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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Wirkungsgradsteigerung und Gefahrenvermeidung bei Brennstoffzellenanordnungen.
Bei bekannten konventionellen Heizungsanlagen werden die heissen und Teile der kalten brenngas-bzw. abgasführenden Teile von einem Gehause umgeben In diesem Gehäuse befindet sich ein Geblase, das die Verbrennungsluft von ausserhalb des Gehäuses für den Heizungsbrenner ansaugt und dem Brenner zuführt. Hierbei entsteht ein Unterdruck innerhalb dieses Gehäuses im Vergleich zur Umgebung, weshalb man das Gehäuse als Unterdruckkammer bezeichnet. Während des Betriebs der Heizungsanlage können somit keine Gase aus der Unterdruckkammer in die Umgebung gelangen.
Die Unterdruckkammer erfüllt vorwiegend zwei Aufgaben. Zum einen wird Wärme der Komponenten in der Unterdruckkammer an die Luft, welche aus der Umgebung durch die Unterdruckkammer und das Gebläse in den Brenner gelangt, übertragen. Hierdurch bleibt diese thermische Energie In der Heizungsanlage, Wärmeverluste an die Umgebung werden minimiert und der thermische Wirkungsgrad der Heizungsanlage gesteigert. Andererseits können bei eventuellen Undichtigkeiten der brenngas- oder abgasführenden Teile keine Gase in die Umgebung gelangen und somit dort befindliche Personen gefährden.
Diese Gase stellen eine Gefährdung für Personen dar, da Brenngas explosiv und Abgase - zumindest in grösseren Konzentrationen - giftig sind. Treten aus brenngas- oder abgasführenden Teilen Gase aus, so können diese aufgrund des Unterdrucks in der Unterdruckkammer nicht in die Umgebung gelangen, werden mit der bereits erwähnten nachströmenden Luft für den Brenner vermischt und verbleiben in der Heizungsanlage. Somit führen kleine Leckagen zu keiner Beeinträchtigung der Sicherheit.
In DE 199 10 695 C1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage beschrieben, bei dem Luft in ein die Brennstoffzellenanlage umgebendes Gehäuse einströmt und die abgestrahlt Wärme der Komponenten der Brennstoffzellenanlage aufnimmt. Hierbei befinden sich heisse Bauteile in stromungstechnischen Totwassergebieten und können daher lediglich Wärme in Form von Strahlung, nicht jedoch konvektiv abgeben. Bei der Strahlungswärme Qs gehen die Temperatur des strahlenden Mediums T Strahler und des absorbierenden Mediums Empfänger in der 4.
Potenz ein.
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Konvektive Wärmeleitung ist linear abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen dem kühlenden und zu kühlenden Medium sowie der Wärmeübertragungsfläche. Desweiteren wird sie vorwiegend durch die Strömungsgeschwindigkeit des strömenden Mediums und Oberflächeneigenschaften beeinflusst. Konvektiv kann aus Totwassergebieten keine Wärme abgeleitet werden.
Zusätzlich besteht die Gefahr, dass bei einem Verfahren gemäss DE 199 10 695 C1 beispielsweise Leckagen von wasserstoffführenden Komponenten dazu führen, dass sich in den Totwassergebieten ein zündfähiges Gemisch bildet. Wasserstoff ist in Luft bereits bei Raumtemperatur in Konzentrationen zwischen 4 und 72 % zündfähig ; bei Temperaturerhöhung Ist ein Wasserstoff-Luft-Gemisch noch leichter entzündbar. Somit können sich bei einem Verfahren gemäss DE 199 10 695 C 1 in einem Totwassergebiet bereits kleine Mengen Wasserstoff entzünden.
Die DE 199 47 879 A1 und DE 100 00 405 A1 zeigen jeweils eine Brennstoffzellen-Anlage, die in einem Gehäuse untergebracht ist. Die Abgase einer Brennstoffzelle werden primärseitig in einen Wärmetauscher geleitet, der sekundärseitig unmittelbar mit einer Heizungsvorlauf- und Heizungsrücklaufleitung verbunden ist. Demzufolge handelt es sich um Hochtemperatur-Brennstoffzellen, die zwischen 8500C und 10000C betrieben werden und deren Abwärme durch Abkühlen des Abgases genutzt wird. Niedertemperatur-Brennstoffzellen, die zwischen 75 C und 1200C betrieben werden, können auch direkt flüssig gekühlt werden, jedoch ist es-aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit von Heizungswasser - nicht möglich, die Brennstoffzelle unmittelbar mit einem Heizkreislauf zu kühlen.
Ziel der Erfindung ist es, die Unzulänglichkeiten bekannter Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung zu vermeiden und ein Verfahren der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, das eine Kühlung von Komponenten einer Brennstoffzellenanlage bei gleichzeitiger Steigerung des Wirkungsgrades ermöglicht und zugleich eine Beeinträchtigung der Sicherheit bei
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Leckagen von brenngas- oder abgasführenden Komponenten der Brennstoffzellenanlage vermei- det.
Bei den meisten Brennstoffzellentypen, insbesondere bei Polymer-Membran-Brennstoffzellen (PEM oder PEFC), wird Wasserstoff mit Sauerstoff elektrochemisch zu Wasserdampf umgewandelt. Da die Reaktion exotherm ist, wird Energie frei. In diesem Fall entsteht elektrischer Strom und Wärme. Diese Wärme kann zu Heizzwecken genutzt werden. PEM-Brennstoffzellen arbeiten bei einer Betriebstemperatur von ca. 80 C.
Da Wasserstoff, der zum Betrieb der Brennstoffzellen benotigt wird, ein Sekundärenergieträger ist, müssen Brennstoffzellenanlagen vorzugsweise entweder mit reinem Wasserstoff z. B. aus Tanks oder einem wasserstoffhaltigen Gas aus einem Reformer versorgt werden. Bei einem solchen Reformer wird vorzugsweise Erdgas oder Methanol bei Temperaturen meist über 6000C unter Zugabe von Luft und bzw. oder Wasserdampf zu einem wasserstoffhaltigen Gas umgewandelt. Bei dieser Umwandlung entsteht als Zwischenprodukt Kohlenmonoxid CO in relativ hohen Konzentrationen. Kohlenmonoxid ist sehr giftig, da es zu den roten Blutkörperchen eine höhere Affinität besitzt als Sauerstoff. Wasserstoff besitzt die Eigenschaft, dass es in einem sehr grossen Bereich mit Luft zündfähig ist und zudem bereits bei sehr niedrigen Temperaturen entzündet werden kann.
Aus diesem Grund muss vermieden werden, dass bei Brennstoffzellenanlagen Wasserstoff oder Kohlenmonoxid aus der Brennstoffzellenanlage gelangt und zu einer Beeinträchtigung der Sicherheit führen könnten.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass sich zumindest der Reformer und die
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nicht in die Umgebung gelangen können und stattdessen im System verbleiben. Hierbei wird auch konvektiv Wärme von den Komponenten auf die Luft übertragen. Befinden sich auch weitere Komponenten der Brennstoffanlage wie beispielsweise Lüfter, Pumpen, Kühlkörper, etc. in der Unterdruckkammer, so können auch diese konvektiv Wärme auf den Luftstrom übertragen.
Der konvektive Wärmeübergang ist besonders hoch bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten, da hierbei die Reynolds-Zahl Re und der Wärmeübergangskoeffizient a ansteigen. Wird erfindungsgemäss das Volumen der Unterdruckkammer abzüglich der darin befindlichen Komponenten klein gehalten, so wird die Strömungsgeschwindigkeit hoch, wodurch es zu einer besonders guten Kühlung der Komponenten kommt Darüber hinaus kann sich nur eine geringe Menge Wasserstoff oder Kohlenmonoxid darin sammeln Käme es zu einer Verpuffung, was durch geeignete Massnahmen verhindert werden muss, jedoch nicht gänzlich ausgeschlossen werden kann, so kann eine geringe Menge Wasserstoff bzw. Kohlenmonoxid höchsten einen Schaden im Gerät, nicht jedoch in der Umgebung verursachen.
Eine grosse Menge Wasserstoff könnte demgegenüber einen nennenswerten Schaden annchten
Erfindungsgemäss wird bei einem Verfahren gemäss des unabhängigen Anspruchs 1 erreicht, dass die Wärmeverluste einer Brennstoffzellenanordnung minimiert und die Betriebssicherheit erhöht werden.
Die Merkmale des Anspruchs 2 ergeben den Vorteil, dass kompakt durch eine innere Kühlung direkt Im Brennstoffzellenstapel Wärme auf einen Kühlkreislauf übergeht. Dies reduziert das Bauvolumen und mindert mögliche Wärmeverluste. Die interne Kühlung des Brennstoffzellenstapels nimmt auch Wärme auf, die durch die Vorwärmung der Verbrennungsluft in die Brennstoffzelle gelangt. Nach wie vor ist im Abgas der Brennstoffzelle thermische Energie enthalten.
Gemäss Anspruch 3 besteht der Brennstoffzellenstapel aus PEM-Brennstoffzellen, die häufig über eine interne Kuhlung verfügen.
Durch die Merkmale des Anspruchs 4 wird erreicht, dass das Volumen der Unterdruckkammer unter Berücksichtigung des Volumens der Komponenten der Brennstoffzellenkomponenten in der Unterdruckkammer gering ist. Hierdurch kann sich bei einer Leckage einer brenngasführenden Komponente in der Unterdruckkammer nur eine kleine Menge Brenngas-Luft-Gemisch bilden ; bei einer Entzündung dieses Gemischs würde nur wenig Energie frei, wodurch eine Gefährdung der Umgebung ausgeschlossen ist. Zudem wird die Strömungsgeschwindigkeit der Luft in der Unterdruckkammer erhöht, was den konvektiven Wärmeübergang begünstigt. Ferner werden Totwassergebiete, in denen warme oder brenngasreiche Luft verweilt, vermieden.
Gemäss den Merkmalen des Anspruchs 5 werden möglichst alle Komponenten in der Unter-
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druckkammer umströmt, um ihre Kühlung und Sicherheit zu gewahrleisten.
Da Wärme stets nur von einem warmen auf ein kälteres Medium übergehen kann, wird durch die Merkmale des Anspruchs 6 erreicht, dass die Luft zunächst Wärme von den kälteren Kompo- nenten wie z. B. der Pumpe des internen Kühlkreislaufs und dann von den wärmeren Komponenten wie z. B dem Reformer aufnimmt. Eine Durchströmung von den warmen zu den kühleren Kompo- nenten hätte zur Folge, dass u. U. die kühleren Komponenten nicht gekühlt werden konnten, Im schlimmsten Fall sogar von der angewärmten Luft geheizt würden.
Durch die Merkmale des Anspruchs 7 kann erreicht werden, dass die Warmeverluste der Unterdruckkammer an die Umgebung minimiert werden.
Die Merkmale des Anspruchs 8 berücksichtigen den Sachverhalt, dass konvektive Warmeübertragung frei und bzw. oder erzwungen erfolgen kann. Während die erzwungene Konvektion vorzugsweise durch die erzwungene Gasströmungen in und um die Komponenten in der Unterdruckkammer entsteht, wird freie Konvektion z. B. durch Temperatur- bzw. Dichteunterschiede In den Medium verursacht.
Gemäss Anspruch 9 zirkuliert im inneren Kühlkreislauf der Brennstoffzelle ein Kühlmittel aus vorzugsweise synthetischen Kohlenwasserstoffen, die nicht elektrisch leitfahig sind und somit keinen Kurzschluss zwischen den Brennstoffzellen verursachen.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt. die Figur eine Brennstoffzellenanordnung
In der Figur ist der Aufbau einer Brennstoffzellenanordnung 23 vereinfacht dargestellt. Diese verfügt u. a. über einen Brennstoffzellenstapel 1, einen Reformer 2 inklusive CO-Feinreinigung 3, den Wärmeaustauschern 4,6 und 9, einem Internen Kühlkreislauf 8 inklusive Pumpe 12, einem katalytischen Nachbrenner 5, einem Gebläse 20, einem Leitungssystem, das die Komponenten miteinander verbindet und auf das noch im folgenden Text ausführlicher eingegangen wird, eine Unterdruckkammer 7 sowie einige nicht dargestellten Komponenten wie beispielsweise einen Inverter, eine Regelung,
einen Kondensatablauf und einen Schwefelfilter
Luft zum Betrieb der Brennstoffzellenanordnung 23 wird aufgrund der Saugleistung eines Gebläses 20 durch das äussere eines koaxialen Rohres, die Luftzuführung 15 in die Unterdruckkammer 7 gesaugt und umstromt die Komponenten der Brennstoffzellenanordnung 23. Hierbei nimmt die Luft Wärme von diesen Komponenten sowie Gase aus eventuellen Leckagen auf Die erwarmte und eventuell mit Gasen aus Leckagen angereicherte Luft strömt, nachdem sie die alle relevanten Komponenten umströmt hat, durch eine Öffnung 16 in eine Luftsaugleitung 24 ein und gelangt in das Gebläse 20, von dem es mit Überdruck über eine Luftleitung 17 sowohl zum Brennstoffzellenstapel 1, als auch zu dem Wärmeaustauscher 4 gelangt.
In dem Wärmeaustauscher 4 wird die Luft, wie auch das durch die Wasserleitung 13 zugeführte Wasser und das durch die Erdgasleitung 14 zugeführte Erdgas, erhitzt und dem Reformer 2 zugeführt. In dem Reformer 2 wird das Erdgas mit dem Wasser, das in dem Wärmeaustauscher 4 in Wasserdampf umgewandelt wurde, und der Luft zu einem wasserstoffhaltigen Gas umgewandelt.
Da dieses wasserstoffhaltige Gas noch erhebliche Anteile Kohlenmonoxid enthält, wird in einer zweiten Reformerstufe, der CO-Feinreinigung 3 das Kohlenmonoxid mit Hilfe von Luft, die über eine Zuführung 18 aus dem erwärmten Luftstrom, der den Wärmetauscher 4 verlässt, abgezweigt wird, zu Kohlendioxid aufoxidiert. Das gereinigte wasserstoffhaltige Gas wird im Wärmeaustauscher 4 abgekühlt und gelangt In den Brennstoffzellenstapel, in dem der Wasserstoff zusammen mit Sauerstoff aus der Luftleitung 17 elektrochemisch umgesetzt wird. Der elektrische Strom gelangt in einen nicht dargestellten Inverter, der den Gleichstrom in 230V Wechselspannung umwandelt.
Gleichzeitig wird in dem Brennstoffzellenstapel 1 Wärme auf den Internen Kühlkreislauf 8, der über eine eigene Kühlmittelpumpe 12 verfügt, abgegeben. Der Kühlkreislauf enthält ein spezielles Kühlmittel, das im Gegensatz zu (nicht deionisiertem) Wasser nicht elektrisch leitend ist ; hierdurch wird ein elektrischer Kurzschluss zwischen den Zellen vermieden. Das Anodenabgas 22 (Brenngasseite) und Kathodenabgas 21 (Luftseite) des Brennstoffzellenstapels 1 wird miteinander vermischt und einem katalytischen Nachbrenner 5 zugeführt, in dem die restlichen brennbaren Bestandteile verbrannt werden.
Wärme aus dem Abgas des katalytischen Nachbrenners 5 wird In dem Wärmeübertrager 6 auf den internen Kühlkreislauf 8 übertragen In einem Wärmeaustauscher 9 wird Wärme des internen Kühlkreislaufs 8 auf einen konventionellen Heizkreislauf übertragen In der Figur sind lediglich der Rücklauf 11 und Vorlauf 10 des konventionellen Heizkreislaufs dargestellt Die im Wärmeaustauscher 6 abgekühlten Abgase
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