View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

6 Dynamische Simulation des Gesamtsystems
Eine direkte Beheizung der SOFC beim Anfahren wird derzeit in der Praxis nicht durchgeführt,
da zu wenig Kenntnisse über die zulässigen thermomechanischen Belastungen in der Zelle vorhanden
sind. Daher wird auch in dieser Arbeit die Wärme lediglich indirekt mittels eines beheizten
Luftstromes in die SOFC gebracht. Der warme Luftstrom durchströmt dabei die Kathodenseite
der Brennstoffzelle. Die Anodenseite wird bei sämtlichen Aufheizrechnungen unter Formiergas
gehalten. Für den Fall, dass zukünftig präzisere Informationen über der SOFC zu mutbare
Temperaturbelastungen vorhanden sind, zeigt Bild 6.3 das für unterschiedliche Temperaturgradienten
theoretisch mögliche Aufheizverhalten der Brennstoffzelle. Anhand der Unterschiede
in den Aufheizzeiten wird deutlich, wie wichtig genauere Kenntnisse des zulässigen
SOFC-Temperaturgradienten sind.
800r-----~-r-",-----r----/~~r-------,
,
600
/
--::'- -:r ----~.7" - - - - - - - - - - -
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,
ü
~
[! 400
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f-CIl :" ,
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200 :"' /
, /' SOFC-Anfahrtemperatur
/
(dT/ d~SOFC
--0,5 °C/min
"- "- . 1 °C/min
- - -2 °C/min
." .. 4°C/min
°0~------~5~------~10--------~15--------~20
tIh
Bild 6.3: SOFC-Aufheizverhalten für unterschiedliche zulässige Temperaturgradienten dT/dt.
Bei den Aufheizrechnungen wird die maximal zugeführte Heizleistung auf 40 kW begrenzt, was
bezogen auf den unteren Heizwert ungefähr dem im Nennlastbetrieb zugeführten Erdgasstrom
entspricht. Eine nennenswerte Steigerung dieser zugeführten Brenngasmenge und des zugehörigen
Luftstroms ist nicht sinnvoll, da ansonsten die Druckverluste innerhalb des Systems und
damit die benötigte Verdichterleistung zu hoch werden. Das Aufheizverhalten des Systems wird
nachfolgend getrennt für Verbrennungswärme, elektrische Energie sowie eine Kombination aus
beiden Wärmequellen untersucht.
6.1.1.1 Aufheizen über Verbrennungswärme
Bei dieser Aufheizvariante wird wie in Bild 6.4 gezeigt ein Erdgasstrom dem Nachbrenner zusammen
mit Luft zugespeist Und fremdgezündet. Der heiße Abgasstrom strömt analog zum bestehenden
System zu 85 % über den Luftvorwärmer und zu 15 % über den Vorreformer. Anschließend
mischen sich beide Teilströme erneut und beheizen den Verdampfer. Die zur Verbrennung
benötigte Luft strömt einerseits wie auch im regulären Betrieb durch den Luftvorwärmer,
nimmt dort Wärme auf und beheizt die SOFC, bevor sie in den Nachbrenner eintritt. In
einer Schaltungsvariante wird dem Nachbrenner zusätzlich über einen Bypass ein getrennter
Luftstrom zugeführt.
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