Analyse von Verbesserungspotentialen der Gaserzeugung eines PEMFC-Hausenergiesystems

In den privaten Haushalten kann ein Brennstoffzellen-Hausenergiesystem wegen der hohen Stromkennzahl einen erheblichen Beitrag zur angestrebten Reduzierung der CO2-Emissionen und des Primärenergiebedarfs leisten. Wesentlicher Bestandteil des Brennstoffzellensystems ist die Gaserzeugung und Gasreinigung zur Produktion von CO-freiem Wasserstoff aus Erdgas. Die bestehenden Prototypen der Gasprozessoren erreichen bislang noch nicht die avisierten Wirkungsgrade und Standzeiten. Daher ist eine stetige Weiterentwicklung erforderlich. Ziel dieser Arbeit war daher, mittels Simulationsrechnungen die Möglichkeiten zu untersuchen, die Gaserzeugungseinheit einer Hausenergieversorgungsanlage durch konstruktive und verfahrenstechnische Veränderungen energetisch und sicherheitstechnisch zu verbessern. Zu diesem Zweck wurde ein Modell der Gaserzeugung entwickelt, das die konstruktiven Gegebenheiten detailliert berücksichtigt und alle Energieflüsse innerhalb des Systems hinreichend genau erfasst (mehrdimensionales Modell). Zur Untersuchung der verbesserten Energiezufuhr in den Reformierungsreaktor wurden verschiedene konstruktive Varianten zur Beheizung des Reaktors geprüft, um den Energieeintrag in den Reformer an der Stelle zu erhöhen, wo die Reaktionsgeschwindigkeit und entsprechend der Energiebedarf am größten sind. Großes Potential zur Steigerung der Effizienz des Gaserzeugungssystems bietet die Rückführung des Anodenrestgases auf den Reformerbrenner. Bei dieser Rezirkulation können allerdings Probleme wie z. B. Schwankungen in der Anodenrestgasmenge und Zusammensetzung auftreten, welche in allen Betriebszuständen beherrschbar sein müssen. Für den Normalbetrieb, für das Anfahren und für unvorhergesehene Störfälle wurden stationäre und dynamische Simulationen durchgeführt, mit denen die sicherheits- und verfahrenstechnischen Grenzen der Anodenrestgasrückführung ermittelt wurden. Anhand von weiteren Simulationsrechnungen erfolgte eine Optimierung der Wärmeintegration und daraus resultierend die Entwicklung eines neuen Wärmeübertragernetzwerkes. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wurde schließlich ein Vorschlag für eine Neukonstruktion des Gaserzeugungssystems erarbeitet, der die wesentlichen Schwachstellen des bestehenden Systems beseitigt. Durch vergleichende Simulationsrechungen konnte belegt werden, dass sich der Wirkungsgrad der Gaserzeugung durch konstruktive Veränderungen, aber auch durch Optimierung der Betriebsparameter, noch erheblich steigern lässt