View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

Tabelle 6.2: Vergleich der Aufheizstrategien.
6 Dynamische Simulation des Gesamtsystems
Aufheizstrategie Aufheiz- Energie- Energie- Besonderheiten
zeit') einsatz nutzungsgrad
Reine Verbrennung
- ohne Luftbypass 11,2 h 463kWh Tl = 0,09 Fremdzündung und stabile
- mit Luftbypass (25 %) 6,2 h 253kWh Tl = 0,14 Flamme erforder1ich
Rein elektrisch
- nur Brenner beheizt Elektrische Heizung
- Brenner und Luftvorw. beheizt 6,9 h 195 kWh Tl = 0,18 erforder1ich
Kombinierte elektrische Heizung und Verbrennung
- ohne Luftbypass 10,7 h 432 kWh Tl = 0,10 Elektrische Heizung
- mit Luftbypass (25 %) 5,6 h 229 kWh Tl = 0,15
erforder1ich
') bis 600°C SOFC-Temperatur erreicht sind
Für das vorliegende System ist die Variante mit einer kombinierten elektrischen Beheizung des
Nachbrenners und anschließender Verbrennungsreaktion aus mehreren Gründen besonders
geeignet. So hält sich einerseits der apparative Aufwand in Grenzen, da keine Zündvorrichtung
und Flammenüberwachung innerhalb des Nachbrenners erforderlich ist. Ferner muss mit dem
Nachbrenner lediglich eine Komponente elektrisch beheizt werden. Mit dem Konzept lässt sich
zudem die kürzeste Aufheizzeit bei vergleichsweise geringem Energieaufwand bewerkstelligen.
6.1.2 Anfahren
Der Anfahrvorgang schließt sich unmittelbar an das Aufheizen an, sobald die SOFC eine Temperatur
größer als 600 oe erreicht hat und auch die anderen Komponenten hinreichend aufgewärmt
sind. In den durchgeführten dynamischen Systemrechnungen wird die Brennstoffzelle bei
einer geringen Stromdichte von 50 mAlcm 2 in Betrieb genommen. Bei dieser Stromdichte beträgt
selbst bei der zu Beginn niedrigen Zelltemperatur von rund 600°C die Zellspannung
immer noch über 800 mV und ist damit hoch genug, um eine Schädigung des Anodenmaterials
zu vermeiden. Die Stromdichte wird anschließend linear über eine Rampe auf die Nennlaststromdichte
von 350 mAlcm 2 erhöht. Die Steigung der Rampe wird so gewählt, dass die Zellspannung
deutlich oberhalb von 600 mV bleibt und somit auch während des Anfahrens eine
Reoxidation des Anodenmaterials ausgeschlossen ist. Bei einer Änderungsrate der Stromdichte
von 375 mA/cm2 pro Stunde ist nach den Simulationsergebnissen eine unproblematische Zellspannung
von etwa 750 mV stets gewährleistet. Die Startwerte für die Materialtemperaturen der
Systemkomponenten zu Beginn der Anfahrsimulation ergeben sich aus den zuvor gezeigten
Aufheizrechnungen. Für die nachfolgenden Analysen werden diesbezüglich Werte aus dem
auch in Bild 6.6 gezeigten Aufheizvorgang mit Verbrennungswärme und 25 % Luftbypass als
Ausgangsdaten verwendet. Bild 6.12 zeigt die Simulationsergebnisse für sämtliche Anlagenkomponenten
für einen Anfahrvorgang mit 70 % Brenngasnutzung. Dargestellt sind neben den
Temperaturverläufen der Einzelkomponenten auch die vorgegebene Stromdichte, die berechnete
Zellspannung und die elektrische Brennstoffzellenleistung.
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