View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

6 Dynamische Simulation des Gesamtsystems
Tabelle 6.3 vergleicht die Simulationsergebnisse im stationären Zustand für beide Anfahrvorgänge.
Durch eine höhere Brenngasnutzung kann im betrachteten System die Stackleistung
weiter gesteigert werden. Eine weitere Erhöhung der Brenngasnutzung auf über 80 % ist allerdings
kritisch, da dann die Zellspannung zu stark abfällt und - insbesondere bei einer lokaler
Ungleichverteilung der Gase innerhalb der SOFe im realen Betrieb - die Anode reduziert werden
kann. Tabelle 6.3 verdeutlicht, dass eine höhere Brenngasnutzung auch höhere Temperaturgradienten
innerhalb der Zelle und somit größere thermomechanische Belastungen verursacht.
Alle im Folgenden angegebenen Wirkungsgradangaben beziehen sich auf den (unteren)
Heizwert H u des verwendeten Erdgases.
Tabelle 6.3: Betriebsbedingungen und Einfluss der Brenngasnutzung 'I1u auf SOFe-Parameter.
Brenngasstrom H u
Wasserdampfverhältnis S/C
Luftüberschuss Au
Strom dichte ()
Zellspannung U')
Bruttostackleistung POc.brutto·)
Maximale Zelltemperatur T max
Maximaler Temperaturgradient dT/dx max
Rel. Lage des TemperaturmaximumsxlL
Zellwirkungsgrad TlL
Stackwirkungsgrad Tlsl
Betrieb mit Tlu = 70 % Betrieb mit 11u = 80 %
41,4 kW
2,2
5,2
350 mAlcm 2
778 mV
21,6kW
756°C
3,3 °C/mm
0,35
74,6%
52,2%
41,4 kW
2,2
4,6
400 mAlcm 2
747 mV
23,7 kW
770°C
3,7°Cfmm
0,28
71,4%
57,1 %
*) im stationären Zustand
Ein Anfahren der Zelle aus dem vorgeheizten Zustand ist innerhalb einer Stunde realisierbar.
Die dabei günstigste maximale Brenngasnutzung hängt stark von den zulässigen therrnomechanischen
Randbedingungen ab. Eine Brenngasnutzung von 70 % ist vorzuziehen, solange
diesbezüglich keine gesicherten Daten vorliegen. Während des Anfahrvorganges kann bei einer
niedrigeren Brenngasnutzung zudem einfacher gewährleistet werden, dass die Zellspannung
nicht zu stark absinkt.
6.1.3 Nennlastfall
Nach dem zuvor gezeigten Anfahrvorgang befindet sich das Brennstoffzellensystem im stationären
Betriebszustand bei Nennlast. Die elektrische Bruttoleistungsabgabe der SOFe beträgt in
diesem Betriebspunkt bei einer Brenngasnutzung von 70 % rund 22 kW. Diese Leistung wird
bei der Umwandlung in Wechselstrom durch Verluste im Inverter verringert. Für alle nachfolgenden
Berechnungen wird ein Inverterwirkungsgrad von 93 % angenommen. Isentrope Verdichterwirkungsgrade
werden mit 60 % abgeschätzt. Darüber hinaus gehende Verluste der eingesetzten
Verdichter werden mit einem zusätzlichen Wirkungsgrad von 50 % erfasst. Der über
den Verdichterantrieb hinausgehende Eigenbedarf des Systems, beispielsweise für die Wasserpumpe
oder Regelungstechnik, wird mit 0,2 kW berücksichtigt. Die Rechnungen ergeben bei
110