Benzinbetriebenes Gaserzeugungssystem für die PKW-Bordstromversorgung auf PEM-Brennstoffzellenbasis
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| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
2006
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| adam_text | BENZINBETRIEBENES GASERZEUGUNGSSYSTEM FUER DIE PKW-BORDSTROMVERSORGUNG
AUF PEM-BRENNSTOFFZELLENBASIS VON DER FAKULTAET FUER MASCHINENWESEN DER
RHEINISCH-WESTFAELISCHEN TECHNISCHEN HOCHSCHULE AACHEN ZUR ERLANGUNG DES
AKADEMISCHEN GRADES EINES DOKTORS DER INGENIEURWISSENSCHAFTEN GENEHMIGTE
DISSERTATION VORGELEGT VON DIPL.-ING. CHRISTOPHER DIETER SEVERIN AUS BAD
HARZBURG BERICHTER: UNIV.-PROF. DR.-ING. (USA) STEFAN PISCHINGER
UNIV.-PROF. DR.-ING. HEINRICH KOEHNE TAG DER MUENDLICHEN PRUEFUNG: 02. MAI
2006 INHALT INHALT 1 EINLEITUNG 1 2 BORDSTROMVERSORGUNGSSYSTEM 4 2.1
LEISTUNGSBEDARF VON PERSONENKRAFTWAGEN 4 2.2 GENERATORBASIERTE
PKW-BORDSTROMVERSORGUNG 5 2.2.1 KONVENTIONELLES 12 V-BORDNETZ 5 2.2.2
KUENFTIGE BORDNETZE 5 2.3 BRENNSTOFFZELLENBASIERTE
PKW-BORDSTROMVERSORGUNG 6 2.3.1 MOTIVATION 6 2.3.2 BRENNSTOFFZELLENTYPEN
7 2.3.3 PEM BRENNSTOFFZELLE .-. 8 2.3.3.1 WASSERSTOFFBEDARF 9 2.3.3.2
EINFLUSS VON DRUCK, TEMPERATUR, FEUCHTE UND WASSERSTOFFKONZENTRATION 9
2.3.3.3 EINFLUSS DER CO-KONZENTRATION 10 2.3.4 KONZEPT MIT
PEM-BRENNSTOFFZELLE 11 2.3.5 ANFORDERUNGEN AN DAS GASERZEUGUNGSSYSTEM 12
3 GRUNDLAGEN DER WASSERSTOFFERZEUGUNG AUS OTTO-KRAFTSTOFF 14 3.1
HETEROGENE KATALYSE 14 3.1.1 REAKTORMODELLIERUNG 15 3.1.2 KATALYSATOREN
UND KATALYSATORTRAEGER FUER MOBILE ANWENDUNGEN 16 3.2 REFORMIERUNG 17
3.2.1 DAMPFREFORMIERUNG 18 3.2.1.1 THERMODYNAMIK DER DAMPFREFORMIERUNG
18 3.2.1.2 KINETIK DER DAMPFREFORMIERUNG 19 3.2.1.3 ANWENDUNG DER
DAMPFREFORMIERUNG IN BRENNSTOFFZELLENSYSTEMEN 20 3.2.2 PARTIELLE
OXIDATION 21 3.2.2.1 THERMODYNAMIK DER PARTIELLEN OXIDATION 21 3.2.2.2
REAKTIONSKINETIK DER PARTIELLEN OXIDATION 23 3.2.2.3 ANWENDUNG DER
PARTIELLEN OXIDATION IN BRENNSTOFFZELLENSYSTEMEN 24 3.2.3 AUTOTHERME
REFORMIERUNG 25 3.2.3.1 THERMODYNAMIK DER AUTOTHERMEN REFORMIERUNG 25
3.2.3.2 KINETIK DER AUTOTHERMEN REFORMIERUNG 27 3.2.3.3 ANWENDUNG IN
BRENNSTOFFZELLENSYSTEMEN 27 3.2.4 SCHWEFELEINFLUSS AUF DIE REFORMIERUNG
28 3.3 WASSERGAS-SHIFT-REAKTION , 29 3.3.1 THERMODYNAMIK DER
WASSERGAS-SHIFT-REAKTION 29 3.3.2 KINETIK DER WASSERGAS-SHIFT-REAKTION
30 3.3.3 ANWENDUNG DER WASSERGAS-SHIFT-REAKTION IN
BRENNSTOFFZELLENSYSTEMEN 31 3.4 FEINGASREINIGUNG 31 3.4.1 METHANISIERUNG
, 32 3.4.1.1 THERMODYNAMIK DER METHANISIERUNG 32 3.4.1.2 KINETIK DER
METHANISIERUNG 32 3.4.1.3 ANWENDUNG 33 I INHALT 3.4.2 SELEKTIVE
OXIDATION 33 3.4.2.1 THERMODYNAMIK DER SELEKTIVEN OXIDATION 33 3.4.2.2
KINETIK DER SELEKTIVEN OXIDATION 34 3.4.2.3 ANWENDUNG DER SELEKTIVEN
OXIDATION IN BRENNSTOFFZELLENSYSTEMEN 35 3.4.3 MEMBRANVERFAHREN 36 3.4.4
DRUCKWECHSELADSORPTION 37 3.4.5 NACHBRENNER 37 4 STAND DER TECHNIK
AUSGEFUEHRTER GESAMTSYSTEME 39 4.1 AUSGEWAEHLTE GASERZEUGUNGSSYSTEME 42
4.1.1 IDATECH 42 4.1.2 DAIMLERCHRYSLER PATENT EP1 033 769 AL : 42 4.1.3
NUVERASTAR . 43 5 AUSLEGUNG DES WASSERSTOFFGASERZEUGUNGSSYSTEMS 45 5.1
KONZEPTENTWICKLUNG 45 5.2 DETAILAUSLEGUNG 48 5.2.1 AUTOTHERME
REFORMIERUNG 48 5.2.2 WASSERGAS-SHIFT-KONVERTER 49 5.2.3 SELEKTIVE
OXIDATION 52 5.2.4 NACHBRENNER 52 5.2.5 WAERMEMANAGEMENT UND PACKAGING 53
5.2.6 STARTKONZEPT 55 6 AUFBAU EINES SIMULATIONSMODELLS 57 6.1
AUTOTHERMER REFORMER 57 6.2 WASSERGAS-SHIFT-REAKTOREN 60 6.3 SELEKTIVE
OXIDATION 60 6.4 NACHBRENNER 61 6.5 WAERMETAUSCHER 61 7 EXPERIMENTELLE
UNTERSUCHUNG UND VERGLEICH MIT SIMULATIONSERGEBNISSEN 64 7.1
PRUEFSTANDSAUFBAU 64 7.1.1 MEDIENVERSORGUNG 64 7.1.2 MESS- UND
REGELUNGSTECHNIK 66 7.1.3 ENTWICKLUNG EINER ZUSTANDSAUTOMATENBASIERTEN
STEUERUNG 67 7.1.3.1 REGLER 67 7.1.3.2 ZUSTANDSAUTOMAT 68 7.2
UNTERSUCHUNG DES STATIONAEREN VERHALTENS 68 7.2.1 VORUNTERSUCHUNGEN AM
AUTOTHERMEN REFORMER 69 7.2.2 WASSERGAS-SHIFT-REAKTOREN 72 7.2.3
SELEKTIVE OXIDATION 75 7.2.4 PROZESSVERLAUF IM GESAMTSYSTEM A 76 7.2.5
ENERGIEFLUESSE UND WIRKUNGSGRADE 80 7.2.6 DRUCKVERLUST . 85 7.3
UNTERSUCHUNG DES INSTATIONAEREN VERHALTENS 86 7.3.1 LASTWECHSEL 86 7.3.2
START 89 II INHALT 7.3.3 WASSERMANAGEMENT 93 8 VERBESSERUNGSPOTENZIAL
UND AUSBLICK ; 95 8.1 OPTIMIERUNG DES GASERZEUGUNGSSYSTEMS : 95 8.1.1
REDUZIERUNG DER WAERMEVERLUSTE UND VERBESSERUNG DER WAERMETAUSCHER 96
8.1.2 REDUZIERUNG DER WAERMEKAPAZITAETEN UND VERBESSERTE NUTZUNG DER
ABGASENERGIE 97 8.2 ENTWICKLUNG EINES FAHRZEUGTAUGLICHEN
PACKAGING-KONZEPTES 98 8.3 AUSBLICK: GASERZEUGUNG FUER
HOCHTEMPERATUR-POLYMERMEMBRANBRENNSTOFFZELLEN 100 9 ZUSAMMENFASSUNG *.
103 A WEITERFUEHRENDE GRUNDLAGEN 107 A.L ELEKTROCHEMISCHE ENERGIEWANDLUNG
IN DER PEM-BRENNSTOFFZELLE 107 A.2 REFORMIERUNG 109 A.3
WASSERGAS-SHIFT-REAKTION 111 A.4 SELEKTIVE OXIDATION 111 A.5 NACHBRENNER
112 B ERGAENZUNGEN ZUR AUSLEGUNG DES GASERZEUGUNGSSYSTEMS 113 B.L
VORAUSLEGUNG BASTSKONZEPTE 113 B.2 GEMISCHBILDUNG REFORMER 115 B.2.1
KRAFTSTOFFDOSIERUNG 115 B.2.2 KRAFTSTOFFVERDAMPFUNG 116 B.2.3
GEMISCHBILDUNG UND HOMOGENISIERUNG 118 B.3 ERGAENZUNGEN ZUR AUSLEGUNG DES
WASSERGAS-SHIFT-KONVERTERS 119 B.4 REAKTORDIMENSIONIERUNG 120 B.5
AUSLEGUNG DER LUFTDAMPFSEITIGEN VERROHRUNG 120 C ERGAENZENDE AUSFUEHRUNGEN
ZUR SIMULATION UND STEUERUNG 121 C.L STANDARDUEBERGABEVEKTOR DER
SYSTEMSIMULATION 121 C.2 ANPASSUNG DER WASSERGAS-SHIFT-REAKTIONSRATE 121
C.3 REGELUNGSKONZEPT 122 C.3.1 LEISTUNGSREGELUNG 122 C.3.2
REAKTOREINTRITTSTEMPERATURREGELUNG 123 C.3.3 REGELUNG DER SELEKTIVEN
OXIDATION 124 C.3.4 NACHBRENNERTEMPERATURREGELUNG 124 C.4
ZUSTANDSAUTOMAT 124 C.4.1 ZUSTAENDE *START UND *OPERATION 125 C.4.2
ZUSTAENDE *STOP UND *STOPPED 126 D ERGAENZENDE ABBILDUNGEN ZUM
STATIONAEREN VERHALTEN 128 E ERGAENZENDE ERLAEUTERUNGEN ZUR DARSTELLUNG DES
VERBESSERUNGSPOTENZIALS 132 E.L SIMULATION EINES OPTIMIERTEN SYSTEMS 132
E.2 ERGAENZENDE ERLAEUTERUNGEN ZUM PACKAGING-KONZEPT 133 E.2.1
AUSLEGUNGSBEISPIEL PLATTENWAERMETAUSCHER MIT GASUMLENKUNG 133 E.2.2
INTEGRATION DES GASERZEUGUNGSSYSTEMS IN EIN BRENNSTOFFZELLENGESAMTSYSTEM
133 LITERATUR 135 III
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