Die Verwendung von Karbonatbrennstoffzellen (MCFC) ist vorteilhaft, weil sie kohlenwasserstoffbasierte Treibstoffe, zum Beispiel Erdgas mit einer Energiedichte von etwa 10 kWh/m3 bei Normbedingungen, intern reformieren können und der Wirkungsgrad dabei mit circa 50% hoch ist. Jedoch ist die Leistungsdichte im Vergleich zu anderen Brennstoffzellen mit 5 kW/m3 eher gering. Die Leistungsdichte einer
... [Show full abstract] Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEFC) ist mit 50 kW/m3 sehr viel höher. Sie kann dabei ebenfalls mit einem Wirkungsgrad von 50% betrieben werden. Dazu benötigt sie Wasserstoff als Treibstoff, der bei Normbedingungen eine Energiedichte von 2,9 kWh/m3 aufweist. Soll Methan als Treibstoff benutzt werden, nimmt der Wirkungsgrad durch die notwendige Reformierung um circa 10 bis 15 Prozentpunkte ab und die Leistungsdichte ist mit 6 kWh/m3 etwa so hoch wie die eines MCFC-Systems. Ein gemeinsames System aus MCFC und PEFC, die so genannte CoCell, bietet darüber hinaus folgende Vorteile: Einsatz eines hochenergetischen, kohlenwasserstoffbasierten Treibstoffs, z.B. Methan Hoher elektrischer Wirkungsgrad Höhere Leistungsdichte als die jeweiligen Systeme im Einzelbetrieb mit Reformer. In der CoCell fungiert die MCFC als stromproduzierender Reformer für die PEFC. Die Abwärme der MCFC wird zur Reformierung genutzt, wodurch Wasserstoff verfügbar ist, der in der leistungsdichten PEFC weiter umgesetzt wird. Die Reformierleistung der MCFC ist durch ihren internen Wärmehaushalt begrenzt. Verbraucht die endotherme Reformierung mehr Wärme als durch die Stoffströme zugeführt und als Abwärme der Brennstoffzellen-Reaktion erzeugt wird, kühlt der Zellstapel aus. Die Leistung einer solchen kombinierten Brennstoffzellen-Anlage wurde in der vorliegenden Arbeit mit der thermodynamischen Simulations-Software ASPEN modelliert. Rechnungen zur Reduzierung der Gasnutzung in der MCFC durch verschiedene Heizverfahren zeigten, dass Wärme am effektivsten durch Erhöhung der Stromdichte in der MCFC zugeführt wird. Dadurch wird der Stapel direkt elektrisch geheizt und die Leistungsdichte des Systems durch Erhöhung der MCFC-Leistungsdichte weiter verbessert. Die Reduzierung der Gasnutzung wird durch Erhöhung der Treibstoffzufuhr erreicht. Dadurch wird der Stapel auch bei geringer Gasnutzung und geringer Luftzufuhr ausreichend gekühlt. In dieser Konguration ist die Erhöhung der Stromdichte bis auf 350 mA/cm2 möglich. Dies entspricht dem 2,5-fachen Wert von 140 mA/cm2 bei typischer, konventioneller Betriebsweise. Die Grenze der Stromdichteerhöhung wurde experimentell ermittelt. Basierend auf den vorliegenden Modellrechnungen ist die Leistungsdichte der CoCell bei einer Stromdichte der MCFC von 280 mA/cm2 mit 14 kW/m3 nahezu dreimal so hoch wie die anderer Brennstoffzellenreformersysteme (siehe oben). Die Effizienz der elektrischen Energieerzeugung ist in dieser Betriebsweise mit 38% im Nennpunkt so hoch wie die eines PEFC-Reformersystems. Molten carbonate fuel cells (MCFC) are being used in decentralised power plants, as they can reform hydrocarbon bound fuels internally, e.g. netural gas with a energy density of 10 kWh/m3 at standard conditions, and the efficiency of this mode of operation is around 50%. However in comparison to other fuel cell systems the power density is only 5 kW/m3. The power density of a polymerelectrolyte fuel cell (PEFC) ismuch higher (50 kW/m3). These systems can be run with an efficiency of 50%, too. Therefore they need hydrogen as a fuel, with an energy density of 2,9 kWh/m3 at standard conditions. Efficiency decreases to 35 to 40% using Methane as fuel, because of the reforming losses. The power density than is 6 kW/m3 and therefore as high as for a MCFC-system. Acombination of MCFC and PEFC, the so called CoCell, offers the following advantages: A highly energetic, hydrocarbon based fuel can be used, e.g. Methane. A high electrical efciency is achieved. The power density of this system is higher than for a fuel cell with reformer. In the CoCell the MCFC is working as electricity producing reformer for the PEFC. The offheat of the MCFC is used for reforming, whereby hydrogen is available, being utilised further in the powerdense PEFC. The reforming capacity of the MCFC is limited by the internal heat balance. If the endothermic reforming consumes more heat than supplied by the material streams and the fuel cell waste heat, the stack cools down. The performance of such a combined fuel cell system has been evaluated in this thesis using the thermodynamic simulation software Aspen. Calculations reducing the utilisation in the MCFC by various heating techniques showed, that additional heat is supplied most efficiently by increasing the current density of the MCFC. Thereby the stack is heated electrically and the power density of the system is increased by the improved power density of the MCFC. The reduction of the utilisation is achieved by increasing fuel supply. Thereby the stack is cooled sufficiently at low utilisation and low air supply. In this configuration the current density can be increased up to 350 mA/cm2. This is 2,5 times the value of 140 mA/cm2 of typical, conventional operation. This limitation was explored experimentally. Based on the presented model calculations the power density of the CoCell increases to 14 kW/m3 at a current density in the MCFC of 280 mA/cm2. It is thereby almost three-times as high as for other fuel cell reformer systems (see above). The electrical efficiency accounts for 38% and is as good as a PEFC-Reformer system.
