Ein Beitrag zur Optimierung des Prozesses der katalytischen partiellen Oxidation zur Realisierung eines Brennstoffzellenreformers für Mitteldestillate

Innerhalb der Untersuchungen zur vorliegenden Arbeit gelingt die Darstellung eines Reformerkonzeptes zur Realisierung der Katalytischen Partiellen Oxidation von Mitteldestillaten mit einer Gemischbildung basierend auf der Kaltflammen-Reaktion. Die Rezirkulation von Anodenabgas aus der dem Reformer nach geschalteten Festoxidbrennstoffzelle (SOFC) erweitert den Betriebsbereich der Katalytischen Partiellen Oxidation durch Verschiebung der Rußbildungsgrenze zu kleineren Luftverhältnissen hin und durch Absenkung der Reaktionstemperatur. Die durch Rezirkulation von Anodenabgas in den Reformer eingebrachte Stoffmenge entkoppelt die Aufenthaltszeit in der Gemischbildung von der Brennstoffleistung und trägt somit zur Vergrößerung des Modulationsbereiches der Kaltflammen-Reaktion und damit des Reformers bei. Die trotz optimaler Betriebsbedingungen nicht gänzlich vermeidbare Bildung von Ablagerungen in Form von Kohlenstoff auf dem Katalysator erfordert in den Prozessablauf integrierbare Prozeduren für dessen Regeneration. Die exotherme Regeneration mit Hilfe des Sauerstoffes der Luft birgt hierbei systembedingt den Nachteil von Temperaturspitzen auf dem Katalysator infolge örtlich begrenzter Auflösung der Temperaturmessung und kleiner Stoffströme. Die endotherme Regeneration mit Hilfe von im Anodenabgas enthaltenen Wasser und Kohlendioxid ist durch die in begrenztem Maße zur Verfügung stehende Wärmemenge limitiert. Im Gegensatz zur exothermen Regeneration tritt kein Sauerstoff im Produktgas auf, womit eine Schädigung der Anode der nachgeschalteten Brennstoffzelle ausgeschlossen ist. Die autotherme Regeneration unter Anwesenheit von Anodenabgas und Luft hebt das durch die Temperatur bedingte Limit der Reaktion auf. Sowohl bei der exothermen als auch bei der autothermen Regeneration tritt jedoch im Verlauf der Reaktion Sauerstoff im Produktgas auf, was durch deren vorherigen Abbruch regelungstechnisch zu vermeiden ist. Die Regeneration unter Beibehaltung der Brennstoffzufuhr ermöglicht den Umsatz von auf dem Katalysator abgelagertem Kohlenstoff ohne Unterbrechung der Reformierung jedoch bei Verringerung des Anteiles an Wasserstoff und Kohlenmonoxid im Reformat. Die Betriebsstrategie erlaubt den Betrieb der Katalytischen Partiellen Oxidation bei Minimierung des Potentials zur Bildung von Ablagerungen in Form von Kohlenstoff auf dem Katalysator abhängig vom thermischen Potential des Reformers. Grundlage ist die Überführung der Stabilitätskriterien der Kaltflammen-Gemischbildung und der angrenzenden Katalytischen Partiellen Oxidation sowie der Interaktionen der beiden Teilsysteme in regelungstechnische Zusammenhänge. Der Stabilität des Betriebes und der Vermeidung systemkritischer Zustände dienen zusätzlich Grenzwerte für charakteristische Parameter unter anderem aus Gemischbildung und katalytischer Reaktion.