Development, investigation and modelling of a micro reformer as part of a system for off-grid power supply with PEM fuel cells

Stipendiatin/Stipendiat: Dr. Lisbeth Rochlitz

Dissertation online: http://opus.kobv.de/btu/volltexte/2009/590/

 

(For english version see below!)

Im Rahmen des Dissertationsvorhabens wird ein CO2-neutrales, leises und hocheffizientes System zur netzfernen Stromerzeugung für Leistungen im Bereich einiger 100 W entwickelt.Eine Wasserstoffversorgung für Brennstoffzellen kann bisher nur über Druckgasflaschen oder Metallhydridspei-cher erfolgen. Eine unabhängige Wasserstoffversorgung ist noch nicht möglich. Der Einsatz von Druckgasflaschen ist wegen der geringeren Energiedichte einem System mit Reformer und Flüssigbrennstofftank unterlegen. Flüssiger Brennstoff besitzt eine hohe Energiedichte, ist einfach zu transportieren und weltweit kommerziell verfügbar. Obwohl voraussichtlich portable Brennstoffzellen mit Leistun-gen unter 1 kW als erstes die Kommer-zialisierung erreichen werden, gibt es kaum Ansätze, hier-für portable Wasserstoff-Erzeuger auf Basis von Reformern anzubieten. Hier setzt das Dissertationsvorhaben an.Als Brennstoff wird der regenerative Kraftstoff Bio-Ethanol eingesetzt. Das Bio-Ethanol wird zunächst in einem Reformer katalytisch zu wasserstoffreichem Reformatgas umgesetzt. Es folgt eine Wasser-Gas-Shift-Reaktion, in der Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid und Wasser umgewandelt wird, anschließend eine weitere CO-Feinreinigung, bzw. Wasserstoff-Abtrennung. Das gereinigte Reformat wird in eine Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle geführt. Hier reagiert der Wasserstoff mit Luft zu reinem Wasser, wobei Strom und Wärme erzeugt werden.Der Wirkungsgrad des Systems liegt deutlich höher als bei konventionellen Stromerzeugungs-Aggregaten, die beispielsweise mit Diesel oder Benzin betrieben werden. Die Lebenszeit ist erheblich länger als die einer Batterie, die für geringe Leistungen zur Brennstoffzellentechnik in Konkurrenz steht. Außerdem ist das System benutzer-freundlich, der Anwender muss ausschließlich Kraftstoff nachfüllen. Das Anwendungsspektrum von Mikrobrennstoffzellensystemen auf Basis von Bio-Ethanol reicht von portablen Anwendungen (Stromgeneratoren) über dezentrale Stromerzeugung bis hin zu stationären Anwendungen (industrielle Kraft-Wärme-Kopplung).

 

This PhD sets out to investigate the technological feasibility of a portable hydrogen-producing fuel cell based on reforming technology using bio-ethanol as the fuel. The goal is to develop a CO2-neutral, quiet and highly efficient system for off-grid power generation of a few 100 W.Current fuel cells source hydrogen from either metal hydrides or compressed gas. Due to low energy densities, a compressed gas storage is inferior to a system with a reformer and liquid fuel tank. Liquid fuel's benefits include its high energy density, ease of transport, and worldwide commercial availability. Although portable fuel cells with less than 1 kW electrical power are anticipated to reach commercialization first, little effort has been made to develop portable fuel cells based on reforming technology. This project sets out to fulfil this unmet opportunity.The process by which bio-ethanol will be converted to electricity and heat is as follows. Firstly, catalytic reform of the ethanol will create a hydrogen-rich gas. Secondly, a water-gas-shift-reaction will turn the resulting carbon-monoxide into carbon-dioxide and water. In the final steps, CO will be removed further or the hydrogen separated. The clean reformate gas is fed into a polymer-electrolyte fuel cell where, upon combustion with oxygen from an air feed, electricity and heat are generated. Total system efficiency clearly exceeds that of conventional diesel- or gasoline-fuelled electricity generators. The lifespan is significantly longer than for batteries, which are traditional competitors to small power fuel cells. The system is also user-friendly, the refilling of the tank being the only requirement to reuse the system.Possible micro-fuel cell system applications based on bio-ethanol range from portable applications, e.g., electricity generators to decentralized (off-grid) power supply and also stationary applications, such as industrial combined heat and power generation.

Förderzeitraum:
01.01.2004 - 31.12.2006

Institut:
Brandenburgische Technische Universität Cottbus
Institut für Energietechnik
Lehrstuhl Kraftwerkstechnik

Betreuer:
Prof. Dr. Hans Joachim Krautz

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URL: http://opus.kobv.de/btu/volltexte/2009/590/