FlexSOFC - Improved utilisation of intermittent low calorific gases in SOFCs (FlexSOFC)

Third party funded individual grant


Acronym: FlexSOFC

Start date : 01.08.2016

End date : 31.07.2019

Website: https://www.evt.tf.fau.de/forschung/forschungsschwerpunkte/2nd-generation-fuels/flexsofc/


Project details

Short description

ntegrating solid oxide fuel cells (SOFC) with biomass gasification is an innovative way to decentralise the cogeneration of heat and power. The electrochemical conversion of producer gas in a SOFC is electrically much more efficient than the combustion in a gas engine. Additionally, the high temperatures at the nickel anode facilitate reforming of tars, which would usually acquire extensive gas cleaning.

However, the fluctuating nature of biomass produced gas is considered as a serious problem for the operation of the fuel cell. Due to lacking fuel quality the nickel anode might be exposed to conditions which enable the oxidation of metallic nickel to NiO. The reoxidation has to be avoided because it will degrade the cell permanently. Hence, previous wood gas experiments were operated with very limited fuel utilisation (30 %). Realising higher fuel utilisation is beneficial in terms of power density and consequently economics.

Since August 16 the research project FlexSOFC is investigating possibilities to identify critical cell conditions during the operation. Therefore, the cooperating partner NOVUM engineering GmbH designs a power inverter, which is able to deliver real-time impedance data. In order to describe the current cell condition, characteristic values are derived from electrochemical impedance spectroscopy.

Within the project the existing 1 kW SOFC stack at the Chair of Energy Process Engineering is adapted to the utilisation with producer gas. Electrochemical impedance spectroscopy will be integrated in the control system to encounter critical cell conditions.

Scientific Abstract

Die Kopplung von Hochtemperaturbrennstoffzellen (SOFCs) und Biomassevergasersystemen ist ein hochintegrativer Ansatz für die dezentrale Bereitstellung von Strom und Wärme. Dabei wird energiereiches biogenes Gas mit einem hohen elektr. Wirkungsgrad (bis zu 50 %) elektrochemisch umgesetzt. Die hohe Arbeitstemperatur an der Nickelanode der Brennstoffzelle (850 °C) begünstigt zusätzlich die Reformierung von langkettigen Kohlenwasserstoffen, wie etwa Teeren, die sonst üblicherweise aufwendig abgetrennt werden müssten.

In vorangegangenen Projekten stellte sich heraus, dass die schwankende biogene Gasqualität problematisch für den Betrieb der Brennstoffzelle sein kann. Unterschreitet das Gas einen gewissen Brennwert, so steigt die Brennstoffausnutzung innerhalb des Brennstoffzellenstacks unzulässig an. Die Folge sind lokale Reoxidationserscheinungen an der Nickelanode, welche die Zelle nachhaltig schädigen. Aufgrund dieser Problematik wurden bisherige SOFC Dauertests mit Holzgas stets mit sehr geringen Brennstoffausnutzungen (30 %) betrieben. Die sichere Realisierung eines höheren Brennstoffausnutzungsgrad führt zu einer deutlich höheren Leistungsdichte und damit zu einem wirtschaftlicheren Betrieb.

Im vom BMWi seit August 2016 geförderten Projekt FlexSOFC wird eine Möglichkeit untersucht, kritische Betriebszustände online zu identifizieren. Ein speziell entwickelter Leistungswechselrichter des Kooperationspartners NOVUM Engineering GmbH ermöglicht die rauscharme Aufzeichnung von Impedanzspektren während des SOFC-Betriebs. Aus den Impedanzspektrogrammen lassen sich Kenngrößen ableiten, die den momentanen Zellzustand beschreiben.

Ein am Lehrstuhl für Energieverfahrenstechnik bestehender 1 kW Stackprüfstand wird im Laufe des Projekts so umgerüstet, dass synthetische Holzgasschwankungen impedanzdiagnostisch erfasst und regelungstechnisch entgegengewirkt werden können.

Involved:

Contributing FAU Organisations:

Funding Source

Research Areas