AT506761B1 - Temperaturmanagement von brennstoffzellen - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Regelung der Temperatur eines tubulären Brennstoffzellenverbundes durch die Trennung der Kühlfunktion von der Oxidationsfunktion des kathodenseitig zugeführten Gasstroms mithilfe von wenigstens einem im Gasstrom angebrachten Kühlelement, wobei das Kühlelement einen Teil der im Betrieb entstehenden Prozesswärme über Wärmestrahlung aufnimmt und dadurch die Temperatur im gesamten Strömungsbereich auf gleichem Niveau hält.

Description

österreichisches Patentamt AT 506 761 B1 2012-11-15

Beschreibung TEMPERATURMANAGEMENT VON BRENNSTOFFZELLEN EINLEITUNG: [0001] Der Wunsch nach intelligenten Energiemanagementkonzepten verlangt immer mehr nach gesamtheitlich betrachteten Lösungen, die sich nicht nur mit der Optimierung der eigentlichen Nutzarbeit beschäftigen, sondern auch die Berücksichtigung und Einbindung von Verlustenergie, zumeist in Form von Abwärme vorliegend, in den Gesamtnutzungsgrad erlauben.

[0002] Vor allem im Bereich der Hochtemperaturbrennstoffzellen gilt es sich dieser Problematik anzunehmen. Geht man von einem elektrischen Wirkungsgrad von rund 50% aus, so wird das Potential der Abwärmenutzung deutlich.

[0003] Grundsätzlich wird im Zusammenhang mit Brennstoffzellen versucht, die Arbeitstemperatur so niedrig wie möglich zu halten, da der Wirkungsgrad von Brennstoffzellen im Gegensatz zu herkömmlichen Dampfkreisläufen nicht vom Camot-Wirkungsgrad abhängt, sondern mit steigender Arbeitstemperatur sinkt. Die untere Temperaturgrenze für die Kühlung ergibt sich durch einen deutlich verringerten lonentransport im Elektrolyten. STAND DER TECHNIK: [0004] Die Wärmeabfuhr bisheriger Hochtemperaturbrennstoffzellensysteme erfolgt vorwiegend durch Gehäusekühlung, vor allem aber über die Wärmekapazität des kathodenseitigen Luftmassenstroms. Dabei dient der Luftmassenstrom neben der eigentlichen Oxidationsfunktion vor allem auch der Kühlung der Zellen. Dazu strömt die Luft entlang der Kathodenseite und nimmt dabei die im Prozess entstehende Wärme auf. Der nach der Brennstoffzelle austretende Luftmassenstrom kann mit dem nicht umgesetzten Brennstoff in einem nachgeschalteten Prozess verbrannt und in weiteren Prozessen nutzbar gemacht werden. Da es sich bei dem Wärmeträger um Luft, also um ein gasförmiges Medium handelt, bringt diese Art der Wärmeauskopplung größere Verluste mit sich.

[0005] Eine entsprechende Luftkühlung führt bei steigenden Eintrittstemperaturen zu sehr hohen Luftdurchsätzen, also Luftmengen, die weit über dem stöchiometrisch erforderlichen Anteil für eine Umsetzung des anodenseitig anströmenden Brenngases liegen. Das hat zur Folge, dass die dafür erforderlichen hohen Gebläseleistungen den Netto-Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems senken. In der JP 09-007624 A von Mitsubishi Heavy Ind. LTD. wird genau dieses Problem für eine SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) beschrieben, und ein Verfahren angegeben, wie die Hilfssysteme der SOFC (Kompressor, Ventilator) verkleinert werden können, um so die Effizienz des Gesamtsystems zu erhöhen.

[0006] Die nun über das Oxidationsmittel (Luft) abgeführte Wärme wird meist direkt für die Vorwärmung der im Gegenstrom zugeführten Prozessluft über Wärmetauscher verwendet. Eine Nutzung der Abwärme am Austritt des Luft-Vorwärmers, sieht man von einer Nachverbrennung der Abluft mit unverbrauchtem Brenngas ab, ist wegen dem geringen vorliegenden Temperaturniveau nur noch eingeschränkt möglich. Das bedeutet letztendlich aber, dass die in derzeitigen Brennstoffzellensystemen entstehende Abwärme kaum zur Erhöhung des Brennstoffausnutzungsgrades beiträgt.

[0007] Aus wirtschaftlicher Sicht ist aber gerade eine Erhöhung der Brennstoffausnutzung notwendig, um die hohen spezifischen Kosten aufgrund der eingesetzten Materialien zu senken. Im Falle einer KWK-Brennstoffzelle kann eine Nutzung der Abwärme zu einer deutlichen Verbesserung der wirtschaftlichen Konkurrenzfähigkeit führen. Dieses Potential bleibt zur Zeit jedoch weitgehend ungenützt. 1 15 österreichisches Patentamt AT 506 761 B1 2012-11-15

AUFGABE DER ERFINDUNG

[0008] Die Erfindung setzt sich nun zum Ziel, die Kühlfunktion der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels (des Stacks) und die Oxidationsfunktion zu trennen. Dadurch kann einerseits eine bessere Abwärmenutzung sowie eine gleichmäßigere Temperaturgestaltung im Stack gewährleistet werden, andererseits ist es dadurch möglich, den Luftdurchsatz und daher den Oxidationsmittelbedarf zu verringern. Dies wiederum bedeutet eine deutlich verringerten Bedarf an kathodenseitiger Verdichterarbeit.

[0009] Der Luftmassenstrom kann dabei so bemessen werden, dass er eine ausreichende Sauerstoffzufuhr für den elektrochemischen Prozess garantiert. Dennoch wird ein realistisches Luftverhältnis aufgrund von Diffusionsproblemen etwas über der stöchiometrisch erforderlichen Menge liegen. LÖSUNG DER ERFINDUNG: [0010] Die eigentliche Wärmeauskopplung erfolgt erfindungsgemäß direkt über einen separaten in der Brennstoffzelle oder dem Stack angebrachten Flüssigkeitskreislauf mit einem Ther-moöl als Wärmeträger. Dabei kann, abhängig von der Lufteintrittstemperatur, bis zu rund 60% der anfallenden Wärmemenge über den Flüssigkeitskreislauf abgeführt werden, die restliche anfallende Prozesswärme wird nach wie vor über den Luftmassenstrom ausgekoppelt.

[0011] Erfindungsgemäß ist der Flüssigkreislauf in der Brennstoffzelle oder dem Stack so angeordnet, dass im Vollastbetrieb ausreichend Wärme abgeführt wird, und die Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle oder dem Stack annähernd auf einem gleichen Niveau gehalten werden kann, um unerwünschte thermische Spannungen zwischen den Baugruppen der Brennstoffzelle oder des Stacks zu vermeiden. Da es sich bei der vorliegenden Erfindung um eine Anwendung im Hochtemperaturbereich handelt, muss als Weg der Wärmeübertragung im Brennstoffzellensystem vor allem die Wärmestrahlung betrachtet werden. Sind die Kühlkanäle des Flüssigkühlkreislaufs allerdings mit Baugruppen wie z.B. der Außenhülle des Stacks in direktem Kontakt, dann erfolgt die Wärmeabfuhr auch direkt durch Wärmeleitung. Zusätzlich muss auch der Anteil der durch Konvektion des Oxidationsmittels auf die Kühlkanäle übertragenen Wärmemenge berücksichtigt werden. Die Kühlkanäle selbst werden von einem Thermoöl durchströmt, welches die Abwärme der Brennstoffzelle aufnimmt.

[0012] Die dabei erfindungsgemäß einzusetzenden Thermoöle besitzen derzeit neben hohen möglichen Einsatztemperaturen in der Größenordnung von rund 400Ό auch entsprechend hohe Wärmekapazitäten, um die nötigen Wärmemengen abführen zu können. Die unteren Einsatztemperaturen dieser synthetischen Mineralöle liegen im Bereich der Raumtemperatur. Eine zusätzliche nützliche Eigenschaft mancher Thermoöle ist die Verwendbarkeit der Öle in der Dampfphase.

[0013] Da sich die Thermoöle in den Kühlkanälen im Betrieb aufheizen, sich also die Oberflächentemperaturen der Kühlkanäle ändern, ist es möglich, indirekt über die Wärmeabfuhr aus der Brennstoffzelle die Betriebstemperatur des Systems zu regeln. Hohe Massenströme führen zu geringem Kühlkanaloberflächentemperaturen und damit zu einem leichteren Wärmeübergang von der Brennstoffzelle auf das Thermoöl und umgekehrt, da ein wesentlicher Punkt für den Strahlungswärmeübergang neben der Geometrie und den Emissionskoeffizienten die Temperaturdifferenz der Zelle oder des Stacks und des Kühlkanals ist. Im Arbeitsbereich des Ther-moöls ist die Änderung des Wärmeflusses in Abhängigkeit der Oberflächentemperatur des Kühlkanals bei konstanter Zelltemperatur jedoch gering, womit eine gleichmäßige Wärmeauskopplung entlang des Kühlkanals erreicht wird. Dies ist deswegen sehr vorteilhaft, weil damit auch bei größeren Stacks eine gleichmäßige Zelltemperatur über mehrere Module hinweg erreicht werden kann. Zusätzlich erlaubt die Flüssigkeitskühlung hohe Lufteintrittstemperaturen bei geringen Massenströmen. Dadurch kann vermieden werden, dass Zellen am Lufteintritt erheblich mehr gekühlt werden als jene am Austritt. Eine gleichmäßigere Temperaturverteilung wirkt sich positiv auf das Betriebsverhalten und die Lebensdauer der gesamten Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellensystems aus. Temperaturabhängige Effekte wie thermische Spannun- 2/5 österreichisches Patentamt AT 506 761 B1 2012-11-15 gen der Baugruppen zueinander, lonenleitfähigkeit oder Katalysatoreigenschaften der Elektrodenmaterialen können somit deutlich einfacher bewältigt werden.

[0014] Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführung ist auch, dass in bestimmten Phasen des Betriebs, wie zum Beispiel in der Startphase der Hochtemperaturbrennstoffzelle die Kühlkanäle als Heizung für die Zellen oder den Stack verwendet werden können. Dabei wird das Thermoöl extern vorgewärmt und gibt die aufgenommene Wärme an das System vorwiegend über den Weg der Wärmeleitung wieder ab. ABBILDUNGEN: [0015] Die im Folgenden zur besseren Erklärung dargestellten Abbildungen, die sich auf das bei der Alpps entwickelte mikrotubuläre SOFC-Konzept beziehen, sollen in keiner Weise die Anwendung der Erfindung auf andere Brennstoffzellenkonzepte einschränken. Eine analoge Umsetzung der erfindungsgemäßen Ausführungen für planare Varianten der Hochtemperaturbrennstoffzellen ist ebenso denkbar wie erwünscht.

[0016] Abb.1: [0017] Abb.2: [0018] Abb.3: [0019] Abb.4:

Detailansicht Mikroreaktor mit innen liegenden Kühlkanälen

Schematische Ansicht Mikroreaktorverbund mit innen liegenden Kühlkanälen (Stack)

Detailansicht Mikroreaktor mit außen liegenden Kühlkanälen

Schematische Ansicht Mikroreaktorverbund mit außen liegenden Kühlkanälen (Stack) DETAILBESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN: [0020] Die bei der Alpps entwickelten mikrotubulären Zellen 2 sind mithilfe eines parallelogrammförmigen Gehäuses 1 zu einer Grundeinheit, dem sogenannten Mikroreaktor, verbunden. Sind die Kühlkanäle 3 wie in Abbildung 1 dargestellt symmetrisch zwischen den Zellen angeordnet, dann besteht der Zellenverbund aus 13 Zellen 2 und zwei dazwischen liegenden Kühlkanälen 3. Werden die Kühlkanäle entlang des Gehäuses 1 angebracht, besteht der Verbund aus 15 Zellen und vier außen liegende rechteckigen Kühlkanälen 4 (siehe Abbildung 3).

[0021] Aufgrund der in Abbildung 1 ersichtlichen Positionierung der Kühlkanäle 3 links und rechts von der mittleren Zelle stehen die Kühlkanäle 3 dabei im Strahlungsaustausch mit allen im Sichtkontakt stehenden umliegenden Flächen, also primär mit den umliegenden Zellen 2. Bei einem modular aufgebauten Stack aus mehreren Mikroreaktoren (siehe Abbildung 2) sind die Kühlkanäle 3 durchgehend ausgeführt, wobei die Kanäle parallel oder in Serie geschaltet werden können. In der rechteckigen Ausführung der Kühlkanäle 4, die entlang der Gehäuse 1 zwischen den Mikroreaktoren angeordnet sind, dargestellt in den Abbildungen 3 und 4, ist bei einem modularen Aufbau des Stacks wieder eine parallele oder serielle Verschaltung der Kühlkanäle möglich. 3/5

Claims (5)

1. österreichisches Patentamt AT 506 761 B1 2012-11-15 Patentansprüche 1. Verfahren zur Regelung der Temperatur eines tubulären Brennstoffzellenverbundes aus einzelnen in einem gemeinsamen Gehäuse angebrachten Zellen mit einem gemeinsamen Gasstrom zwischen den Zellen des Verbundes, der sowohl das nötige Oxidationsmittel für die elektrochemische Reaktion bereitstellt, als auch zur Kühlung des Brennstoffzellenverbundes dient, gekennzeichnet dadurch, dass durch wenigstens ein, an einer Stelle des Gasstroms im Bereich des Zellverbundes innerhalb des gemeinsamen Gehäuses einge-brachtes Kühlelement zumindest ein Teil der anfallenden Prozesswärme über Wärmestrahlung aufgenommen wird und dadurch die notwendige Kühlleistung durch den Gasstrom verringert wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1 mit einem oder mehr derartiger Kühlelemente im Brennstoffzellenverbund, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement oder die Kühlelemente so dimensioniert sind, dass der Gasstrom bis zur stöchiometrisch benötigten Menge an Oxidationsmittel reduzierbar ist.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass durch Anbringen von einem oder mehreren Kühlelementen an ausgewählten Positionen im Gasstrom des Brennstoffzellenverbundes der Temperaturgradient im gesamten Strömungsbereich niedrig gehalten wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Kühlelement von innen, vorzugsweise mit einem Wärmeträgeröl, flüssiggekühlt wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement in bestimmten Phasen des Betriebs zur Heizung des Brennstoffzellenverbundes verwendet wird. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 4/5