florian Alexander

Gutachterinnen und Gutachter

Stolten, Detlef
Wirsum, Manfred Christian

Identifikationsnummern

  • ISBN: 978-3-95806-189-7
  • URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-112556
  • REPORT NUMBER: RWTH-2016-11255