Bauteil 82: Brennstoffzelle

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Bauteil 82: Brennstoffzelle

Vorgaben

Leitungsanschlüsse
1	Oxidationsgaseintritt (z.B. Luft, O2)
2	Abgas (Kathode)
3	Abgas (Anode)
4	Brenngaseintritt
5	Dampfeintritt (nur für alte Version mit Reformer)
6	Kühlwassereintritt
7	Kühlwasseraustritt
8	Erzeugte elektrische Leistung

Allgemeines Vorgabewerte Kennlinien Verwendete Physik Bauteilform Beispiel

Allgemeines

Für dieses Bauteil hat es in der Ebsilon Professional Release 6.0 ein Redesign gegeben. Wenn aus Kompatibilitätsgründen jedoch die Ergebnisse vorheriger Berechnungen reproduziert werden sollen, kann der alte Berechnungsmodus durch FSPEC = "alter Modus" eingestellt werden.

Während im alten Modus der Reformer mit in Bauteil 82 integriert war, muss im neuen Modus der Reformer separat modelliert werden. Hierfür steht das Bauteil 95 zur Verfügung, das das chemische Gleichgewicht berechnet (anstelle einer globalen Beschreibung durch Kennlinien). Dadurch ist eine detailliertere Betrachtung möglich.

Im neuen Berechnungsmodus wurde eine Klassifizierung verschiedener Typen von Brennstoffzellen implementiert, die durch den Parameter FSPEC eingestellt werden können. Die Typen unterscheiden sich insbesondere durch das verwendete Brenngas und die an Anode und Kathode vorhandenen Stoffe. In EBSILON^®Professional realisiert sind die Typen PEM, PAFC, MCFC und SOFC.

Für alle Typen (im neuen Berechnungsmodus) sind für die eingehenden Ströme (Brennstoff, Oxidationsgas, Kühlwasser ) der Massenstrom, die Temperatur und der Druck sowie die chemische Zusammensetzung des Brennstoffs und des Oxidationsgases vorzugeben.
Als Kühlmedium darf auch Dampf, Luft oder Universalfluid verwendet werden.

Gemäß dem vorgegebenen Brennstoffzellentyp wird eine chemische Umsetzung berechnet. , mit Konversionsraten, die in den Spezifikationswerten ECONH2 und ECONCO eingestellt werden. Die resultierenden Reaktionsprodukte werden gemäß obigem Bild auf Anode und Kathode aufgeteilt. Nicht verwendete Bestandteile des Brenngases werden über den Anodenaustritt, nicht verwendete Bestandteile des Oxidationsgases über den Kathodenaustritt abgeführt.

Die erzeugten elektrische Leistungen und die Temperaturen von Anoden- und Kathodenabgas ergeben sich aus den eingestellten Wirkungs- und Verlustgraden:

dem elektrischen Wirkungsgrad,
dem Wirkungsgrad der Kühlung,
dem Wirkungsgrad für das Kathodenabgas,
dem Anodenwirkungsgrad,
dem Verlustgrad für weitere Verluste (z. B. Wärmeverluste)
dem Umwandlungswirkungsgrad Gleichstrom/Wechselstrom

Für die ersten fünf Wirkungsgrade kann über Kennlinien eine Massenstromabhängigkeit vorgegeben werden.

Vorgabe von Spannung und Frequenz, Stromtyp im Bauteil:

Es gibt die Möglichkeit Spannung (VOLT), Frequenz (FREQ) und Stromtyp (NPHAS) als Vorgabewert im Bauteil vorzugeben.

Über die Schalter FVOLT und FFREQ wird eingestellt, ob die Vorgabe durch die neuen Vorgabewerte VOLT bzw. FREQ erfolgen soll (0) oder als Messwerte (Spannung und Frequenz)
auf die Elektroleitung (-1) gesetzt werden.

Vorgabewerte

FMODE	Berechnungsart Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0: GLOBAL =1: Lokale Teillast
FSPEC	Typ der Brennstoffzelle Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0: Alter Berechnungsmodus (mit Reformer) =1: PEM =2: PAFC =3: MCFC =4: SOFC
ETAEN	Elektrischer Wirkungsgrad = QEN/(NCV*M1N)
ETACN	Kühlungswirkungsgrad = QCN/(NCV*M1N)
ETAON	Kathodenabgaswirkungsgrad = QON/(NCV*M1N)
ETALN	Verlustgrad = QLOSS/(NCV*M1N)
ETAANN	Anodenwirkungsgrad
ECONH2	Konversionsrate H2
ECONCO	Konversionsrate CO
EDCAC	Umwandlungswirkungsgrad Gleichstrom/Wechselstrom (DC/AC)
FFUEL	Art des Brennstoffs (nur bei altem Berechnungsmodus) Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0: Kohlenwasserstoff (Hydrocarbon) =1: Wasserstoff (Hydrogen)
ALAM	Luftverhältnis (Luft zu Luft stöchiometrisch, nur bei altem Berechnungsmodus)
DP12N	Druckverlust zwischen Leitung 1 und 2 (nominal)
DP67N	Druckverlust zwischen Leitung 6 und 7 (nominal)
FVOLT	Schalter für die Methode zur Vorgabe der Spannung Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0: durch Vorgabewert VOLT =-1: Spannung von außen auf Elektroausgang gegeben
VOLT	Spannung (auf Elektroleitung)
FFREQ	Schalter für die Methode zur Vorgabe der Frequenz Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0: Vorgabewert FREQ verwenden =-1: Frequenz von außen auf Elektroausgang gegeben
FREQ	Generatorfrequenz
NPHAS	Stromtyp Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0: Gleichstrom =1: 1-Phasen-Wechselstrom =3: 3-Phasen-Wechselstrom
M1N	Luftmassenstrom (nominal)
M4N	Brennstoffmassenstrom (nominal)
M6N	Kühlwassermassenstrom (nominal)
V1N	Spezifisches Volumen des Oxidators (nominal)
V6N	Spezifisches Volumen des Kühlwassers (nominal)

Die blau markierten Vorgabewerte sind Referenzgrößen für Teillastberechnungen.

Generell sind alle sichtbaren Eingaben erforderlich. Häufig werden jedoch Standardwerte zur Verfügung gestellt.

Für weitere Informationen über die Farbe der Eingabefelder und ihre Beschreibungen siehe Komponenten bearbeiten\Vorgabewerte

Für weitere Informationen über Auslegung vs. Teillast und Nominalwerte siehe Allgemeines\Nominalwerte übernehmen

Kennlinien

Kennlinie 1: ETAE-Kennlinie: ETAE/ETAEN = f (M4/M4N)

     X-Achse     1          M4/M4N                     1. Punkt
                        2          M4/M4N                     2. Punkt
                        .
                      N         M4/M4N                     letzter Punkt

     Y-Achse     1          ETAE/ETAEN            1. Punkt
                        2          ETAE/ETAEN            2. Punkt
                        .
                       N         ETAE/ETAEN           letzter Punkt

Kennlinie 2: ETAC-Kennlinie: ETAC/ETACN = f (M4/M4N)

     X-Achse     1         M4/M4N                     1. Punkt
                        2          M4/M4N                    2. Punkt
                        .
                      N         M4/M4N                     letzter Punkt

     Y-Achse     1          ETAC/ETACN          1. Punkt
                        2          ETAC/ETACN          2. Punkt
                        .
                        N         ETAC/ETACN          letzter Punkt

Kennlinie 3: ETAO-Kennlinie: ETAO/ETAON = f (M4/M4N)

      X-Achse    1         M4/M4N                     1. Punkt
                        2          M4/M4N                    2. Punkt
                        .
                      N         M4/M4N                     letzter Punkt

     Y-Achse     1          ETAO/ETAON           1. Punkt
                        2          ETAO/ETAON           2. Punkt
                        .
                        N         ETAO/ETAON         letzter Punkt

Kennlinie 4: ETAL-Kennlinie: ETAL/ETALN = f (M4/M4N)

     X-Achse    1         M4/M4N                     1. Punkt
                        2          M4/M4N                     2. Punkt
                        .
                      N         M4/M4N                     letzter Punkt

      Y-Achse   1          ETAL/ETALN               1. Punkt
                        2          ETAL/ETALN               2. Punkt
                        .
                        N         ETAL/ETALN               letzter Punkt

Kennlinie 5: ETAAN-Kennlinie: ETAAN/ETAANN = f (M4/M4N)

     X-Achse     1        M4/M4N                       1. Punkt
                        2          M4/M4N                     2. Punkt
                        .
                      N         M4/M4N                     letzter Punkt

      Y-Achse    1          ETAAN/ETAANN          1. Punkt
                        2          ETAAN/ETAANN          2. Punkt
                        .
                        N         ETAAN/ETAANN          letzter Punkt

Verwendete Physik

Gleichungen

Auslegungsfall

(Simulationsschalter:
GLOBAL=Auslegungsfall
und
FMODE=GLOBAL)

CORE=1

CORC=1

CORO=1

CORL=1

F1 = 1

F6 = 1

Teillast

(Simulationsschalter:
GLOBAL=Teillast
oder
FMODE=Lokale Teillast)

CORE = f(M4/M4N) von Kennlinie 1

CORC = f(M4/M4N) von Kennlinie 2

CORO= f(M4/M4N) von Kennlinie 3

CORL = f(M4/M4N) von Kennlinie 4

F1 = (M1/M1N ** 2) * (V1/V1N)

F6 = (M6/M6N ** 2) * (V6/V6N)

Alle Fälle

QZU = D4*(Hu4+H4)+D1*H1

DQE = ETAEN*CORE*QZU
DQC = ETACN*CORC*QZU
DQO = ETAON*CORO*QZU
DQL = ETALN*CORL*QZU
DQA = QZU-(DQE-DQC-DQO-DQL)

Zusammensetzung und Massenstrom Anschluss 2:

if FFUEL=Kohlenwasserstoff

then Zusammensetzung infolge Wasserstoffverbrennung und DQE+DQO
Massenstrom infolge Wasserstoffverbrennung und DQE+DQO (1)

else Zusammensetzung infolge Wasserstoffverbrennung und DQE+DQO+DQC+DQL
Massenstrom infolge Wasserstoffverbrennung und DQE+DQO+DQC+DQL (1)

endif

Zusammensetzung Anschluss 3:

Nach Verbrennungsrechnung Anschluss 1/ Anschluss 4
minus Zusammensetzung Anschluss 2
plus Zusammensetzung Anschluss 5

M1M4R = Massenstromverhältnis Anschluss 1/ Anschluss 4 nach Verbrennungsrechnung
M1 = M1M4R *M4 (2)

M3=M1+M4+M5-M2 (3)

DP12 = DP12N* F1
P2 = P1 DP12 (4)
P3 = P2 (5)

DP67 = DP67N* F6
P7 = P6 DP67 (6)

H8 = DQE                                                                                                                           (7)
H7 = H6+DQC                                                                                                                     (8)
H2 = DQO/M2                                                                                                                     (9)
H3 = ((H5-2500.)*M5+DQA)/M3                                                                                           (10)

Bauteilform

Form 1

Beispiel

Klicken Sie hier um ein Beispiel zu laden.

Hier klicken >> Component 82 Demo << für ein Beispiel einer PAFC-Brennstoffzelle.

Hier klicken >> Component 82 PEM << für ein Beispiel einer PEM-Brennstoffzelle.

Hier klicken >> Component 82 SOFC << für ein Beispiel einer SOFC-Brennstoffzelle.

Hier klicken >> Component 82 MCFC << für ein Beispiel einer MCFC-Brennstoffzelle.

Siehe auch

Brennkammern und Reaktoren

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