Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-3452
In der vorliegenden Arbeit werden sowohl das dynamische Verhalten eines Methanolreformers
im Experiment als auch eine rechnerische Simulation des Brennstoffzellen-Antriebssystems
untersucht. Insbesondere wird der Methanolreformer als Schlüsselkomponente in bezug auf die
Dynamik des Gesamtsystems, die Betriebsbedingungen beim Anfahren und die
Langzeitstabilität des eingesetzten Reformierungskatalysators experimentell im Detail
untersucht. Die im Experiment erzielten Ergebnisse werden in die Simulation des gesamten
Pkw-Antriebssystems eingearbeitet und analysiert. Die weiteren verfahrenstechnischen
Systemkomponenten Gasreinigung, katalytischer Brenner, Brennstoffzelle und Elektromotor
werden ebenfalls auf Basis experimenteller Ergebnisse simuliert.
Durch die Methode der Variation der Katalysator-Festbettlänge wird deutlich, daß bei
Betriebsbeginn die Reformierung des Methanols in den ersten Zentimetern des Festbetts
stattfindet. Durch die endotherme Reaktion fällt die Temperatur in dieser ersten Katalysatorschicht
um 50 K ab. Die spezifische Wasserstofferzeugung ist für die ersten 10 cm der
Katalysator-Festbettlänge bei einem Methanolumsatz von etwa 45% mit 9,6 Nm3/(h kgKat) sehr
hoch. Die Ergebnisse zur stationären Langzeitbelastung zeigen, daß mit zunehmender
Betriebszeit die Verschiebung der Reaktionszone in den hinteren Teil des Festbetts erfolgt. Die
Verminderung der Katalysatoraktivität erfolgt linear (zeitabhängige Deaktivierung). Das
zyklische An- und Abfahren der Methanol/Dampf-Reformierungsanlage schädigt den Katalysator
nicht. Der Katalysator behält bei Kondensation von Wasser und Methanol seine Aktivität.
Der Zusammenhang zwischen Leistungsanforderung an den Rädern und Beaufschlagung des
Reformers mit Methanol wird durch die Simulation herausgestellt. Für das Pkw-
Antriebssystem mit Brennstoffzelle ist zur Überbrückung der Systemstartzeit und wegen der
begrenzten Reformerdynamik ein Wasserstoffgasspeicher in das System integriert worden. Die
Beschreibung der charakteristischen Systemgrößen erfolgt in ausgewählten Fahrzyklen. Für
den neuen europäischen Fahrzyklus ergibt sich für einen ausgewählten Fall (Testgewicht
1480 kg) ein äquivalenter Benzinverbrauch von 3,8 l/100 km. Der Gesamtwirkungsgrad
beträgt 31 %.
Die Ergebnisse der experimentellen Methanolreformer-Untersuchungen und die Ergebnisse der
Simulationsrechnungen zeigen sowohl den Fortschritt mit Bezug auf die Vergleichbarkeit mit
konventionellen Antrieben als auch das hohe Potential von Brennstoffzellen-Antrieben im
Hinblick auf den spezifischen Energieverbrauch der Fahrzeuge.
The objectives of this thesis are the investigation of the dynamic methanol-reformer behavior
and simulation calculations of the fuel-cell powered propulsion system. The methanol reformer
as a key component in terms of the dynamics of the whole system, the start-up conditions and
the stability of the reforming catalysts are experimentally investigated in great detail. The
experimental results are then integrated and analysed within the framework of the simulation
calculations. In addition, further system components such as gas treatment, catalytic burner,
fuel cell and electric motor are simulated as well.
By varying the length of the catalyst bed, it could be shown that when starting the operation,
the methanol reforming process occurs within the first centimeters of the catalyst bed. Due to
the endothermic reaction, there is a sharp temperature drop of about 50 K within the first
catalyst layer. The specific hydrogen production within the first 10 centimeters of the catalyst
bed is relatively high (9,6 Nm3/(h kgKat)). The methanol conversion is about 45 %. With
increasing operation time, the most active reaction zone moves along the catalyst bed. The
decrease in catalyst activity with time is almost linear (deactivation rate). Cycled start-up and
shut-down processes of the methanollsteam reformer do not harm the catalyst. The catalyst
keeps its activity under condensation conditions for methanol and water.
The simulation emphasizes the connection between the power requirement at the wheel and the
methanol supply to the reformer unit. Because of the system start-up time and the limited
reformer dynamics, a hydrogen storage is integrated into the whole fuel-cell powered
propulsion system. Characteristic system parameters are described for particular driving cycles.
Calculations for the New European Driving Cycle show an equivalent gasoline consumption of
3,8 l/100 km for a test weight of 1480 kg of a passenger car and an overall efficiency ofabout
31 %.
The results of the methanol reformer investigation as well as the simulation calculations
represent not only the progress required in terms of comparability with conventional
powertrains, but also a high potential of fuel-cell powered drives in terms of specific energy
consumption data.
Düsterwald, Hans Gerd
Untersuchung eines Methanolreformerkonzepts unter den besonderen Bedingungen der Dynamik und Langzeitstabilität beim Einsatz im Brennstoffzellen-Pkw
172 S., 1997
Weltweit werden neuartige Pkw-Antriebskonzepte mit PEM-Brennstoffzelle (Proton
Exchange Membrane), Wasserstofferzeugungseinheit und Elektromotor erforscht und entwickelt.
All over the world, research and development programs concentrate on new propulsion
systems for passenger cars with PEM-Fuel Cell (Proton Exchange Membrane) systems,
hydrogen production unit on-board, and electric motor.
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