View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

2 Anlagentechnischer Überblick
wert sollte daher im Betrieb ein auf den umgesetzten Brennstoff bezogener Luftüberschuss Au
von mindestens 2 gewährleistet werden. Der Luftüberschuss berechnet sich aus dem Quotienten
des gesamten Luftmassenstroms rTl L , der durch die Kathode strömt, und des für den elektrochemischen
Umsatz benötigten Luftstroms rTlL,u :
A = rTl L
u
•
mL,u
(GI. 2.20)
Die der SOFC zugeführte Luftmenge und deren Temperatur beeinflussen wesentlich die Wärmeverteilung
innerhalb der einzelnen Zelle und des gesamten Zellen stapels. Üblicherweise wird
in allen Lastzuständen der Luftstrom zur Kühlung der SOFC verwendet.
Bei Aufheizvorgängen ist es jedoch auch möglich, die Brennstoffzelle mit heißen Gasströmen
konvektiv auf ihre Betriebstemperatur zu bringen. Hier bietet sich die Durchströmung der Kathodenseite
mit Abgas oder Luft an. Eine vergleichbare Durchströmung der Anodenseite mit Luft ist
derzeit noch nicht möglich, da sie noch eine ungenügende Stabilität gegenüber Redox-Zyklen
aufweist.
2.1.6 Thermomechanische Belastungen
Bei sämtlichen Betriebszuständen können thermische Belastungen die mechanische Stabilität
der Zelle wesentlich beeinträchtigen. Elektroden und Elektrolyt unterliegen bei Betriebstemperatur
in der Regel Vorspannungen. Die Ursache hierfür bilden die Herstellungsverfahren dieser
Materialien bei Temperaturen deutlich über 1000 °C, beispielsweise durch Sinterprozesse. Bei
diesem hohen Temperatumiveau zum Zeitpunkt der Fertigung sind die Komponenten spannungsfrei.
Werden sie jedoch für den normalen Betrieb oder zur Stackmontage auf niedrigere
Temperaturen abgekühlt, erzeugen geringfügig unterschiedliche thermische Ausdehungskoeffizienten
der gefügten Materialen Vorspannungen. Weitere Vorspannungen ergeben sich bei der
Reduktion der Anode, da hiermit eine Materialschrumpfung und Änderungen der elastischen
Eigenschaften verbunden sind. Lagerreaktionen - etwa durch eine Fixierung der Zellen mit
Glaslot - können diese Effekte zusätzlich verstärken.
Beim Brennstoffzellenbetrieb wird durch die elektrochemische Reaktion in der SOFC Wärme
freigesetzt. Innerhalb der Zelle entstehen daher Temperaturgradienten, die ebenfalls zu thermomechanischen
Belastungen führen. Diese überlagern sich mit den fertigungsbedingten Vorspannungen.
In der Zelle auftretende Reformierungsreaktionen beeinflussen das Temperaturprofil
zusätzlich. Durch ihren stark endothermen Charakter führen sie zu einer deutlichen Abkühlung
der SOFC am Brenngaseintritt. Umgekehrt können sich besonders heiße Zonen am
Lufteintritt der SOFC ergeben, wenn die Brennstoffzelle zum Aufheizen mit sehr heißem Gas
durchströmt wird.
Allgemeingültige Aussagen über im SOFC-Betrieb maximal zulässige Temperaturgradienten
sind derzeit nur sehr eingeschränkt möglich. Von bestehenden SOFC-Anlagen der tubularen
Bauweise sind Aufheizvorgänge von Umgebungstemperatur auf 1000 °C Zelltemperatur inner-
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