View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

2 Anlagentechnischer Überblick
Bereits Schwefelanteile kleiner 10 ppm schädigen die SOFC-Anode. Höhere Konzentrationen
von 100 ppm führen innerhalb weniger Stunden zur vollständigen Deaktivierung eines Nickelkatalysators
[6, p. 16]. Solange keine geeigneten schwefelresistenten SOFC-Katalysatoren zur
Verfügung stehen, müssen schwefelhaltige Brenngasbestandteile daher vor dem Eintritt in die
Brennstoffzelle auf ein Minimum reduziert werden.
Grenzwerte für weitere Gasverunreinigungen sind in der Literatur für Chlor « 1 ppm) und Cyanwasserstoff
« 200 ppm) angegeben [14, p. 463]. Von Ammoniak ist dagegen bekannt, dass es
sogar als Brennstoff in der SOFC verwendet werden kann [15].
Nickel-Cermet-Anoden dürfen derzeit selbst über kurze Zeiträume nicht höheren Sauerstoffpartialdrücken
ausgesetzt werden, da ansonsten der Nickelanteil reoxidiert wird. Die Reoxidation
führt neben einer Deaktivierung des Katalysators zu zusätzlichen mechanischen Spannungen
und eventuellen Rissen innerhalb des Cermets. Aufgrund dieser mangelnden Redox-Stabilität
muss die Brenngaselektrode beim Aufheizen und Abfahren des Systems unter Formiergas gehalten
werden. Aus demselben Grund sind im normalen Anlagenbetrieb hohe Brenngasnutzungen
über 85 % zu vermeiden. Hohe Brenngasnutzungen führen zu einer Abreicherung des
Brenngases am Ende des Gaskanals der SOFC und damit zu einem Abfall der Zellspannung.
Sinkt diese sehr stark ab, droht die Reoxidation des Nickels. Über das Oxidationspotential von
Nickel und der ungünstigsten Annahme, dass sämtliche Überspannungen an der Anode abfallen,
lässt sich eine für einen sicheren Zellbetrieb ohne Reoxidation des Nickels einzuhaltende
Mindestspannung von 600 mV abschätzen.
2.1.4 Aufgaben der Abgasnachbehandlung
Um eine Brenngasverarmung am Ende der Brenngaskanals auch bei ungünstiger Gasverteilung
zu vermeiden, wird innerhalb der SOFC nicht die gesamte Brenngasmenge umgesetzt.
Der elektrochemisch nicht genutzte Brenngasanteil kann verbrannt und das heiße Abgas zur
Beheizung weiterer Systemkomponenten genutzt werden. Bei der Verbrennung ist zu beachten,
dass insbesondere das im Anodenabgas enthaltene Kohlenmonoxid weitestgehend oxidiert
wird, wofür hinreichende Aufenthaltszeiten in der Verbrennungszone sowie ausreichend hohe
Verbrennungstemperaturen vorliegen müssen. Für erdgasbetriebene Anlagen mit Feuerungsleistungen
kleiner 50 MW gelten derzeit Grenzwerte von 50 mglm3 für Kohlenmonoxid. Femer besteht
eine gesetzliche Begrenzung der Stickoxidanteile auf unter 0,2 gltn3, die jedoch lediglich in
Anlagen mit hohen Verbrennungstemperaturen über 1000 °c aufgrund der Bildung von thermischen
Stickoxiden relevant wird. Die genannten Emissionswerte beziehen sich auf einen Volumenge
halt von 3 % Sauerstoff im Abgas [16].
2.1.5 Aufgaben der Luftversorgung
Kathodenseitig ist von Seiten des Systems eine ausreichende Sauerstoffversorgung sicherzustellen,
da ansonsten eine Reduktion der Kathode droht. Im Betriebsfall ist nicht immer eine
ideale Gleichverteilung der Luft über den Kanalquerschnitt der SOFC gewährleistet. Als Richt-
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