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Analysis of carbon formation characteristics of real CPOX-reformate from diesel fuel on SOFC-anodes = Analyse der Kohlenstoffablagerungscharakteristik realen CPOX-Reformats aus Diesel auf SOFC-Anoden

Metten, Matthias^RWTH*

2019 & 2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dipl.-Ing. Matthias Metten (geb. Scherf)

AusgabeErste Auflage mit korrigierter ISBN

ImpressumBottrop : Pfeifers Pfeifen, ein Imprint der Blinn & Reichel Market-ING UG 2019

Umfang1 Online-Ressource (x, 157 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-96463-011-7

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Druckausgabe: 2019. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2020. - Erste Auflage mit korrigierter ISBN

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Pfeifer, Herbert (Thesis advisor)^RWTH* ; Kureti, Sven (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-07-16

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-06053
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/792358/files/792358.pdf

Einrichtungen

1. Lehrstuhl für Hochtemperaturtechnik und Institut für Industrieofenbau und Wärmetechnik (525110)
2. Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik (520000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
APU (frei) ; CPOX (frei) ; Carbon Deposition (frei) ; Diesel (frei) ; SOFC (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Diese Dissertationsschrift befasst sich mit der Kohlenstoffablagerung von realem Diesel-Synthesegas aus katalytisch partieller Oxidation innerhalb von Festoxidbrennstoffzellen (SOFC). Die Arbeit gründet auf Vorarbeiten aus dem Projekt ENSA welches vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie unter den Förderkennzeichen 0327703 A-C, 0327823 A-C, 03ET2048 A-C gefördert wurde. Im Rahmen dessen sollte ein mobiles Hilfsaggregat (APU) entwickelt werden in dem aus Diesel Strom erzeugt wird, um einen Lastkraftwagen zu versorgen. Der Diesel wird mit Anodenabgas der SOFC und Luft in einer katalytischen, partiellen Oxidation (CPOX) reformiert. Dadurch entsteht ein H2 und CO-reiches Synthesegas. Dieses Reformat wird anschließend in der SOFC verstromt. Da aus ökonomischen Gründen eine Absenkung der maximalen Betriebstemperatur der Brennstoffzelle angestrebt wird, ist es notwendig die damit steigende Kohlenstoffablagerungswahrscheinlichkeit zu untersuchen. In dieser Arbeit werden dazu Experimente mit Anodenproben der SOFC und verschiedene Simulationen nach dem Stand der Technik präsentiert. In den Experimenten wurden die Proben bei unterschiedlichen Temperaturen und Systembetriebspunkten für 24 h mit realem Reformat beaufschlagt. Anschließend wurde die Gewichtszunahme als Indikator für Kohlenstoffablagerungen ermittelt, die Porosität vermessen und von einem Teil der Proben die Elementarzusammensetzung via EDX analysiert. Für die Simulationen der Ablagerung von Kohlenstoff wird im ersten Schritt ein Modell zur Bestimmung der Reformatzusammensetzung vorgestellt, welches mit Messwerten validiert wird. Es werden empirische Modelle präsentiert, die mittels der Hauptsteuerparameter der APU eine valide Aussage über die Reformatzusammensetzung zulassen. Im zweiten Schritt werden gleichgewichtsbasierte, empirische und kinetische Modelle präsentiert, die Kohlenstoff als Graphit, als Kohlenstoffnanofasern, als einatomige Lage oder auch als pyrolytischen Kohlenstoff auf Basis der Reformatzusammensetzung modellieren. Schließlich werden die Resultate der Modelle mit den Ergebnissen der Messungen verglichen und die Einflüsse der Hauptsteuerparameter untersucht. Das Ergebnis der Untersuchung zeigt, dass die Modellbildung schon weit vorangeschritten ist, die aktuellen Modelle aber noch verbessert werden können.

This doctoral thesis is about the carbon formation of real diesel-synthesis gas from catalytic partial oxidation within solid oxide fuel cells (SOFC). It is based on previous work within the project ENSA which was funded by the Federal Ministry for Economic Affairs and Energy under the reference numbers 0327703 A- C, 0327823A-C, 03ET2048A-C. In this project it was the target to develop a mobile auxiliary power unit (APU) which uses diesel to produce electricity for a truck. The diesel is mixed with anode off-gas from the SOFC and air before it reacts in a catalytic partial oxidation (CPOX). The product is a H2 and CO-rich synthesis gas. This reformate is finally oxidised in the SOFC while providing electrical power. Since for economic reasons it is aimed at decreasing the maximum operating temperature of the SOFC it is necessary to analyse the increasing risk of carbon formation. In this work experiments with anode samples of the SOFC and state of the art models are presented. In the experiments the anode samples are exposed to real reformat at different temperatures and operating points of the system for 24 h. Subsequent, the weight gain of the samples was measured as an indicator of carbon formation. The porosity was determined and finally a part of the samples was inspected via Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX). For the simulation of the deposition of carbon first a model was developed to simulate the composition of the reformate which was validated against measurements. Empiric models are presented that allow a valid prediction of the composition based on the main controlling parameters of the APU. Second, equilibrium, empiric, and kinetic based models are presented that consider carbon as graphite, carbon nano fibres, one atomic layers or pyrolytic carbon based on the reformate composition. Finally, the results of the models and the measurements are compared and the influence of the main controlling parameters is analysed. The result of the investigation shows that the model design is moving into the right direction. However, the prediction of carbon formation with present models is still improvable.

OpenAccess:
PDF

Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online, print

Sprache
English

Externe Identnummern
HBZ: HT020359689

Interne Identnummern
RWTH-2020-06053
Datensatz-ID: 792358

Beteiligte Länder
Germany