View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

2 Anlagentechnischer Überblick
Parallel kann auch über die Boudouard-Reaktion Rußbildung stattfinden, indem Kohlenmonoxid
zu Kohlendioxid und Kohlenstoff umgesetzt wird:
2CO~C02 +C (GI. 2.16)
Eine analoge Betrachtung der Freien Reaktionsenthalpie für diese Reaktion ergibt hier ein thermodynamisches
Potential zur Rußbildung, falls gilt:
Pco 2 pO
Kp,80udouard > -()2
Pco
(GI. 2.17)
Da in einem SOFC-System tatsächlich verschiedene Reaktionen parallel ablaufen, muss eine
umfassende Untersuchung ihres Simultangleichgewichtes erfolgen. In einer SOFC ist zusätzlich
zu den Reaktionspartnem CH 4 , CO, CO2 und H2 auch Wasserdampf zugegen, so dass weder
Gleichung 2.11 noch 2.16 für sich alleine und unabhängig voneinander betrachtet werden können.
Man kann sich dem Problem annähern, indem man zunächst das homogene Reaktionsgleichgewicht
untersucht und dann feststellt, ob noch ein Potential für die Kohlenstoffabscheidung
besteht. Für in SOFC-Systemen typische Gaszusammensetzungen ergibt die thermodynamische
Analyse, dass zur vollständigen Beschreibung der homogenen Gasphase zwei Reaktionsgleichungen
benötigt werden. Im vorliegenden Fall sind dies beispielsweise die Reaktion
der Methan-Dampfreformierung
(GI. 2.18)
sowie die Wasser-Gas-Shift-Reaktion:
(GI. 2.19)
Beide Gleichungen werden in Abschnitt 3.1.4 näher erläutert. Aus den Gleichungen 2.18 und
2.19 lassen sich die Gleichgewichtszusammensetzung und das Minimum der Freien Enthalpie
zunächst ohne Berücksichtigung von festem Kohlenstoff, also für das homogene Gleichgewicht,
ermitteln. Im Anschluss ist zu prüfen, ob ein thermodynamisches Potential für Kohlenstoffbildung
vorhanden ist, indem das heterogene Reaktionsgleichgewicht betrachtet wird. Die thermodynamische
Analyse zeigt, dass hierzu eine zusätzliche Reaktionsgleichung mit Kohlenstoffbildung,
zum Beispiel Gleichung 2.11, berücksichtigt und in das Simultangleichgewicht einbezogen
werden muss. Ein thermodynamisches Potential für Kohlenstoffabscheidung besteht, falls
für die vorliegenden Reaktionsbedingungen ~RG < 0 und somit die partielle Ableitung der Freien
Enthalpie nach der Reaktionslaufzahl negativ ist. In diesem Fall sind das thermodynamische
Gleichgewicht beziehungsweise das Minimum der Freien Enthalpie noch nicht erreicht.
Das Ergebnis einer entsprechenden thermodynamischen Untersuchung bei unterschiedlichen
Temperaturen und Drücken ist in Bild 2.2 für Methan als Brenngas gezeigt. Da von systemtechnischer
Seite die Zugabe von Wasserdampf das Problem der Rußbildung entschärfen kann,
werden in der Abbildung die Rußbildungsgrenzen als Funktion des Verhältnisses von Wasserdampf
und im Brenngas enthaltenen Kohlenstoff aufgetragen. Diese Relation wird kurz als
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