Optimierung einer Druckwechseladsorptionsanlage für die Gewinnung von hochreinem Wasserstoff

Abstract

In dieser Arbeit wird die Abtrennung von hochreinem Wasserstoff aus einem synthetisch hergestellten Gasgemisch untersucht. Die Zusammensetzung dieses Mehrkomponenten-Gasgemisches entspricht im Wesentlichen der eines Produktgases einer mit Luft und Holz betriebenen Festbettgaserzeugung mit nachgeschalteter Gasreinigung und Gaskonditionierung. Dadurch kann das Potential einer möglichen Prozesskette untersucht werden, welche in relativ kleinem Maßstab ausgehend von (holzartiger) Biomasse eine theoretisch CO2-neutrale, dezentrale Wasserstoffherstellung ermöglicht und damit einen wichtigen Beitrag für ein nachhaltiges Energiesystem der Zukunft liefern könnte. Der hochreine Wasserstoff soll für den Einsatz in Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC, engl.: „Protone Exchange Membrane Fuel Cell“) in Straßenfahrzeugen geeignet sein. Laut Qualitätsanforderungen in den entsprechenden Normen (ISO 14687, SAE J2719 bzw. DIN EN 17124) muss Wasserstoff für diese Anwendung eine Konzentration > 99,97 Vol.% haben, wobei zusätzlich Grenzwerte für einzelne Verunreinigungen eingehalten werden müssen. Experimentell wird die Abtrennung von vier, neben dem Wasserstoff im Gasgemisch vorkommenden, Gaskomponenten (Stickstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Methan) mithilfe einer Druckwechseladsorptionsanlage (PSA, engl.: „Pressure Swing Adsorption“) im Labormaßstab (max. 1 Nm3/h Feedgas-Volumenstrom bei maximal 7 bara) untersucht. Neben der geforderten Wasserstoff-Reinheit wurde Hauptaugenmerk auf die Optimierung einer weiteren Leistungskenngröße, der Wasserstoff-Ausbeute, gelegt. Die Vorgangsweise war folgende:1) Wahl geeigneter Adsorbentien auf Basis von Versuchen im Zuge des Adsorbentienscreenings, 2) Wahl der verwendeten Adsorbentienmengen und 3) Schrittweises Herantasten zur Wahl von geeigneten Betriebsparametern für die Optimierung der Leistungskennzahlen im automatisierten PSA-Betrieb. Begleitend wurde die zur Verfügung stehende Gasmesstechnik angepasst und optimiert, um die hohen Reinheitsanforderungen an den Wasserstoff bestmöglich nachweisen zu können. Zunächst wurden im Zuge des Adsorbentienscreenings zwei Aktivkohlen und ein zeolithisches Molekularsieb untersucht, indem Durchbruchskurven für verschiedene Drücke und verschiedene Feedgas-Zusammensetzungen aufgenommen wurden. Auf Basis dieser Experimente konnten Beladungskapazitäten errechnet werden die den real vorliegenden, nicht-isothermen Adsorptionsbedingungen besser Rechnung tragen. Diese Kapazitäten dienten als Grundlage für die Wahl der Adsorbentienmengen, welche im anschließenden automatisierten Betrieb zum Einsatz kommen. Durch die Optimierung der Betriebsparameter konnte schlussendlich Wasserstoff mit einer Reinheit von über 99,9 Vol.% und einer Ausbeute von ca. 80 % gewonnen werden.

In this work, the separation of high-purity hydrogen from a synthetically blended gas mixture is investigated. The composition of this gas mixture largely corresponds to that of a fixed-bed air gasification of wood with downstream gas cleaning and gas conditioning. This allows an investigation of the potential of a possible process chain, which enables the decentralized production of theoretically CO2-neutral hydrogen on a relatively small scale starting from (woody) biomass. Such a process chain could make an important contribution to a sustainable energy system of the future. The high-purity hydrogen is supposed to be suitable for use in protone exchange membrane fuel cells (PEMFC) for road vehicle applications. According to the quality requirements in the relevant standards (ISO 14687, SAE J2719 and DIN EN 17124 respectively), the hydrogen for this application must have a purity of > 99.97 vol.%, with additional limits for the individual impurities. Experimentally, the separation of four gas components (Nitrogen, carbon monoxide, carbon dioxide and methane) occurring in the gas mixture in addition to hydrogen is investigated using a pressure swing adsorption (PSA) system on a laboratory scale (max. 1 Nm3/h feed volume flow at max. 7 bara).In addition to the required hydrogen purity, the attention was drawn to the optimization of another key performance indicator, the hydrogen yield. The procedure was as follows: 1) selection of suitable adsorbents based on tests in the course of adsorbent screening, 2) selection of the adsorbent quantities used, and 3) step-by-step approach to select suitable operating parameters for the optimization of the key performance indicators in automated PSA operation. Collaterally, the available gas analyzer setup was adapted and optimized in order to be able to meet the high purity requirements for the hydrogen in the best possible way.First, two activated carbons and a zeolitic molecular sieve were analyzed in the course of adsorbent screening by recording breakthrough curves for various pressures and different feed gas compositions. Based on these experiments, loading capacities were calculated that represent the realistic matter in hand: non-isothermal adsorption conditions. These capacities served as a basis for the selection of the adsorbent quantities that were used in the subsequent automated PSA operation. By optimizing the operating parameters, hydrogen with over 99.9 vol.% purity and a yield of approximately 80 % was finally obtained.