Simulation eines SOFC-Brennstoffzellensystems mit Anodenabgasrückführung (PDF)

In dieser Arbeit werden ein neuartiges Konzepteines kleinen propangetriebenen SOFC-Brennstoffzellensystems (ca. 350 We), Tests, Messungen und Simulationen vorgestellt. Dieses Konzept nutzt sowohl eine stoffliche wie auch eine thermische Integration, durch die gleichzeitig der elektrische Wirkungsgrad verbessert und die Systemkomplexität verringert werden. Dies wird durch die Rückführung eines Teils der Anodenabgase, die aus Wasserdampf, CO2 und unverbrauchtem Brenngas bestehen, zur Anodedurch einen Injektor statt durch ein Hochtemperaturgebläse,der als Treibgas das frische Brenngas verwendet, und die Nachverbrennung unverbrauchter Brenngase im restlichen Anodenabgas erreicht. Das rezirkulierte Anodenabgas dient zur direkten Nutzung eines Teils der unverbrauchten Brenngase undals Reformierungsmittel, wodurch kein Wasserdampferzeuger benötigt wird. Durch die endotherme, kombinierte Wasserdampf-Boudouard-Propanreformierung wird Anodenabgas- und Nachverbrennungswärme in den Prozess integriert.
Zur Simulation der An- und Abfahrvorgänge dieses Systems wird ein dynamisches Modell in MATLAB/Simulink entwickelt und validiert mit Hilfe von Messdaten, die von den Projektpartnern an einem prototypischen System erhoben wurden. Der Schwerpunkt der Simulationen liegt beim Anfahrvorgang, bei dem das Propan zuerst durch die exotherme partielle Oxidation (POX) mit Luft reformiert wird, bis der Stack eine ausreichend hohe Betriebstemperatur erreicht hat. Anschliessend wird der Reformer sukzessiv in den endothermen Wasserdampf- und CO2-Reformierungsmodusumgeschaltet. Die Simulationen zeigen die Funktionsfähigkeit des Konzeptes, die Betriebsstrategie zur Vermeidung von Überhitzung und Russbildung im Nachbrenner und Reformersowie weitere Prognosen zur Realisierung eines thermisch autarken Betriebes.