Michael Walter :

Druckwechseladsorption als Wasserstoffreinigungsverfahren fuer Brennstoffzellen-Systeme im kleinen Leistungsbereich

Dissertation angenommen durch: Universitaet Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fakultaet für Ingenieurwissenschaften, Abteilung Maschinenbau, 2003-10-20

BetreuerIn: Prof. Dr. rer.nat Angelika Heinzel , Universitaet Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fakultaet für Ingenieurwissenschaften, Abteilung Maschinenbau - Institut fuer Energie- und Umweltverfahrenstechnik - Energietechnik

GutachterIn: Prof. Dr. rer.nat. Angelika Heinzel , Universitaet Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fakultaet für Ingenieurwissenschaften, Abteilung Maschinenbau - Institut fuer Energie- und Umweltverfahrenstechnik - Energietechnik
GutachterIn: Prof. Dr.-Ing. Klaus-Gerhard Schmidt , Universitaet Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fakultaet für Ingenieurwissenschaften, Abteilung Maschinenbau - Institut fuer Energie- und Umweltverfahrenstechnik - Umwelttechnik

Schlüsselwörter in Deutsch: Druckwechseladsorption, DWA, Wasserstoffreinigung, Brennstoffzellen, Adsorption, Wasserstoff
Schlüsselwörter in Englisch: Pressure swing adsorption, PSA, adsorption, hydrogen, purification, fuel cell

  
   
 Klassifikation     
    Sachgruppe der DNB: 620 Ingenieurwissenschaften
  
   
 Abstrakt     
   

Abstrakt in Deutsch

Brennstoffzellen sind hocheffiziente Energieerzeugungssysteme, die neben Waerme auch elektrischen Strom erzeugen. Speziell PEM-Brennstoffzellen (Polymer Elektrolyt Membran) benoetigen für den Betrieb hochreinen Wasserstoff. Dieser wird z.B. aus der Reformierung von Kohlenwasserstoffen wie Erdgas aber auch Ethanol gewonnen. Dabei entsteht neben dem gewuenschten Wasserstoff und anderen Gasen auch Kohlenmonoxid, das ein Katalysatorgift fuer die Platinkatalysatoren auf den Brennstoffzellenelektroden ist. Daher muss der Wasserstoff gereinigt werden. Ziel dieser Arbeit war es, eine Druckwechseladsorption zur Wasserstoffreinigung fuer ein Brennstoffzellen-Systeme im kleinen Leistungsbereich zu entwickeln. Der zu reinigende Wasserstoff stammt hierbei aus einer Reformierung von Bioethanol. Die Druckwechseladsorptionsanlage ist fuer diesen Fall, bei einem relativ geringen Adsorptionsdruck von 7 bar und kleiner Wasserstoffleistung für Brennstoffzellensysteme im Bereich von 1 kWel konzipiert. Dabei wurde eine vereinfachte Berechnungsmethode zur Auslegung der benoetigten Betthoehen fuer die Adsorption entworfen. Die meisten Autoren, die sich mit der Auslegung von Druckwechsel-Adsorptionsanlagen beschaeftigen, entwickelten mathematische Modelle von Durchbruchskurven zur Auslegung von PSA, die nur durch numerische Verfahren geloest werden koennen. Die Ergebnisse aus diesen Simulationen wurden anhand von Messungen verifiziert. Dabei spielten der Zeitpunkt des Durchbruches und die Form der Durchbruchskurve eine entscheidende Rolle. Das hier entwickelte Berechnungsverfahren wurde ebenfalls anhand von Messungen ueberprueft. Es wurden jedoch keine Durchbruchskurven oder die Zeit des Durchbruchs der unerwuenschten Komponente (Kohlenmonoxid) im Wasserstoff gemessen bzw. bestimmt. Alleine die Reinheit des produzierten Wasserstoffs und die Wasserstoffgewinnungsrate auch nach mehreren Adsorptionszyklen waren die entscheidenden Groessen zur Ueberpruefung des Auslegungsverfahrens. Es wurde gezeigt, dass die geforderte Wasserstoffqualitaet (Kohlenmonoxid-Konzentration im Wasserstoff kleiner als 10 ppm) fuer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen auch nach mehr als 20 Zyklen (ein Zyklus dauert 12 Minuten mit einer Adsorptionszeit von 3 Minuten) erreicht wurde. Und dies auch bei an mehreren aufeinander folgenden Tagen erfolgten Messreihen, ohne dass die Adsorbentien ausgewechselt bzw. hinreichend lang gereinigt wurden.

Abstrakt in Englisch

Fuel cells are high efficient energy production systems producing heat and electrical power. Especially PEM fuel cells (Polymeric Electrolyte Membrane) require pure hydrogen for operation. Hydrogen is produced e.g. by reforming of hydrocarbons like natural gas or ethanol. During the production of hydrogen carbon monoxide is formed. CO is a harmful poison for the platinum catalsyst of the fuel cell electrodes. Therefore hydrogen has to be purified. The goal of this work was to develop a pressure swing adsorption for small scale fuel cell systems. The hydrogen to be purified is produced by reforming bio-ethanol. The PSA is designed for a quite low adsorption pressure of 7 bar and a small thermal hydrogen power for fuel cell systems in a range of 1 kW electrical. For the design of the PSA a simplified method of calculating the bed height of the adsorbers was developed. Most scientists working in the field of pressure swing adsorption use mathematical models of breakthrough curves for PSA calculations. But these models can only be solved numerically. The results of these simulations are approved by performing test at lab-scale PSA. Main focus on the tests is set to the breakthrough time and the shape of the breakthrough curves. The calculation method developed in this work is also verified by test. But no breakthrough curves were taken up and no breakthrough time of the unwished gas component (CO) was measured. Only the hydrogen quality and the hydrogen recovery rate even after several adsorption cycles were the dominating criteria for the approval of the calculation model. The PSA tests showed that the required hydrogen quality (less than 10 ppmv CO in hydrogen) for PEM-fuel cells was reached even after a 20 adsorption cycles (one cycle lasted 12 minutes with 3 minutes adsorption). The tests were performed on several days in series without changing the adsorbents or purging them for a longer time.