title: Untersuchung und adsorptive Abtrennung von Verunreinigungen im Wasserstoff aus der Dehydrierung von chemischen Wasserstoffspeichersystemen
Creators: name: Zilm, Adrian
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024
Subjects: subject: Benzyltoluol
subject: Benzyltoluene
subject: LOHC
subject: Wasserstoff
subject: Hydrogen
subject: Reinigung
subject: Purification
subject: Aktivkohle
subject: Activated Carbon
subject: Kieselgel
subject: Silica gel
subject: Adsorption

description: In the context of the transformation from fossil fuels to renewable energies and the associated need for cheap and scalable storage technologies, hydrogen is becoming increasingly important as a CO2 free energy carrier medium. Liquid Organic Hydrogen Carriers (LOHCs) are a promising option for storing and transporting this hydrogen. These can be charged with hydrogen and discharged again as required. The discharge takes place through dehydrogenation. In addition to hydrogen, impurities are also released, which means that the high purity requirements for hydrogen for polymer electrolyte fuel cells in accordance with ISO standard 14687:2019 are not met. This work focuses on the adsorptive removal of various impurities and the optimization of dehydrogenation parameters to avoid these by products. It is shown that limit values for various impurities – including a carbon monoxide concentration of 0.2 ppm – can be met by suitable dehydrogenation conditions. However, volatile organic compounds (VOCs) and semi volatile organic compounds (SVOCs) require an additional separation step. The activated carbons studied demonstrate high adsorption capacities for VOCs of over 0.60 g g−1 in some cases and enable regeneration at temperatures &lt; 300 °C. The total desorption of SVOCs for the regeneration of activated carbons only takes place above 300 °C. Silica gels with an average pore diameter of around 5 nm are just as effective as activated carbons for the removal of SVOCs. However, these silica gels can be completely regenerated at temperatures below 200 °C. Based on these results, various adsorber concepts were developed for different LOHC applications. One of these concepts involves temperature swing adsorption, in which a partial flow of purified hydrogen is heated and used to regenerate an adsorber in counter-current. The resulting highly contaminated partial hydrogen stream is thermally utilized to heat the dehydrogenation process. Empirical studies confirmed the feasibility of this approach and showed that less than 0.28 % of the energy content of the released hydrogen (lower heating value) is required for thermal regeneration. This enables cost efficient compliance with ISO standards.
description: Im Kontext der Transformation von fossilen Energieträgern zu erneuerbaren Energien und des damit verbundenen Bedarfs an günstigen und skalierbaren Speichertechnologien, wird Wasserstoff als CO2 freies Energieträgermedium immer wichtiger. Flüssige organische Wasserstoffträger (LOHCs) stellen eine vielversprechende Möglichkeit dar, diesen Wasserstoff zu speichern und transportieren. Diese Träger können mit Wasserstoff beladen und bei Bedarf wieder entladen werden. Die Entladung erfolgt durch Dehydrierung. Hierbei werden neben Wasserstoff auch Verunreinigungen freigesetzt, wodurch die hohen Reinheitsanforderungen an Wasserstoff für Polymerelektrolyt Brennstoffzellen gemäß der ISO Norm 14687:2019 nicht erfüllt werden. Diese Arbeit fokussiert sich auf die adsorptive Entfernung verschiedener Verunreinigungen und die Optimierung der Dehydrierparameter zur Vermeidung dieser Nebenprodukte. Es wird dargestellt, dass Grenzwerte für diverse Verunreinigungen – inklusive einer Kohlenmonoxidkonzentration von 0,2 ppm – durch passende Dehydrierbedingungen eingehalten werden können. Allerdings erfordern flüchtige organische Verbindungen (VOCs) und schwerflüchtige organischen Verbindungen (SVOCs) einen zusätzlichen Abtrennungsschritt. Untersuchte Aktivkohlen zeigen hohe Adsorptionskapazitäten für VOCs von teilweise über 0,60 g g−1 und ermöglichen eine Regeneration bei Temperaturen &lt; 300 °C. Die vollständige Desorption der SVOCs zur Regeneration der Aktivkohlen erfolgt erst bei weit über 300 °C. Kieselgele mit einem mittleren Porendurchmesser von etwa 5 nm zeigen im Vergleich zu Aktivkohlen eine ähnlich effektive Abtrennung der SVOCs. Diese Kieselgele können jedoch bereits bei unter 200 °C vollständig regeneriert werden. Basierend auf diesen Ergebnissen wurden verschiedene Adsorberkonzepte für unterschiedliche LOHC Anwendungen entwickelt. Eines dieser Konzepte umfasst eine Temperaturwechsel Adsorption, bei der ein Teilstrom des gereinigten Wasserstoffs erhitzt und zur Regeneration des Adsorbers im Gegenstrom verwendet wird. Der hierbei entstehende stark verunreinigte Wasserstoffteilstrom wird zur Beheizung der Dehydrierung thermisch verwertet. Empirische Untersuchungen bestätigten die Machbarkeit dieses Ansatzes und zeigten, dass weniger als 0,28 % des Energieinhalts des freigesetzten Wasserstoffs (unterer Heizwert) für die thermische Regeneration erforderlich sind. Hierdurch wird eine kosteneffiziente Einhaltung der ISO Normen ermöglicht.