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Abstract:
Durch den Einsatz von Brennstoffzellen kann chemisch gebundene Primärenergie effizient in elektrische und thermische Nutzenergie umgewandelt werden. Neben Anwendungen in mobilen Geräten sowie in Fahrzeugen werden Brennstoffzellen auch für den stationären Betrieb in Kleinkraftwerken eingesetzt. Ein solches Brennstoffzellenkraftwerk auf Basis der Schmelzkarbonatbrennstoffzelle (MCFC) wird von der MTU CFC Solution GmbH entwickelt.
Für die MCFC wird als Brennstoff Erdgas eingesetzt, welches reformiert werden muss. Dieses kann in einer separaten Einheit innerhalb des Zellstapels (Indirekter Interner Reformer, kurz IIR) erfolgen. Die IIR-Einheit stellt dabei einen Flachbettreaktor mit einer örtlich inhomogenen Katalysatorverteilung dar, wobei eine Wärmekopplung zwischen der endothermen Methanreformierung und der Wärme erzeugenden elektrochemischen Reaktion existiert. Durch diese Kopplung wird das Temperaturfeld in der Brennstoffzelle und somit auch die Reaktionsgeschwindigkeiten und die Materialdegradation maßgeblich beeinflusst. In dieser Arbeit wurde das empirisch entwickelte Design der IIR-Einheit untersucht, um die Effekte der örtlich inhomogenen Katalysatorstruktur zu verstehen.
In einem ersten Schritt wurden die exakte Geometrie kleiner Ausschnitte der IIR-Einheit mit unterschiedlichen Katalysatorbelegungen in verschiedenen CFD-Modellen detailliert abgebildet. Die Ergebnisse zeigen reaktive und nicht-reaktive Zonen, zwischen denen ein Stoffaustausch stattfindet. Da sich das Gas in der reaktiven Zone im chemischen Gleichgewicht befindet, wirkt der Stofftransport limitierend für die Gesamtreaktion.
In einem zweiten Schritt wurde ein CFD-Modell der gesamten IIR-Einheit erstellt. Für diese Simulationen wurde die Geometrie vereinfacht. Die in den Detailmodellen gewonnenen Erkenntnisse bezüglich des örtlich inhomogen verteilten Katalysators werden durch eine anisotrope Permeabilität und örtlich verteilte Katalysatoraktivitäten berücksichtigt. Dieses Gesamtmodell ermöglicht Aussagen über die örtliche Verteilung der durch die Reformierung in der IIR-Einheit entstehenden Wärmesenken.
In diesem Beitrag werden die unterschiedlichen Detailmodelle vorgestellt und es werden die damit erzielten Ergebnisse diskutiert. Anschließend wird deren Übertragung in das Gesamtmodell demonstriert und es werden Rückschlüsse auf ein optimales Design des Indirekten Internen Reformers gezogen.
