View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

5 Modellierung und Simulation der Anlagenteilkomponenten
richtung auch für transiente Betriebszustände sehr genau aufzulösen. Das Modell beschreibt
eine Einzelzelle repräsentativ für das Verhalten des gesamten Stacks.
Reaktionskinetiken und Elektrochemie werden in dem SOFC-Modell in Anlehnung an die Arbeit
von [3] berücksichtigt. Die Shift-Reaktion wird als Gleichgewichtsreaktion betrachtet. Gemessene
und mit dem genannten CFD-Modell [24] berechnete Temperatur- und Konzentrationsverläufe
innerhalb der Zelle können mit dem eindimensionalen SOFC-Modell mit hoher Genauigkeit
reproduziert werden.
Das Modell wird über eine entsprechende Schnittstelle in die für die Anlagensimulation verwendete
Simulationsumgebung Matlab/Simulink eingebunden. Die numerische Lösung der zugrunde
liegenden partiellen Differentialgleichungen erfolgt über eine ausgelagerte Numerikbibliothek
[86], wodurch das Modell nicht an eine Simulationsumgebung gebunden und somit plattformunabhängig
einsetzbar ist. Die typische Simulationsschrittweite des Modells beträgt eine Sekunde
und liegt damit in der Größenordnung der Gasverweilzeiten innerhalb des Systems.
5.6 Ejektor
Die Basisvariante der 20 kW Anlage besitzt keine Gasrezyklierung und kommt daher ohne einen
Ejektor aus. Ein System mit Anodenabgasrückführung verspricht jedoch deutliche Wirkungsgradsteigerungen
und wird daher auch in der vorliegenden Arbeit untersucht. Zu diesem
Zweck wird ein Ejektormodell erstellt, das nachfolgend beschrieben ist. Mit Hilfe des Ejektormodells
ist es möglich, ein für den Einsatz im SOFC-System geeignetes Ejektordesign sowie zugehörige
Betriebsparameter für Teil- und Volllast zu ermitteln. Das Modell basiert auf Arbeiten
VOn [103] und [104].
5.6.1 Ejektormodell
Die Funktion des Ejektors lässt sich anhand der grundlegenden physikalischen Prinzipien der
Massen-, Energie- und Impulserhaltung nach den Gleichungen 3.52 bis 3.54 und 3.57 beschreiben.
Diffusor
Treibstrom
.-L--..L-_~
wT,o -
~--_r-"'oH-­
F----o;;;:::.-_-.ti
Mischstrom
Wo -
twso
Saugstrom
Bild 5.31: Teilbereiche des Ejektormodells.
Die Stoffeigenschaften des Treib- und Saugstrahis vor ihrem Eintritt in den Ejektor (Index ?)
können als bekannt angenommen werden. Für den Treibstrahl lassen sich diese Parameter wie
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