View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

3 Grundlagen der Anlagensubsysteme
sich die Berechnung erheblich, indem zum Beispiel die Abgaszusammensetzungen sofort mit
Hilfe der Bruttoreaktionsgleichungen bestimmt werden können.
Die Zündbarkeit eines Brenngas-Luft-Gemisches hängt von vielen Parametern ab. In der Literatur
sind untere und obere Gemischkonzentrationen bei Normbedingungen angegeben, innerhalb
derer ein zündbares Gemisch vorliegt [62] (Tabelle 3.3). Mit steigender Temperatur lässt
sich dabei oft eine Aufweitung des Zündbereiches erkennen [63]. Oberhalb der Zündtemperatur
zündet ein zündfähiges Gemisch von selbst. Liegt die Gemischtemperatur unterhalb der Zündtemperatur,
so muss zur Zündung eine Mindestzündenergie aufgebracht werden. Die Zündgrenzen
sind oft komplexe Funktionen der Zusammensetzung, des Druckes und der Gemischtemperatur.
Für die Knallgasreaktion sowie Kohlenwasserstoff-Luft-Systeme sind diese Zusammenhänge
detailliert untersucht [64, 65].
Tabelle 3.3: Zündgrenzen für brennbare SO Fe-Abgase in Luft (bei Normbedingungen) [66].
Zündtemperatur Untere Zündgrenze Obere Zündgrenze
[0C] [mol-%] [mol-%]
Wasserstoff 560 4 75
Methan 595 5,4 15
Kohlenmonoxid 605 12,5 74
3.2.3 Schadstoffbildung und Flammenlöschung
Die Stickoxidbildung spielt bei Brennstoffzellensystemen eine untergeordnete Rolle, solange die
Verbrennungstemperatur unterhalb von 1000 oe gehalten wird und der Stickstoffanteil im
Brennstoff gering ist.
Rußbildung kann grundsätzlich in einem Temperaturbereich von 1000 bis 2000 Kauftreten.
Messungen zeigen jedoch, dass Ruß vorrangig in brennstoffreichen Gemischen (eiD> 0,5) und
bei Umgebungsdruck erst über 1400 K gebildet wird [58, p. 289]. In SOFe-Systemen liegt bei
der Nachverbrennung von Anodenabgasen mit abgereicherter Kathodenabluft jedoch meist ein
deutlicher Sauerstoffüberschuss vor, weswegen keine Rußbildung zu erwarten ist.
Eine lokale Flammenlöschung in der Verbrennungszone kann jedoch bewirken, dass Kohlenwasserstoffe
nicht vollständig verbrannt werden. In der Nähe kalter Wände ist beispielsweise
eine Flammenlöschung möglich. Bei nicht-vorgemischten Gegenstromflammen führen zu hohe
Anströmgeschwindigkeiten der Luft dazu, dass die Flamme zunächst gestreckt und anschließend
ausgeblasen wird [58, p. 215]. Alternativ kann bei zu hohen Brenngasgeschwindigkeiten
die Flamme abheben und schließlich abreißen. Im Gleichstrombetrieb gibt ein Vergleich der
Strömungsgeschwindigkeiten mit der Flammengeschwindigkeit einen Anhaltspunkt, ob ein Ausblasen
der Flamme zu erwarten ist. Flammengeschwindigkeiten für ein nicht-vorgemischtes Gemisch
aus Methan und Wasserstoff sowie Luft liegen bei 40 bis 70 crnls [67].
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