Verlag des Forschungszentrums Jülich

JUEL-3972
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.

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.

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.

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.

Neuerscheinungen

Schriften des Forschungszentrums Jülich

Ihre Ansprechperson

Heike Lexis
+49 2461 61-5367
zb-publikation@fz-juelich.de

Letzte Änderung: 07.06.2022