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3 Grundlagen der Anlagensubsysteme Im vorherigen Kapitel wurde bereits die Bedeutung der verschiedenen Anlagenteilsysteme für den einwandfreien Betrieb einer SOFC erläutert. Nachfolgend werden die diesen Prozesseinheiten zugrunde liegenden naturwissenschaftlich-technischen Grundlagen aufbereitet. Für jedes Subsystem werden dabei zunächst denkbare Alternativen für den Einsatz in einer SOFe-Anlage vorgestellt. Besonders geeignet erscheinende Prozessvarianten werden anschließend auch im Hinblick auf die spätere Modellierung beleuchtet. 3.1 Aufbereitung der Ausgangsstoffe Verfahrensschritte zur Aufbereitung der Ausgangsstoffe sind auch innerhalb einer im Vergleich zu anderen Brennstoffzellensystemen relativ anspruchslosen SOFe-Anlage unverzichtbar. In diesem Abschnitt werden die für die Reinigung, Vorwärmung und Verdampfung sowie Reformierung zuständigen Mechanismen näher beschrieben. 3.1.1 Gasvorwärmung Sowohl Luft als auch Brenngas müssen vor ihrem Eintritt in die SOFe vorgewärmt werden, um zu große thermomechanische Spannungen im Stack zu vermeiden. Zur Vorwärmung der Gase wird im Anlagenbetrieb ein Teil des vom Nachbrenner kommenden heißen Abgasstromes verwendet. Der Energietransfer vom Abgas auf den Luft- beziehungsweise den Brenngasstrom erfolgt über Wärmeübertrager, so dass eine räumliche Trennung der beiden Gasströme vorliegt. Ein direkter Wärmeübertrag durch Vermischung von heißem SOFC-Abgas und dem vorzuwärmenden Gasstrom ist ebenfalls möglich. In diesem Fall können Ejektoren eingesetzt werden, deren Funktion gesondert in Abschnitt 3.3.3 beschrieben wird. In einem Wärmeübertrager sind die beiden Fluide durch eine feste Wand voneinander getrennt. Die Wärme geht von dem Fluid mit der höheren Temperatur zunächst an die Wand über, wird in dieser weitergeleitet und anschließend an das kältere Fluid abgegeben. Diese Reihenschaltung von Wärmeübergangs- und Wärmeleitungsphänomenen wird als Wärmedurchgang bezeichnet und durch den Wärmedurchgangskoeffizienten k charakterisiert. Der beim Wärmeübergang im stationären Zustand fließende Wärmestrom 6 ergibt sich mittels der Bezugsfläche A sowie der Temperaturdifferenz der Fluide ~T zu: 6=k·A·~T (GI. 3.1) 25
3 Grundlagen der Anlagensubsysteme Für das Beispiel einer ebenen Wand berechnet sich der Wärmedurchgangskoeffizient k aus den Beiträgen der Wärmeübergangskoeffizienten
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