Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-3972
In der vorliegenden Arbeit steht die technische Entwicklung und wirtschaftliche
Bewertung von Anlagenkonzepten mit neuartigen Verfahren zur Zellkühlung im
Vordergrund. Diese stellen Alternativen zur konvektiv mit Luft gekühlten Brennstoffzelle
dar.
Neben experimentellen Untersuchungen zur Brenngasreformierung in der SOFC
kommt vor allem der Verfahrensanalyse mit dem Simulationsprogramm PROII eine
große Bedeutung zu. Die hier betrachtete 200 kWe SOFC ist mit umfangreichen
peripheren Anlagenkomponenten (Vorreformer, Wärmeübertrager, Verdichter etc.)
ausgerüstet. Entwickelte Programmroutinen dienen der Berechnung der elektrischen
Leistung des SOFC-Zellstapels sowie der Investitions- und Stromerzeugungskosten.
Die Arbeit verdeutlicht, daß eine nahezu vollständige Zellkühlung durch radiative
Wärmeabfuhr von den Zellaußenflächen zu extern angeordneten Verdampfern der
standardmäßigen Luftkühlung wirtschaftlich überlegen ist. Dabei ist ein Zellbetrieb mit
vollständig vorreformiertem Erdgas möglich.
Noch vorteilhaftere Kostenstrukturen sind erzielbar, wenn innerhalb der Brennstoffzelle
eine über den elektrochemische Bedarf an Wasserstoff bzw. Kohlenmonoxid
hinausgehende Methan-Dampf Reformierung erfolgt. Bei diesem Verfahren kann das
verbleibende Synthesegas vielfältig genutzt werden. Hier wird die Erzeugung von
Prozessdampf (200 bis 1200°C) betrachtet. Eine andere Möglichkeit wäre die
Verstromung mittels Gasturbine.
Die Sensitivitätsanalysen zeigen, daß ein sukzessives Ausschöpfen von
Optimierungspotentialen (z.B. Anodenstruktur und Betriebstemperaturen der SOFC) zu einer
weiteren Senkung der Stromerzeugungskosten führt. Sie liegen im günstigsten Fall mit
12 bis 13 Pf/kWh in einem Bereich, der heutzutage von Motor-BHKW's erreicht wird.
The present study is concerned with the technical development and economic
valuation of plant concepts of new fuel cell cooling methods. They can be considered
as an alternative to the normal convective cell cooling with air.
Besides experimental studies on the natural gas reforming within the SOFC special
attention is paid to the process analysis of the power plant carried out with the
simulating program PROII. The 200 kWe SOFC is linked with peripheral components
such as prereformer, heat exchangers, compresssors etc.. Developed program
subroutines serve to calculate the electrical power output of the fuel cell, the
investment costs and the costs of electricity.
The study shows clearly that a radiative cell cooling device on basis of an external
arranged vaporizer has economic benefits in comparison with the normal air cooling. In
this case the possibility is given to run the fuel cell with completely prereformed natural
gas.
When the internal methane reforming is carried out in excess of the electrochemical
demand for hydrogen and carbon monoxide respectively a further cost reduction
potential is given. The produced synthesis gas can be used in alternative to the
production of power in a gas turbine to supply process steam in the temperature range
of 200 to 1200°C.
Sensitivity analyses show that a successive use of optimization potentials (e.g. anode
structure and operating parameters of the SOFC) leads to a further reduction of the
costs of electricity. In the best case the achieved costs of 12 to 13 Pf/kWh are in a
range achieved by CHP plants based on engines.
Thom, Frank
Technische Entwicklung und wirtschaftliche Bewertung neuer Kühlungsverfahren für planare Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC)
126 S., 2002
Ein großes Anwendungspotential besteht für dezentrale erdgasbetriebene
Brennstoffzellen-BHKW's mit planarer Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC). Neben
Anwendungen mit rein stromgeführtem Anlagenbetrieb ist gerade bei mittelständischen
Gewerbe- und Industriebetrieben ein hohes Nachfragepotential für Prozessdampf mit
Temperaturen zwischen 200 und 1200°C vorhanden.
A great potential exists for the use of the solid oxide fuel cell technology based on the
planar cell design concept. Besides its application as power provider there is a need to
supply process heat in the temperature range of 200 to 1200°C for commercial and
industrial decentralized facilities.
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