Evaluation of the effects of varying fuel quality on solid oxide fuel cell systems

Hering, Martin

This dissertation outlines the effects of fluctuating natural gas quality on solid oxide fuel cell systems with anode exhaust gas recirculation by implementing and testing two control approaches in a natural gas fueled test rig. For this purpose, the principles of solid oxide fuel cell systems and the governing system equations are introduced for a system with anode exhaust gas recirculation. Additionally, the fundamentals of natural gas and fluctuating natural gas quality, as well as the current European regulatory frame work are presented. Eight temporally resolved European natural gas data sets are evaluated and compared, outlining that the natural gas quality in Europe is highly volatile with variable magnitudes in different locations. Methane and ethane fractions are the most volatile components in the evaluation, due to the 95 % confidence domains ranging from 86.5 to 97.5 % and 0.9 to 10.2 %, respectively. The derived natural gas coefficients provide the basis for an exact classification and clustering of different natural gas mixtures in regard to the corresponding fuel cell system responses. Furthermore, the governing system equations are simplified by replacing all natural gas composition constraints with the corresponding natural gas coefficient. Furthermore, the development, validation and testing of the basic control scheme and black box modeling approach are outlined. The conducted literature review highlights that the effects of fluctuating natural gas quality on solid oxide fuel cell systems are not frequently addressed in literature. Additionally, the implemented basic control strategy in the 13 kW solid oxide fuel cell test rig keeps the natural gas mass flow rate and reformer inlet volume flow rate constant in relation to a defined reference natural gas composition. Consequently, for fluctuating natural gas quality, the designated fuel utilization factor and oxygen-to-carbon ratio set points can not be ideally realized. For the chosen test rig location in Renningen, the model predicted fluctuations of the fuel utilization factor and oxygen-to-carbon ratio from 0.7129 to 0.8046 and 1.926 to 2.098 for set points of 0.75 and 2, respectively. Additionally, during the experimental evaluation at nominal operation, the estimated fluctuation magnitudes of the fuel utilization factor and oxygen-to-carbon ratio are approximately verified, due to the corresponding matching spreads of the measured domains between 0.6823 and 0.7633, as well as 1.822 and 2.109. Consequently, with the basic control approach, the carbon deposition risk is temporarily too high, due to the frequently occurring low oxygen-to-carbon ratios. However, the risk of irreversible stack damage, due to the partial depletion of fuel inside single cells of the stack, is low during the testing period. Consequently, an advanced control logic is developed, which relies on the detection of a single natural gas quality indicator to adjust the system flow rates in relation to the detected natural gas state. For the chosen test rig location in Renningen, the advanced control scheme achieves superior simulation results with predicted fluctuations of the fuel utilization factor and oxygento- carbon ratio from 0.7495 to 0.7502 and from 1.993 to 2.017 for set points of 0.75 and 2, respectively. Furthermore, the exceptional simulation results are verified during the experimental evaluation at nominal operation, due to the small spreads of the fuel utilization factor and oxygen-to-carbon ratio domains from 0.7543 to 0.7630 and 1.969 to 2.030, respectively. The corresponding simulation results of the basic control scheme in the identical time frame yield distinctly extended domains from 0.7030 to 0.7607 and 1.906 to 2.021, respectively. Consequently, the advanced control logic successfully prevents excessively low oxygen-to-carbon ratios and limits the risks of carbon deposition. Additionally, more stable fuel utilization factor progressions are achieved, outlining the superior performance of the advanced control scheme. In summary, this dissertation highlights that a solid oxide fuel cell system with anode exhaust gas recirculation can be advantageously operated with natural gas using an advanced control scheme, which is reactive to the current natural gas state. Therefore, the system can be stably operated and the lifetime can be extended.

In dieser Dissertation wurden die Auswirkungen schwankender Erdgasqualität auf das Betriebsverhalten von oxidkeramischen Brennstoffzellensystemen mit Anodenabgasrezirkulation untersucht. Hierzu wurden zwei Betriebsstrategien in einem Versuchssystem implementiert und anhand von experimentellen Daten evaluiert und validiert. Zusätzlich wurden die bestimmenden Systemgleichungen und Zusammenhänge hergeleitet. Darüber hinaus wurden aktuelle regulatorische und gesetzliche Rahmenbedingungen für Erdgas vorgestellt, sowie eine Bewertung der schwankenden Erdgasqualität in Europa anhand des Vergleichs von acht zeitlich aufgelösten Erdgasdatensätzen aus sieben Ländern durchgeführt. Der Vergleich zeigte, dass die Erdgasqualität in Europa äußerst volatil war und unterschiedliche Größenordnungen an verschiedenen Standorten erreichte. Methan und Ethan waren die volatilsten Komponenten mit Schwankungsbreiten zwischen 86,5 und 97,5 % sowie 0,9 und 10,2 %. Zusätzlich ermöglichten die eingeführten Gaskoeffizienten eine exakte Gruppierung von Erdgasmischungen, welche ein analoges Systemverhalten hervorrufen. Gleichzeitig konnten die Erdgaskonzentrationsterme in den bestimmenden Systemgleichungen vorteilhaft ersetzt werden. Weiterhin wurden die Entwicklung und Validierung der Basiserdgasbetriebsstrategie und der 0D-Systemmodellierung beschrieben. Bei der im 13 kW Brennstoffzellen-Versuchssystem implementierte Basiserdgasbetriebsstrategie wurden der Erdgasmassendurchfluss und der Reformereintrittsvolumenstrom in Bezug zu einer festgelegten Erdgasreferenzkonzentration konstant gehalten. Folglich konnten die spezifizierten Systemsollwerte, des Stackbrennstoffnutzungsgrades und Sauerstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnisses, während einer Schwankung der Erdgasqualität nicht ideal realisiert werden. Für den ausgewählten Standort des Versuchssystems in Renningen erstreckten sich die Modellvorhersagen für die Schwankungsbreiten des Stackbrennstoffnutzungsgrades und Sauerstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnisses zwischen 0,7129 und 0,8046 sowie 1,926 und 2,098 für zugehörige Sollwerte von 0,75 und 2. Die simulierten Schwankungsbreiten wurden durch den experimentellen Betrieb am nominalen Arbeitspunkt verifiziert, da die gemessenen Schwankungsbreiten zwischen 0,6823 und 0,7633 beziehungsweise 1,822 und 2,109 lagen. Folglich war das Risiko der Bildung von Kohlenstoffablagerungen innerhalb der Testphase zeitweise sehr hoch, während das Brennstoffverarmungsrisiko in einzelnen Zellen der Stacks gering war. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurde eine adaptive Erdgasbetriebsstrategie entwickelt, welche die Systemdurchflüsse, basierend auf der Detektion eines einzelnen Erdgasqualitätsindikators, fortlaufend an den ermittelten Erdgaszustand anpasste. Für den ausgewählten Standort des Versuchssystems in Renningen erzielte die adaptive Erdgasbetriebsstrategie herausragende Simulationsergebnisse mit projizierten Schwankungsbreiten des Stackbrennstoffnutzungsgrades und Sauerstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnisses von jeweils 0,7495 bis 0,7502 und 1,993 bis 2,017 für zugehörige Sollwerte von 0,75 und 2. Die hervorragenden Simulationsergebnisse wurden auch durch die gemessenen engen Schwankungsbreiten im nominalen Versuchsbetrieb, welche sich für den Stackbrennstoffnutzungsgrad und das Sauerstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnis zwischen 0,7543 und 0,7630 sowie 1,969 und 2,030 erstreckten, bestätigt. Eine Simulation mit der Basiserdgasbetriebsstrategie für die aufgezeichnete Erdgasqualität im gleichen Versuchszeitraum ergab deutlich größere Schwankungsbereiche zwischen 0,7030 und 0,7607 sowie 1,906 und 2,021. Folglich führte die Implementierung der adaptiven Erdgasbetriebsstrategie zu einem herausragenden Betriebsverhalten unter schwankender Erdgasqualität und der Reduktion des Risikos der Bildung von Kohlenstoffablagerungen sowie der Brennstoffverarmung in einzelnen Zellen der Stacks. Zusammenfassend wurde in dieser Dissertation herausgestellt, dass ein oxidkeramisches Brennstoffzellensystem mit Anodenabgasrezirkulation vorteilhaft mit einer adaptiven Erdgasbetriebsstrategie, welche kontinuierlich auf die detektierte Erdgasqualität reagiert, betrieben werden kann, wobei der Systembetrieb stabilisiert und die Lebensdauer erhöht werden.

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Hering, Martin: Evaluation of the effects of varying fuel quality on solid oxide fuel cell systems. 2018.

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