View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

6 Dynamische Simulation des Gesamtsystems
Systems zu beurteilen, durch welche Betriebsstrategien sich der Aufheizprozess besonders zügig
und mit geringem Energieaufwand bewerkstelligen lässt. Es stellt sich heraus, dass von den
untersuchten Aufheizvarianten bei der direkten elektrischen Beheizung der größte Anteil der zugeführten
Heizenergie im System verbleibt. Allerdings ist dafür eine Beheizung mehrerer Komponenten
erforderlich, was einen zusätzlichen apparativen Aufwand bedeutet. Das Aufheizen
über Verbrennungswärme sollte mit einem Luftbypass direkt zum Nachbrenner geschehen, da
auf diese Weise das Temperatumiveau des Gasstromes, der die SOFe beheizt, besonders gut
geregelt werden kann. Beim alleinigen Aufheizen des Systems über Verbrennungswärme ist
eine Fremdzündung der Verbrennungsreaktion zu Beginn des Aufheizvorganges erforderlich.
Diese ist in dem Nachbrennerdesign der geplanten realen Anlage zunächst nicht vorgesehen.
Insofern stellt das kombinierte Aufheizen mit elektrischer Energie und Verbrennungswärme einen
geeigneten Kompromiss unter den betrachteten Betriebsfällen dar. Bei dieser Vorgehensweise
muss lediglich der Nachbrenner elektrisch beheizt werden. Auf eine Zündvorrichtung
kann verzichtet werden, da das Brenngas nach erfolgter Vorheizung des Nachbrenners über die
Zündtemperatur des Gemisches von selbst zünden kann. Die heißen Abgase heizen die
einzelnen Systemkomponenten auf. Auch in dieser Variante wirkt sich ein Luftbypass zum
Nachbrenner günstig auf das Aufheizverhalten insbesondere der SOFe aus. Als Randbedingungen
der durchgeführten Simulationsrechnungen wird die zugeführte Heizleistung auf 40 kW
begrenzt, was der im Nennlastfall durch das Brenngas zugeführten Energie entspricht. Zudem
darf die Gastemperatur im Nachbrenner aufgrund der vorliegenden Materialeigenschaften
950 oe nicht überschreiten. Unter diesen Umständen kann die betrachtete SO Fe-Anlage in 5
bis 6 Stunden aufgeheizt werden.
Ab einer SOFe-Temperatur von 600 oe kann das System auch elektrochemisch gestartet werden.
Die Stromdichte wird dazu in den Simulationsrechnungen von einem niedrigen Anfangswert
über eine Rampe auf die Nennlaststromdichte erhöht. Das Anfahren der SOFe von 600 oe
in den Nennlastbetrieb kann innerhalb von weniger als einer Stunde realisiert werden, ohne
dass die Zellspannung zu sehr abfällt und damit eine Reoxidation des Anodenmaterials ermöglicht.
Wird während des Anfahrens die zugeführte Brenngasmenge konstant gehalten, so fällt
die Abgastemperatur kontinuierlich ab, da zunehmend Brenngas in der SOFe und nicht mehr
im Nachbrenner umgesetzt wird. Als Folge fallen auch die Temperaturen der restlichen Systemkomponenten
mit Ausnahme der SOFe, die durch die mit der elektrochemischen Reaktion verbundenen
Wärmeproduktion bis auf ihre Betriebstemperatur aufgeheizt wird. Die verwendete
Brenngasnutzung beeinflusst wesentlich die Betriebsparameter der SOFe. So führt eine erhöhte
Brenngasnutzung bei sonst gleichen Betriebsbedingungen zu einem ausgeprägteren Temperaturprofil
und höheren Temperaturgradienten innerhalb der Zelle. Im Hinblick auf die thermomechanische
Belastung der Brennstoffzelle ist insofem eine niedrigere Brenngasnutzung von
70 % im Vergleich zum Betriebsfall mit 80 % von Vorteil.
Im Nennlastfall können eine elektrische Stackleistung von rund 20 kW sowie eine thermische
Nutzleistung von etwa 10 kW erreicht werden. Je nach Brenngasnutzung beziehungsweise Luftüberschuss
liegen die Maximaltemperaturen in der SOFe zwischen 750 und 770 oe. Der zu
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