DE10012844A1

DE10012844A1 - Festoxid-Brennstoffzellen-Brennersystem und Verfahren zur Erzeugung von Wärme damit

Info

Publication number: DE10012844A1
Application number: DE10012844A
Authority: DE
Inventors: Joseph Jay Hartvigsen; Ashok C Khandkar
Original assignee: SOFCO ALLIANCE
Current assignee: SOFCO ALLIANCE
Priority date: 1999-03-18
Filing date: 2000-03-16
Publication date: 2000-09-21
Also published as: AU2227100A; GB0004972D0; GB2348315A; JP2000306592A; CA2298970A1

Abstract

Ein Brennersystem, welches eine Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC), einen Teil-Reformer, einen Luft-Vorwärmer und ein Wärmeenergie-Wiedergewinnungselement aufweist. Der Reformer ist mit der SOFC assoziiert und wandelt teilweise Brennstoff vor einer Einführung in die SOFC um. Der Vorwärmer ist mit der SOFC assoziiert und wärmt Luft zur Einführung in den Reformer und die SOFC vor. Das Wärmeenergie-Wiedergewinnungselement ist mit dem Auslaß der SOFC assoziiert und gewinnt Wärmeenergie aus dem Abgas der Festoxid-Brennstoffzelle wieder.

Description

Die Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Festoxid-Brennstoffzellen (SOFCs) und insbesondere auf eine teilverbrennungsintegrierte SOFC zur Ver wendung als elektrochemischen Brenner.

SOFCs besitzen das Potential, irgendein Wärmegerät, das einen Gasbrenner ver wendet, in ein System zur gleichzeitigen Erzeugung zweier nutzbarer Energiear ten (cogeneration system) zu konvertieren. Um dies zu tun, muß die Heizleistung in dem kombinierten System unbeeinträchtigt sein. Entsprechend muß die SOFC den Arbeitszyklus des ersetzten Brenners aufrechterhalten, wenn die Heizleistung aufrecht erhalten werden soll. Zusätzlich sollte, um die thermische Effizienz bei zubehalten, eine Abweichung von den Luft-, Brennstoff und Heizwerten sowie den Verbrennungsprodukt-Temperaturen minimiert werden. Bei derartigen An wendungen ist die Brennstoffzellen-Effizienz nicht wichtig, da Wärme das primä re Produkt darstellt, während elektrische Leistung ein Nebenprodukt ist. Tatsäch lich wird nicht in Elektrizität umgewandelte Energie als Wärme geliefert. Jedoch müssen die zusätzlichen Kosten des Brennstoffzellen-Systems durch den Betrag der innerhalb des Arbeitszyklus des thermischen Systems produzierten elektri schen Leistung ausgeglichen werden.

Viele der einem elektrochemischen Brenner eigenen Merkmale sind wesentlich von denen eines Brennstoffzellen-Kraftwerks verschieden. Insbesondere ermögli chen Brennstoffzellen-Kraftwerkskonstruktionen viel längere Anlaufzeiten, mit weniger erforderlichen thermischen Zyklen und einem fast 100%igen Arbeitszy klus. Da elektrische Leistung das einzige Produkt ist, ist eine hohe elektrische Effizienz erforderlich, um auf Elektrizitätskostenbasis zu konkurrieren. Insbeson dere beinhalten derartige hocheffiziente Konstruktionen Rückgewinnungsluft- Vorwärmer und Brennstoffprozessoren, die die elektrische Effizienz verstärken. Die Vorwärmer beinhalten Wärmetauscher, die z. B. gespeicherte Wärme verwen den, um den Brennstoff umzuwandeln bzw. zu reformieren und um die Flüssigkeit auf gewünschte erhöhte Temperaturen zu erhitzen. Komponenten, wie z. B. diese Wärmer, erhöhen die Kosten und Komplexität des Systems. Zusätzlich fügen diese Komponenten dem System beträchtliche thermische Masse hinzu, welche ein häufiges oder schnelles thermisches zyklisches Durchlaufen praktisch unmög lich macht.

Zusätzlich sind die Abgastemperaturen viel zu niedrig, um eine effiziente Wieder gewinnung von Verlustwärme in einem herkömmlichen Heizsystem zu ermögli chen. Ein zusätzlicher beitragender Faktor, der die Wiedergewinnung von Ver lustwärme behindert, ist die Menge an Überschußluft, die erforderlich ist, um Temperaturgradienten in den Brennstoffzellenstapeln zu steuern. Herkömmliche Brenner arbeiten im allgemeinen mit einem Luft-zu-Brennstoff-Verhältnis, das fast stöchiometrisch ist, während eine Brennstoffzelle Luftströmungen von 5- oder mehrfach höher als stöchiometrisch erfordert.

Die Erfindung weist ein Brennersystem, das eine SOFC beinhaltet, eine Einrich tung zum teilweisen Umwandeln eines Brennstoffs, eine Einrichtung zum Vor wärmen von Luft und eine Einrichtung zum Wiedergewinnen von Wärmeenergie auf. Die Umwandlungseinrichtung wandelt einen Brennstoff vor einer Einfüh rung des Brennstoffs in die SOFC teilweise um. Die Vorwärmeinrichtung wärmt die Luft vor der Einführung von Luft in die SOFC vor. Die Wärmeenergie- Wiedergewinnungseinrichtung gewinnt Energie aus dem Abgas der SOFC wieder. In einer derartigen Ausführungsform wärmt die Teil-Umwandlungseinrichtung den Brennstoff ausreichend, so daß die Notwendigkeit für irgendwelche Brenn stoff-Vorwärmer, die für die Gesamteffizienz des Systems entscheidend sind, eli miniert wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die SOFC einen Niedrigtempera tur-Brennstoffzellenstapel oder eine monolithische Zelle auf und die Umwand lungseinrichtung kann einen POX-Reformer aufweisen.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Luft- Vorwärmeinrichtung eine Einrichtung zum Liefern einer vorbestimmten Menge an Brennstoff zur Vorwärmeinrichtung auf. Bei einer derartigen Ausführungs form lenkt die Liefereinrichtung zwischen ungefähr 23% und 30% des Brenn stoffs, der in dem Brennersystem zugeführt wird, zur Vorwärmeinrichtung.

Es wird auch in Erwägung gezogen, daß die Wärmeenergie- Wiedergewinnungseinrichtung zumindest einen Kombustor aufweist und die Luft- Vorwärmeinrichtung einen nicht-stöchiometrischen (brennstoffarmen) Kombustor aufweist. Darüber hinaus kann die Umwandlungseinrichtung eine Einrichtung zum Annehmen einer vorbestimmten Menge an Luft, welche aus der Luft- Vorwärmeinrichtung austritt, beinhalten.

Die Erfindung weist des weiteren ein Verfahren zur Wärmeerzeugung auf. Das Verfahren weist die Schritte auf: Vorwärmen einer vorbestimmten Menge an Luft in dem Luft-Vorwärmer; Umwandeln zumindest eines Teils des Luftstroms in dem Reformer; Vorbeigehen zumindest eines Teils des Brennstoffstroms und der Luft durch eine SOFC; und Verbrennen zumindest eines Teils des Abgases der SOFC.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens beinhaltet der Schritt des Vorwärmens des weiteren die Schritte: Ablenken einer vorbestimmten Menge von Brennstoff zum Vorwärmer; und Verbrennen des Brennstoffs in dem Vorwärmer, um wiederum eine vorbestimmte Menge an Luft vorzuwärmen. Bei einer derarti gen bevorzugten Ausführungsform weist der Schritt des Verbrennens von Brenn stoff des weiteren den Schritt des Verbrennens des Brennstoffs in einem nicht stöchiometrischen Brenner auf.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Schritt des Umwan delns des Brennstoffstroms den Schritt des Leitens einer vorbestimmten Menge vorgewärmter Luft vom Vorwärmer zum Reformer auf.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die Zeichnung, in welcher:

Fig. 1 der Zeichnung ein schematisches Diagramm ist, welches die verbesserte Konfiguration der Apparatur der Erfindung zeigt; und

Fig. 2 der Zeichnung eine Graphik ist, die den Brennstoff-Bruchteil in dem Vor wärm-Brenner in mol/mol gegen die Vorwärmtemperaturänderung in Grad Kelvin zeigt.

Während diese Erfindung auf vielfältige Weise ausgeführt werden kann, werden hier in der Zeichnung mehrere spezielle Ausführungsformen gezeigt und in Ein zelheiten beschrieben, wobei zu verstehen gegeben wird, daß die vorliegende Of fenbarung als Exemplifizierung der Grundlagen der Erfindung zu betrachten ist und nicht beabsichtigt ist, die Erfindung auf die veranschaulichten Ausführungs formen zu beschränken.

In Fig. 1 wird ein Brennersystem 10 gezeigt, das eine Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) 15, eine Einrichtung 20 zum teilweisen Umwandeln von Brennstoff, eine Einrichtung 25 zum Vorwärmen von Luft und eine Einrichtung 30 zum Wieder gewinnen von Wärmeenergie aufweist. Wie erläutert werden wird, kombiniert die SOFC 15 Luft von der Vorwärmeinrichtung und Brennstoff von der Umwand lungseinrichtung, um Elektrizität und Wärme zu erzeugen und stößt nachfolgend die Produkte zur Wiedergewinnungseinrichtung 30 aus, die im weiteren einen Teil der Wärmeenergie in dem Abgas erfaßt.

Die in Fig. 1 gezeigte SOFC 15 weist einen Brennstoffeinlaß 32, einen Lufteinlaß 34, einen Anodenauslaß 36 und einen Kathodenauslaß 38 auf. Die SOFC 15 kann irgendeine Anzahl unterschiedlicher SOFC-Konstruktionen aufweisen, ein schließlich, jedoch nicht beschränkt auf monolithische Gestaltungen und Nied rigtemperaturstapel.

Die in Fig. 1 gezeigte Teil-Umwandlungseinrichtung 20 weist einen POX- Reformer 40 mit einem Lufteinlaß 51, einem Brennstoffeinlaß 50 und einem Auslaß 52 auf. Der Brennstoffeinlaß 50 ist mit einer Brennstoffversorgung asso ziiert und der Lufteinlaß 51 ist mit einem Auslaß 46 der Vorwärmeinrichtung 25 assoziiert. Der POX-Reformer kann einen nicht-stöchiometrischen (brennstoff reichen) Reformer aufweisen, jedoch werden andere Reformer gleichermaßen in Betracht gezogen. Die Verwendung einer derartigen Teil- Umwandlungseinrichtung, um den Brennstoff vorzuheizen, beseitigt das Erfor dernis zusätzlicher Vorwärmer, die beispielsweise Dampf verwenden, um die Temperatur des Brennstoffs zu erhöhen. In dem vorliegenden System können die zusätzlichen Kosten und Energieverluste, assoziiert mit den herkömmlichen Wärmern, durch Verwenden der Teil-Umwandlungseinrichtung, um den Brenn stoff zu wärmen, beseitigt werden, wobei die Gesamtleistung und -effizienz des Systems verbessert wird.

Die in Fig. 1 gezeigte Luft-Vorwärmeinrichtung 25 weist einen Lufteinlaß 42, einen Brennstoffeinlaß 44 und einen Auslaß 46 auf. Der Brennstoffeinlaß 44 ist mit der System-Brennstoffversorgung assoziiert und der Lufteinlaß 42 ist mit der System-Luftversorgung assoziiert. Die Luft-Vorwärmeinrichtung 25 kann einen nicht-stöchiometrischen (brennstoffarmen) Kombustor aufweisen, der die Tempe ratur der Luftversorgung erhöht.

Eine Wärme-Wiedergewinnungseinrichtung 30, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, weist eine Wärmevorrichtung-Verbrennungskammer 48 auf. Die Wärmevorrichtung- Verbrennungskammer 48 beinhaltet einen Kathodeneinlaß 54, assoziiert mit ei nem Kathodenauslaß 38 der SOFC 15, einen Anodeneinlaß 56, assoziiert mit ei nem Anodenauslaß 36 der SOFC 15 und einem Auslaß 58.

Beim Betrieb sind eine Brennstoffversorgung und eine Luftversorgung zum Bren nersystem 10 vorgesehen. Insbesondere kann der zugeführte Brennstoff Erdgas, wie z. B. Methan (CH₄) aufweisen, obwohl andere Brennstoffe gleichermaßen in Betracht gezogen sind. Bei einer derartigen Ausführungsform weist die Lufiver sorgung Umgebungsluft auf, jedoch können für verschiedene Brennstoffe ver schiedene Luftmischungen erforderlich sein, die verschiedene Bestandteile in un terschiedlichen Verhältnissen aufweisen.

Die Brennstoffversorgung ist so aufgeteilt, daß ein vorbestimmter Teil in die Luft- Vorwärmeinrichtung 25 geleitet ist. Der in die Luft-Vorwärmeinrichtung gelei tete Teil wird, abhängig von den speziellen Komponenten und der SOFC, die verwendet wird, variieren. Für eine Niedrigtemperatur-SOFC wird ungefähr 23% bis 30% des Brennstoffs zur Luft-Vorwärmeinrichtung geleitet. Wie es für einen Fachmann verständlich ist, können Erfordernisse für ein stärkeres Vorwärmen erfordern, daß ungefähr 35-40% oder mehr des Brennstoffs zur Luft- Vorwärmeinrichtung geleitet wird.

Wenn der Brennstoff in die Luft-Vorwärmeinrichtung 25 eintritt, wird er mit Luft gemischt und zum Teil verbrannt. Da die Verbrennung nicht stöchiometrisch ist, läßt die Verbrennung den Brennstoff mit nur einem Teil der Luft reagieren. Somit treten Luft und die Verbrennungsabgase durch den Auslaß 46 bei einer Tempera tur aus, die höher ist als die Lufteinlaßtemperatur.

Da die vorgewärmte Luft durch den Auslaß 46 austritt, wird ein Teil der Luft in den Einlaß 51 des POX-Reformers 40 geleitet. Der POX-Reformer nimmt Brenn stoff vom Einlaß 50 und die Luft vom Einlaß S 1 auf und wandelt teilweise den Brennstoff um. Der teilweise umgewandelte Brennstoff tritt vom POX-Reformer 40 durch den Auslaß 52 aus.

Der Brennstoff vom Auslaß 52 wird in den Einlaß 32 der SOFC 15 geleitet. Ähn lich wird dann der Teil der Luft vom Auslaß 46 der Luft-Vorwärmeinrichtung 25 zum Einlaß 34 der SOFC 15 geleitet. Innerhalb der SOFC reagieren die Luft und der Brennstoff, um Elektrizität zu erzeugen, wie es in der Technik bekannt ist. Das Abgas von der Kathodenseite der SOFC wird zum Kathodenauslaß 38 und das Abgas von der Anodenseite der SOFC wird zum Anodenauslaß 36 geleitet.

Als nächstes wird das Kathodenabgas zum Einlaß 54 der Wärmevorrichtung- Verbrennungskammer 48 geleitet und das Anodenabgas wird zum Einlaß 56 der Wärmevorrichtungs-Verbrennungskammer 48 geleitet. Die beiden Einlaßströme verbrennen des weiteren in der Kammer 48 und die zurückbleibenden Abgase treten durch den Auslaß 58 aus. Die Kammer 48 der Wärme- Wiedergewinnungseinrichtung 30 kann einen im wesentlichen stöchiometrischen Kombustor aufweisen.

Zur Unterstützung des oben Gesagten wurde eine Analyse einer Ausführungsform des Verfahrens durchgeführt. Bei einer derartigen Ausführungsform war ungefähr 23% des Brennstoffs zum Luftvorwärmen notwendig. Bei dieser Analyse wurde ein POX-Reformer mit einem phi (phi ist das Brennstoff/Luft- Äquivalenzverhältnis) von 4 und eine Vorwärmeinrichtung mit einem phi von .21 verwendet. Wenn ein derartiger POX-Reformer verwendet wurde, wurde beob achtet, daß etwa 58% des Brennstoffstromes 61 zur Reaktion in der SOFC 15 zu rückblieb. Die Verwendung des restlichen, in die SOFC eintretenden Brennstoffs wurde dann auf etwa 50% begrenzt. Eine Begrenzung des Brennstoffs wurde durch die herkömmliche Technik des Steuerns des Stapelstroms ausgeführt - ob wohl andere herkömmliche Begrenzungstechniken ebenso verwendet werden können. Der restliche Brennstoff resultierte in einem Äquivalent von 3,4 Luft- stöchiometrischen Verhältnissen (air stoichs) relativ zum Strom. Stapelwärme wird durch die Mechanismen einer teilweisen internen Umwandlung, Leitungs strahlung und wegen der "Überschußluft" abgegeben. Bei einem derartigen Bei spiel arbeitet die SOFC 15 in einem Temperaturbereich von 600°C bis 800°C, so daß sie von einer teilweisen internen Umwandlung als einem Teil der Gesamt- SOFC-Kühl-Strategie profitieren kann. Bei einem derartigen Beispiel wird die elektrische Brutto-Effizienz (unter Vernachlässigung von Gebläse- und Stromver sorgungs-Konversionsverlusten) zu etwa 20% für eine Zelle, die mit einer Span nung von 0,70 V arbeitet, errechnet. Selbstverständlich können andere Ausfüh rungsformen sogar eine niedrigere Ausnutzung haben, wo derartige Anwendun gen niedrigere elektrische und thermische Erfordernisse haben. Eine derartige niedrigere Ausnutzung läßt reduzierte SOFC-Maße zu und wiederum kostengün stigere SOFCs.

Die vorangehende Beschreibung und Zeichnung erläutern und veranschaulichen lediglich die Erfindung und die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, außer inso fern die beigefügten Ansprüche so beschränkt sind, als Fachleute, die die Offen barung vor sich haben, in der Lage sind, Modifizierungen und Abwandlungen darin vorzunehmen, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Brennersystem, aufweisend:

- eine Festoxid-Brennstoffzelle;
- eine Einrichtung, assoziiert mit der Festoxid-Brennstoffzelle zum teilweisen Umwandeln eines Brennstoffs vor einer Einführung des Brennstoffs in die Festoxid-Brennstoffzelle;
- eine Einrichtung, assoziiert mit der Festoxid-Brennstoffzelle zum Vorheizen von Luft vor einer Einführung der Luft in die Festoxid- Brennstoffzelle; und
- eine Einrichtung assoziiert mit der Festoxid-Brennstoffzelle zum Wiedergewinnen von Wärmeenergie aus dem Abgas der Festoxid- Brennstoffzelle.

2. Brennersystem nach Anspruch 1, wobei die Festoxid-Brennstoffzelle einen Niedrigtemperatur-Brennstoffzellenstapel aufweist.

3. Brennersystem nach Anspruch 1, wobei die Festoxid-Brennstoffzelle eine monolithische Zelle aufweist.

4. Brennersystem nach Anspruch 1, wobei die Teil-Umwandlungseinrichtung einen POX-Reformer aufweist.

5. Brennersystem nach Anspruch 1, wobei der Brennstoff Erdgas aufweist.

6. Brennersystem nach Anspruch 1, wobei die Luft-Vorwärmeinrichtung eine Einrichtung zum Liefern einer vorbestimmten Menge von Brennstoff zur Vorwärmeinrichtung aufweist.

7. Brennersystem nach Anspruch 6, wobei die Liefereinrichtung zwischen ungefähr 23% und 30% des Brennstoffs, der dem Brennersystem zugeführt ist, zur Vorwärmeinrichtung leitet.

8. Brennersystem nach Anspruch 1, wobei die Wiedergewinnungseinrichtung zumindest einen Kombustor aufweist.

9. Brennersystem nach Anspruch 1, wobei die Luft-Vorwärmeinrichtung einen nicht-stöchiometrischen Kombustor aufweist.

10. Brennersystem nach Anspruch 1, wobei die Wiedergewinnungseinrichtung einen im wesentlichen stöchiometrischen Kombustor aufweist.

11. Brennersystem nach Anspruch 1, wobei die Umwandlungseinrichtung eine Einrichtung zum Annehmen einer vorbestimmten Menge von Luft bein haltet, die aus der Vorwärmeinrichtung austritt.

12. Verfahren zum Erzeugen von Wärme, welches die Schritte aufweist:

- Vorwärmen einer vorbestimmten Menge von Luft in einem Vor wärmer;
- teilweises Umwandeln eines Brennstoffstromes in einem Reformer;
- Vorbeigehen von zumindest einem Teil des Brennstoffstroms und der Luft durch eine Festoxid-Brennstoffzelle; und
- Verbrennen zumindest eines Teils des Abgases von der Festoxid- Brennstoffzelle.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Vorheizens die Schritte aufweist:

- Ablenken einer vorbestimmten Menge von Brennstoff zum Vor wärmer; und
- Verbrennen des Brennstoffs in dem Vorwärmer, um wiederum eine vorbestimmte Menge von Luft vorzuwärmen.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt des Verbrennens des Brennstoffs den Schritt des Verbrennens des Brennstoffs in einem nicht stöchiometrischen Brenner aufweist.

15. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Umwandelns von zu mindest einem Teil eines Brennstoffstromes den Schritt aufweist:

- Leiten einer vorbestimmten Menge von vorgewärmter Luft von dem Vorwärmer zum Reformer.