LPG-Dampf-Reformierung für mobile Anwendungen
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Zentrum für BrennstoffzellenTechnik
LPG-Dampf-Reformierung
für mobile Anwendungen
Dr. Christian Spitta
Fachtagung Gasprozesstechnik 2009
ZBT gGmbH
Carl-Benz-Straße 201
47057 Duisburg
Germany
Telefon: +49-203-7598 0
Telefax: +49-203-7598 2222 Department fuel processing
www.zbt-duisburg.de c.spitta@zbt-duisburg.de
info@zbt-duisburg.de Fon: +49-203-7598 4277
Inhalt
LPG-Dampf-Reformierung
für mobile Anwendungen
1. Anforderungen & Konzept des mobilen Gasprozesses (MGP)
2. Fertigungsoptimierung des MGPs
3. Entwicklung & Charakterisierung
¾ Demonstrator
¾ Funktionsmuster
4. Problemstellungen in der Entwicklung
5. Zusammenfassung & Ausblick
LPG-Dampf-Reformer für APUs - Fachtagung Gasprozesstechnik 2009 - ZBT 2
Anwendungen & Anforderungen an mobiler Stromerzeuger (APU)
Anwendungen: Batterielader für Verkehrsleit-
Camping, Caravan Yachten Inselsysteme systeme
Anforderungen
¾ Integration in vorhandene Infrastruktur
¾ Brennstoff: LPG
¾ Automatisierte Batterieladung
¾ Lebensdauer > 2000 hr, ca. 1000 Start/Stop-Zyklen
¾ Nennlast: 300 Wel
¾ Geringer Brennstoffbedarf
¾ Leicht und kompakt
¾ Akzeptabler Preis
¾ unempfindlich gegenüber Umgebungseinflüssen (Temperatur, Inklination, etc.)
¾ Geringe Emissionen (Rauchgas, Geräusche und Vibrationen)
LPG-Dampf-Reformer für APUs - Fachtagung Gasprozesstechnik 2009 - ZBT 3
Resultierende Anforderungen an mobilen Gasprozess (MGP)
¾ Brennstoff: LPG
¾ Reformat für NT-PEM-BZ:
¾ QH2,Nenn = 900 WH2th
¾ xCO < 50 ppm
¾ hoher pH2
¾ pH2O ≤ psd
¾ Lebensdauer > 2000 hr, über 1000 Start/Stop-Zyklen
¾ Hoher Wirkungsgrad
¾ Hohe Leistungsdichte
¾ Keine Katalysatorschüttung
¾ Kostengünstige Fertigung
¾ Einfache Regelung
LPG-Dampf-Reformer für APUs - Fachtagung Gasprozesstechnik 2009 - ZBT 4
Reaktorkonzept des MGP
9 Dampf-Reformierung
9 Katalytischer Brenner (Start-, Reformer- & AOG-Brenner)
9 Edelmetall-Katalysatoren
9 Monolithische Reaktorstrukturen
9 Metallit: temperaturgeführte Reformer/Brenner- und SelOx-Reaktoren
9 Cordierit: adiabate Shift-Reaktoren
9 Hohe Wärmeintegration
9 El. Vorheizung des Brenners beim Kaltstart
9 Modularer Aufbau
Reaktorkonzept seit Juli 2007
Juli 2004 Weiterentwicklung
für Swarco FuelCell
MGP Mai 2007
LPG-Dampf-Reformer für APUs - Fachtagung Gasprozesstechnik 2009 - ZBT 5
Konzept der Wärmeintegration 9 Einstellung der Reaktor-Eintrittstemperaturen durch interne Wärmeübertrager 9 Vollständige Wärmerückgewinnung durch Vorwärmung von Prozess-Medien 9 Keine externe Kühlmedien notwendig (Ausnahme: SelOx-Kühler) LPG-Dampf-Reformer für APUs - Fachtagung Gasprozesstechnik 2009 - ZBT 6
Konzept der Steuerung
Automatisierter Betrieb durch
9 Temperaturregelung für
9 Reformer, Brenner & SelOx
9 Kennfeldsteuerung für
9 Reformer-Wasser, SelOx-Luft, Airbleed & Kathoden-Luft
¾ Weiterentwicklung zu einer robusten Prozessregelung notwendig
LPG-Dampf-Reformer für APUs - Fachtagung Gasprozesstechnik 2009 - ZBT 7Fertigungsoptimierung des MGP (mit Automobilzulieferer)
9 Reduzierung der Sensorik
9 Erstellung eines Design for Manufacture (DfM)
9 Kaltumformung von Blechteile, Einsatz von Gleichteilen
9 Schweißarbeiten in Teilen automatisiert (Orbitalschweißgerät)
9 Konzepterstellung für Nachfolgeversion
9 Weitere Reduzierung der Sensorik
9 Zielkosten für erste Kleinserie erreicht
¾ Weitere Optimierungen (u. a. Sensorik, Piping & Wärmeübertrager) für Serie
notwendig
LPG-Dampf-Reformer für APUs - Fachtagung Gasprozesstechnik 2009 - ZBT 8Automatisierter Dauerversuch mit fertigungsoptimiertem MGP
Test mit
T Ref,aus T Br m C3H8 Propan (2.5)
QH2 x CO Eta MGP
Temperaturen / °C; Massenstrom / g/hr;
1000 100
th. Wasserstoffleistung / WH2th
800 80
Konzentration / ppm;
Wirkungsgrad / %
600 60
Optimierung der SX-Betriebsparameter
400 40
200 20
0 0
0 25 50 75 100 125 150 175
Zeit / Stunden
9 Stabiler Betrieb realisiert (xCO < 50 ppm)
9 Hohe Übereinstimmung der Reformat-Zusammensetzung mit thermody. GG
LPG-Dampf-Reformer für APUs - Fachtagung Gasprozesstechnik 2009 - ZBT 9Aufbau eines Demonstrators
9 Benchmarking und Qualifikation von Pumpen,
Ventilen, Filtern, etc.
9 Entwicklung von Kühlern, Phasentrennern,
Abscheidern, etc.
9 Auslegung einer Entschwefelung
9 Weiterentwicklung der MGP-Steuerung für
Gesamtsystem
9 Umsetzung eines ersten Packaging-Konzepts
9 Zugänglichkeit für Montage und Wartungen
9 Eckdaten
9 V = 144 l (BxTxH [cm] = 60x40x60)
9 Betrieb mit Laborsteuergerät & Stromsenke
LPG-Dampf-Reformer für APUs - Fachtagung Gasprozesstechnik 2009 - ZBT 10Anfahren des Demonstrators
Test mit Propan (2.5)
T Br T Ref,aus Pel BZ
1000
800 Kaltstart
600
400
Temperaturen / °C;
el. Leistung / W
200
0
1000
800
600
400
200 Start aus Standby
0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
Zeit / Min
9 Automatisierte Prozedur: Zustandsphasen mit definierten Umschaltkriterien
9 Startzeit : ca. 40 Minuten (Kaltstart) bzw. ca. 30 Minuten (aus Standby)
LPG-Dampf-Reformer für APUs - Fachtagung Gasprozesstechnik 2009 - ZBT 11Test des Demonstrators mit LPG (gemäß DIN 51622)
T Br T Ref,aus Pel BZ
1000
800
Temperaturen / °C;
el. Leistung / W
600
400
200
0
0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150
Zeit / Min
9 Stabiler Systembetrieb mit LPG
9 Tests zur Erarbeitung der Steuerungsparameter für automatisierten Betrieb
9 Lastwechsel
¾ Schädigung der BZ bedingt durch abnormalen Betrieb des Reformers
LPG-Dampf-Reformer für APUs - Fachtagung Gasprozesstechnik 2009 - ZBT 12Aufbau von Funktionsmustern
Anschlüsse für Elektronik
Peripheriekomponenten 51
9 Einsatz optimierter Zulieferteile &
Eigenentwicklungen (u. a. RP-Tank)
53
Steuerung
9 Weiterentwicklung für automatisierten
Betrieb
Packaging 31
9 Optimierung der Komponentenanordnung
9 Konstruktion eines Ständerwerkes Eckdaten
9 massive Reduzierung des Volumens 9 V = 85 l; m = 45 kg
9 Erstellung eines Design for Assembly (DfA) 9 Volumenanteil MGP: 12 %
Integration Elektronik-Hardware 9 Betrieb mit
9 Vorbereitung für Anschluss einer Laborsteuergerät &
Steuerungsplatine & eines BMS Stromsenke
LPG-Dampf-Reformer für APUs - Fachtagung Gasprozesstechnik 2009 - ZBT 13Test des Funktionsmusters mit Propan (2.5)
1000
T Br T Ref,aus Pel BZ
Temperatur / °C; 800
el. Leistung / W
600
400
200
0
14:50 15:20 15:50 16:20 16:50 17:20
Zeit
9 Automatisierter Betrieb, stromgeführt
9 Reproduzierbares Systemverhalten bei
9 Zyklentests (100% => 50 % & 50 % => 100 %; Dauer Lastwechsel: 2 Min.)
9 Anfahren aus Standby & nach Abschaltung
LPG-Dampf-Reformer für APUs - Fachtagung Gasprozesstechnik 2009 - ZBT 14Test des Funktionsmusters mit LPG (gemäß DIN 51622)
1000
T Br T Ref,aus Pel BZ
800
Temperatur / °C;
el. Leistung / W
600
400
200
0
16:15 16:30 16:45 17:00 17:15 17:30 17:45
Zeit
9 Automatisierter Betrieb, stromgeführt
9 Reproduzierbares Systemverhalten ähnlich wie mit Propan (2.5)
9 Geringfügig geändertes Regelverhalten
9 Steuerungskonzept geeignet für Betrieb mit LPG
¾ Weitere Untersuchungen mit geringeren Propananteilen notwendig
LPG-Dampf-Reformer für APUs - Fachtagung Gasprozesstechnik 2009 - ZBT 15Vergleich der Betriebsparameter des Funktionsmusters
400
Angabe Gaslieferant
Propan 50% LPG 50%
350 LPG (gemäß xi /
Propan 100% LPG 100% DIN 51622) Vol-%
Massenstrom / g/hr; 300
Wirkungsgrad / %
el. Leistung / W;
Propan 92,5
250 Propen 5,4
200 Butan (n+iso) 1,3
δN / g/m3 2011
150
Hu / MJ/m3 93,1
100
50
0
Pel BZ Pel PK m Br Eta netto
9 Abweichungen < 5 %
9 Größte Abweichungen bei der Brennstoffdosierung
9 Wirkungsgrade ≈ 22 % (@ Nennlast)
¾ Hoher Eigenverbrauch der Peripheriekomponenten
¾ Luftpumpen für Brenner & Kathode
¾ Summe Magnetventile
LPG-Dampf-Reformer für APUs - Fachtagung Gasprozesstechnik 2009 - ZBT 16Problemstellungen in der Entwicklung
¾ Stabilität
¾ Reaktorstrukturen, Beschichtungen & Katalysatoren
¾ Reproduzierbarkeit Ù Fertigungstoleranzen
¾ Manufaktur der Reaktorstrukturen, Beschichtung & Partikelablagerungen in der BZ
Schweißarbeiten
¾ Abweichungen baugleicher Pumpen 500 20
Abweichung / %
Volumenstrom /
V delta
400 10
ml/min
¾ Werkstoffe bzw. -Belastungen 300
200
0
-10
100 -20
¾ Verfügbarkeit in eingesetzten Geometrien 0
a b c d e f g
-30
¾ Hohe Temperatur-Transienten Δ-V baugleicher Pumpen
¾ Thermospannungen bzw. -Schocks
¾ Prozessregelung Ù Systemkomplexität 10000
Transient / K/min
7500 T Br
Temperatur-
5000
¾ Mehrfachkopplungen
2500
0
-2500
-5000
¾ Enge Toleranzbereiche (SX => xCO, etc.) -7500
-10000
10:57 11:07 11:17 11:27
¾ Dynamik bedingt durch geringe Leistungsgröße Zeit
¾ Aufwendige Fehleranalyse Transienten beim Systemstart
LPG-Dampf-Reformer für APUs - Fachtagung Gasprozesstechnik 2009 - ZBT 17Zusammenfassung
9 Entwicklung der APU für Swarco Fuel Cell basierend auf MGP-Konzept aus
interner Vorlaufforschung
9 Fertigungsoptimierung des MGP
9 Geplante Nachfolgeversion erreicht Zielkosten für erste Kleinserie
9 Weitere Optimierungen notwendig
9 Aufbau eines Demonstrators als erstes APU-Gesamtsystem
9 “Proof of concept”
9 Weiterentwicklung des Systems (Steuerung, PK, Packaging, etc.)
9 Aufbau von Funktionsmustern
9 Volumen: 85 l (MGP 12%), Gewicht: 45 kg
9 Vorbereitung für Integration der Steuerungsplatine & des BMS
9 Automatisierter Betrieb mit Propan & LPG
9 Wirkungsgrad 22% (@100%) bzw. 19 (@50%)
¾ Hoher Eigenverbrauch
¾ Problemstellungen
¾ Stabilität, Reproduzierbarkeit, Systemkomplexität
LPG-Dampf-Reformer für APUs - Fachtagung Gasprozesstechnik 2009 - ZBT 18Ausblick & Herausforderungen für die weitere Entwicklung
Aktuelles System
¾ Bewertung: Wirkungsgrad Ù Systemkomplexität
¾ Wärmeintegration => Wärmeübertragerdruckverluste => Eigenverbrauch
¾ Reduzierung des Eigenverbrauchs (Wärmeübertrager, Filteranzahl)
¾ Potential: ca. 25 % (inkl. DC/DC-Wandler)
¾ Prozesssteuerung
¾ Weiterentwicklung zu einer robusten Prozessregelung
¾ Test von Störgrößen (Alterung, Gasqualität, Umgebungsbedingungen)
¾ Übertragung auf Mikrocontroller
¾ Optimierung der Werkstoffe, der Fertigung & des Packagings
¾ Reaktoren, Piping, Gehäuse & Ständerwerk
Option für zukünftige Systeme
¾ Erhöhung der Leistungsgröße (gutmütigeres Verhalten)
¾ Kopplung mit HT-PEM-BZ (geringere Systemkomplexität & Komponentenanzahl
vs. Entwicklungstiefe)
LPG-Dampf-Reformer für APUs - Fachtagung Gasprozesstechnik 2009 - ZBT 19Team:
Carsten Spieker, Holger Kraus, Lothar Theves, Thorsten Notthoff, Christian Heßke
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
LPG-Dampf-Reformer für APUs - Fachtagung Gasprozesstechnik 2009 - ZBT 20Sie können auch lesen
