DE102007012585A1 - Procedure for improving operational behavior of reformer system to adjust the natural gas treatment to hydrogen by using a catalyst on the basis of cellular metallic material, comprises coating the cellular metallic material - Google Patents
Procedure for improving operational behavior of reformer system to adjust the natural gas treatment to hydrogen by using a catalyst on the basis of cellular metallic material, comprises coating the cellular metallic material Download PDFInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung des Betriebsverhaltens von Reformersystemen zur Anpassung der Erdgasaufbereitung zu Wasserstoff an die Leistungsanforderung von Polymermembran-Brennstoffzellen (PEMFC), insbesondere bei Anfahrvorgängen und bei Lastwechseln des Systems sowie einen Katalysator für einen Reformer zur Verwendung mit einem solchen Verfahren. Dazu muss die Dynamik des Reformers bezüglich der Bereitstellung des Brenngases für die PEMFC gesteigert werden, was durch den Einsatz neuartiger Katalysatoren mit Substraten aus zellularen metallischen Werkstoffen (auch als Metallschäume bzw. Metallschwämme bezeichnet), der Auslegung in Abschnittsreaktor-Bauweise und der Integration eines innovativen, kompakten Brennersystems (Porenbrenner) erreicht werden soll.The The invention relates to a method for improving the performance reforming systems to adapt natural gas processing to hydrogen on the power requirement of polymer membrane fuel cells (PEMFC), especially during start-up and load changes of the system and a catalyst for a reformer for use with such a method. This requires the dynamics of Reformers regarding the provision of the fuel gas for the PEMFC are increased, which through the use of novel catalysts with substrates of cellular metallic materials (also called Metal foams or metal sponges called), the design in sectional reactor design and integration an innovative, compact burner system (pore burner) shall be.
Der Reformer soll auf eine thermische Wasserstoffleistung von ca. 2,5 kW ausgelegt werden, was eine ausreichende Dimensionierung für die Wasserstoffbereitstellung einer Brennstoffzelle zur Energieversorgung eines Einfamilienhauses darstellt.Of the Reformer is to a thermal hydrogen power of about 2.5 kW, which is sufficient sizing for the hydrogen supply of a fuel cell for supplying energy to a Represents a family house.
Die Entwicklungsarbeiten bezüglich des neuartigen Katalysatorsystems begannen mit der Analyse der Metallschwämme, die zur Substitution der in herkömmlichen Reformern verwendeten, konventionellen Katalysator-Trägermaterialien eingesetzt werden sollen. Bereits im ersten Versuchszeitraum erfolgte die Charakterisierung von Metallschäumen unterschiedlicher Zusammensetzung und verschiedener Porengröße hinsichtlich der für den geplanten Einsatzzweck relevanten Parameter Wärmeleitfähigkeit, Stoffdispersion und Druckverlust. Diese Untersuchungen führten zu einer ersten Auswahl für den Einsatzzweck potenziell geeigneter Trägermaterialien, die wie nachfolgend kurz beschrieben zu Katalysatoren aufgebaut wurden und nachfolgend in einer speziell angefertigten Versuchsapparatur einem Katalysatorscreening unterzogen wurden.The Development work on the novel catalyst system started with the analysis of metal sponges, which were used for substitution the conventional used in conventional reformers Catalyst support materials to be used. The characterization took place in the first trial period of metal foams of different composition and different pore size in terms of for the planned use relevant parameters thermal conductivity, Material dispersion and pressure loss. These investigations led to an initial selection for the intended use potentially suitable carrier materials which are as follows shortly have been described to catalysts and subsequently in one specially prepared experimental apparatus a catalyst screening were subjected.
Aufgrund
der positiven Erfahrungen mit anderen, von IUTA für industrielle
Anwendungen entwickelten Katalysatorsystemen (
Aus den ausgewählten Metallschaumplatten wurden zunächst mittels Hochdruck-Wasserstrahlschneidverfahren kreisförmige Proben mit einem Durchmesser von 37,2 mm (entsprechend dem Innendurchmesser des Testreaktors) ausgeschnitten. Zum Einsatz kamen Metallschaumplatten mit Stärken von 5 und 10 mm. Die so hergestellten Metallschaumproben wurden nachfolgend organisch gereinigt, indem sie ca. 15 Minuten in einem Ultraschallbad mit Aceton bei Raumtemperatur entfettet wurden.Out The selected metal foam panels were initially By means of high-pressure water jet cutting circular Samples with a diameter of 37.2 mm (corresponding to the inner diameter of the test reactor). Metal foam panels were used with thicknesses of 5 and 10 mm. The metal foam samples produced in this way were subsequently organically cleaned by taking about 15 minutes degreased in an ultrasonic bath with acetone at room temperature were.
Bei den elektrolytisch zu Katalysatoren aufzubauenden Metallschaumproben erfolgte die Aktivierung der Metalloberfläche durch 5-minütiges Beizen in 10-prozentiger Schwefelsäure. Die Oberfläche der zu Vergleichszwecken nasschemisch hergestellten Proben wurde zur Erhöhung des Adhäsionsvermögens durch dreistündige Behandlung mit 0,5 molarer Salpetersäure (HNO3) aufgeraut. Bei allen Proben erfolgte anschließend eine gründliche Spülung mit VE-Wasser (voll entsalztes Wasser).In the electrolytic metal foam samples to be built up, the metal surface was activated by pickling in 10% sulfuric acid for 5 minutes. The surface of the wet-chemically prepared samples was roughened to increase the adhesiveness by treatment with 0.5 M nitric acid (HNO 3 ) for 3 hours. All samples were then thoroughly rinsed with demineralised water (fully demineralized water).
Die Anmelder vorliegender Patentanmeldung haben auf der Grundlage der die Metallschwämme charakterisierenden Daten ein Konzept zur Auslegung und Parametrierung eines für die Herstellung metallschwammgeträgerter Katalysatoren geeigneten elektrochemischen Beschichtungsverfahrens erarbeitet. Die Zielstellung dabei war die Generierung einer möglichst hohen Anzahl an Fehlstellen und Gefügeanomalien, die als katalytisch aktive Zentren wirken.The Applicants of the present application have based on the the metal sponges characterizing data a concept for the design and parameterization of a for the production Metal-sponge-supported catalysts suitable electrochemical Coating process developed. The objective was the Generation of the highest possible number of defects and structural anomalies that act as catalytically active centers Act.
Für die elektrolytische Beschichtung wurde ein kommerzieller Ni-Sulfamat-Elektrolyt ohne Zusätze verwendet. Die Elektrolyttemperatur wurde auf 55–60°C eingestellt, zudem wurde der Elektrolyt während des Abscheidevorgangs mit Ultraschall beaufschlagt.For the electrolytic coating became a commercial Ni sulfamate electrolyte used without additives. The electrolyte temperature was set to 55-60 ° C, also became the electrolyte subjected to ultrasound during the deposition process.
Die Beschichtung erfolgte unter potenziostatischen Bedingungen. Der Zelle zwischen der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode wurde eine konstante Potenzialdifferenz von 3 V aufgeprägt. Nach einer Behandlungsdauer von ca: 15–17 Minuten wurde der Abscheidevorgang beendet.The Coating was done under potentiostatic conditions. Of the Cell between the working electrode and the reference electrode was a constant potential difference of 3 V impressed. To a treatment duration of approx. 15-17 minutes was the Separation process completed.
Im Anschluss erfolgte eine Spülung der beschichteten Proben mit VE-Wasser. Die Vortrocknung der Proben wurde durch Abblasen mit Stickstoffgas vorgenommen. Nach der Vortrocknung wurden die Metallschaumplatten im Trockenschrank bei einer Temperatur von 105 bis 110°C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet und anschließend zur Bestimmung der aufgebrachten Katalysatormenge rückgewogen.This was followed by rinsing the coated samples with deionized water. The predrying of the samples was carried out by blowing off with nitrogen gas. After predrying, the metal foam sheets were dried in a drying oven at a temperature of 105 to 110 ° C to constant weight net and then reweighed to determine the amount of catalyst applied.
Mit dem beschriebenen Verfahren wurden insgesamt 16 Katalysatorproben in vier Fertigungschargen hergestellt. Nach der Erprobung der Katalysatoren der jeweiligen Charge im Testreaktor, erfolgte die Optimierung, der in der darauffolgenden Charge herzustellenden Metallschaumkatalysatoren, durch Anpassung und Optimierung der maßgeblichen Fertigungsparameter. Wie in Tabelle 1 dargestellt, wurde der Nickelgehalt dabei von < 0,5 Gew.-% bis 10,0 Gew.-% variiert. Der bei einigen Proben in Tab. 1 aufgeführte Zusatz "+ Ru" weist auf die bei den Proben einer Fertigungscharge vorgenommene Co-Abscheidung von 0,1–0,2 Gew.-% Ruthenium hin, durch die der bei den ersten Versuchen beobachteten Rußbildung und der damit verbundenen Katalysatordeaktivierung entgegenwirkt werden.With The process described was a total of 16 catalyst samples produced in four production batches. After testing the catalysts the respective batch in the test reactor, the optimization, the metal foam catalysts to be produced in the following batch, by adapting and optimizing the relevant production parameters. As shown in Table 1, the nickel content was from <0.5 wt .-% to 10.0 wt .-% varies. The listed in some samples in Tab. 1 Addition "+ Ru" indicates that in the samples of a production batch made co-deposition of 0.1-0.2 wt .-% ruthenium through the soot formation observed in the first experiments and counteracts the associated catalyst deactivation become.
Als Basis für die nasschemisch hergestellten Katalysatormuster wurden – wie auch bei den elektrochemisch gefertigten Katalysatoren – handelsübliche Metallschaumsubstrate verwendet. Im Einzelnen wiesen diese die in Tabelle 1 aufgeführten Spezifikationen auf.When Basis for the wet-chemically produced catalyst patterns were - as well as the electrochemically manufactured catalysts - commercially available Metal foam substrates used. Specifically, these had the in Table 1.
Mit Ausnahme des Substrates NC 2733, bei dem die nasschemische Beschichtung unmittelbar auf der Metalloberfläche vorgenommen wurde, erfolgte bei allen anderen Metallschaumsubstraten eine Vorbehandlung, bei der zur Vergrößerung der Oberfläche ein sog. Washcoat auf den Träger aufgebracht wurde.With Exception of the substrate NC 2733, in which the wet-chemical coating was done directly on the metal surface, pretreatment was performed on all other metal foam substrates, when enlarging the surface a so-called washcoat was applied to the carrier.
Aufbringung des WashcoatsApplication of the washcoat
Für die Washcoat-Herstellung wurde das Edukt Aluminiumoxidhydrat (Al2O3·xH2O) durch Kalzinieren bei einer Temperatur von 550°C in Luft über einen Zeitraum von 6 h in γ-Al2O3 überführt. Das γ-Al2O3 wurde anschließend durch dreistündiges Mahlen in einer Kugelmühle und anschließender Absiebung von Partikeln > 45 ☐m aufbereitet.For washcoat preparation, the starting alumina hydrate (Al 2 O 3 .xH 2 O) was converted into γ-Al 2 O 3 by calcination at a temperature of 550 ° C. in air over a period of 6 hours. The γ-Al 2 O 3 was then treated by grinding for three hours in a ball mill and subsequent screening of particles> 45 μm.
Das erzeugte γ-Al2O3-Pulver wurde mit destilliertem Wasser (Al2O3/H2O-Verhältnis = 1/3) zu einer Suspension angerührt, in welche die Metallschwämme getränkt wurden. Durch Überkopfschütteln während eines Zeitraums von 5 Stunden wurde eine gleichmäßige Partikelverteilung innerhalb des Metallschwammgerüsts gewährleistet. Die Trocknung der aufgebrachten Suspension erfolgt in mehreren Schritten (50°C, 100°C, 150°C für je eine Stunde). Anschließend wurde eine thermische Behandlung durchgeführt, bei der die Proben mit 1,5 K/min bis auf 550°C aufgeheizt und für weitere 4 h auf dieser Temperatur gehalten wurden. Der Prozess wurde mehrfach wiederholt, bis eine Al2O3-Beladung von ca. 25 Gew.-% erreicht wurde.The produced γ-Al 2 O 3 powder was mixed with distilled water (Al 2 O 3 / H 2 O ratio = 1/3) to a suspension in which the metal sponges were soaked. Overhead shaking for a period of 5 hours ensured uniform particle distribution within the metal sponge framework. The drying of the applied suspension takes place in several steps (50 ° C., 100 ° C., 150 ° C. for one hour each). Subsequently, a thermal treatment was carried out in which the samples were heated at 1.5 K / min up to 550 ° C and held for a further 4 h at this temperature. The process was repeated several times until an Al 2 O 3 loading of about 25 wt .-% was achieved.
Aufbringen der katalytisch aktiven SubstanzenApply the catalytic active substances
Die Beladung mit der katalytisch aktiven Substanz Nickel erfolgt durch mehrstündige Tränkung der Metallschwämme in einer 0,5molaren Nickel(II)-acetylacetonat-Lösung.The Loading with the catalytically active substance nickel is carried out by several hours impregnation of metal sponges in a 0.5 molar nickel (II) acetylacetonate solution.
Die Trocknung wurde bei 60°C über eine Zeitdauer von 6 h vorgenommen. Anschließend erfolgte eine Temperaturbehandlung, bei der die Katalysatormuster in einem Zeitraum von 4 h auf eine Temperatur von 350°C aufgeheizt wurden, wodurch eine feindisperse Verteilung der Nickelpartikel auf den Substraten erreicht werden sollte. Vor dem Einsatz der Katalysatormuster erfolgte ein weiterer Sinterprozess (550°C, 12 h an Luft) zur Stabilisierung der Katalysatoren.The Drying was carried out at 60 ° C for a period of 6 h made. Subsequently, a temperature treatment, in which the catalyst patterns in a period of 4 h to a Temperature of 350 ° C were heated, causing a finely dispersed Distribution of nickel particles can be achieved on the substrates should. Before the use of the catalyst pattern was another Sintering process (550 ° C, 12 h in air) for stabilization the catalysts.
Aktivierung der KatalysatorenActivation of the catalysts
Zum Erreichen der maximalen Aktivität der Katalysatoren, muss das – bei den mittels Fällung hergestellten Katalysatoren – in oxidischer Form vorliegende Nickel in die metallische Form überführt werden. Hierzu wurden die Katalysatormuster über mehrere Stunden reduziert, in dem sie mit einem Wasserdampfstrom beaufschlagt wurden, der ausgehend von 2 Vol.-% Wasserstoff zu Beginn der Behandlung mit fortschreitender Reduzierungsdauer auf bis zu ca. 20 Vol.-% gesteigert wurde (Raumgeschwindigkeit (R ≅ 5000 IN,Gas·IKat –1·h–1).In order to achieve the maximum activity of the catalysts, it is necessary to convert the nickel which is present in oxide form into the metallic form in the case of the precipitated catalysts. For this purpose, the catalyst samples were reduced over several hours, in which they were subjected to a water vapor stream, which was increased from 2 vol .-% hydrogen at the beginning of the treatment with progressive reduction time up to about 20 vol .-% (space velocity (R. ≅ 5000 I N, gas · I cat -1 · h -1 ).
Katalysatorscreeningcatalyst screening
Die Versuchsanlage für das Katalysatorscreening ist in Bezug auf die Gasdosierung, die Verdampfereinheit, die Produktgaskühlung, die Volumenstrommessung sowie die Gasanalyse weitgehend identisch zu der im weiteren Verlauf der Untersuchungen zur optimalen Auslegung der Betriebsparameter eingesetzten Versuchsanlage mit Reaktor in Abschnittsbauweise. So können beide im Rahmen der Projektarbeiten vorgesehenen Versuchsteile mit der gleichen Anlage und demzufolge unter gleichen Bedingungen durchgeführt werden. Für die Untersuchungen zur optimalen Auslegung der Betriebsparameter des Abschnittsreaktors müssen lediglich der Reaktor getauscht sowie die drei zusätzlichen Dampfleitungen, die beim Screening nicht genutzt werden, angeschlossen werden.With regard to the gas metering, the evaporator unit, the product gas cooling, the volumetric flow measurement and the gas analysis, the experimental plant for the catalyst screening is largely identical to the pilot plant with sectioned reactor used in the further course of the investigations for the optimal design of the operating parameters. Thus, both test parts provided in the context of the project work can be carried out with the same system and, accordingly, under the same conditions. For the investigation of the optimal design of the operating parameters of the section reactor only the reactor must be exchanged and the three additional steam lines, which are not used in the screening, be connected.
Das
Verfahrensfließbild der Versuchsanlage für das
Katalysatorscreening ist in
Gasdosierunggas metering
Die
im unteren Teil von
VerdampferEvaporator
Die Wasserdosierung erfolgt im flüssigen Aggregatzustand des Wassers mit einem elektronischen Massendurchflussregler. Anfänglich wurde ein MFC mit einem Regelbereich 0–1000 g/h Wasser eingesetzt. Um auch bei geringen Volumina der Katalysatorproben (halbe Plattenstärke von 0,5 cm bei einigen Proben) kleine Raumgeschwindigkeiten einstellen zu können und nicht durch den Mindestdurchfluss (ca. 12 g/h) des zunächst verwendeten MFC limitiert zu sein, erfolgte im weiteren Verlauf der Versuche ein Austausch gegen ein MFC gleichen Typs mit einem Arbeitsbereich 0–250 g/h Wasser.The Water dosage takes place in the liquid state of aggregation Water with an electronic mass flow controller. Initially was an MFC with a control range 0-1000 g / h of water used. Even at low volumes of catalyst samples (half plate thickness of 0.5 cm for some samples) small To be able to adjust room speeds and not through the minimum flow (about 12 g / h) of the first used MFC limited, took place in the further course of the experiments an exchange against an MFC of the same type with a workspace 0-250 g / h of water.
Es wird VE-Wasser eingesetzt, dass mit einer Schlauchpumpe aus dem Vorlagenbehälter in einen Druckbehälter gepumpt wird. Die Pumpe wird intervallweise betrieben und so gesteuert, dass sich ein Vordruck entsprechend der Auslegung des MFC ergibt (4–5 MPa). Aufgrund erster Betriebserfahrungen wurde ein druckluftbetriebener Kompensatorbehälter nachgerüstet. Dieser wurde parallel zur Schlauchpumpe angeschlossen, um Druckstöße, die beim Anlaufen der Schlauchpumpe auftraten, zu vermeiden und eine gleichmäßige Wasserdosierung zu gewährleisten.It VE water is used that with a peristaltic pump from the Master tank pumped into a pressure vessel becomes. The pump is operated at intervals and controlled so that a form corresponding to the design of the MFC results (4-5 MPa). Based on initial operating experience was a compressed air Retrofitted compensator container. This one became connected in parallel to the peristaltic pump to which occurred when starting the peristaltic pump, to avoid and to ensure a uniform water dosage.
Dem Massendurchflussregler nachgeschaltet ist ein Aluminiumblock (B, H, T: 400·300·120 mm), in dem sich in vier mittigen Bohrungen die Edelstahl-Rohrleitungen (⌀12,5 mm) befinden, die zum Reaktor führen. Für die Nutzung der Anlage als Teststand für das Katalysatorscreening wird – wie bereits beschrieben – zunächst lediglich eine der vier Dampfleitungen verwendet.the Downstream mass flow controller is an aluminum block (B, H, T: 400 x 300 x 120 mm), which is divided into four central Holes are located in the stainless steel piping (⌀12.5 mm), which lead to the reactor. For the use of the plant as a test stand for the catalyst screening is - like already described - initially only one of the four steam pipes used.
Die Beheizung des Aluminiumblocks erfolgt elektrisch. Hierzu sind in Längsrichtung der eingebrachten Dampfleitungen von beiden Stirnseiten des Blocks jeweils zehn Heizpatronen (Länge 150 mm, ⌀12 mm) installiert. In Summe ergibt sich hieraus eine installierte Heizleistung von ca. 10 kW bei 230 V. Diese Leistung ist sowohl zur Verdampfung und Überhitzung der erforderlichen Wassermengen beim Katalysatorscreening als auch beim anschließenden Testbetrieb des auf eine Leistung von 1 kWel ausgelegten Testreaktors ausreichend dimensioniert. Im Anlagenbetrieb wird der Aluminiumblock auf eine Temperatur von 450°C eingeregelt.The heating of the aluminum block is done electrically. For this purpose, ten heating cartridges (length 150 mm, ⌀12 mm) are installed in the longitudinal direction of the introduced steam pipes from both end faces of the block. In total, this results in an installed heating capacity of about 10 kW at 230 V. This power is sufficient both for evaporation and overheating of the required amounts of water during Katalysatorcreening and the subsequent test operation of designed for a power of 1 kW el test reactor sufficient. In plant operation, the aluminum block is adjusted to a temperature of 450 ° C.
Um eine ungewollte Absenkung der Reformiertemperatur im Reaktor zu vermeiden, muss der Wasserdampf annähernd bei der jeweiligen Arbeitstemperatur des Reaktors eingedüst werden. Es erfolgt daher eine weitere Überhitzung des Wasserdampfs innerhalb der Zuleitung zum Reaktor. Diese Rohrstrecke ist mit einer hochtemperaturbeständigen Heizschnur mit einer Nenntemperatur von 900°C umwickelt (370 W). In den Rohrstrecken zwischen dem Aluminiumblock und dem Reaktor erfolgt eine weitere Überhitzung des Wasserdampfes.Around an unwanted lowering of the reforming temperature in the reactor too avoid, the water vapor must be close to the respective Working temperature of the reactor are injected. It takes place therefore further overheating of the water vapor within the supply line to the reactor. This pipe section is with a high temperature resistant Heating cord wrapped with a nominal temperature of 900 ° C (370 W). In the pipe sections between the aluminum block and the Reactor is a further overheating of the water vapor.
Reaktorreactor
Unmittelbar
vor dem Reaktor wird dem Wasserdampf Methan zudosiert. Nach Durchlaufen
einer beheizten Einlaufstrecke wird das Gemisch von unten in den
Reaktor eingedüst. Der aus Edelstahl gefertigte Reaktor,
der schematisch in
Die Reaktorinnentemperatur wird unmittelbar unterhalb der Katalysatorprobe mit einem Thermoelement (k-Typ) erfasst. Diese Temperatur dient als Führungsgröße für die Temperaturregelung. Um einer Überhitzung der Heizschnur vorzubeugen, ist ein zusätzliches Thermoelement zwischen der Reaktoraußenwand und der Heizschnur installiert.The Internal reactor temperature is immediately below the catalyst sample detected with a thermocouple (k-type). This temperature is used as a reference variable for the temperature control. To prevent overheating of the heating cord is a additional thermocouple between the reactor outer wall and the heating cord installed.
Ein am Reaktoreingang installierter Drucksensor erfasst den Druck im Innern des Reaktors. Die ausgeführte Dampfreformer-Anlage soll atmosphärisch betrieben werden. Die Drucküberwachung dient einerseits sicherheitstechnischen Aspekten und soll andererseits als Indikator für die Ablagerung von Rußpartikeln auf dem Katalysator dienen, die durch Verringerung des freien Strömungsquerschnitts des Metallschaums zu einem Druckanstieg führen.One At the reactor inlet installed pressure sensor detects the pressure in Interior of the reactor. The executed steam reformer system should be operated atmospherically. The pressure monitoring serves on the one hand safety aspects and on the other hand as an indicator of the deposition of soot particles serve on the catalyst by reducing the free flow area of the metal foam lead to an increase in pressure.
Aufgrund von im Projektverlauf aufgetretenen Hinweisen darauf, dass der Wasserdampf mit dem Methan in der dem Metallschaumkatalysator vorgeschalteten Mischkammer unzureichend durchmischt wird, wurden zur Optimierung der Reaktionsführung zusätzlich Lochbleche und eine ca. 50 mm hohe Schüttung zylindrischer Keramikhohlkörper in den unteren Teil des Reaktors eingebracht.by virtue of evidence of the occurrence of water vapor during the course of the project with the methane in the metal foam catalyst upstream Mixing chamber is insufficiently mixed, were for optimization the reaction guide additionally perforated plates and an approximately 50 mm high bed of cylindrical ceramic hollow body introduced into the lower part of the reactor.
Gasanalysegas analysis
Für die orientierenden Untersuchungen zu Beginn der Laufzeit des Projektes wurde zur quantitativen Bestimmung des Produktgases ein Mikro-Gaschromatograf (Varian, CP-2003P) eingesetzt. Dieses Analysegerät verfügt über eine Molsieb-Säule, welche u. a. die Bestandteile Wasserstoff, Methan, Kohlenmonoxid, Sauerstoff und Stickstoff erfasst, sowie über eine HayeSep A Säule, mit der u. a. Kohlendioxid detektiert werden kann. Zur ergänzenden Online-Messwerterfassung kam ein Infrarot-Gasanalysator (Emerson Process Management, Binos 100) zum Einsatz, mit dem der Methangehalt im Bereich 0–80 Vol.-% und der Kohlenmonoxidgehalt im Bereich 0–20 Vol.-% detektiert werden konnte.For the orienting investigations at the beginning of the term of the project For the quantitative determination of the product gas, a micro-gas chromatograph was used (Varian, CP-2003P). This analyzer has a molecular sieve column, which u. a. the constituents hydrogen, Methane, carbon monoxide, oxygen and nitrogen are detected, as well as over a HayeSep A column, with the u. a. Detected carbon dioxide can be. For additional online data logging came an infrared gas analyzer (Emerson Process Management, Binos 100) used with which the methane content in the range 0-80 Vol .-% and the carbon monoxide content in the range 0-20 vol .-% detected could be.
Die oben beschriebene Messgerätekonfiguration bestand aus einem Mehrbereichs-Analysator, der über drei Nicht-Dispersive-Infrarot-Spektrometer-Messzellen (NDIR) sowie einen Wärme-Leitfähigkeits-Detektor (WLD) verfügt. Einen Überblick über die Messbereiche dieses Gerätes gibt Tabelle 3.The The above-described meter configuration consisted of a Multi-range analyzer, using three non-dispersive infrared spectrometer measuring cells (NDIR) and a heat conductivity detector (WLD). An overview of the Measuring ranges of this device are given in Table 3.
Die Messgeräte sind im Bypass hinter einen installierten Gaskühler (s. u.) geschaltet. Mit einem Schwebekörperdurchflussmesser (0–100 l/h) wird der Bypass-Gasstrom auf 60–80 l/h eingestellt. Nach der Vereinigung der beiden Teilströme (Bypass- und Haupt-Gasstrom) erfolgt die Erfassung des Gasvolumenstroms mit einem Labor-Trommelgaszähler nass messender Bauart, der einen Messbereich von 1–200 dm3/h aufweist. Um ein Auskondensieren des Produktgases in den GC-Säulen, NDIR-Küvetten oder WLD-Messzellen zu vermeiden, wird das Produktgas hinter dem Reaktor einem Kühler zugeführt, der mit Kühlwasser (ϑKühlwasser = 2°C) aus einem Kryostaten gespeist wird. Das dabei anfallende Kondensat wird im Kühler gesammelt. Es kann nach dem Versuch ausgelitert werden und geht ebenfalls in die Massenbilanz ein.The measuring instruments are connected in the bypass behind an installed gas cooler (see below). With a variable area flowmeter (0-100 l / h), the bypass gas flow is set to 60-80 l / h. After the two partial streams have been combined (bypass and main gas stream), the gas volume flow is measured using a wet-type laboratory drum gas meter with a measuring range of 1-200 dm3 / h. To avoid condensation of the product gas in the GC columns, NDIR cuvettes or WLD measuring cells, the product gas is fed downstream of the reactor to a condenser, which is supplied with cooling water (θ cooling water = 2 ° C) from a cryostat. The resulting condensate is collected in the cooler. It can be tapped after the trial and also enters the mass balance.
Regelung und SteuerungRegulation and control
Als Prozessleitsystem und zur Steuerung der Anlage wird ein Fieldpoint-I/O-System (NI-FP-1000) der Firma National Instruments verwendet. Das Prozessleitsystem und die Steuerung haben einerseits die Aufgabe, den automatisierten Betrieb der Anlage zu gewährleisten, andererseits werden sie zur sicherheitstechnischen Absicherung der Anlage eingesetzt, sodass ein kontrolliertes, störfallbedingtes Abfahren der Versuchsanlage möglich ist. Das Fieldpoint-Modul verbindet die angeschlossenen I/O-Module (siehe Tabelle 4), welche die Ansteuerung der an der Anlage befindlichen Sensoren und Regelsysteme übernehmen, mit einer RS-232-Schnittstelle an der ein Prozessrechner angeschlossen ist.When Process control system and to control the plant is a Fieldpoint I / O system (NI-FP-1000) from National Instruments. The process control system and the controller have on the one hand the task of the automated To ensure operation of the plant, on the other hand they are used for safety-related protection of the system, so that a controlled, accidental shutdown of Pilot plant is possible. The Fieldpoint module connects The connected I / O modules (see Table 4), which control the drive take over the sensors and control systems attached to the system, connected to a process computer via an RS-232 interface is.
Vom Prozessrechner aus werden die Steuerungs- und Regelungsaufgaben mit Hilfe eines auf der Entwicklungsumgebung „labview" basierenden Softwareprogramms ausgeführt.from Process computers become the control and regulation tasks with the help of a "labview" development environment based software program.
Im Rahmen der Projektarbeiten wurden im Berichtszeitraum insgesamt 16 elektrochemisch und 4 nasschemisch hergestellte Metallschaumkatalysatoren unter Variation der Reaktortemperatur, des S/C-Verhältnisses, der Raumgeschwindigkeit sowie der Gasverteilung hinsichtlich ihrer Aktivität und Selektivität bei der Reformierreaktion untersucht. Wie in Kapitel 2.1.2.1 bereits erwähnt, wurde bei den ersten, orientierenden Screeningversuchen für die quantitative Bestimmung der Produktgaszusammensetzung ein Gaschromatograf und ein NDIR-Gasanalysator zur Online-Messung der Komponenten Methan und CO2 eingesetzt. Qualitative Aussagen hinsichtlich des dynamischen Verhaltens der Aktivität der Katalysatorsysteme orientierten sich daher zunächst am Restmethangehalt im Produktgas und wurden hinsichtlich ihrer Aussagekraft bezüglich des Wasserstoffgehaltes diskontinuierlich mittels GC-Messungen überprüft. Wie erwartet ergaben die Kontrollmessungen, dass der Methangehalt im Produktgas sich weitgehend umgekehrt proportional zu dessen Wasserstoffgehalt verhält.As part of the project work, a total of 16 electrochemically and 4 wet-chemically produced metal foam catalysts were investigated with respect to their reactivity, S / C ratio, space velocity and gas distribution in terms of their activity and selectivity in the reforming reaction. As already mentioned in chapter 2.1.2.1, at the first, orienting scree For the quantitative determination of the product gas composition, a gas chromatograph and an NDIR gas analyzer are used for the online measurement of the components methane and CO 2 . Qualitative statements with regard to the dynamic behavior of the activity of the catalyst systems were therefore initially based on the residual methane content in the product gas and were checked discontinuously with respect to their significance for the hydrogen content by means of GC measurements. As expected, the control measurements showed that the methane content in the product gas is largely inversely proportional to its hydrogen content.
Exemplarisch zeigt Diagramm 1 eine Gegenüberstellung der Restmethangehalte, die sich bei der Reformierung von Methan mit verschiedenen Metallschaumkatalysatoren bei einer Temperatur von 700°C und einem S/C-Verhältnis von 3 einstellen.exemplary Diagram 1 shows a comparison of the residual methane contents, involved in the reforming of methane with various metal foam catalysts at a temperature of 700 ° C and an S / C ratio of 3.
Die Raumgeschwindigkeit als Maß für die Katalysatorbelastung war bei diesen Versuchen – wegen des geringen Volumens der Metallschaumproben sowie aufgrund von gerätetechnisch bedingten Beschränkungen bei der Dosierung sehr kleiner Volumenströme – hoch eingestellt. Die meisten untersuchten Metallschaumproben weisen eine Bauhöhe von 1 cm auf, woraus sich eine Katalysatorbelastung von ca. R = 20.000 1/h errechnet. Bei den Metallschaumproben, die eine Bauhöhe von 0,5 cm besitzen, erfolgte, um sowohl die Raumgeschwindigkeit als auch den Umfang der Untersuchungsreihen zu begrenzen, zunächst eine gemeinsame Vermessung von je zwei ähnlichen Proben. Sofern sich bei diesen Versuchen eine ausreichend hohe katalytische Aktivität ergab, wurden die Metallschaumproben nachfolgend nochmals getrennt vermessen. Im Diagramm 1 repräsentieren die gestrichelt dargestellten Kurven (gelb, grün und violett) Metallschaumproben mit halber Bauhöhe (0,5 cm). Die Katalysatorbelastung beim oben dargestellten Screeningversuch war mit ca. 40.000 1/h etwa doppelt so hoch, wie bei den übrigen Proben, woraus sich für diese Proben eine vergleichsweise hohe Aktivität ergibt. Die orangene Kurve zeigt den Restmethangehalt der sich einstellt hat, wenn die beiden Proben, die beim Screening der zweiten Fertigungscharge die höchste katalytische Aktivität bezüglich der Reformierreaktion zeigten, gemeinsam vermessen wurden, um vergleichbare Bedingungen hinsichtlich der Katalysatorbelastung (ca. 20.000) zu schaffen.The Space velocity as a measure of the catalyst load was in these experiments - because of the small volume the metal foam samples and due to device technology conditional restrictions on dosing very small Flow rates - set high. Most investigated metal foam samples have a height of 1 cm, resulting in a catalyst loading of about R = 20,000 1 / h calculated. In the case of metal foam samples having a height of 0.5 cm, made to both the space velocity as well as to limit the scope of the study series, at first a joint survey of two similar samples. Provided that in these experiments a sufficiently high catalytic Activity, the metal foam samples were subsequently measured separately again. Represent in diagram 1 the dashed curves (yellow, green and purple) Metal foam specimens of half height (0.5 cm). The catalyst load in the screening experiment shown above was about 40,000 1 / h about twice as high as in the other samples, from which For these samples, a relatively high activity results. The orange curve shows the residual methane content which sets if the two samples, when screening the second production batch the highest catalytic activity in terms of Reformierreaktion, were measured together to comparable Conditions regarding the catalyst load (about 20,000) too create.
Zur Bestimmung geeigneter Parameter zur Herstellung von tauglichen Metallschaumkatalysatoren für die Methan- bzw. Erdgasreformierung wurden Screeningversuche bei Temperaturen von 500 bis 750°C, S/C Verhältnissen von 1,5 bis 6 sowie Raumgeschwindigkeiten im Bereich von 20.000 bis 80.000 1/h durchgeführt. Die Fertigungsparameter zur elektrolytischen Beschichtung der Metallschäume wurden auf der Grundlage der jeweiligen Untersuchungsergebnisse sukzessive optimiert.to Determination of suitable parameters for the production of suitable metal foam catalysts for methane or natural gas reforming were screenings at temperatures of 500 to 750 ° C, S / C ratios from 1.5 to 6 and space velocities in the range of 20,000 up to 80,000 1 / h carried out. The production parameters for electrolytic coating of the metal foams were on the basis of the respective examination results successively optimized.
Die Aktivität der elektrochemisch hergestellten Katalysatorsysteme übertraf die der nasschemisch hergestellten bei Weitem. Zudem erwies sich die Handhabung der elektrolytisch beschichteten Metallschäume als sehr einfach, da aufgrund des in metallischer Form abgeschiedenen Nickels die Notwendigkeit einer vor der Inbetriebnahme erforderlichen Aktivierung in reduzierender Atmosphäre entfällt. Selbst eine Abreinigung des Katalysatorsystems von anhaftenden Kohlenstoffpartikeln durch "Abbrennen" durch Luftzufuhr während des Betriebs ist ohne feststellbare Schädigung des Katalysators möglich.The Activity of the electrochemically prepared catalyst systems exceeded the wet-chemically produced by far. In addition, proved the handling of the electrolytically coated metal foams as very simple, because of the deposited in metallic form Nickels the need for a pre-commissioned Activation in a reducing atmosphere is eliminated. Even a cleaning of the catalyst system of adherent carbon particles by "burning off" by air supply during operation is possible without detectable damage to the catalyst.
Von den geprüften Metallschäumen erwies sich bei den durchgeführten Versuchen die Probe NC3743 (Nickel-Chrom-Schaum, Porendichte 37–43 ppi) als das am Besten geeignete Substrat, gefolgt von der Probe mit der Bezeichnung Ni2733 (Nickel-Schaum, Porendichte 27–33 dpi). Die Bewertung der Aktivität und Selektivität, der unter Variation des Nickelgehaltes sowie weiteren Fertigungsparametern hergestellten Metallschaumkatalysatoren, ergab die besten Resultate für die Proben, die elektrochemisch (unter potenziostatischen Bedingungen und Ultraschalleinwirkung) mit ca. 4 Gew.-% Nickel belegt wurden.From The tested metal foams proved in the experiments carried out sample NC3743 (nickel-chromium foam, Pore density 37-43 ppi) as the most suitable substrate, followed by the sample designated Ni2733 (nickel foam, Pore density 27-33 dpi). The evaluation of the activity and selectivity, with variation of nickel content as well as other manufacturing parameters produced metal foam catalysts, gave the best results for the samples electrochemically (under potentiostatic conditions and ultrasound effect) were coated with about 4 wt .-% nickel.
Insbesondere in der Anfangsphase der Untersuchungen, traten Probleme mit der Langzeitstabilität der katalytischen Aktivität der Metallschaumkatalysatoren auf. Die Abnahme der Aktivität der Katalysatoren mit der Betriebszeit war – in Abhängigkeit der eingestellten Versuchsparameter – bei allen getesteten Katalysatorproben (elektro- sowie nasschemisch hergestellt als auch unbeschichtet) zu beobachten. Die Katalysatordeaktivierung erwies sich als reversibel. So konnte durch Abreinigung der Metallschaumoberfläche durch "Abbrennen" von anhaftendem Kohlenstoff durch Lufteindüsung die ursprüngliche Aktivität wiederhergestellt werden. Damit konnten die Deaktivierungsmechanismen der Sinterung "Agglomeration von Nickelpartikeln" sowie ein Austrag von Nickelpartikeln ausgeschlossen werden. Für die mit der Betriebszeit zunehmende Deaktivierung des Katalysators scheint vielmehr eine Belegung der aktiven Zentren für die Reformierungs- und Shiftreaktion mit Kohlenstoff verantwortlich zu sein.Especially in the initial stages of the investigations, problems with the Long-term stability of the catalytic activity the metal foam catalysts. The decrease of activity the catalysts with the operating time was - depending the set experimental parameters - in all tested Catalyst samples (electrochemically and wet-chemically produced as well uncoated). The catalyst deactivation proved turns out to be reversible. So could by cleaning the metal foam surface by "burning off" adhering carbon by air injection restored the original activity become. This enabled the deactivation mechanisms of sintering "Agglomeration of nickel particles" and a discharge of nickel particles be excluded. For the increasing with the operating time Deactivation of the catalyst seems rather an occupancy of active centers for the reforming and shift reaction with To be responsible for carbon.
Als mögliche Reaktionsmechanismen für die Rußbildung sind insbesondere die Methan-Spaltungsreaktion sowie die Boudouard-Reaktion zu betrachten. Während eine Kohlenstoffbildung durch die Methan-Spaltungsrektion vorwiegend bei höheren Temperaturen (☐ > 600°C) auftritt, ist eine Bildung aufgrund des Boudouard-Gleichgewichtes eher bei Temperaturen unter 600°C anzutreffen.As a possible reaction mechanisms for the formation of soot are in particular the methane Spaltungsre action as well as the Boudouard reaction consider. While carbon formation by the methane cleavage reaction occurs predominantly at higher temperatures (□> 600 ° C), formation due to the Boudouard equilibrium is more likely to occur at temperatures below 600 ° C.
Da die Deaktivierung durch Kohlenstoffbildung bei den durchgeführten Versuchen auch bei höheren Temperaturen (bis zu 750°C) auftrat, ist zu vermuten, dass bevorzugt die Methan-Spaltungsreaktion zur Kohlenstoffbildung beiträgt.There the deactivation by carbon formation in the performed Try at higher temperatures (up to 750 ° C) occurred, it is to be presumed that prefers the methane cleavage reaction contributes to carbon formation.
Gemäß den in der Literatur anzutreffenden Daten bezüglich des Wasserdampf-Methan Verhältnisses sollte bei S/C = 2 und darüber eine Kohlenstoffbildung über den gesamten Temperaturbereich ausgeschlossen sein. Bei den durchgeführten Versuchen zeigte die Variation des Wasserdampf/Methan Verhältnisses im Bereich von S/C = 1,5 bis 5 (S/C bis zu 5) allerdings nur einen geringen Einfluss auf das Auftreten von Kohlenstoffabscheidungen, woraus eher eine unzureichende Durchmischung der Reaktanden oder eine zu kurze Verweilzeit abzuleiten war.According to the in the literature, data relating to the water vapor methane Ratio should be one at S / C = 2 and above Carbon formation over the entire temperature range be excluded. In the experiments performed showed the variation of the water vapor / methane ratio in the range from S / C = 1.5 to 5 (S / C up to 5) but only a small one Influence on the occurrence of carbon deposits, from which rather an insufficient mixing of the reactants or one too short residence time was derived.
Nachdem auch eine zusätzlich zur Nickelbeschichtung vorgenommene elektrolytische Abscheidung auf den Metallschäumen von 0,1 bis 0,2 Gew.-% Ruthenium nicht den gewünschten Effekt einer merklichen Unterdrückung der Rußablagerungen brachte, wurden Modifikationen bezüglich der Gasdosierung, der Strömungsführung und des Reaktoraufbaus vorgenommen. Im Einzelnen erfolgte ein Austausch des MFC's für die Wasserdosierung gegen ein Modell mit einem niedrigeren Arbeitsbereich, der Einbau von Lochblechen zur Vergleichmäßigung der Strömung und die Einbringung einer Schüttung keramischer Hohlzylinder zur Gewährleistung einer ausreichenden Gasvermischung bei gleichzeitiger Sicherstellung eines hinreichenden Wärmetransfers auf das Gas.After this also in addition to the nickel coating made electrolytic deposition on the metal foams of 0.1 to 0.2 wt .-% ruthenium not the desired effect a noticeable suppression of soot deposits modifications were made to the gas dosage, made the flow guide and the reactor assembly. Specifically, an exchange of the MFC for the water metering took place against a model with a lower working range, the installation of perforated plates to equalize the flow and the introduction of a bed of ceramic hollow cylinder to ensure adequate gas mixing simultaneous assurance of sufficient heat transfer on the gas.
Für die nachfolgenden Versuche wurden aus dem Pool der bis dahin angefertigten Katalysatorsysteme vier Exemplare ausgewählt, die in den vorhergehenden Tests eine ähnliche Performance hinsichtlich der Reformierung von Methan gezeigt hatten. Hierbei handelt es sich um je zwei Recemat-Schäume mit Porendichten von 27–33 dpi und 37–43 dpi. Die Schäume wiesen eine elektrolytische Beschichtung von 4,1–3,9–3,7 und 3,0 Gew.-% Nickel auf. Zwei Metallschäume waren zusätzlich mit 0,1 bis 0,2 Gew.-% Ruthenium belegt, was in den Vorversuchen aber nicht zu einer merklichen Beeinflussung der Produktzusammensetzung bei der Reformierung geführt hatte. Durch die Zusammenfassung der Metallschaumkatalysatoren konnte – in Verbindung mit den anderen o. g. Maßnahmen – die einstellbare Verweilzeit wesentlich erhöht werden.For the subsequent attempts were made from the pool of the previously made Catalyst systems four copies selected in the Previous tests have similar performance the reforming of methane. This is it by two Recemat foams with pore densities of 27-33 dpi and 37-43 dpi. The foams had an electrolytic Coating of 4.1-3.9-3.7 and 3.0 wt% nickel on. Two metal foams were additionally 0.1 to 0.2 wt .-% ruthenium occupied, but not in the preliminary tests to a significant influence on the product composition the reform had led. By the summary the metal foam catalysts could - in conjunction with the other o. g. Measures - the adjustable Residence time can be significantly increased.
Im Diagramm 2 ist das Ergebnis der Untersuchungen beim Einsatz der vier zu einer Probe zusammengefassten Metallschäume – nach Durchführung der beschriebenen Modifikationen an der Versuchsanlage – dargestellt. Die Reformiertemperatur wurde bei den Versuchen im Bereich von 400 bis 700°C und die Raumgeschwindigkeit im Bereich von ca. 4.000 bis 65.000 1/h variiert.in the Diagram 2 is the result of investigations using the four metal foams combined into a sample - after Implementation of the described modifications to the pilot plant - shown. The reforming temperature in the experiments was in the range of 400 up to 700 ° C and the space velocity in the range of approx. 4,000 to 65,000 1 / h varies.
Die bei den verschiedenen Temperaturen auftretenden Abweichungen der Werte für die Raumgeschwindigkeiten entstehen dabei durch den Temperatureinfluss auf die Dichte von Methan bzw. Wasser. Bezogen auf Umgebungstemperatur entsprechen die dargestellten Raumgeschwindigkeiten der Wertereihe R = 4.000, 8.000, 16.000, 32.000 und 48.000 1/h.The at the different temperatures occurring deviations of Values for the space velocities arise through the influence of temperature on the density of methane or water. Based at ambient temperature correspond to the illustrated space velocities the value series R = 4,000, 8,000, 16,000, 32,000 and 48,000 1 / h.
In dem Diagramm deutlich erkennbar ist die Zunahme der Wasserstoffgehalte mit zunehmender Temperatur (Kurvenfarbe: blau = 400°C, braun = 500°C, gelb = 600°C und magenta = 700°C) und abnehmender Raumgeschwindigkeit, entsprechend einer Zunahme der Verweilzeit. Darüber hinaus lässt sich aus dem Diagramm ablesen, dass die Kurven mit zunehmender Temperatur und abnehmender Raumgeschwindigkeit einen flacheren Verlauf annehmen, was einer Abnahme der zuvor beschriebenen Tendenz zur (reversiblen) Deaktivierung durch Bildung und Ablagerung von Ruß entspricht.In The diagram clearly shows the increase in hydrogen contents with increasing temperature (curve color: blue = 400 ° C, brown = 500 ° C, yellow = 600 ° C and magenta = 700 ° C) and decreasing space velocity, according to an increase the residence time. In addition, lets out read off the graph that the curves are increasing with temperature and decreasing space velocity take a flatter course, which is a decrease in the previously described tendency for (reversible) deactivation by formation and deposition of carbon black.
Wie aus dem Kurvenverlauf ersichtlich ist, sind die Wasserstoffgehalte bei den Versuchen mit einer Raumgeschwindigkeit von 5.000 1/h und Temperaturen von 600 bzw. 700°C nahezu identisch. Hierbei muss allerdings berücksichtigt werden, dass die Reformierreaktion nicht äquimolar verläuft und daher das Gesamtvolumen des Produktgastroms ebenfalls in die Bewertung einfließen muss.As can be seen from the graph, the hydrogen contents in the experiments with a Space velocity of 5,000 1 / h and temperatures of 600 and 700 ° C almost identical. However, it must be taken into account that the reforming reaction does not proceed in an equimolar manner and therefore the total volume of the product gas stream must also be included in the assessment.
Deutlich wird dies bei der Gegenüberstellung aller im Produktgas auftretenden Komponenten. Wie aus dem Diagramm 3 hervorgeht, sind bei annähernd gleichen Wasserstoffgehalten bei den Reformierungstemperaturen 600 und 700°C die Methan- und Kohlenmonoxidgehalte bei 700°C aufgrund der vollständigeren Reformierreaktion deutlich geringer, der Kohlendioxidgehalt hingegen höher.Clear This is done by comparing all in the product gas occurring components. As is apparent from the diagram 3, are at approximately the same hydrogen contents at the reforming temperatures 600 and 700 ° C at the methane and carbon monoxide levels 700 ° C due to the more complete reforming reaction significantly lower, while the carbon dioxide content is higher.
Im Diagramm 4 sind für die zuletzt durchgeführten Versuche die auf das Edukt Methan bezogenen Umsätze dargestellt. Bei dieser Darstellung sind Performanceunterschiede, die sich aus den unterschiedlichen Parametereinstellungen ergeben, besonders gut zu erkennen. Bei 700°C sind demzufolge Umsätze von ca. 95% bei einer Raumgeschwindigkeit R = 5.300 1/h bis ca. 80% bei R = 10.700 erreichbar (jeweils gemessen nach ca. 30 Minuten Versuchszeit). Bei vergleichbar hohen Raumgeschwindigkeiten liegen die Umsätze bei 600°C jeweils um ca. 10% niedriger.in the Diagram 4 are for the last performed Experiments presented on the reactant methane related sales. In this presentation, performance differences are off the different parameter settings, especially clearly visible. At 700 ° C are therefore sales of approx. 95% at a space velocity R = 5,300 1 / h to approx. 80% at R = 10,700 achievable (in each case measured after approx. 30 minutes Test period). At comparably high space velocities the sales at 600 ° C each about 10% lower.
Um unter dem Aspekt der mit der Katalysatorbelastung zunehmenden Rußbildung und dem damit verbundenen Leistungsverlust des Katalysators eine Abschätzung der für den Praxisbetrieb maximal einstellbaren Katalysatorbelastung durchführen zu können, wurden Langzeittests bei 700°C und Raumgeschwindigkeiten von R = 5.300, 10.070, 13.400 und 21.500 1/h durchgeführt. Diagramm 5 zeigt die Gaszusammensetzung während der knapp sechsstündigen Versuchsdauer bei einer eingestellten Raumgeschwindigkeit von 5.300 1/h. Während dieses Versuchs war kein Aktivitätsverlust des Katalysators erkennbar. (Die kurzzeitig auftretenden Peaks sind die Folge von Druckstößen beim Einschalten der Schlauchpumpe, und besitzen keine Aussagekraft bezüglich der Problemstellung.)Around in view of increasing soot formation with the catalyst loading and the associated power loss of the catalyst Estimation of the maximum for the practice operation to be able to carry out an adjustable catalyst loading, Long-term tests were performed at 700 ° C and room velocities of R = 5,300, 10,070, 13,400 and 21,500 1 / h. Diagram 5 shows the gas composition during the short run six-hour trial period at a set space velocity from 5,300 1 / h. There was no loss of activity during this experiment the catalyst recognizable. (The short-term peaks are the consequence of pressure surges when switching on Peristaltic pump, and have no significance regarding the problem.)
Bei den weiteren Versuchen, bei denen höhere Raumgeschwindigkeiten eingestellt wurden, fiel der Wasserstoffgehalt im Produktgas ausgehend von einer Anfangskonzentration von ca. 80 Vol.-% innerhalb der jeweils zweistündigen Versuchsdauer um ca. 10 Vol.-% (R = 10.700 1/h), 15 Vol.-% (R = 13.400 1/h) bzw. 20 Vol.-% (R = 21.500 1/h).at the further attempts at which higher space velocities were adjusted, the hydrogen content in the product gas fell starting from an initial concentration of about 80% by volume within each two-hour test period by about 10 vol .-% (R = 10,700 1 / h), 15% by volume (R = 13,400 1 / h) and 20% by volume (R = 21,500 1 / h).
Zusätzliche Tests, bei denen die maximale Langzeit-Katalysatorbelastung bestimmt werden soll, werden im weiteren Projektverlauf durchgeführt. Es ist davon auszugehen, dass eine wesentliche Steigerung der Raumgeschwindigkeit, bei der ein stabiler Betrieb des Katalysatorsystems gewährleistet werden kann, möglich ist. Diese Annahme ergibt sich insbesondere daraus, dass
- – im ausgeführten Reformersystem mit Porenbrenner die Reformiertemperatur über die beim Testreaktor realisierbare Temperatur von 700°C hinaus gesteigert werden kann,
- – durch das Verlöten der Metallschäume mit der Reaktorwand eine wesentlich bessere Wärmeübertragung erreicht wird, als dies beim Testreaktor der Fall ist,
- – für die weiteren Untersuchungen mit dem Abschnittsreaktor und dem Prototyp des Reformersystems der ausschließliche Einsatz der bestgeeignetsten Katalysatoren erfolgt (und die Versuche nicht – wie bei den zuletzt durchgeführten Tests – hilfsweise mit einem Mix aus unterschiedlichen Katalysatoren durchgeführt werden).
- In the executed reformer system with pore burner, the reforming temperature can be increased beyond the temperature of 700 ° C. that can be realized at the test reactor,
- - By soldering the metal foams with the reactor wall a much better heat transfer is achieved than is the case with the test reactor,
- - For the further investigations with the section reactor and the prototype of the reformer system the exclusive employment of the most suitable catalysts takes place (and the attempts are not carried out - as with the last carried out tests - alternatively with a mix from different catalysts).
Gegenstand dieser Patentanmeldung ist auch der Aufbau sowie die Erprobung und Optimierung eines wärmeintegrierten, innovativen Reformersystems im Leistungsbereich 2,5 kWth für die Hausenergieversorgung, der sich insbesondere durch einen hohen Wirkungsgrad, ein kompaktes Design mit hieraus resultierender hoher Lastwechseldynamik (u. a. bedingt durch kleine thermische Massen), einfache Betriebsführung sowie hohe Leistungsmodulation auszeichnet und gegenüber herkömmlichen Modellen Vorteile bezüglich des An- und Abfahrverhaltens aufweist. Plangemäß soll – nach dem im Rahmen des Vorgängerprojektes erfolgten Nachweis der prinzipiellen Funktionsfähigkeit der innovativen Technologien (Porenbrenner, metallschaumbasierter Reformerkatalysator und daraus aufgebauter Reformierungsreaktor) – in diesem Anschlussvorhaben die Weiterentwicklung und die Heranführung an die Praxisreife erfolgen. Dazu wird die entwickelte Reformerstufe um eine ebenfalls metallschaumbasierte Shift-Stufe mit passiver Temperaturführung zur Erzielung niedriger CO-Gehalte im Produktgas ergänzt und damit ein Funktionsmuster eines wärmeintegrierten, kompakten Reformergesamtsystems aufgebaut. Unter Anbindung einer SelOx-Feinreinigungsstufe und einer Entschwefelungseinheit soll das Reformer-Gesamtsystem an eine PEM-Brennstoffzelle gekoppelt und unter praxisnahen Bedingungen getestet werden.The subject of this patent application is also the structure and the testing and optimization of a heat-integrated, innovative reformer system in the power range 2.5 kW th for domestic energy supply, which in particular by a high efficiency, a compact design with resulting high load cycle dynamics (including due to small thermal Mass), simple operation management and high power modulation is distinguished and compared to conventional models advantages in terms of startup and Abfahrverhaltens. As planned, according to the proof of the fundamental functionality of the innovative technologies (pore burner, metal foam based reformer catalyst and reforming reactor based on it), further development and introduction to practical maturity will take place in this follow-up project. For this purpose, the developed reformer stage is supplemented by a likewise metal foam-based shift stage with passive temperature control to achieve low CO contents in the product gas and thus built up a functional pattern of a heat-integrated, compact reformer overall system. By connecting a SelOx fine cleaning stage and a desulphurisation unit, the overall reformer system is to be coupled to a PEM fuel cell and tested under practical conditions.
Brennstoffzellen-Systeme (BZ-Systeme) mit Reformern, die Kohlenwasserstoffe als Brenngas verwenden, sind bis heute noch nicht kommerziell verfügbar. Der Grund liegt darin, dass es sich immer noch um sehr komplexe und aufwendige Systeme handelt. Dies führt zu sehr hohen Investitionskosten bei immer noch unbefriedigender Systemverfügbarkeit.Fuel cell systems (BZ systems) with reformers that use hydrocarbons as fuel gas are still not commercially available. The reason is that it is still around very complex and expensive systems. This leads to very high investment costs with still unsatisfactory system availability.
Weltweit werden von einigen Gruppen Reformer-Prototypen entwickelt. Die dabei erzielten Leistungsdaten (Wirkungsgrade, Produktgasqualitäten) liegen in vergleichbaren Größenordnungen (Osaka Gas, Tokyo Gas, ZBT etc.) und lassen sich kaum noch signifikant verbessern, da sie an thermodynamische Grenzen stoßen. Über den Markterfolg eines Reformerkonzeptes entscheiden daher die Unterschiede, die insbesondere die Wirtschaftlichkeit der Systeme betreffen. Erfolgreich werden Reformer sein, die sich einerseits kostengünstig herstellen lassen (möglichst wenig Material, preisgünstige Materialien, kompakter Aufbau, möglichst einfache Konstruktion, in Massenfertigungsverfahren herstellbar etc.), andererseits signifikant geringere Betriebskosten aufweisen (geringer Wartungsaufwand, möglichst wenig aktiven Regelungsbedarf, wenig aktive Komponenten mit entsprechend geringem parasitären Energiebedarf und hoher Wirkungsgrad). Es besteht daher u. a. ein erheblicher Optimierungsbedarf hinsichtlich der Systemvereinfachung (eine Komponente, die nicht benötigt wird, reduziert die Investitionskosten, erfordert keine Regelung bzw. Überwachung und kann nicht versagen) und der Reduzierung der Herstellungskosten.Worldwide are being developed by some groups of reformer prototypes. The case Achieved performance data (efficiencies, product gas qualities) lie in comparable orders of magnitude (Osaka Gas, Tokyo gas, ZBT etc.) and barely become significant improve as they encounter thermodynamic limits. about The market success of a reformer's concept therefore determines the differences especially concerning the economics of the systems. Successful will be reformers, on the one hand cost-effective let produce (as little material, inexpensive Materials, compact construction, as simple as possible construction, in mass production processes, etc.), on the other hand significant have lower operating costs (low maintenance, if possible Low active regulatory requirement, less active components with accordingly low parasitic energy demand and high efficiency). It therefore exists u. a. a considerable need for optimization regarding System Simplification (a component that is not needed will, reduces the investment costs, does not require any regulation or monitoring and can not fail) and the reduction the production costs.
Es wurde eine neuartige Dampfreformerstufe zur Gewinnung von wasserstoffreichem Synthesegas für stationäre Brennstoffzellenanwendungen entwickelt, die sich insbesondere durch den Einsatz eines Katalysators auf der Basis elektrolytisch beschichteter zellularer metallischer Werkstoffe (Metallschäume) und der Beheizung mittels eines Porenbrenners auszeichnet.It was a novel steam reformer stage for the production of hydrogen-rich Synthesis gas for stationary fuel cell applications developed, in particular through the use of a catalyst based on electrolytically coated cellular metallic Materials (metal foams) and the heating by means of a Pore burner distinguishes.
Obwohl zum Zeitpunkt dieser Anmeldung abschließende Tests mit den in einem Reformer-Prototyp zu integrierenden Teil-Systemen (Porenbrenner, Katalysator etc.) noch ausstehen, lässt sich anhand der Versuchsergebnisse, die mit den neu entwickelten Komponenten in Versuchsständen erzielt wurden, bereits zum jetzigen Zeitpunkt absehen, dass die Erwartungen, die in diese neuen Technologien gesetzt wurden, nicht nur erfüllt, sondern teilweise sogar weit übertroffen werden können. Neben der erfolgreichen Entwicklung eines äußerst kompakt aufgebauten, mehrstofffähigen Verbrennungssystems auf Basis der Porenbrennertechnik, für das im Teststand die Eignung für den Betrieb mit Anodenrestgas sowie sehr kurze thermische Ansprech- und Aufheizzeiten nachgewiesen werden konnten, betrifft dies insbesondere die Leistungsfähigkeit des im Rahmen des Projektes entwickelten Katalysators auf der Basis eines elektrolytisch beschichteten, offenporigen Metallschaums. Bereits zum jetzigen Stand der Entwicklung werden mit dem Katalysator bei der Reformierung von Methan Umsatzraten im Bereich des thermodynamischen Gleichgewichts erreicht. Bei stabiler Betriebsführung lassen sich dabei Raumgeschwindigkeiten realisieren, die ein Mehrfaches der gesetzten Zielsetzung betragen. Zudem zeichnet sich der Metallschaumkatalysator durch eine für Katalysatoren auf Nickelbasis ungewöhnliche Robustheit aus, die sich insbesondere in einer ausgeprägten Unempfindlichkeit gegen sauerstoffhaltige Atmosphären äußert. Über die erzielten Entwicklungserfolge hinaus bietet der Metallschaumkatalysator ein sehr hohes Potenzial bezüglich weitergehender Leistungssteigerungen sowie auch bezüglich der Erschließung weiterer Einsatzfelder auf dem Gebiet der heterogenen Katalyse, die ggf. auch den Sektor mobiler Anwendungen einschließen können.Even though at the time of this application final tests with the partial systems to be integrated in a reformer prototype (pore burners, Catalyst etc.) still outstanding, can be determined on the basis of Experimental results with the newly developed components in Test stands have been achieved, already at this time foresee that the expectations set in these new technologies were not only fulfilled, but sometimes even exceeded can be. In addition to the successful development of an extremely compact, multi-fuel combustion system based on the pore burner technology, for the test stand the suitability for the operation with anode residual gas as well as very short thermal response and heating times are detected particular, this affects performance based on the catalyst developed in the framework of the project an electrolytically coated, open-pored metal foam. Already at the current state of development are with the catalyst in the reforming of methane conversion rates in the field of thermodynamic Balance achieved. Leave in stable operation At the same time, space velocities can be realized, many times over set goal. In addition, the metal foam catalyst is characterized by a robustness that is unusual for nickel-based catalysts in particular, in a pronounced insensitivity expresses against oxygen-containing atmospheres. about the achieved development successes, the metal foam catalyst offers a very high potential regarding further performance improvements as well as with the development of further Fields of application in the field of heterogeneous catalysis, possibly also include the mobile application sector.
Beim Dampfreformer für stationäre Brennstoffzellenanwendungen sind durch den Einsatz offenporiger Metallschäume auch in der Shift-Stufe Vorteile insbesondere bezüglich des Wirkungsgrades, der Kompaktheit und der Systemvereinfachung zu erwarten. Daher soll im Rahmen der Weiterentwicklung des Reformers eine innovative Shift-Stufe mit passiver Temperaturführung auf der Basis metallschaumgeträgerter Katalysatoren aufgebaut und in das System integriert werden. Die gute Wärmeleitfähigkeit von Metallschäumen soll genutzt werden, um die exotherme Reaktionswärme der Shift-Reaktion kontrolliert so an die Umgebung abzuführen (beispielsweise an das umgebende Rauchgas), dass sich – unter Berücksichtigung der thermodynamischen Gleichgewichtslage der Shift-Reaktion – bei passiver Betriebsführung ein für die CO-Umwandlung günstiger Temperaturverlauf ergibt, der zu sehr niedrigen CO-Gehalten am Ausgang der Shift-Stufe führt. Der niedrige CO-Gehalt reduziert den Luftbedarf für die nachfolgende Feinreinigung in einer SelOx-Stufe und führt damit zu einer Wirkungsgradsteigerung. Zudem ergeben sich durch die Reduzierung der exothermen Reaktionswärme wesentliche Vereinfachungen in der Betriebsführung.At the Steam reformer for stationary fuel cell applications are due to the use of open-pored metal foams as well in the shift stage advantages in particular with regard to Efficiency, compactness and system simplification. Therefore, in the context of the further development of the reformer, an innovative Shift level with passive temperature control on the base metal foam supported catalysts and built in the system will be integrated. The good thermal conductivity Metal foams should be used to exotherme Reaction heat of the shift reaction controls so on Dissipate environment (for example, to the surrounding flue gas), that - taking into account the thermodynamic equilibrium position the shift reaction - with passive operational management a favorable for CO conversion temperature profile results in very low CO levels at the output of the shift stage leads. The low CO content reduces the air requirement for the subsequent fine cleaning in a SelOx stage and thus leads to an increase in efficiency. moreover resulting from the reduction of the exothermic heat of reaction essential Simplifications in operational management.
Neben der Leistungssteigerung des Dampfreformers durch Fortentwicklung der Metallschaumkatalysatoren der Reformierstufe und der beschriebenen Entwicklung eines innovativen Single-Shift-Reaktors besteht ein weiteres primäres Entwicklungsziel in der effizienten Wärmeintegration der Anlagenteile, die eine Voraussetzung zur Erzielung eines hohen Systemwirkungsgrades bildet. Es soll ein Funktionsmuster mit einer Leistung von 2,5 kWth hergestellt werden, das in einem kompakt gebauten, gut isolierten Metallzylinder die Reaktionsstufen Pre-Reformer, Haupt-Reformer, CO-Konvertierung (Single-Shift), Dampferzeuger und Wärmeintegration enthält. Um einen universellen Einsatz des neuen Reformersystems zu gewährleisten (z. B. die Anbindung an die aussichtsreichen, aber noch in Entwicklung befindlichen Hochtemperatur-PEM) werden weitere ggf. erforderliche periphere Anlagenteile außerhalb der Reformerhülle angebunden. Es soll das Funktionsmuster mit einer Entschwefelungs- und Feinreinigungsstufe (SelOx) versehen und an eine PEM-Brennstoffzelle mit einer an die thermische Reformerleistung angepassten elektrischen Leistung von 1 kW angekoppelt werden, um Leistungstests unter praxisnahen Bedingungen durchführen zu können.In addition to increasing the efficiency of the steam reformer by further developing the metal foam catalysts of the reforming stage and the described development of an innovative single-shift reactor, another primary development objective is the efficient heat integration of the plant components, which is a prerequisite for achieving a high system efficiency. The aim is to produce a functional model with a capacity of 2.5 kW th , which contains the reaction stages pre-reformer, main reformer, CO conversion (single-shift), steam generator and heat integration in a compact, well-insulated metal cylinder. To ensure a universal use of the new reformer system (eg the An binding to the promising, but still in development high-temperature PEM) further possibly necessary peripheral plant parts are connected outside the reformer shell. The function model is to be equipped with a desulphurisation and fine-cleaning stage (SelOx) and coupled to a PEM fuel cell with an electric power of 1 kW adapted to the thermal reformer performance in order to be able to perform performance tests under practical conditions.
Ein bekanntes Polymermembran-Brennstoffzellensystem zum Einsatz in der Hausenergieversorgung besteht im Wesentlichen aus folgenden Systemkomponenten: A known polymer membrane fuel cell system for use in domestic energy supply consists essentially of the following system components:
Nachfolgend wird der Stand der Technik der Kernkomponenten eines Dampfreformer-Systems beschrieben. Darüber hinaus erfolgt eine Darstellung des aktuellen Entwicklungsstandes ausgeführter Brennstoffzellen-Heizgeräte.following The prior art becomes the core components of a steam reformer system described. In addition, a representation of the Current state of development of fuel cell heaters.
Reformerreformer
Die
durchgeführten Forschungsarbeiten beziehen sich auf die
in
Bei
der katalytischen Spaltung durch Dampfreformierung (steam reforming)
kommen neben den meist teueren Edelmetallkatalysatoren bevorzugt
relativ preisgünstige Nickelkatalysatoren zum Einsatz.
Die Reaktion ist endotherm, d. h., der Katalysator muss für
einen genügend hohen Umsatz auf Reaktionstemperatur gehalten
werden. Großtechnisch ist es üblich, Erdgas im
Röhrenofen bei Temperaturen von 750–950°C
und Drücken von 15–40 bar unter Zugabe von Wasserdampf
am Katalysator (z. B. Ni oder Pt) zu spalten. Das Dampfreformieren
läuft im Wesentlichen nach den beiden unabhängigen
Reaktionsgleichungen
Die Kenntnis der Lage des thermodynamischen Gleichgewichtes ist von elementarer Bedeutung für die optimierte Auslegung von Reaktoren und Prozessen. Es stellt einen idealisierten Grenzfall dar, der jedoch insbesondere im Bereich der homogenen Gasreaktionen bei entsprechend hohen Temperaturen und dem Einsatz geeigneter Katalysatoren mit guter Näherung in der Praxis erreicht werden kann. In Diagramm 6 ist das temperaturabhängige Gleichgewicht für die Methandampfreformierung für ein S/C-Verhältnis von 3 bei Umgebungsdruck sowie das der daran anschließenden Shift-Konvertierung grafisch dargestellt. Es wird deutlich, dass bei der Reformierung das Gleichgewicht für niedrige Temperaturen fast vollständig auf der Eduktseite liegt, also bei Methan und Wasserdampf, und erst mit zunehmender Temperatur auf die Produktseite zu Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid verschoben wird.Knowledge of the position of the thermodynamic equilibrium is of fundamental importance for the optimized design of reactors and processes. It represents an idealized borderline case, which however can be achieved in practice in the field of homogeneous gas reactions at correspondingly high temperatures and the use of suitable catalysts with a good approximation. Diagram 6 graphically shows the temperature-dependent equilibrium for the methane steam reforming for an S / C ratio of 3 at ambient pressure and the subsequent shift conversion. It becomes clear that in the reforming the equilibrium for low temperatures is almost completely on the educt side, ie with methane and water vapor, and only with increasing temperature on the product side to what serstoff, carbon monoxide and carbon dioxide is shifted.
Die wohl störendste Nebenreaktion ist die Kohlenstoffabscheidung, die bei der Dampfreformierung insbesondere bei Wassermangel in bestimmten Temperaturbereichen auftreten kann. Verschiedene Kohlenstoffbildungsmechanismen, die komplizierte Kinetik der Reaktionen sowie der Einfluss des Katalysators auf die Kohlenstoffbildung machen eine eindeutige Vorhersage der Grenzen der Kohlenstoffabscheidung schwierig. Rußbildung bei der Reformierung von Kohlenwasserstoffen entsteht bevorzugt durch Cracken von Methan bei Temperaturen ab etwa 300°C oder durch die Boudouard-Reaktion (2CO <=> CO2 + C) auch bei niedrigeren Temperaturen. Begünstigt wird die Boudouard-Reaktion bei geringen Wasserdampfanteilen durch die Anwesenheit von Metallen der achten Nebengruppe des Periodensystems, wie z. B. Nickel oder Eisen. Bei höheren Wasserdampfkonzentrationen katalysieren diese Metalle – insbesondere Nickel – die Wassergasreaktion, wodurch der Rußbildung entgegengewirkt wird.Probably the most disturbing side reaction is carbon deposition, which can occur in steam reforming, especially in the case of water shortage in certain temperature ranges. Various carbon formation mechanisms, the complicated kinetics of the reactions, and the influence of the catalyst on carbon formation make it difficult to unambiguously predict the limits of carbon capture. Soot formation in the reforming of hydrocarbons is preferably produced by cracking methane at temperatures above about 300 ° C or by the Boudouard reaction (2CO <=> CO 2 + C) even at lower temperatures. The Boudouard reaction is favored at low levels of water vapor by the presence of metals of the eighth subgroup of the periodic table, such. As nickel or iron. At higher water vapor concentrations, these metals - especially nickel - catalyze the water gas reaction, thereby counteracting soot formation.
Mit einiger Sicherheit ausschließen kann man die Rußbildung nur bei einem ausreichenden Überschuss an Wasserdampf und bei Temperaturen, die die Reformierungsreaktionen gegenüber der Kohlenstoffabscheidung begünstigen. So wird ab einer Temperatur von ca. 600°C die Tendenz zur Rußbildung immer geringer, da die oxidative Umsetzung der Rußvorläufer schneller als deren Bildung erfolgt. Im Einzelfall und insbesondere bei metallischen Katalysatorsubstraten sind jedoch experimentelle Untersuchungen erforderlich, um durch geeignete Wahl der Prozessführung sowie durch Modifikation der Katalysatoreigenschaften (z. B. durch Dotierung mit geeigneten Substanzen wie z. B. MgO oder Cer) die Kohlenstoffbildungsgrenzen in geeigneter Weise zu verschieben.With some safety can exclude the formation of soot only with a sufficient excess of water vapor and at temperatures that face the reforming reactions promote carbon deposition. That's how it starts Temperature of about 600 ° C the tendency to soot ever smaller, since the oxidative conversion of the carbon black precursors faster than their formation takes place. In an individual case and in particular however, metallic catalyst substrates are experimental Investigations needed to be made by proper choice of litigation as well as by modification of the catalyst properties (eg by Doping with suitable substances such. As MgO or cerium) the Shift carbon formation limits appropriately.
Als Katalysatormaterial bei der Wasserdampfreformierung wird in herkömmlichen Dampfreformern meist eine Schüttung aus Pellets oder um den Druckverlust über die Katalysatorschüttung zu reduzieren aus Ringen (Raschig-Ringe) oder Hohlkugeln in typischen Festbettreaktoren eingesetzt. Bei neueren Katalysatorentwicklungen werden auch Edelmetalle wie Pt, Rh und Pd auf den oben beschriebenen Substraten oder auf Keramik- oder Metallmonolithen eingesetzt. Den höheren Kosten stehen bei diesen Systemen meist eine bessere Beständigkeit gegenüber Temperaturschwankungen sowie eine höhere Aktivität gegenüber, durch die sich höhere Raumgeschwindigkeiten und damit ein kompakteres Design realisieren lassen. Zudem verhalten sich Edelmetallkatalysatoren im Gegensatz zu herkömmlichen Katalysatoren auf Nickelbasis nicht pyrophor, d. h., sie bleiben auch bei Luftkontakt aktiv, was zu Vorteilen beim An- und Abfahren der Reformiereinheit führt.When Catalyst material in the steam reforming is conventional Steam reformers usually a bed of pellets or to the pressure loss over the catalyst bed reduce from rings (Raschig rings) or hollow balls in typical Fixed bed reactors used. For newer catalyst developments Also, precious metals such as Pt, Rh and Pd are described above Substrates or on ceramic or metal monoliths used. The higher costs are usually better with these systems Resistance to temperature fluctuations as well as a higher activity, through the higher space velocities and thus one to realize a more compact design. In addition, noble metal catalysts behave in contrast to conventional nickel-based catalysts not pyrophoric, d. h., They remain active even when in contact with air, which leads to advantages when starting and stopping the reforming unit.
Der Umsatz von Methan und somit die Ausbeute von Wasserstoff hängen bei gegebener Katalysatoraktivität in erster Linie davon ab, wie effizient Wärme von außen in den Reaktorraum für die endotherme Reaktion eingebracht und dort verteilt werden kann. Das bedeutet, dass die Wärmeleitfähigkeit des Katalysatorsystems (bestehend aus Katalysatormaterial, Katalysatorträger, geometrische Anordnung) von entscheidender Bedeutung für die Leistungsfähigkeit (beispielsweise charakterisiert durch die erzielbare Raumgeschwindigkeit) einer Reaktorstufe ist. Die thermische Trägheit klassischer Festbettreaktoren mit Katalysatorschüttung führt zu einem unbefriedigenden Verhalten beim Durchfahren von Lastwechselsituationen, was sich in einer eingeschränkten Dynamik und Qualitätseinbußen des Produktgases (z. B. CO-Anstieg im Reformat) äußert. Zudem müssen meist Kaltstartzeiten im zweistelligen Minuten- oder sogar im Stundenbereich hingenommen werden.Of the Sales of methane and thus the yield of hydrogen depend for a given catalyst activity in the first place from how efficiently heat from outside into the reactor room introduced and distributed for the endothermic reaction can be. That means the thermal conductivity the catalyst system (consisting of catalyst material, catalyst support, geometric arrangement) of crucial importance for the performance (for example, characterized through the achievable space velocity) of a reactor stage. The thermal inertia of classical fixed bed reactors Catalyst bed leads to an unsatisfactory Behavior when driving through load change situations, what is in a limited dynamics and quality losses of the product gas (eg CO increase in the reformate). moreover usually need cold start times in the double-digit minutes or even in the hourly range.
Shift-StufeShift stage
Hinter dem Reformierungsreaktor wird das heiße Reformat abgekühlt und der Shift-Stufe zugeführt. Dort findet praktisch ausschließlich die gewünschte Shift-Konvertierung nach Gl. 2.2 statt, da der Prozess der Rückmethanisierung durch die Selektivität des eingesetzten Katalysators unterbunden wird. Wasserdampf und Kohlenmonoxid nehmen zu gleichen Teilen ab, während gleichzeitig Wasserstoff und Kohlendioxid im selben Maße zunehmen. Die äquimolare, exotherme Reaktion ist in technischen Systemen bis ca. 70 bar rein temperaturabhängig und die Gleichgewichtszusammensetzung liegt mit sinkender Temperatur auf der Produktseite. Bei etwa 100°C liegt sie nahezu vollständig auf der Seite von H2 und CO2.Behind the reforming reactor, the hot reformate is cooled and fed to the shift stage. There is practically only the desired shift conversion to Eq. 2.2 instead, since the process of Rückmethanisierung is suppressed by the selectivity of the catalyst used. Water vapor and carbon monoxide decrease in equal parts, while at the same time hydrogen and carbon dioxide increase to the same extent. The equimolar, exothermic reaction is in technical systems up to about 70 bar purely temperature-dependent and the equilibrium composition is with decreasing temperature on the product side. At about 100 ° C it is almost completely on the side of H 2 and CO 2 .
Da sich abhängig von den Reaktionsparametern Druck, Temperatur und Wasserdampfüberschuss nach der Reformierstufe CO-Konzentrationen bis deutlich über 10 Vol.-% einstellen, erfolgt die der Reformierung nachfolgende Shift-Konvertierung oft in zwei Reaktionsstufen, dem Hochtemperatur-Shift (HT-Shift), z. B. an einem Fe/Cr-Katalysator bei Temperaturen zwischen 330 und 500°C, und dem Niedertemperatur-Shift (NT-Shift), z. B. an einem Cu/Zn-Katalysator bei 190 bis 280°C. Die Temperaturbereiche der beiden Shift-Stufen werden eingeschränkt durch die eingesetzten Katalysatoren. Bei der HT-Shift bildet die Sintertemperatur des Katalysators die obere Grenze. Nach unten ist der Temperaturbereich durch die zur Erzielung akzeptabler Umsätze einzustellenden geringen Raumgeschwindigkeiten (space velocity = auf das Katalysatorvolumen bezogener Eduktvolumenstrom) begrenzt. Insbesondere bei kleinen Dampf-Kohlenstoff-Verhältnissen (S/C) kann bei der HT-Shift eine Reduktion von Eisenoxid (Katalysator) auftreten, durch die die Kohlenwasserstoffsynthese nach Fischer-Tropsch gefördert wird. Bei der NT-Shift wird der Temperaturbetriebsbereich nach oben durch die Rekristallisationstemperatur von Kupfer und nach unten durch temperaturbedingten Aktivitätsverlust eingeschränkt.Since, depending on the reaction parameters of pressure, temperature and water vapor excess, after the reforming stage, CO concentrations reach well above 10% by volume, the shift conversion following reforming is often carried out in two reaction stages, the high-temperature shift (HT shift). z. B. on a Fe / Cr catalyst at temperatures between 330 and 500 ° C, and the low-temperature shift (NT shift), z. B. on a Cu / Zn catalyst at 190 to 280 ° C. The temperature ranges of the two shift stages are limited by the catalysts used. In the HT shift, the sintering temperature of the catalyst forms the upper limit. Below is the temperature range through which to achieve acceptable Revenues to be set low space velocities (space velocity = related to the catalyst volume educt volume flow) limited. In particular, at low steam-carbon ratios (S / C), a reduction of iron oxide (catalyst) can occur in the HT-shift, which is promoted by the Fischer-Tropsch hydrocarbon synthesis. In the NT shift, the temperature operating range is limited upwards by the recrystallization temperature of copper and down by temperature-related loss of activity.
Aufgrund der im oberen Temperaturbereich höheren Reaktionsgeschwindigkeit erfolgt der Hauptumsatz des Kohlenmonoxids in der HT-Shift. Hier kann der nach der Reformierung noch sehr hohe CO-Gehalt von je nach gewählter Reformierungstemperatur zum Teil deutlich über 10 Vol.-% auf z. B. etwa 3 Vol.-% gesenkt werden. Nach Abkühlung des Produktgases wird dieses dem NT-Shift zugeleitet, in dem bei günstiger thermodynamischer Gleichgewichtslage der CO-Gehalt bis auf ca. 1 Vol.-%, je nach Auslegung auch darunter, gesenkt wird. Üblich sind für den Betrieb von HT-Shift-Stufen Raumgeschwindigkeiten von ca. R = 1000–3000 h–1. NT-Shift-Stufen auf der Basis von Cu/Zn-Katalysatoren werden mit R = 2000–5000 h–1 betrieben. Diese relativ niedrigen Raumgeschwindigkeiten, mit denen herkömmliche Shift-Katalysatoren betrieben werden, bedeuten aber auch, dass relativ viel Katalysatormasse gebraucht wird, was zulasten der Kompaktheit des Systems geht. Neuere HT-Shift-Stufen, mit Katalysatoren auf Edelmetallbasis können Raumgeschwindigkeiten von 10000 h–1 und darüber erreichen, sind allerdings auch wesentlich teurer und erreichen in der Regel auch nicht die Aktivität des Cu/Zn-Katalysators bei niedrigen Temperaturen, was unmittelbar zu höheren CO-Gehalten im Produktgas führt.Due to the higher reaction rate in the upper temperature range, the main conversion of carbon monoxide takes place in the HT shift. Here, after the reforming still very high CO content of depending on the chosen reforming temperature sometimes well above 10 vol .-% to z. B. be reduced about 3 vol .-%. After cooling of the product gas, this is fed to the NT shift, in which, at a favorable thermodynamic equilibrium position of the CO content is reduced to about 1 vol .-%, depending on the design even below. For the operation of HT shift stages, space velocities of approximately R = 1000-3000 h -1 are customary. NT-shift stages based on Cu / Zn catalysts are operated at R = 2000-5000 h -1 . However, these relatively low space velocities, with which conventional shift catalysts are operated, also mean that a relatively large amount of catalyst mass is needed, which is at the expense of the compactness of the system. Recent HT-shift steps, using noble metal catalysts, can achieve space velocities of 10,000 h -1 and above, but are also significantly more expensive and typically do not reach the activity of the Cu / Zn catalyst at low temperatures, leading directly to higher temperatures CO levels in the product gas leads.
Bei den Entwicklungen kleiner Reformer zur Hausenergieversorgung wird aus Gründen der Systemvereinfachung und zur Erreichung eines einfacher beherrschbaren Systemverhaltens bei Teillast oft mit nur einer Shift-Stufe gearbeitet. Danach enthält das wasserstoffreiche Gasgemisch meist noch einen Kohlenmonoxidanteil von etwa 1 Vol.-% im trockenen Produktgas, mögliche Werte von ca. 0,5 Vol.-% erkauft man sich in der Regel mit einer aufwendigen mehrstufigen NT-Shift-Stufe und/oder aktiver Temperierung.at the developments of small reformers to house energy supply for reasons of system simplification and achievement a more manageable system behavior at part load often worked with only one shift level. After that it contains hydrogen-rich gas mixture usually still a carbon monoxide content of about 1% by volume in dry product gas, possible values of about 0.5 Vol .-% you usually buy with a lavish multi-stage NT shift stage and / or active temperature control.
CO-FeinreinigungCO fine cleaning
Insbesondere PEM-Brennstoffzellen reagieren bei Betriebstemperaturen von 60–80°C empfindlich auf die Anwesenheit von Kohlenmonoxid (lediglich 10 bis 20 ppm sind i. A. zulässig). Dies beruht auf einer Vergiftung der Platinbelegung der Anode, wodurch Zellspannung und Reaktionsgeschwindigkeit und damit auch der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle sinken. Durch Zulegieren von Ruthenium kann die CO-Verträglichkeit der PEM-BZ verbessert werden. Mit zunehmender Temperatur verlagert sich das Gleichgewicht des Adsorptions- bzw. Desorptionsvorganges von CO in die Desorptionsrichtung. Dies ist auch der Grund, weshalb die bei etwa 130–200°C arbeitenden Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzellen (HT-PEM) Kohlenmonoxidgehalte im Brenngas in der Größenordnung von etwa 1 Vol.-% tolerieren. Die Grundlage dieses Brennstoffzellentyps bildet eine neu entwickelte, temperaturbeständige Kunststoffmembran aus Polybenzimidazol. Diese neuen Hochtemperatur-Membranen für Brennstoffzellen werden als kostengünstige und unempfindliche Alternative zu klassischen Membranbrennstoffzellen angesehen, befinden sich zurzeit allerdings noch in der Testphase.Especially PEM fuel cells react at operating temperatures of 60-80 ° C sensitive to the presence of carbon monoxide (only 10 up to 20 ppm i. A. permissible). This is based on a Poisoning of the platinum occupancy of the anode, causing cell voltage and Reaction speed and thus the efficiency of the fuel cell decline. By adding ruthenium, the CO compatibility the PEM-BZ be improved. Relocated with increasing temperature the equilibrium of the adsorption or desorption process of CO in the desorption direction. This is also the reason why the working at about 130-200 ° C high-temperature PEM fuel cells (HT-PEM) Carbon monoxide levels in the fuel gas on the order of magnitude of about 1 vol.%. The basis of this type of fuel cell forms a newly developed, temperature-resistant plastic membrane made of polybenzimidazole. These new high temperature membranes for Fuel cells are considered inexpensive and insensitive Alternative to classic membrane fuel cells are considered currently, however, still in the test phase.
Für den Einsatz in klassischen Niedertemperatur-Membranbrennstoffzellen (NT-PEM) ist der CO-Gehalt nach der Niedertemperatur-Shift-Konvertierung mit ca. 1% jedoch noch deutlich zu hoch, sodass eine CO-Feinreinigungsstufe notwendig ist. Grundsätzlich sind verschiedene Verfahren der CO-Feinreinigung bekannt und auch verfügbar. Für den Einsatz in Membranbrennstoffzellensystemen werden überwiegend die Druckwechseladsorption, die Hochtemperaturdiffusion durch Metallmembranen sowie die selektive katalytische Methanisierung (SelMeth) und die selektive katalytische Oxidation (SelOx) des Kohlenmonoxids eingesetzt. Das letztgenannte Verfahren, bei dem eine kleine Menge Luft dem Gasstrom zudosiert wird, wird dabei von den meisten Systemherstellern favorisiert.For the use in classical low-temperature membrane fuel cells (NT-PEM) is the CO content after the low-temperature shift conversion However, with about 1% still significantly too high, so a CO fine cleaning stage necessary is. Basically, there are different procedures the CO fine cleaning known and available. For The use in membrane fuel cell systems are predominantly the pressure swing adsorption, the high-temperature diffusion through metal membranes as well as the selective catalytic methanization (SelMeth) and the Selective catalytic oxidation (SelOx) of carbon monoxide used. The latter method, in which a small amount of air the Gas flow is metered by most system manufacturers favored.
Die
Selektive Oxidation ist ein Gasfeinreinigungsverfahren, bei dem
unter Zugabe von Luftsauerstoff in Anwesenheit eines geeigneten
Katalysators Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid nach der Reaktion
Beide Reaktionen sind stark exotherm, sodass bei adiabater Reaktionsführung eine deutliche Temperaturerhöhung und bei isothermer Reaktionsführung ein entsprechender Wärmeaustrag zu berücksichtigen ist. Bei den meisten eingesetzten SelOx-Katalysatoren ist ein Temperaturfenster von etwa 80 bis 160°C einzuhalten, daher ist in der Regel eine möglichst isotherme Temperaturführung anzustreben und eine Kühleinrichtung vorzusehen. Die stöchiometrische Zugabe von Sauerstoff (☐ = 1) reicht bei Reformatgasen allerdings bei Weitem nicht aus, da reale Katalysatoren keine vollkommene Selektivität zugunsten der CO-Oxidation aufweisen. Daher liegt der einzustellende Lambda-Wert (Verhältnis der zugeführten Sauerstoffmenge zur mindestens erforderlichen Sauerstoffmenge) je nach Katalysator und Betriebsbedingungen meist im Bereich zwischen zwei und vier. Eine weitere wichtige Erkenntnis ist, dass das thermodynamische Gleichgewicht in Bezug auf die Kohlenmonoxidkonzentration im Temperaturfenster von 80 bis 160°C weit über der normalerweise geforderten Obergrenze von 10 bis 20 ppm liegt, da bei den gegebenen Reaktionsbedingungen die umgekehrt ablaufende Shift-Konvertierung sinngemäß zu einer Kohlenmonoxidbildung führt. In einer selektiven Oxidationsstufe kann die erforderliche Gaszusammensetzung nur erreicht werden, wenn die Oxidationsreaktion des CO kinetisch schneller abläuft als die umgekehrt ablaufende Shift-Konvertierung, die dann nicht bis ins Gleichgewicht reagieren darf. Aufgrund der unerwünschten Nebenreaktionen müssen meist sehr restriktive Betriebsbedingungen eingehalten werden, sodass zwar ein stationärer Prozess möglich ist, jedoch Lastwechsel, Teillastverhalten oder schwankende Eintrittsbedingungen große Schwierigkeiten darstellen. Dies erfordert in jedem Fall eine sorgfältig ausgelegte Reaktionsstufe.Both Reactions are highly exothermic, so that with adiabatic reaction a significant increase in temperature and in isothermal reaction to consider a corresponding heat loss is. Most of the SelOx catalysts used have a temperature window from about 80 to 160 ° C, therefore, is usually to strive for a possible isothermal temperature control and to provide a cooling device. The stoichiometric Addition of oxygen (□ = 1) is sufficient for reformate gases However, by far not enough, because real catalysts are not perfect Have selectivity in favor of CO oxidation. Therefore is the lambda value to be set (ratio of the supplied Amount of oxygen to the minimum required amount of oxygen) each after catalyst and operating conditions mostly in the range between two and four. Another important finding is that the thermodynamic Equilibrium with respect to the carbon monoxide concentration in the temperature window from 80 to 160 ° C far above the normally required upper limit from 10 to 20 ppm, since under the given reaction conditions the reverse shift conversion is analogous to leading to carbon monoxide formation. In a selective oxidation state the required gas composition can only be achieved if the oxidation reaction of CO kinetically faster than the reverse-going shift conversion, which is not allowed to react to balance. Due to the undesirable Side reactions usually have very restrictive operating conditions be complied with, so although a stationary process is possible, however, load change, partial load or fluctuating entry conditions great difficulty represent. This requires a careful one in each case designed reaction stage.
Brennerburner
Der Brenner hat die Aufgabe, den Dampfreformer im stationären Betrieb zu beheizen. Zu diesem Zweck werden zur Erhöhung des Systemwirkungsgrads sowie zur Verringerung von Schadstoffemissionen die Abgase der Brennstoffzelle und des Gaserzeugungssystems, die noch beträchtliche Anteile brennbarer Bestandteile wie H2, CO und CH4 enthalten, nachverbrannt. Die enthaltene Wärmemenge ist jedoch deutlich geringer als die vom endothermen Dampfreformierungsprozess benötigte Energie, sodass der Systemkraftstoff Erdgas zugegeben werden muss. Zusätzlich hat der Brenner die Aufgabe, beim Kaltstart das System auf Betriebstemperatur aufzuheizen. Hierzu wird der Systemkraftstoff Erdgas verbrannt. Ein wesentliches Ziel ist hierbei, die Zeitdauer bis zur Erreichung eines stationären Betriebszustands des Gaserzeugungssystems möglichst kurz zu halten.The burner has the task of heating the steam reformer in stationary operation. For this purpose, the exhaust gases of the fuel cell and of the gas generating system, which still contain considerable amounts of combustible constituents such as H 2 , CO and CH 4 , are burned to increase the system efficiency and to reduce pollutant emissions. However, the amount of heat contained is significantly less than the energy required by the endothermic steam reforming process, so the system fuel must be added to natural gas. In addition, the burner has the task of heating the system to operating temperature during a cold start. For this purpose, the system fuel natural gas is burned. An essential goal here is to keep the time duration as short as possible until a stationary operating state of the gas generation system is attained.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Verbrennungsprozessen laufen die Verbrennungsreaktionen bei der Porenbrennertechnologie innerhalb der Hohlräume einer porösen Matrix ab. Da das Stabilisierungskonzept bei der Porenbrennertechnologie im Wesentlichen eindimensional ist, kann als Reaktionszone der gesamte Raum genutzt werden, der durch das poröse Medium zur Verfügung gestellt wird. Aus diesem Grund lassen sich mit der Porenbrennertechnologie nahezu beliebig geformte Brennräume realisieren, die den geometrischen Anforderungen des Prozesses exakt angepasst werden können. Diese Flexibilität in Bezug auf die geometrische Gestaltbarkeit sowie die hohe Leistungsdichte des Porenbrenners wurden genutzt, um eine besonders kompakte Reformereinheit anzufertigen.in the Unlike traditional combustion processes the combustion reactions in pore burner technology within the cavities of a porous matrix. Since that Stabilization concept in pore burner technology essentially is one-dimensional, the entire room can be used as a reaction zone become available through the porous medium is provided. For this reason, can be with the pore burner technology realize almost arbitrarily shaped combustion chambers that the geometric requirements of the process can be adjusted exactly can. This flexibility in terms of geometric design as well as the high power density of the pore burner were used, to make a particularly compact reformer unit.
Die
bisherigen Untersuchungen haben die Eignung des Brennersystems für
den Einsatz in Reformersystemen zum Einsatz in der Hausenergieversorgung
bestätigt. Neben der für einen wirtschaftlichen
Betrieb in diesem Anwendungsgebiet erforderlichen hohen Leistungsmodulationsfähigkeit
konnte der Porenbrenner im bisherigen Versuchsbetrieb insbesondere
durch eine ausgeprägte Multistofffähigkeit (die
auch den Betrieb mit niederkalorischen Gasgemischen einschließt)
sowie durch geringe Schadstoffemissionen überzeugen. Eine
detaillierte Darstellung eines Porenbrenners ist in
Bei einem Gemeinschaftsprojekt, das die Entwicklung eines neuen Dampfreformersystems zum Einsatz in der Hausenergieversorgung zum Ziel hat, liegt der Fokus der Forschungsarbeiten des Vorhabens zunächst auf der Entwicklung eines neuen, metallschaumgeträgerten Katalysatorsystems, der Konstruktion eines für die Anwendung in einem Dampfreformer-System geeigneten Porenbrenners und der Auslegung des Reaktors in Abschnittsbauweise. Das Projekt schließt mit dem Bau und der Erprobung eines Reformer-Demonstrationsmodells ab, der aus einer Reformer-Brenner-Kombination mit integriertem Dampferzeuger besteht, mit dem die generelle Tauglichkeit der erstmalig in dieser Anwendung eingesetzten, neuen Technologien nachgewiesen und die wissenschaftlich-technischen Grundlagen für den Betrieb des neuartigen Systems bereitgestellt werden.at a joint project involving the development of a new steam reformer system for the use in the domestic energy supply has the goal, is the Focus on the research work of the project initially the development of a new, metal foam-supported catalyst system, the construction of one for use in a steam reformer system suitable porous burner and the design of the reactor in sectional construction. The project concludes with the construction and testing of a Reformer demonstration model, consisting of a reformer-burner combination with integrated steam generator, with which the general suitability the new technologies used for the first time in this application and the scientific-technical bases for the Operation of the novel system can be provided.
Der neue Katalysator wurde auf der Grundlage eingehender labortechnischer Untersuchungen der Substrateigenschaften, experimenteller Untersuchungen zur Bestimmung geeigneter Beschichtungsparameter zur Erzielung einer hohen katalytischen Aktivität sowie umfangreicher Katalysatorscreenings entwickelt. Die Matrix der zu untersuchenden Proben wurde aus vier stofflich unterschiedlich aufgebauten Metallschäumen (Ni-, CrNi-, CrNiAl-Schäume sowie ein verstärkter CrNi-Schaum) mit je drei unterschiedlichen Porengrößenbereichen (17–23, 27–33 und 37–43 ppi – pores per inch) gebildet, die mit 0,5 bis 10 Gew.-% Nickel (Auflösung ca. 1 Gew.-%) elektrochemisch beschichtet wurden. In ausgewählten Fällen erfolgte zudem eine zusätzliche Dotierung mit Ruthenium. Darüber hinaus wurden zu Vergleichszwecken weitere Katalysatormuster auf nasschemischem Wege hergestellt und vermessen.The new catalyst was developed on the basis of detailed laboratory investigations of the substrate properties, experimental investigations to determine suitable coating parameters for achieving a high catalytic activity and extensive catalyst screening. The matrix of the samples to be examined was made up of four different metal foams (Ni, CrNi, CrNiAl foams and a reinforced CrNi foam), each with three different pore size ranges (17-23, 27-33 and 37-43 ppi pores per inch), which were electrochemically coated with 0.5 to 10 wt .-% nickel (dissolution about 1 wt .-%). In selected cases, additional doping with ruthenium was also carried out. In addition, for comparison purposes, further catalyst patterns were prepared by wet-chemical methods and measured.
Der Prototyp des neu entwickelten Katalysatorsystems besteht aus einem Nickel-Chrom-Metallschaumsubstrat mit einer durchschnittlichen Porendichte von 37–43 ppi, auf dem mit einem elektrochemischen Beschichtungsverfahren, eine definierte Menge (ca. 4 Gew.-%) Nickel so abgeschieden wird, dass eine möglichst hohe Anzahl an Fehlstellen und Gefügeanomalien auf dem Substrat entsteht, die als katalytisch aktive Zentren wirken. Untersuchungen zufolge, die an unbeschichteten Ni-Cr-Metallschäumen vorgenommen wurden, trägt neben den dispers aufgetragenen, metallischen Nickel-Partikeln auch die nickelhaltige Metallschaummatrix selbst zur hohen Aktivität des Katalysators bei, die sich in einer schnellen Kinetik und dementsprechend hohen, realisierbaren Raumgeschwindigkeiten äußert. Dabei werden Wasserstoffausbeuten erzielt, die im Bereich der nach dem thermodynamischen Gleichgewicht maximal erreichbaren Werte liegen.Of the Prototype of the newly developed catalyst system consists of a Nickel-chromium metal foam substrate with an average pore density from 37-43 ppi, on which with an electrochemical coating process, a defined amount (about 4% by weight) of nickel is deposited, that the highest possible number of defects and structural anomalies arises on the substrate, which act as catalytically active centers. According to investigations, the uncoated Ni-Cr metal foams have been carried, in addition to the dispersed applied, metallic nickel particles and the nickel-containing metal foam matrix even to the high activity of the catalyst, which itself in a fast kinetics and accordingly high, realizable Space speeds expresses. This will be hydrogen yields achieved in the field of thermodynamic equilibrium maximum achievable values.
Bei Raumgeschwindigkeiten von ca. 6000 1/h (zum Vergleich: herkömmliche Katalysatoren, die Nickel als aktive Substanz enthalten, werden bei Raumgeschwindigkeiten von ca. 3000 1/h betrieben) werden Umsätze von ca. 90–95% erreicht. Die Konzentration des Wasserstoffs im trockenen Produktgas beläuft sich auf etwa 75–78 Vol.-% und der Restmethangehalt im Produktgas beträgt maximal etwa 3 Vol.-%.at Space velocities of about 6000 1 / h (for comparison: conventional Catalysts containing nickel as the active substance are operated at space velocities of about 3000 1 / h) are sales of about 90-95% achieved. The concentration of hydrogen in dry product gas amounts to about 75-78 Vol .-% and the residual methane content in the product gas is maximum about 3% by volume.
Bei Leistungstests über den Zeitraum mehrerer Stunden konnten unter den o. g. Bedingungen keine Degradationserscheinungen des Katalysators festgestellt werden. Die Wasserstoffproduktion pro Zeiteinheit erwies sich in den bisher realisierbaren Testzeiträumen von bis zu 8 Stunden als konstant, teilweise wurde bei fortschreitender Einsatzdauer sogar eine geringfügige Zunahme des Wasserstoffanteils im Produktgas beobachtet.at Performance tests over the period of several hours could under the o. g. Conditions no degradation phenomena of Catalyst can be detected. The hydrogen production per Time unit proved in the previously feasible test periods of up to 8 hours as constant, partly as it progressed Duration of use even a slight increase in the hydrogen content observed in the product gas.
Neben der hohen Aktivität zeichnet sich das neue Katalysator-System durch einen sehr geringen Druckverlust und – bedingt durch den metallischen Träger – eine hohe Wärmeleitfähigkeit aus, wodurch sich insbesondere bei An- und Abfahrprozessen sowie bei Lastwechseln Vorteile durch die schnell in das System einzubringende Wärmeenergie ergeben. Des Weiteren ist der Katalysator äußerst robust und unempfindlich gegen eine sauerstoffhaltige Atmosphäre, was sich ebenfalls bei An- und Abfahrprozessen positiv bemerkbar macht und durch die Einsparung von Systemkomponenten (beispielsweise einer Stickstoffversorgung) zu einer Verringerung der Anlagenkomplexität beitragen kann.Next the high activity is the new catalyst system by a very low pressure loss and - due to the metallic carrier - a high thermal conductivity which, in particular during startup and shutdown processes as well as In case of load changes advantages due to the fast introduction into the system Give heat energy. Furthermore, the catalyst is extreme robust and insensitive to an oxygen-containing atmosphere, which also has a positive effect on startup and shutdown processes and by saving system components (such as a Nitrogen supply) to reduce plant complexity can contribute.
Über die ohnehin bereits guten Leistungsdaten hinaus ist insbesondere das Potenzial bemerkenswert, welches das Katalysatorsystem bei entsprechender Weiterentwicklung zu bieten scheint. Die bisherigen Untersuchungen haben ergeben, dass die Raumgeschwindigkeit ohne nennenswerte Einbußen hinsichtlich der erzielbaren Umsätze und Wasserstoffausbeuten bis in Bereiche von über 30.000 1/h gesteigert werden kann. Allerdings neigt das Katalysatorsystem bei Überlastung zu Rußbildung, was eine Belegung der aktiven Zentren des Katalysators durch Ablagerung von Rußpartikeln zur Folge hat und daraus resultierend zu einer Abnahme der Aktivität des Katalysators mit zunehmender Betriebszeit führt. Obwohl diese Deaktivierungseffekte reversibel sind und der niedergeschlagene Ruß jederzeit (auch im laufenden Betrieb) durch kurzzeitige Lufteindüsung abgebrannt werden kann, sind sehr hohe Raumgeschwindigkeiten im momentanen Entwicklungsstadium des Metallschaumkatalysators ohne zusätzlichen technischen Aufwand für eine in Intervallen erfolgende Abreinigung noch nicht realisierbar. Sofern es gelingt, die Rußbildung auch bei sehr hohen Raumgeschwindigkeiten zu unterdrücken, könnte das spezifische Katalysatorvolumen nochmals stark reduziert werden, woraus sich die Perspektive äußerst kompakt bauender Reformersysteme eröffnen würde.about the already good performance data in addition is particular the potential remarkable, which the catalyst system with appropriate Development seems to offer. The previous investigations have shown that the space velocity without significant losses in terms of recoverable and hydrogen yields can be increased to ranges of over 30,000 1 / h. Indeed the catalyst system tends to form soot when overloaded, what an occupancy of the active sites of the catalyst by deposition resulting in soot particles and resulting to a decrease in the activity of the catalyst with increasing Operating time leads. Although these deactivation effects reversible and the precipitated soot at any time (also during operation) by short-term air injection can be burned down, are very high space velocities in the current development stage of the metal foam catalyst without additional technical effort for one at intervals successful cleaning not yet feasible. If it succeeds, Soot formation even at very high space velocities could suppress the specific catalyst volume be greatly reduced again, which makes the perspective extremely compactly based reformer systems.
Die
Entwicklungsarbeiten bezüglich des in den Reformierreaktor
zu integrierenden Porenbrenners sind soweit abgeschlossen, dass
bereits der zweite Prototyp konstruiert, hergestellt sowie im Teststand
erprobt und vermessen wurde. Zurzeit werden die Arbeiten zur Integration
und Erprobung des Porenbrenners im Reformersystem durchgeführt.
Das bei der Antragstellung favorisierte Konzept eines zentral angeordneten
zylindrischen Brenners, der vom Reaktionsraum des Reformers umgeben
wird (
In den Laborversuchen wurde der Brenner in einem Teststand mit den für reale Last- und Betriebszustände relevanten Brennstoffgemischzusammensetzungen beaufschlagt und hinsichtlich der relevanten Betriebsparameter charakterisiert. Das neue Brennersystem ist gekennzeichnet durch ein kompaktes Design, eine stabile Betriebsweise bei hoher Leistungsdichte und Modulationsfähigkeit sowie niedrigen Schadstoffemissionen. Derzeit erfolgt die Erprobung des Porenbrenners im Demonstrationsmodell der Reformereinheit.In the laboratory tests, the burner was in a test stand with the relevant for real load and operating conditions Fuel mixture compositions applied and in terms characterized the relevant operating parameters. The new burner system is characterized by a compact design, a stable operation at high power density and modulation capability as well low pollutant emissions. Currently the testing of the Pore burner in the demonstration model of the reformer unit.
Auch wurde bereits ein Dampf-Reformersystem entwickelt, das eine einfache Konstruktion mit einer effizienten Wärmeintegration bzw. Wärmeverschaltung vereint. Das System, dessen Wärmeverschaltung und prinzipieller Aufbau als Grundlage für den Reformer dienen soll, besteht aus den Reaktionsstufen Pre-Reformer, Hauptreformer, der CO-Konvertierung, dem Dampferzeuger, dem Brenner und der Wärmeintegration innerhalb eines gut isolierten Metallzylinders als Hülle und der Selektiven Oxidationsstufe als CO-Feinreinigungsverfahren außerhalb der Reformerhülle.Also has already developed a steam reformer system, which is a simple Construction with efficient heat integration or Heat connection unites. The system, its heat connection and basic structure as a basis for the reformer consists of the reaction stages pre-reformer, main reformer, the CO conversion, the steam generator, the burner and the heat integration within a well-insulated metal cylinder as a shell and the selective oxidation step as a CO fine purification process outside the reformer shell.
Die Gasprozessoren werden in Testständen charakterisiert, wobei wegen der Vergleichbarkeit zunächst Methan als Eduktgas verwendet wird, bevor dann anschließend die Vermessung mit dem realen Einsatzgas, z. B. Erdgas, erfolgt. Als experimentelle Ergebnisse sind der Wasserstoff-, der Methan- und der Kohlenmonoxidgehalt sowie die Wasserstofferzeugungswirkungsgrade des Reformers hinter der Shift-Stufe für einen realisierten Reformer mit einer Wasserstoffleistung von 6 kW, in Diagramm 8 als Funktion der Last wiedergegeben. Der Gasprozessor kann in einem weiten Leistungsbereich von Ca. 30% bis Volllast stabil betrieben werden. Der dargestellte Wasserstofferzeugungs-Wirkungsgrad des Reformersystems ist dabei definiert als das Verhältnis des unteren Heizwertes des produzierten Wasserstoffs zum unteren Heizwert des dem Reformierprozess und dem Brenner zugeführten Methans. Dieser Wirkungsgrad erreicht gemessen hinter der Shift-Stufe bei Volllast ca. 77%. Der gemessene Wirkungsgrad sinkt im Teillastbereich kaum ab, obwohl die relativ zur Ausgangsleistung des Gasprozessors ansteigenden Wärmeverluste über das Rauchgas des Brenners und die Behälterwand (äußere Isolierung) ansteigen.The Gas processors are characterized in test stands, wherein because of comparability first methane as reactant gas is used before then the survey with the real feed gas, z. As natural gas, takes place. As experimental Results are the hydrogen, methane and carbon monoxide levels and the hydrogen production efficiencies of the reformer the shift level for a realized reformer with a Hydrogen power of 6 kW, in diagram 8 as a function of the load played. The gas processor can operate in a wide performance range from approx. 30% to full load stable operation. The illustrated Hydrogen generation efficiency of the reformer system is here defined as the ratio of the lower heating value of produced hydrogen to the lower calorific value of the reforming process and methane supplied to the burner. This efficiency Measured behind the shift level at full load reaches approximately 77%. Of the Measured efficiency hardly decreases in the partial load range, although the increasing relative to the output of the gas processor Heat losses through the flue gas of the burner and the container wall (outer insulation) increase.
Der Wasserstoffgehalt im trockenen Produktgas (gemessen hinter der Shift-Konvertierung) beträgt im gesamten Betriebsbereich ca. 77 bis 78 Vol.-%. Das nicht im Reformierungsprozess umgesetzte CH4 (Restmethan) sinkt dagegen mit steigender Last, da die Reformierungstemperatur steigt. Aufgrund der bei zunehmend turbulenter werdender Rauchgasströmung immer effizienteren Wärmeeinbringung vom Brenner in die Reformerstufe wird der Methanumsatz verbessert. Der Gehalt an Kohlenmonoxid hinter der Shift-Konvertierung steigt wegen der zunehmenden Katalysatorbelastung (steigende Raum geschwindigkeit mit zunehmendem Gasdurchsatz) von 0,5% bei 30% Teillast an und erreicht bei Volllast etwa 1,5%. Hinter der SelOx-Stufe zur Gasfeinreinigung, die für den Betrieb einer NT-PEM erforderlich ist, wird dann aufgrund des praktisch unvermeidlichen parasitären Wasserstoffumsatzes (unerwünschte Nebenreaktion) in der Gasfeinreinigungsstufe ein je nach CO-Gehalt um 2–5% geringerer Wirkungsgrad erzielt.The hydrogen content in the dry product gas (measured after the shift conversion) is approximately 77 to 78% by volume over the entire operating range. In contrast, the CH 4 (residual methane) not converted in the reforming process decreases with increasing load, as the reforming temperature rises. Due to the increasingly turbulent flue gas flow increasingly efficient heat input from the burner in the reformer stage of the methane conversion is improved. The content of carbon monoxide behind the shift conversion increases due to the increasing catalyst load (increasing space velocity with increasing gas flow rate) of 0.5% at 30% partial load and reached at full load about 1.5%. Behind the SelOx stage for gas fine cleaning, which is required for the operation of a NT-PEM, a 2-5% lower efficiency is achieved due to the virtually unavoidable parasitic hydrogen conversion (undesirable side reaction) in the gas fine purification stage depending on the CO content.
Eine Steigerung des Wirkungsgrades wäre möglich, wenn es gelänge, den CO-Gehalt des in die SelOx-Stufe eingeleiteten Brenngases über den gesamten Lastbereich niedrig zu halten. Einen solchen Ansatz stellt die Entwicklung einer Single-Shift-Stufe mit metallschaumgeträgerten Katalysatoren dar. Die gute Wärmeleitfähigkeit von Metallschäumen sollte es ermöglichen, auch bei passiver Temperaturführung einen für die thermodynamische Gleichgewichtslage günstigen Temperaturverlauf über die Shift-Stufe einzustellen, was zu niedrigen CO-Gehalten am Ausgang der Shift-Stufe bzw. am Eingang der Gasfeinreinigungsstufe führen würde.A Increasing the efficiency would be possible if it would be possible to control the CO content of the substance introduced into the SelOx stage Keep fuel gas low over the entire load range. One such approach is the development of a single-shift stage with metal foam-supported catalysts. The good thermal conductivity of metal foams should allow it, too with passive temperature control one for the thermodynamic Equilibrium position favorable temperature course over to adjust the shift level, resulting in low CO levels at the output would lead to the shift stage or at the entrance of the gas fine cleaning stage.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung sind demnach der Aufbau, die Erprobung und die Optimierung eines wärmeintegrierten, innovativen Reformersystems mit einer thermischen Wasserstoffleistung von 2,5 kW für die Versorgung von Einfamilienhäusern. Der Reformer mit metallschaumbasierten Katalysatoren in Reformierungs- und Shift-Stufe mit passiver Temperaturführung zur Erzielung niedriger CO-Gehalte im Produktgas zeichnet sich insbesondere durch ein kompaktes Design, prinzipiell günstige Herstellungskosten und eine hohe Lastwechseldynamik sowie eine hohe Leistungsmodulation aus. Gegenüber herkömmlichen Modellen weist er Vorteile bezüglich des An- und Abfahrverhaltens auf.task Accordingly, the present invention is the structure, the testing and the optimization of a heat integrated, innovative Reformer system with a thermal hydrogen power of 2.5 kW for the supply of single-family homes. The reformer uses metal foam-based catalysts in reforming and shift level with passive temperature control to achieve low CO levels in the product gas is characterized in particular a compact design, in principle low production costs and a high load change dynamics as well as a high power modulation out. He points to conventional models Advantages regarding the approach and departure behavior on.
Die Leistungsdaten der Reformerstufe wurden experimentell unter simulierten Lastkonditionen ermittelt. Die getestete Reformer-Brenner-Kombination muss nun in ein wärmeverschaltetes Reformer-Gesamtsystem integriert werden, dessen Kennwerte abschließend durch eine Kopplung mit einem Brennstoffzellen-Stack zunächst mit reinem Methan als Brenngas überprüft werden sollen. Des Weiteren sind zurzeit noch keine Kenntnisse über das Betriebsverhalten des neuen Reformers beim Einsatz von realem, schwefelhaltigem Erdgas bekannt. Die wichtigsten zentralen Aspekte sind daher:
- (1) Der metallschaumbasierte Reformer-Katalysator wird weiterentwickelt. Im momentanen Entwicklungsstand wird seine Leistungsfähigkeit noch durch die begrenzte Standzeit (Lebensdauer) und die bei hohen Raumgeschwindigkeiten einsetzende Rußbildung beeinträchtigt. Die weiterentwickelten Reformer-Katalysatorsysteme werden hinsichtlich ihrer Deaktivierung und Degradation auch in Gegenwart des Katalysatorgiftes Schwefel untersucht und der bisher verwendete Reformer-Reaktor an den weiterentwickelten Reformer-Katalysator angepasst.
- (2) Aufgrund der bei Metallschäumen gegebenen hohen Wärmeleitfähigkeit, die aus der Kombination großer Berührungsfläche und geringem Wärmewiderstand entsteht, ist zu erwarten, dass metallschaumbasierte Katalysatoren auch bei der Shift-Reaktion vorteilhaft eingesetzt werden können. Dementsprechend sollen die Metallschäume -analog zur bisherigen Reformer-Katalysatorentwicklung-elektrochemisch mit Cu bzw. Cu/Zn als den für die Shift-Reaktion im angestrebten Temperaturbereich katalytisch aktiven Substanzen beschichtet werden. Der so entwickelte Shift-Katalysator wird als innovative Weiterentwicklung ebenfalls auf einem Langzeitprüfstand hinsichtlich seiner Standzeit untersucht.
- (3) Mithilfe des metallschaumbasierten Shift-Katalysators wird ein kompakter, einstufiger Shift-Reaktor mit passiver Temperaturführung aufgebaut. Im Einströmungsbereich wird der Katalysator durch die exotherme Shift-Reaktion auf höhere Temperaturen aufgeheizt, um dort die dadurch bedingte gute Kinetik auszunutzen. Im weiteren Strömungsverlauf wird dann die günstige Gleichgewichtslage durch Absenkung der Temperatur aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit des Metallschaums (nicht adiabater Reaktor, Wärmeabgabe an die Umgebung über die Reaktorwand) ausgenutzt. Damit ist zu erwarten, dass ein sehr niedriger CO-Gehalt von weniger als 0,5 Vol.-% im trockenen Produktgas ohne aktive Kühlung erreicht werden kann.
- (4) Die bisher entwickelte Reformerstufe-Brenner-Kombination mit Katalysator auf Metallschaumbasis und Porenbrenner wird zu einem wärmeintegrierten Reformer-Gesamtsystem ausgebaut. Dazu werden als Basis die von ZBT entwickelte Wärmeverschaltung und der oben beschriebene einstufige Shift-Reaktor auf Metallschaumbasis mit passiver Temperaturführung und einer vorgeschalteten Entschwefelungs-Stufe verwendet. Das Ziel ist ein wärmeintegrierter, effizienter, kompakter und prinzipiell preisgünstiger Reformer.
- (5) Das Reformer-Gesamtsystem wird in Kopplung mit einer Membran-Brennstoffzelle betrieben, um die Funktionskette eines Gesamtsystems bestehend aus Reformer, CO-Feinreinigung (SelOx) und Brennstoffzellen-Stack (NT-PEM) darzustellen. Durch die Kopplung mit einer Brennstoffzelle kann die Leistungsfähigkeit des Reformers in Bezug auf Gasqualität, Wirkungsgrad und Dynamik getestet werden. Nach ersten orientierenden Versuchen mit dem Brenngas Methan soll das System anschließend mit realem, schwefelhaltigem Erdgas als Einsatzstoff betrieben und vermessen werden.
- (1) The metal foam-based reformer catalyst is being further developed. At the current stage of development, its performance is still impaired by the limited service life (service life) and the soot formation that occurs at high space velocities. With regard to their deactivation and degradation, the advanced reformer catalyst systems are also investigated in the presence of the catalyst poison sulfur and the previously used reformer reactor is adapted to the advanced reformer catalyst.
- (2) Due to the high thermal conductivity of metal foams, which results from the combination of a large contact surface and low thermal resistance, it is to be expected that metal foam-based catalysts can also be advantageously used in the shift reaction. Accordingly, the metal foams-analogous to the previous reformer catalyst development-are to be electrochemically coated with Cu or Cu / Zn as the substances catalytically active for the shift reaction in the desired temperature range. The shift catalyst developed in this way is also being investigated as an innovative further development on a long-term test bench with regard to its service life.
- (3) The metal foam-based shift catalyst is used to build a compact, single-stage shift reactor with passive temperature control. In the inflow region of the catalyst is heated by the exothermic shift reaction to higher temperatures in order to exploit the resulting good kinetics there. In the further course of the flow then the favorable equilibrium position is exploited by lowering the temperature due to the good thermal conductivity of the metal foam (not adiabatic reactor, heat transfer to the environment via the reactor wall). It is therefore to be expected that a very low CO content of less than 0.5% by volume in the dry product gas can be achieved without active cooling.
- (4) The heretofore developed reformer-burner combination with metal foam-based catalyst and pore burner is being expanded into a total heat-integrated reformer system. For this purpose, the basis of the ZBT developed heat connection and the above-described single-stage shift reactor based on metal foam with passive temperature control and an upstream desulfurization stage. The goal is a thermally integrated, efficient, compact and in principle low-cost reformer.
- (5) The overall reformer system is operated in conjunction with a membrane fuel cell to represent the functional chain of an overall system consisting of reformer, CO fine cleaning (SelOx) and fuel cell stack (NT-PEM). By coupling with a fuel cell, the performance of the reformer can be tested for gas quality, efficiency and dynamics. After first preliminary experiments with the fuel gas methane, the system is then operated with real, sulfur-containing natural gas as a feedstock and measured.
Durch die Bereitstellung eines innovativen Konzeptes zur effizienten Brenngaserzeugung für PEM-Brennstoffzellen wird ein wesentlicher Beitrag zur Optimierung derzeitig verwendeter Reformer-Systeme geliefert, die – vor allem aufgrund der in ihrem strukturellen Aufbau begründeten unbefriedigenden Wärme- und Stofftransporteigenschaften – derzeit noch Schwächen bezüglich der Dynamik der Brennstofferzeugung aufweisen und die zudem aufgrund ihrer Systemkomplexität mit Nachteilen hinsichtlich ihrer Wirtschaftlichkeit behaftet sind.By the provision of an innovative concept for efficient fuel gas production for PEM fuel cells will be a significant contribution supplied to optimize currently used reformer systems, the - mainly because of their structural design substantiated unsatisfactory heat and mass transfer properties - currently still have weaknesses in the dynamics of fuel production and also because of their system complexity with disadvantages in terms of their profitability.
Der zu entwickelnde Reformer wird sich durch günstige Herstellungskosten auszeichnen, d. h., er wird prinzipiell preisgünstig herzustellen sein und einen einfachen und kompakten Aufbau aufweisen. Einen wesentlichen Beitrag zur Steigerung der Kompaktheit der Reformierstufe, mit der unmittelbar auch eine Material- und Kostenersparnis verbunden ist, soll die Weiterentwicklung des neuen Katalysatorsystems auf der Basis elektrolytisch beschichteter Metallschäume liefern. Es ist abzusehen, dass bezüglich der realisierbaren Raumgeschwindigkeiten ein erhebliches Potenzial zur weiteren Leistungssteigerung besteht, wodurch eine Reduzierung des Katalysatorvolumens und damit eine Reduzierung der Baugröße des Systems erreicht werden kann.Of the to be developed reformer is characterized by low production costs to distinguish, d. h., He is basically inexpensive to produce be and have a simple and compact design. An essential Contribution to increase the compactness of the reforming stage, with the immediately a material and cost saving is connected, should the further development of the new catalyst system on the Base electrolytically coated metal foams provide. It is foreseeable that regarding the realizable space velocities There is considerable potential for further performance enhancement. whereby a reduction of the catalyst volume and thus a Reducing the size of the system achieved can be.
Daneben sollen offenporige Metallschäume als Katalysatorträger auch in der Shift-Stufe eingesetzt werden. Diesbezüglich wird erwartet, dass die sehr gute Wärmeleitfähigkeit der Metallschäume ausgenutzt werden kann, um bei passiver Betriebsführung ein für das thermodynamische Gleichgewicht der Shift-Reaktion günstiges Temperaturniveau erreichen zu können. Hierdurch sollten sehr niedrige CO-Gehalte am Ausgang der Shift-Stufe erreicht werden, was sich günstig auf die nachfolgende Feinreinigungsstufe auswirken würde. Bei den zurzeit überwiegend eingesetzten SelOx-Stufen reduziert ein niedriger Co-Gehalt den Luftbedarf und führt so zu einer Wirkungsgradsteigerung. Zudem ergeben sich durch die Verminderung der exothermen Reaktionswärme wesentliche Vereinfachungen in der Betriebsführung. Weiterhin trägt die Reduzierung des aktiven Regelungsbedarfs durch Realisierung der angestrebten passiven Betriebsführung zur Senkung der Betriebskosten bei.Besides should open-cell metal foams as a catalyst support can also be used in the shift stage. In this regard, is expected to have the very good thermal conductivity The metal foams can be exploited to be more passive Operation management for the thermodynamic equilibrium reach the shift reaction favorable temperature level to be able to. This should be very low CO levels on Output of the shift stage can be achieved, which is favorable would affect the subsequent fine cleaning stage. at the currently used SelOx stages are reduced a low Co-content the air requirement and leads to so an increase in efficiency. In addition, result from the reduction the exothermic heat of reaction essential simplifications in the management. Furthermore, the reduction contributes of the active regulation needs by realization of the desired passive management to reduce operating costs at.
Primäre Zielstellungen bei der Weiterentwicklung des Dampfreformers sind seine Leistungssteigerung durch Fortentwicklung des metallschaumgeträgerten Katalysatorsystems, die Übertragung der vorteilhaften Eigenschaften des Metallschaumkatalysators auf die Verhältnisse bei einer Shift-Stufe sowie die Anpassung des im laufenden Projekt hergestellten Reformer-Prototyps an die Anforderungen, die ein kombinierter Betrieb eines Dampfreformers mit einer Brennstoffzelle mit sich bringt. Entsprechend den angestrebten Ergebnissen wird der Verlauf der Arbeiten sich in fünf grundlegende Arbeitsschritte untergliedern:
- 1. Optimierung des Reformer-Katalysators und des Reformer-Reaktors,
- 2. Entwicklung eines metallschaumbasierten Shift-Katalysators,
- 3. Entwicklung eines Shift-Reaktors mit passiver Temperaturführung,
- 4. Aufbau eines wärmeintegrierten Reformer-Gesamtsystems und
- 5. Kopplung des Reformers mit einer Membran-Brennstoffzelle.
- 1. Optimization of the reformer catalyst and the reformer reactor,
- 2. development of a metal foam-based shift catalyst,
- 3. Development of a shift reactor with passive temperature control,
- 4. Construction of a heat integrated overall reformer system and
- 5. Coupling of the reformer with a membrane fuel cell.
Nachfolgend werden die zur Weiterentwicklung und Erprobung des Reformer-Gesamtsystems geplanten Arbeitsschritte anhand des Untersuchungs- und Entwicklungsbedarfs der einzelnen Systemkomponenten näher erläutert.following become the further development and testing of the overall reformer system planned work steps based on the investigation and development needs the individual system components explained.
Reformer-Katalysator und Reformer-ReaktorReformer catalyst and reformer reactor
Es wurde ein metallschaumgeträgerter Nickelkatalysator entwickelt, dessen Performance bereits zum jetzigen Entwicklungsstand die ursprünglichen Ziele übertrifft. Gleichzeitig haben weitergehende Untersuchungen ein erhebliches Potenzial zur weiteren Leistungssteigerung des Katalysatorsystems aufgezeigt, was zur Erzielung einer hohen Kompaktheit des Systems und in der Folge durch Materialeinsparung auch zur Kostensenkung beitragen würde.It a metal foam-supported nickel catalyst was developed, its performance already at its current state of development the original Goals surpasses. At the same time have further investigations a considerable potential for further increasing the performance of the catalyst system shown what to achieve a high compactness of the system and in the consequence by material saving also to the cost reduction would contribute.
Zusammen mit dem bisher eingesetzten Metallschaum ergeben sich somit fünf Proben, die mit dem entwickelten elektrolytischen Beschichtungsverfahren zum Katalysator aufgebaut und anschließend mittels Katalysatorscreening hinsichtlich Aktivität, Selektivität sowie ihres Degradationsverhaltens vermessen und miteinander verglichen werden sollen. Begleitend werden Untersuchungen der Oberflächenstruktur (XPS, IR, TEM) vor und nach der Beschichtung sowie vor und nach dem initialen Aktivierungsprozess durchgeführt, um anhand der Kenntnis über morphologische Oberflächenveränderungen Aufschluss über die auftretenden Katalysemechanismen zu gewinnen und hieraus Strategien für weitere Entwicklungsschritte, insbesondere für die Auswahl geeigneter Promotoren, ableiten zu können. Die Wirksamkeit der vorgenommenen Modifikationen wird mit Hilfe von Katalysatorscreenings am vorhandenen Prüfstand vorgenommen.Together with the metal foam used so far, this results in five Samples using the developed electrolytic coating process built up to the catalyst and then by means of catalyst screening in terms of activity, selectivity and their Degradationsverhaltens measured and compared should. Accompanying are investigations of the surface structure (XPS, IR, TEM) before and after coating, and before and after the initial activation process performed to knowledge of morphological surface changes Information about the occurring catalytic mechanisms win and from this strategies for further development steps, especially for the selection of suitable promoters derived to be able to. The effectiveness of the modifications made will be with the help of catalyst screenings on the existing test bench performed.
An den drei Katalysatorsystemen mit der besten Performance, erfolgt im Anschluss eine weitere Optimierung, indem die Katalysatoren systematisch gegen Rußbildung stabilisiert werden. Hierzu sollen die Katalysatorträger durch nasschemische Zugabe von Kaliumcarbonat und/oder Erdalkaliverbindungen sowie auch durch elektrochemische Dotierung mit als geeignet erscheinenden Additiven (z. B. Cer) modifiziert werden. Die Ermittlung der Katalysatorperformance erfolgt mittels Katalysatorscreening im vorhandenen Katalysator-Teststand. Hierbei werden die Umsätze der Haupt- und Nebenreaktionen über einen zeitlichen Temperaturverlauf für verschiedene Verweilzeiten ermittelt. Diese Untersuchungen dienen der Ermittlung der Katalysatorperformance, zum Vergleich der Katalysatoren untereinander und somit zur Auswahl.At the three catalyst systems with the best performance Subsequently, further optimization by the catalysts systematically stabilized against soot formation. For this purpose, the Catalyst support by wet-chemical addition of potassium carbonate and / or alkaline earth compounds as well as by electrochemical Doping modified with suitable appearing additives (eg cerium) become. The catalyst performance is determined by means of Catalyst screening in the existing catalyst test stand. in this connection the sales of the main and side reactions become over a temporal temperature profile for different residence times determined. These investigations serve to determine the catalyst performance, to compare the catalysts with each other and thus to choose from.
Ergänzt werden sollen diese Untersuchungen durch kinetische Messungen an im ZBT vorhandenen Kinetik-Testständen und einfache Modellrechnungen zur Optimierung der Katalysator- und Reaktorauslegung. Darüber hinaus sollen die weiterentwickelten Katalysatorsysteme auf vorhandenen, vollautomatisierten Langzeitprüfständen hinsichtlich ihrer Standzeit sowie ihrem Deaktivierungsverhalten bei Gegenwart von Katalysatorgiften (insbesondere Schwefel) für Zeiträume von ca. 100 h untersucht werden. Anhand der auf diese Weise gewonnenen Leistungsdaten erfolgt die Auswahl des optimierten Katalysatorsystems, das im Reformer-Gesamtsystem eingesetzt werden soll.Added These investigations are to be based on kinetic measurements ZBT existing kinetics test stands and simple model calculations to optimize the catalyst and reactor design. About that In addition, the advanced catalyst systems should be based on existing, fully automated long-term test benches with regard to their lifetime and their deactivation behavior in the presence of catalyst poisons (especially sulfur) for periods of time be examined by about 100 h. Based on the obtained in this way Performance data, the selection of the optimized catalyst system, that should be used in the overall reformer system.
Des Weiteren erfolgt dann auf Basis der Messdaten eine Anpassung des bereits im Vorläufer-Projekt aufgebauten Reformer-Reaktors an die ggfs. veränderten, kinetischen Bedingungen. Auf der Basis der kinetischen Messungen und einer CFD-Simulation der vorhandenen Reformer-Reaktorgeometrie kann die Reaktorauslegung dem modifizierten Katalysatorsystem angepasst werden.Of Furthermore, on the basis of the measured data, an adaptation of the already built in the precursor project reformer reactor to the possibly changed, kinetic conditions. On the basis of kinetic measurements and a CFD simulation of the existing reformer reactor geometry may be the reactor design adapted to the modified catalyst system.
Shift-KatalysatorShift catalyst
Die Vorteile, die Metallschäume insbesondere hinsichtlich der Wärmetransporteigenschaften sowie dem geringen Druckverlust bieten, sollen genutzt werden, um den Bau einer effizienten Single-Shift-Stufe zu realisieren. Das thermodynamische Gleichgewicht der nicht druckabhängigen, äquimolaren, exothermen Shift-Reaktion verschiebt sich mit sinkender Temperatur zur Produktseite. Neben der Reaktionstemperatur stellt die Menge des zur Verfügung stehenden Wassers einen weiteren wichtigen Reaktionsparameter dar. Der Umfang der Entwicklungsschritte, die zum Aufbau des Shift-Katalysatorsystems erforderlich sein werden, orientiert sich an den durchgeführten Arbeiten zur Entwicklung des Reformier-Katalysators. Aufgrund der im bisherigen Projektverlauf erzielten Erfahrungen bezüglich der Charakterisierung der Metallschäume wird auch hier abgeschätzt, dass ein Untersuchungsumfang von fünf unterschiedlichen Metallschaummustern für die Entwicklungsarbeiten ausreicht. Als Material wird zunächst wie schon bei der Entwicklung des Reformer-Katalysators auf Ni- bzw. NiCr-Schäume zurückgegriffen.The advantages that metal foams offer, in particular with regard to the heat transport properties and the low pressure loss, should be exploited in order to enable the construction of an efficient single-shift stage realize. The thermodynamic equilibrium of the non-pressure-dependent, equimolar, exothermic shift reaction shifts with decreasing temperature to the product side. In addition to the reaction temperature, the amount of available water is another important reaction parameter. The extent of the development steps that will be required to build the shift catalyst system, based on the work carried out to develop the reforming catalyst. Based on the experience gained so far in the characterization of the metal foams in the course of the project so far, it is estimated that a scope of five different metal foam samples will suffice for the development work. The material is initially used as in the development of the reformer catalyst on Ni or NiCr foams.
Die Metallschäume werden – analog zur bisherigen Reformer-Katalysator-entwicklung – elektrochemisch mit Cu bzw. CuZn als den für die Shift-Reaktion im angestrebten Temperaturbereich katalytisch aktiven Substanzen beschichtet.The Metal foams are - analogous to the previous reformer catalyst development - electrochemical with Cu or CuZn as the one for the shift reaction in the desired Temperature range coated catalytically active substances.
Shift-ReaktorShift reactor
Ziel der Shift-Reaktor-Entwicklung ist der Aufbau einer einstufigen, metallschaumbasierten kompakten Shift-Stufe mit passiver Temperaturführung, d. h. automatischer Abgabe der exothermen Shift-Reaktionswärme über die Reaktorwand an die Umgebung (z. B. das Rauchgas des Reformerbrenners) mithilfe der guten Wärmeleitfähigkeit des Metallschaumträgers. Damit wird ein sehr niedriger CO-Gehalt von weniger als 0,5 Vol.-% im trockenen Produktgas angestrebt. Aufgrund der bei Metallschäumen gegebenen hohen Wärmeleitfähigkeit, die aus der Kombination großer Berührungsfläche und geringem Wärmewiderstand entsteht, ist zu erwarten, dass Metallschaumkatalysatoren auch bei der Shift-Reaktion vorteilhaft eingesetzt werden können, um sehr kompakte, einstufige Konvertierungsstufen zu realisieren.aim the shift-reactor development is the construction of a single-stage, metal foam-based compact shift stage with passive temperature control, d. H. automatic release of the exothermic shift reaction heat via the reactor wall to the environment (eg the flue gas of the reformer burner) using the good thermal conductivity of the metal foam carrier. This results in a very low CO content of less than 0.5% by volume. aimed at in the dry product gas. Due to the metal foams given high thermal conductivity, resulting from the Combination of large contact surface and low thermal resistance arises, it is expected that Metal foam catalysts also advantageous in the shift reaction can be used to very compact, single-stage To realize conversion stages.
Wie bereits erwähnt, eignen sich Ergebnisse von Katalysator-Screenings nur begrenzt für ein exaktes Reaktordesign, da die Übertragung ausschließlich bei gleichen Betriebsbedingungen von Labor- und Systemreaktor zuverlässig ist. Aus diesem Grund wird für katalytisch und kinetisch sensible Prozesse, wie z. B. für die Shift-Konvertierung, neben dem Katalysator-Screening eine zweite Methodik der Katalysatoruntersuchungen angewandt. Es werden dazu kinetische Experimente an sehr kleinen Katalysatorproben im isothermen Differential-Laborreaktor durchgeführt. Eduktkonzentrationen und Reaktionstemperaturen werden in weiten Bereichen wiederum mit Hilfe von Simulationen festgelegt. Bei der untersuchten Katalysatorform wird dabei vom ZBT eine neue Methode angewandt, indem nicht wie sonst üblich Katalysatorpulver, sondern das später eingesetzte Katalysator-Träger-System (z. B. der Metallschaumträger mit aufgebrachtem Katalysatormaterial) als sehr kleines Volumen eingesetzt wird. Auf dieser Basis erfolgt die Ermittlung der Modellparameter durch ZBT für z. B. den Potenzansatz mit Arrhenius-Temperaturabhängigkeit zur Beschreibung der Reaktionsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur und der Partialdrücke der einzelnen Spezies für den entsprechenden Reaktordruck durch Auswertung der im Arbeitsschritt 2.3 gewonnenen Messdaten.As already mentioned, results of catalyst screenings are suitable limited only for an exact reactor design, since the transmission only under the same operating conditions of laboratory and system reactor is reliable. That's why for catalytic and kinetically sensitive processes, such. As for the shift conversion, in addition to the catalyst screening applied a second methodology of catalyst investigations. It This will be kinetic experiments on very small catalyst samples performed in the isothermal differential laboratory reactor. reactant concentrations and reaction temperatures are in turn with in many areas Help of simulations set. In the investigated catalyst form In doing so, the ZBT uses a new method, not like otherwise usual catalyst powder, but later used catalyst carrier system (eg., The metal foam carrier with applied catalyst material) as a very small volume is used. On this basis, the determination of the model parameters takes place by ZBT for z. B. the power approach with Arrhenius temperature dependence for the description of the reaction rate in dependence from the temperature and partial pressures of each Species for the corresponding reactor pressure by evaluation the measured data obtained in step 2.3.
Die eigentliche Reaktorauslegung setzt sich zusammen aus einer Katalysatorauslegung unter Berücksichtigung von z. B. Ein- und Ausströmbereichen sowie wärmeübertragenden Flächen (z. B. Reaktoraußenwand) und einer CFD-Simulation, die sich zusätzlich zur Simulation der strömungs-mechanischen Verhältnisse auch zur Implementierung der Reaktionskinetik und der wärmetechnischen Betrachtung eignet. Die Simulation kann wiederum mit den experimentellen Ergebnissen der Kinetikmessung validiert werden. Mit solchen Modellen konnten bereits gute Übereinstimmungen von Reaktorauslegung und -betrieb erzielt werden. Bei der nun folgenden Reaktorkonstruktion und -fertigung müssen neben der auf den kinetischen Daten beruhenden Reaktorauslegung weitere Kriterien, wie z. B. Anforderungen an den Werkstoff, Halbzeuge, Isolation und die für die Experimente bzw. den späteren Betrieb notwendige Sensorik (beispielsweise Temperaturmessstellen) beachtet werden.The actual reactor design is composed of a catalyst design considering z. B. inflow and outflow areas and heat transfer surfaces (z. B. reactor outer wall) and a CFD simulation, which in addition to the simulation of the flow-mechanical Conditions also for the implementation of the reaction kinetics and the thermo-technical observation is suitable. The simulation can again with the experimental results of the kinetics measurement be validated. With such models could already good matches achieved by reactor design and operation. At the following Reactor construction and fabrication must be in addition to the the kinetic data based reactor design further criteria, such as B. Requirements for the material, semi-finished products, insulation and those for the experiments or the later operation necessary sensors (eg temperature measuring points) are taken into account become.
Nach Reaktorfertigung und -zusammenbau erfolgt der Einzelreaktortest in einem speziellen Einzelreaktorteststand unter den entsprechenden Bedingungen. Dabei werden Untersuchungen zum stationären Betrieb bei Voll- und Teillast, dynamischen Betrieb sowie Kaltstart- und Standby-Verhalten durchgeführt. Nach diesen Untersuchungen kann eine iterative Optimierung erforderlich werden, d. h. abhängig von den Ergebnissen wird der skizzierte Entwicklungsprozess nochmals durchlaufen. Nach den erfolgreichen Basistests werden weitere Untersuchungen (beispielsweise zur Prozessstabilität) als Lebensdauertests durchgeführt.To Reactor production and assembly is the single reactor test in a special single reactor test stand among the corresponding ones Conditions. Thereby investigations become stationary Operation at full and part load, dynamic operation and cold start and standby behavior. After these investigations an iterative optimization may be required, i. H. dependent the outlined development process is repeated from the results run through. After the successful basic tests will be further investigations (for example, process stability) as life tests carried out.
Reformer-GesamtsystemReformer overall system
Das bisherige Demonstrationsmodell (Reformer-Brenner-Kombination) mit Katalysator auf Metallschaumbasis und Brenner ausgeführt als Porenbrenner wird zu einem wärmeintegrierten Reformer-Gesamtsystem ausgebaut. Ziel des Arbeitsschritts ist ein effizienter, klein bauender Reformer, wobei die Kompaktheit wesentlich durch die Verwendung der Metallschaum-Katalysatoren erreicht wird. Die geringere Baugröße bewirkt eine Kostenreduktion, es wird weniger Katalysatormaterial wegen der hohen erzielbaren Raumgeschwindigkeiten in Shift- und Reformer-Reaktor benötigt.The previous demonstration model (reformer-burner combination) with catalyst on metal foam base and burner designed as pore burner is upgraded to a heat integrated reformer overall system. The aim of the work step is an efficient, small-scale reformer, the compactness being achieved substantially by the use of the metal foam catalysts. The smaller size causes a cost reduction, it is less catalyst material needed because of the high achievable space velocities in the shift and reformer reactor.
Für die Festlegung der konkreten Randbedingungen werden zunächst thermodynamische Simulationsrechnungen zur Ermittlung der Stoff- und Energiebilanzen durchgeführt. Als Basis für die Wärmeverschaltung wird die von ZBT entwickelte Wärmeintegration verwendet, sodass für diesen Arbeitsschritt nur eine Anpassung von Simulationsrechnungen erfolgen muss. Darüber hinaus können bereits die Wärmeübertrager zur internen Wärmenutzung überschlägig ausgelegt werden. Als Ergebnis werden auch die Randbedingungen z. B. für die Reaktoren oder die Wärmeübertrager als Stoffmengenströme, Konzentrationen, Temperaturen und Drücke festgelegt. Für jeden Reaktor und jeden Wärmeübertrager werden dann weitere Berechnungen durchgeführt, die während der Entwicklung im Detaillierungsgrad zunehmen. Bei diesen Design-Arbeiten werden die entwickelten Reformer- und Shift-Reaktoren verwendet und zu einem Gasprozessor verschaltet.For the determination of the concrete boundary conditions are first Thermodynamic simulation calculations to determine the substance and energy balances performed. As a basis for the heat connection becomes the thermal integration developed by ZBT used, so only one adjustment for this step must be done by simulation calculations. Furthermore already can the heat exchanger to the internal Heat utilization be designed roughly. As a result, the boundary conditions z. For example the reactors or the heat exchangers as mass flow rates, Concentrations, temperatures and pressures set. For every reactor and every heat exchanger then performed further calculations during development in detail. In this design work the developed reformer and shift reactors are used and interconnected to a gas processor.
Die Untersuchungen des Wasserstofferzeugungssystems erfolgen dabei nach dem gleichen Schema wie die Einzelreaktortests. Dabei wird insbesondere das Verhalten der einzelnen Reaktoren und Wärmeübertrager innerhalb des Wasserstofferzeugers ausgewertet. Häufig kommt es trotz exakter Schnittstellendefinitionen zwischen den Reaktoren zu Abweichungen im integrierten Betrieb, da z. B. Prozess- und Wärmeströme von den Simulationen abweichen. Diese erste Entwicklungsstufe eines Gasprozessors dient somit häufig als Basis für ein Redesign und für Optimierungen oder veränderte Detaillösungen.The Investigations of the hydrogen production system are carried out after the same scheme as the individual reactor tests. This is especially the behavior of the individual reactors and heat exchangers evaluated within the hydrogen generator. Often it comes despite exact interface definitions between the reactors to deviations in the integrated operation, since z. B. process and heat flows of differ from the simulations. This first stage of development of a Gas processor is thus often used as the basis for a redesign and for optimizations or altered Detailed solutions.
Kopplung mit einer Membran-BrennstoffzelleCoupling with a membrane fuel cell
Nach dem erfolgreichen Betrieb des Reformer-Gesamtsystems wird die Testanlage um einen Membran-Brennstoffzellenstack erweitert. Aufgrund der Verfügbarkeit von NT-PEM-Stacks im Leistungsbereich von 1 kWel sowie einer entsprechenden Gasfeinreinigungsstufe (SelOx) kann der Testbetrieb durch Ankopplung an eine derartige Membran-Brennstoffzelle erfolgen. Durch die Verwendung einer Brennstoffzelle mit einer an den Reformer angepassten elektrischen Leistung kann auch die Nutzung eines realen Anoden-Restgases (Anodic Off Gas, AOG) im Porenbrenner getestet werden. Die Charakterisierung der Prozesskette erfolgt zunächst mit Methan, um Referenzwerte für die nachfolgenden Messreihen mit realem Erdgas zu erhalten.Following the successful operation of the overall reformer system, the test facility will be expanded to include a membrane fuel cell stack. Due to the availability of NT-PEM stacks in the power range of 1 kW el and a corresponding gas fine cleaning stage (SelOx), the test mode can be carried out by coupling to such a membrane fuel cell. By using a fuel cell with an adapted to the reformer electrical power and the use of a real anode residual gas (Anodic Off Gas, AOG) can be tested in the pore burner. The process chain is first characterized with methane in order to obtain reference values for the following series of measurements with real natural gas.
Die bisherigen Untersuchungen wurden, um durch den Verzicht auf periphere Aggregate den Fokus der Entwicklung zunächst auf die innovativen Kernkomponenten des neuen Reformers zu richten, mit reinem Methan als Ausgangsstoff für die Reformierung durchgeführt. In Abgrenzung zu den bisher durchgeführten Arbeiten soll der Reformer der nun folgenden Entwicklungsstufe praxisgerecht mit Erdgas anstelle von Methan betrieben und dazu um eine Entschwefelungsstufe erweitert werden.The Previous investigations have been to avoid peripheral by waiving Aggregate the focus of development initially on the innovative To focus on the core components of the new reformer, with pure methane carried out as a raw material for the reforming. In contrast to the work carried out so far the reformer of the now following development stage with practice Natural gas instead of methane operated and to a desulfurization stage be extended.
Aufgrund des bisher ermittelten hohen Potenzials von Metallschäumen für den Einsatz in der Katalysetechnik wird aber zudem auch der Weiterentwicklung und Optimierung metallschaumgeträgerter Katalysatoren ein hoher Stellenwert im Rahmen des Anschlussprojektes eingeräumt. Mittelfristig führt insbesondere die Entwicklung einer passiv geführten Single-Shift-Stufe mit metallschaumbasierten Katalysatoren zur Senkung der Entwicklungskosten von Brennstoffzellen-Heizgeräten, da die Systemkomplexität und der Steuer- und Regelbedarf durch ein solches System vermindert werden würden. Die zu erwartenden, niedrigen CO-Gehalte im Produktgasstrom hinter der metallschaumbasierten Shift-Stufe erleichtern zunächst die Kopplung mit einer NT-Membranbrennstoffzelle über eine SelOx-Stufe. Darüber hinaus lassen die niedrigen CO-Gehalte das so entwickelte Reformergesamtsystem für die zukünftige Kopplung mit den zurzeit noch im Teststadium befindlichen HT-PEM-Brennstoffzellen besonders geeignet erscheinen. Nach Erlangung der technischen Reife beider Systeme wird sich zusätzlich der Vorteil der Einsparung einer Feinreinigungsstufe ergeben.by virtue of the previously determined high potential of metal foams for use in the catalysis but also also the further development and optimization of metal foam supported Catalysts a high priority in the context of the connection project granted. In the medium term leads in particular the development a passively guided single-shift stage with metal foam-based Catalysts for reducing the development costs of fuel cell heaters, because of system complexity and the need for control would be reduced by such a system. The expected, low CO levels in the product gas stream behind the Metal foam-based shift level facilitate first the coupling with an NT membrane fuel cell via a SelOx stage. In addition, the low CO levels let the reformer system for the future Coupling with HT-PEM fuel cells currently still in the test stage appear particularly suitable. After obtaining the technical maturity Both systems will additionally benefit from the savings give a fine cleaning stage.
Der größte Teil der für die Entwicklungsarbeiten und für die notwendigen Untersuchungen benötigten Geräte sind Bestandteil von Labor- und Technikumsausstattungen und können eingesetzt werden. Hierzu gehören insbesondere ein speziell angefertigter Teststand zur Charakterisierung der Metallschaumkatalysatoren, Kinetik- und Langzeitteststände sowie Teststände zur Untersuchung der Auswirkungen von Katalysatorgiften.Of the largest part of the development work and equipment needed for the necessary examinations are part of laboratory and pilot plant equipment and can be used. This includes in particular a special manufactured test stand for the characterization of the metal foam catalysts, kinetics and long-term test stands and test stands for examination the effects of catalyst poisons.
Die Entwicklung des Porenbrenners konnte im Erstantrag weitestgehend abgeschlossen werden, so dass sich der Entwicklungsaufwand diesbezüglich auf Anpassungsarbeiten beschränkt. Durch den Neubau des Reformierreaktors, der im Rahmen der Weiterentwicklung der Brenner-Reformer-Kombination zu einem wärmeintegrierten, passiv geführten Reformer-Gesamtsystem erforderlich ist, wird auch ein an die neue Geometrie angepasster Porenbrenner notwendig. Dieser Porenbrenner wird vom Entwickler des Systems zum Selbstkostenpreis zur Verfügung gestellt.The development of the pore burner was largely completed in the initial application, so that the development effort in this regard is limited to adaptation work. The new construction of the reforming reactor, which is required as part of the further development of the burner-reformer combination to form a heat-integrated, passively managed overall reformer system, will also make a contribution to the new Geo Metronome adapted pore burner necessary. This pore burner is provided by the developer of the system at cost price.
Das Katalysatorscreening soll an dem eigens für die Untersuchung der Metallschaumkatalysatoren angefertigten Teststand durchgeführt werden. Obwohl dieser sich für die gegebene Problemstellung als gut geeignet erwiesen hat, kam es – bedingt durch die hohe thermische Oberflächenbelastung, die bei der Beheizung der relativ kleinen Mantelfläche des Testreaktors mit hochtemperaturbeständigen Heizschnüren auftrat – während der Versuche des Öfteren zu einem Versagen dieser Heizelemente. Neben relativ hohen Kosten für die Ersatzteilbeschaffung wurden hierdurch zusätzliche Reparaturarbeiten und damit verbunden längere Ausfallzeiten verursacht. Für die weiteren umfangreichen Screeningversuche soll daher der mit Heizschnüren beheizte Testreaktor durch einen Vertikal-Klapprohrofen mit Arbeitsrohren aus Quarzglas ersetzt werden, wodurch zusätzlich Vorteile hinsichtlich der Realisierung höherer Temperaturen bzw. höherer Raumgeschwindigkeiten bei konstanter Temperatur entstehen. Daneben bietet die die Verwendung eines Quarzglasrohrs als Reaktor in Kombination mit einem Klapprohrofen die Möglichkeit der visuellen Kontrolle des Zustandes des eingesetzten Katalysatormusters und des Reaktors selbst. Der Klapprohrofen wird in das bestehende Regelsystem des Teststands eingebunden, sodass auf einen separaten, ofenseitigen Regler verzichtet werden kann. Tabelle 1: Spezifikationen der elektrolytisch hergestellten Katalysatorproben
- Ni
- = Nickel
- NC
- = Nickel-Chrom
- NCA
- = Nickel-Chrom-Aluminium
- NCX
- = Nickel-Chrom, verstärkte Matrixstruktur
- NC
- = Nickel-Chrom
- NCA
- = Nickel-Chrom-Aluminium
- NCX
- = Nickel-Chrom
- Ni
- = Nickel
- NC
- = Nickel-chromium
- NCA
- = Nickel-chromium-aluminum
- NCX
- = Nickel-chromium, reinforced matrix structure
- NC
- = Nickel-chromium
- NCA
- = Nickel-chromium-aluminum
- NCX
- = Nickel-chromium
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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