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6 Dynamische Simulation des Gesamtsystems Luft Abwärmenutzung Formiergas ------+f''\,,f---I---./ "-LU.I.!:I.../ I-""~~;'; ---- - -r·Elekfrizität 11 11 .~" .9-9.'..... L"" I I (optional) Bild 6.4: Systemkonfiguration für Aufheizen über Verbrennungswärme. Der Luftmengenstrom dient im simulierten Betrieb dazu, die maximale Abgastemperatur auf 950 oe zu begrenzen. Bild 6.5 zeigt neben den Eingangsgrößen der Simulation die berechneten Temperaturverläufe des Abgases und die mittleren Feststofftemperaturen der einzelnen Komponenten. 1~r---------~--------~-------- ..................................................... ü : .ll--· ······ -.-.-.-_-.--.-----~ . =:~-~ ~ .. 400 , I .... ;/_ .- .- .-._._ . __ ._._._._.- .-.,.".. , , ,A. ... .... ... .... ,.. ,.......... , ~1~~ I ~ ~I~ _____ ~_ J: O u ___ { ...J O~ , jO'E m 'E 0 5 10 15 Vh .. " ... Abgas . -. _. Brenner --SOFe - - - Reformer . , ' , , ,. Luftvorwärmer ,-, - ' Verdampfer Brenngas (BG): Erdgas Bild 6.5: Aufheizvorgang mit Verbrennungswärme (ohne Luftbypass). Bei dem in Bild 6.5 gezeigten Aufheizvorgang erreicht die SOFe nach rund 11 Stunden gerade die zum Anfahren benötigte Temperatur von 600 oe. Zu Beginn des Betriebes ist kurzzeitig ein deutlicher Luftüberschuss notwendig, um Kondensation des im Abgas enthaltenen Wasserdampfes in den kalten Komponenten entlang des Abgaspfades zu vermeiden. Sobald sämtliche Apparate 70 oe erreicht und damit die Taupunkttemperatur des Gasgemisches überschritten haben, kann die Luftmenge wieder deutlich reduziert werden. Im weiteren Verlauf dient die Luftmenge dann zur Regelung der Nachbrennertemperatur. 101
6 Dynamische Simulation des Gesamtsystems Ohne einen Luftbypass ist es nicht möglich, das Temperatumiveau der aus dem Luftvorwärmer in die SOFe strömenden Luft gezielt einzustellen, da die zugespeiste Luftmenge direkt an die maximal zulässige Verbrennungstemperatur gekoppelt und somit nicht variabel einstellbar ist. Die Situation verbessert sich, falls neben dem über den Luftvorwärmer strömenden Gasstrom zusätzlich ein Luftbypass zum Nachbrenner vorhanden ist. In diesem Fall kann die durch den Luftvorwärmer strömende Luftmenge so angepasst werden, dass ihr Temperaturniveau eine hinreichend große Temperaturdifferenz zur aufzuheizenden SOFe aufweist. Bild 6.6 zeigt einen Aufheizvorgang, bei dem 25 % des Gesamtluftstromes über einen Bypass direkt dem Nachbrenner zugeführt werden. 1000 r----•• -•• -•• -•• ~._- • •-••-••-••-••-•••- ••-••-••-.• ~ ••-••-••-••-• •-••-••-•••- ••- ••'. : ~'. '~ ', ~~;::er 800 ................. ' ... , ... ..... _._ . _ . _ . _-~-~- ' - - ,- , -_-_-_ ~~f~':mer ü 600 • .......,. " .;;.... ,-: ,:: .. " ........ ,...... Luftvorwärmer It- .,(........ .... V d f .... • • • ~.# ~ ."- ._._._. __ ._._._ -'-' .-. - . er amper 400 -"-' .;"'" 200 o ..- " "," : 1, .'" ,." i .... . .. ' ..... ~ 1~~L-____ ----------------l ~ 0 ~ ~ ~!_·_ · _·_ ·~ · _ · ___ ·_·:_·_·_·_· __ · l~°lt ·E 0 5 10 15 -E tIh Brenngas (BG): Erdgas Bild 6.6: Aufheizvorgang mit Verbrennungswärme (25 % Luftbypass). Bis die SOFe eine mittlere Temperatur von 600 oe erreicht, vergehen in diesem Fall nur noch rund 6 Stunden. Zusätzliche Rechnungen ergeben, dass ein höherer Bypassanteil nicht zu einem schnelleren Aufheizen führt. So beträgt die berechnete Aufheizzeit mit 50 % Bypassluftstrom 6,5 Stunden. Ein Bypassanteil von 75 % führt zu einer weiteren deutlichen Verschlechterung, da die Luft am SOFe-Eintritt zwar ein hohes Temperaturniveau erreicht, jedoch aufgrund des deutlich geringeren Wärmekapazitätsstromes zu wenig Energie in die Brennstoffzelle eingetragen wird. 6.1.1.2 Aufheizen über elektrische Beheizung Das System kann auch auf Anfahrtemperatur gebracht werden, indem einzelne oder mehrere Systemkomponenten elektrisch beheizt werden. Ein Luftstrom verteilt dann die Wärme konvektiv innerhalb der Anlage. Der apparative Aufwand durch zusätzliche Heizelemente ist geringer, falls nur wenige Komponenten elektrisch beheizt werden. Zur Beheizung eignet sich einerseits besonders der Nachbrenner, da über den Abgaspfad mit Ausnahme der SO Fe sämtliche Sys- 102
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