Im Rahmen des IGF-Vorhabens 16638: "Weiterentwicklung des Konzeptes der partiellen Anodenabgas-Rückführung (AAGR) für propanbetriebene SOFC-Brennstoffzellen-Systeme" wurde am ZBT ein Gasprozess für hocheffiziente SOFC-KWK-Systeme entwickelt.
Das verfahrenstechnische Systemkonzept sieht eine partielle Anodenabgasrezirkulation (AAGR) und eine kombinierte Trocken- und Dampfreformierung zur Synthesegasbereitstellung vor. Als SOFC wurde ein ISM der Firma sunfire GmbH zugekauft. Als Komponenten des Gasprozesses wurden ein konvektiv beheizter Reformer sowie ein adiabater Brenner entwickelt.
Mit dem Ziel der Ermittlung von Stoff- und Wärmeströmen und der Bewertung unterschiedlicher Wärmeverschaltungsvarianten wurden verfahrenstechnische Simulationen mit AspenPlus® durchgeführt. Eine Wärmeverschaltungsvariante mit einem elektrischen Brutto-Wirkungsgradpotential von über 60 % wurde identifiziert. Die Simulation wurde im laufenden Projekt kontinuierlich auf Basis der Vermessung der Einzelkomponenten angepasst und eine Validierung des Gesamtsystembetriebs wurde mittels der Simulation durchgeführt. Weiterhin wurde anhand dieser Simulation das Zusammenwirken der kritischen Betriebsparameter Brennstoffnutzungsgrad in der SOFC, Injektor-Rezirkulationsverhältnis und Reformierungstemperatur bestimmt und Betriebsbedingungen bzw. Prozeduren für das Anfahren und den stationären Systembetrieb daraus abgeleitet.
Auf Basis der verfahrenstechnischen Simulation und durchgeführten Katalysatoruntersuchungen wurden der Reformer als vom Rauchgas konvektiv beheizter Rohrbündelwärmeübertrager und der Brenner als adiabat betriebener Reaktor konzipiert und aufgebaut. Dabei lag der Focus der Auslegung bei niedrigen Druckverlusten in Verbindung mit einem ausreichend hohen Wärmeübergang, um Reformeraustrittstemperaturen von mehr als 725 °C zu gewährleisten.
Parallel zu der Komponentenentwicklung wurde ein Packgingkonzept für die Heißgaskomponenten (Injektor, Reformer und Brenner) erarbeitet.
Sowohl bei den Einzeluntersuchungen als auch im Gesamtsystembetrieb erzeugt der Gasprozess Reformatgas mit einer Zusammensetzung entsprechend dem thermodynamischen Gleichgewicht sowohl im POX- Betrieb als auch im AAGR-Betrieb. Ein Synthesegasanteil von bis zu 85 % wird im AAGR-Betrieb bei einem O/CRef-Verhältnis von 1,6 erreicht bei Druckverlusten unterhalb von 5 mbar und Reformeraustrittstemperaturen von über 800 °C. Die CO- bzw. H2-Emissionen im Rauchgas liegen unter 10 ppm.
Bei den Gesamtsystemtests wurde eine elektrische Leistung von 866 W bei einem elektrischen Brutto-Systemwirkungsgrad von 56 % (bei R = 6-7, FU = 75 % & Einsatz von ESC2-Zellen) gemessen.
Projektpartner:
- ZBT Gasprozesstechnik: Verfahrensentwicklung und -simulation, Gasprozess, Systemaufbau und Betrieb
- CUTEC: Injektor, Stackvermessung, Systemaufbau und Betrieb
- TU Clausthal, IEE: Steuerungshard- und Software
- TU Braunschweig, InES: Matlab-Simulink-Modell
