DE102004063304A1

DE102004063304A1 - Vorrichtung zur Bereitstellung von Energie mit Brennstoffzelle und Wärmekraftmaschine

Info

Publication number: DE102004063304A1
Application number: DE102004063304A
Authority: DE
Inventors: Ralf NÜSSLE
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 2004-12-23
Filing date: 2004-12-23
Publication date: 2005-09-08

Abstract

Eine Vorrichtung dient zur Bereitstellung von Energie. Sie umfasst wenigstens eine Brennstoffzelle und eine Wärmekraftmaschine, welche über einen Kreislauf mit einem Arbeitsmittel von der Abwärme der Brennstoffzelle angetrieben ist. Dabei ist die Brennstoffzelle als PEM-Brennstoffzelle ausgebildet. Das Arbeitsmittel ist bei den üblichen Betriebsparametern der PEM-Brennstoffzelle in dem Kreislauf dampfförmig.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bereitstellung von Energie, mit wenigstens einer Brennstoffzelle und einer Wärmekraftmaschine nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Aus der DE 102 52 156 A1 ist es bekannt, Brennstoffzellensysteme mit Wärmekraftmaschinen zu kombinieren, um anfallende Abwärme in mechanische Energie zu wandeln. Als leicht nutzbare Abwärmequellen beispielsweise bei hoher Temperatur (ca. 800-1000°C) betriebene Brennstoffzellen, z.B. Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC), oder thermische Umsetzungsprozesse bei der Erzeugung von wasserstoffreichem Gas aus kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangsstoffen, z.B. in Reformern. Die anfallende Wärme wird z.B. mittels einer Dampfturbine in einem herkömmlichen Wasser-Dampfkreislauf genutzt.
Nachteilig dabei ist es, dass vergleichsweise hohe Temperaturniveaus notwendig sind, um eine effektiv nutzbare Ausbeute an Energie aus der Wärmekraftmaschine bzw. dem Wärmeträgerkreislauf zu bekommen.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind ferner Gasturbinen zum Nachverbrennen der Restgase aus Hochtemperatur-Brenn stoffzellen bekannt, deren Abwärme ebenfalls einem Dampfprozess zur Gewinnung von mechanischer und daraus ggf. elektrischer Energie zugeführt wird.
Brennstoffzellensysteme die eine solche SOFC verwenden, erreichen durch die Kombination mit einer Gasturbine und einem Abhitzekessel mit daran angeschlossener Dampfturbine höchste Wirkungsgrade, Die hohen Temperaturen führen dabei allerdings zu Problemen mit den einsetzbaren Werkstoffen sowie zu Dichtungsproblemen, insbesondere bei Temperaturschwankungen, wie sie z.B. beim Abschalten und Wiederanfahren auftreten. Daher sind SOFC Anlagen momentan schwieriger zu betreiben bzw. zu handhaben, teurer und nicht annähernd so erprobt, wie z.B. Brennstoffzellen mit Polymermembranen als Elektrolyten (PEM), die aufgrund der z.B. durch die Automobilbranche forcierten Brennstoffzellenentwicklung bereits einen sehr weiten Entwicklungsstand erreicht haben.
Derartige PEM-Brennstoffzellensysteme haben gegenüber Festoxid-Brennstoffzellenanlagen allerdings den Nachteil, dass sich hinter PEM-Brennstoffzellen aufgrund des niedrigen Betriebstemperaturniveaus der PEM Brennstoffzelle (derzeit bis maximal ca. 110°C) keine Aggregate (Gasturbine, Abhitzekessel, Dampfturbine) mehr nachschalten lassen, die wie bei der SOFC, den elektrischen Wirkungsgrad der Gesamtanlage bzw. des Gesamtsystems steigern. Der Wirkungsgrad ist somit praktisch durch die I/U-Kennlinie der Brennstoffzelle bzw. der typischerweise zu einem Stapel zusammengefassten Vielzahl einzelner Brennstoffzellen, dem so genannten Brennstoffzellenstack bzw. -stapel, limitiert bzw. erschöpft. Die bei FEM-Brennstoffzellen entstehende Abwärme ist aufgrund des vergleichsweise geringen Temperaturniveaus praktisch nur für Prozesswärme oder als Wärmeauskopplung z.B. für Nah- bzw. Fernwärme, sie kann nach gängiger Meinung aber nicht zur Erhöhung des elektrischen Gesamtwirkungsgrades verwendet werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine Vorrichtung zur Bereitstellung von Energie zu schaffen, welche bei leicht zu handhabenden Bedingungen eine große Energieausbeute ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Die Verwendung einer vergleichsweise stark erprobten PEM-Brennstoffzelle bzw. eines PEM-Brennstoffzellenstapels ermöglicht den sicheren und zuverlässigen Betrieb bei vergleichsweise niedrigem Temperaturniveau. Durch den Kreislauf mit einem Arbeitsmittel, welches bereits bei den im Bereich der in dem PEM-Brennstoffzellenstapel vorliegenden Temperaturen verdampft, kann die Abwärme mittels einer Wärmekraftmaschine, z.B. Dampfturbine ideal genutzt werden. Damit entsteht ein zuverlässiges System, welches eine hohe Energieausbeute ermöglicht.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich ferner aus den abhängigen Ansprüchen und aus den nachfolgend anhand der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen.
Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
3 eine schematische Darstellung einer weiteren alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In 1 ist ein PEM-Brennstoffzellenstapel 1 schematisch angedeutet. Dieser umfasst einen Anodenraum 2, welchem Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gas zugeführt wird, sowie einen Kathodenraum 3, welchem mittels eines Verdichters 4 als Oxidationsmittel vorzugsweise Luft zugeführt wird. Zwischen den beiden Räumen 2, 3 befindet sich in an sich bekannter Weise eine protonenleitende Polymermembran 5 als Elektrolyt. Der PEM-Brennstoffzellenstapel 1 wird über Kühlwärmetauscher 6 außerdem von einem in einem Brennstoffzellenkühlkreislauf 7 mittels einer Kühlmittelfördereinrichtung 8 umgewälzten Kühlmittel durchströmt. Das Kühlmedium transportiert dabei in dem Brennstoffzellenstapel 1 (in einem der Medienräume oder Medienzuführräume/Medienabführräume vor oder hinter der Brennstoffzelle) anfallende Abwärme auf einem Temperaturniveau von ca. 70°C bis 110°C (je nach Entwicklung der Membrantechnologie sind zukünftig auch höhere Temperaturen denkbar) aus demselben ab.
In dem hier dargestellten Aufbau wird diese Abwärme mittels eines Wärmetauschers 9 einem Arbeitsmittel in einem weiteren Kreislauf 10 zugeführt. In diesem Kreislauf 10 ist ferner eine Wärmekraftmaschine 11, z.B. eine Dampfturbine, angeordnet, in welcher die in dem Arbeitsmedium befindliche thermische Energie zumindest teilweise in mechanische Energie umgewandelt wird. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel, wird diese mechanische Energie dann mittels eines Generators 12 in elektrische Energie umgewandelt. Es wäre jedoch auch eine direkte Nutzung der mechanischen Energie denkbar, wie später noch erläutert werden wird. Das Arbeitsmittel wird dann mittels eines zweiten Wärmetauschers 13 gekühlt/kondensiert und durch eine Fördereinrichtung bzw. Pumpen 14 wieder dem Wärmetauscher 9 zugeführt, in welchen es erneut thermische Energie aus der Abwärme des PEM-Brennstoffzellenstapels 1 aufnimmt. Der zweite Wärmetauscher 13 ist seinerseits über einen weiteren Kühlkreislauf 15 mit einem externen Kühler 16, z.B. ein Kühlturm, oder im Falle eines Antriebssystems ein von Außenluft durchströmter Fahrzeugkühler oder dergleichen, gekühlt.
Die Funktionalität zur Nutzung der Abwärme des PEM-Brennstoffzellenstapels 1, welche bekanntermaßen auf einem eher niedrigen Temperaturniveau vorliegt, ergibt sich nun durch das eingesetzte Arbeitsmittel in dem als Dampfkreislauf konzipierten Kreislauf 10. Der Kreislauf 10 wir dabei vorzugsweise in einem so genannten Kalina-Prozess betrieben, d.h. mit einem Ammoniak-Wasser-Gemisch als Arbeitsmittel. Prinzipiell kann aber auch der so genannte ORC bzw. OR-Zyklus (Organic Rankine Cycle), mit Kohlenwasserstoffen wie z.B. Iso-Pentan, Iso-Oktan, Toluol, Silikonöl als Arbeitsmittel eingesetzt werden. Das Zweistoffgemisch des Kalina-Prozesses hat jedoch den Vorteil, dass es keinen fixen Siedepunkt, sondern einen Siedebereich hat, dadurch wird eine bessere Wärmeübertragung erreicht was zu einem höheren Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine 11 führt.
Die genannten Arbeitsmittel verdampfen bereits bei Temperaturen von ca. 90°C. Die Abwärme des Brennstoffzellensystems die über das Kühlmittel aus dem Brennstoffzellenstapel 1 abgeführt wird, kann somit dazu verwendet werden, das Arbeitsmittel in dem Kreislauf 10 zu verdampfen. Dieser Dampf wird dann in der Dampfturbine 11 entspannt und so in mechanische Energie umgewandelt. Anschließend wird das Arbeitsmittel, wie bereits ausgeführt, in dem als Kondensator dienenden Wärmetauscher 13 unterkühlt, und über die Pumpe 14 wiederum dem als Verdampfer dienenden Wärmetauscher 9 zugeführt.
Die mittels der Wärmekraftmaschine 11 gewonnene Energie kann als mechanische Energie unmittelbar genutzt oder in elektrische Energie umgewandelt werden. Alles in allem steigt so der Wirkungsgrad des Gesamtsystems an, da aus ansonsten ungenutzter Abwärme nutzbare Energie zurück gewonnen wird.
Bei PEM Brennstoffzellensystemen, insbesondere bei stationären Anlagen, wird die typischerweise als Oxidationsmittel eingesetzte Luft zur Versorgung des Kathodenraums 3 mittels des Verdichters 4 oftmals auf Drücke von 2 bis 4 bar (Überdruck) gegebenenfalls auch noch höher verdichtet. Dies hat zum einen den Vorteil, dass sich die I/U-Kennlinie nach „oben" verschiebt, was zu einer Erhöhung der Energieausbeute des Brennstoffzellenstapels 1 führt, da ein höherer Sauerstoffpartialdruck im Bereich des Kathodenraums 3 in direktem Zusammenhang mit der Erhöhung der I/U-Kennlinie steht. Zusätzlich ist es auch aus Gründen der notwendigen Befeuchtung der Polymermembran nötig, einen höheren Kathodendruck zu fahren, um bei höheren Betriebstemperaturen (was aufgrund von Wirkungsgraden der Brennstoffzelle wünschenswert ist, aber speziell in diesem Fall mit Kombination mit dem Kalina-Prozess insbesondere wünschenswert ist) keine Austrocknungseffekte der Polymermembran zu bekommen. Durch diese starke Verdichtung der Luft erhitzt sich diese je nach Druckniveau beim Verdichten jedoch auf Temperaturen von mindestens ca. 150°C bis 200°C. Durch diese Druck/Temperaturerhöhung muss der Verdichter (z.B. Schraubenverdichter, Turboverdichter usw.) erheblich mehr arbeiten, um den zur Versorgung des Kathodenraums 3 notwendigen Luftmassenstrom in den Brennstoffzellenstapel 1 zu fördern. Diese Mehrarbeit kann zum Teil soweit ansteigen, dass der Verbesserungseffekt durch die Druckerhöhung in den Brennstoffzellenstapel 1 durch die Mehrarbeit nicht nur kompensiert, sondern sogar zum Negativen hin übertroffen wird.
Um dies zu verhindern, d.h. also letztendlich um den Verdichter 4 zu entlasten und parasitäre Leistung einzusparen, kann die verdichtete Luft entsprechend gekühlt werden. Dazu wird, wie dies in 2 ersichtlich ist, in einem weiteren Wärmetauscher 17 die heiße verdichtete Luft durch das in dem Kreislauf 10 befindliche Arbeitsmittel gekühlt. Der weitere Wärmetauscher 17 ist dabei so angeordnet, dass das Arbeitsmittel bzw. sein Dampf im Gegenzug von der heißen Luft erhitzt wird. Dies senkt zum einen den Leistungsbedarf des Verdichters 4, was für sich schon eine Optimierung des Gesamtwirkungsgrades des Systems bedeutet, zusätzlich bedeutet aber die Temperaturerhöhung des Arbeitsmittels wiederum eine Erhöhung des Wirkungsgrades des Dampfkreislaufes 10, und somit in zweifacher Weise eine Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades.
In 2 ist ferner die Wärmekraftmaschine 11 mit dem Verdichter 4 durch eine mechanische Kopplung 18, welche bei Bedarf außerdem ein nicht dargestelltes Getriebe aufweisen kann, verbunden. Die von der Wärmekraftmaschine erzeugte Energie kann so direkt einem Hilfsaggregat des Brennstoffzellensystems, hier den Verdichter 4, zugeführt werden. Besonders günstig ist es dabei, wenn an die Stelle des Generators eine elektrischen Maschine 12' tritt, welche sowohl motorisch als auch generatorisch betrieben werden kann, je nachdem ob die Wärmekraftmaschine 11 mehr oder weniger Energie liefert, als der Verdichter 4 gerade benötigt.
Prinzipiell sind zur weiteren Erhöhung der Temperatur im Arbeitsmittel auch weitere Einzelaggregate des Brennstoffzellensystems geeignet, z.B. Verdichter auf der Anodenseite, Verdichter, welche ein Gaserzeugungssystem/einen Reformer speisen, Bauteile die zur Reformierung des Brennstoffes gekühlt werden müssen, gekühlte elektrische Maschinen oder dergleichen. Prinzipiell sind also alle Aggregate/Bauteile die ein entsprechendes Temperaturniveau aufweisen als Wärmequelle geeignet. Dabei ist es selbstverständlich, dass die Wärmequellen in Richtung der Strömung des Arbeitsmittels hin zu der Wärmekraftmaschine 11 ansteigende Temperaturen aufweisen sollten.
In 3 ist eine weitere Variante dargestellt, bei welcher die aus dem Brennstoffzellenstapel 1 austretenden Abgase aus Kathodenraum 3 und Anodenraum 2 in einem Brenner 19, welcher z.B. als Flammbrenner, Porenbrenner oder katalytischer Brenner ausgebildet sein kann, nachverbrannt werden. Dies bietet sich insbesondere bei dem Betrieb des Brennstoffzellenstapels 1 mit wasserstoffhaltigem Gas aus einem Reformierungsprozess an, da hier immer noch brennbare Reste in dem Abgas aus dem Anodenraum 2 vorhanden sind. Das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel ist jedoch ebenso wenig darauf eingeschränkt, wie es die oben genannten Ausführungsbeispiele auf den Betrieb mit reinem typischerweise aus einem Membranreinigungs- und/oder Speichersystem stammenden Wasserstoff sind. Die typischerweise sehr heißen Abgase des Brenners 19 (700 – 1200°C) gelangen dann zuerst in eine von ihnen angetriebene weitere Wärmekraftmaschine 20, insbesondere Expansionsmaschine, z.B. Gasturbine. Danach werden die verbleibenden immer noch vergleichsweise warmen Abgase der Gasturbine 20 (ca. 250 – 350°C) in einem Abgaswärmetauscher 21 von dem Arbeitsmittel gekühlt, welcher sich dabei im Gegenzug noch weiter erwärmt, bevor es in die Wärmekraftmaschine bzw. Dampfturbine 11 gelangt.
Mit einem solchen Aufbau, bei welchem ebenfalls der Verdichter 4, die Gasturbine 20, die Dampfturbine 11 und die elektrische Maschine 12' eine mechanische Kopplung 18 miteinander aufweisen können, kann somit ein Maximum an anfallender Abwärme ggf. zusammen mit dem Restenergieinhalt unverbrannter Stoffe in den Abgasen zur Erhöhung des Wirkungsgrades des Gesamtsystems genutzt werden.
Bevorzugte Anwendungen können neben stationären Anlagen auch im Bereich von mobilen anlegen liegen. Insbesondere mobile Anlagen größerer Bauart, wie z.B. in Schiffsantrieben oder für Schienenfahrzeuge können mit dem erfindungsgemäßem Aufbau deutliche Wirkungsgradsteigerungen erzielen. Beim Einsatz in U-Booten wäre damit z.B. der Vorteil einer längeren Tauchzeit zu erreichen,

Claims

Vorrichtung zur Bereitstellung von Energie, mit wenigstens einer Brennstoffzelle und einer Wärmekraftmaschine, welche über einen Kreislauf mit einem Arbeitsmittel von der Abwärme der Brennstoffzelle angetrieben ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (Brennstoffzellenstapel 1) als PEM-Brennstoffzelle ausgebildet ist, und dass das Arbeitsmittel bei den üblichen Betriebstemperaturen der PEM-Brennstoffzelle (Brennstoffzellenstapel 1) in dem Kreislauf (10) dampfförmig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmittel ein Ammoniak-Wasser-Gemisch dient.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmittel eine Kohlenwasserstoffverbindung dient.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung vor der Brennstoffzelle (Brennstoffzellenstapel 1) ein Wärmetauscher (17) für wenigstens eines der der Brennstoffzelle (Brennstoffzellenstapel 1) zugeführten Edukte angeordnet ist, wobei die anfallende Wärme die Wärmekraftmaschine (11) mit antreibt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner gekennzeichnet durch eine Verbrennungsvorrichtung (Brenner 19) zur Verbrennung von Restgasen aus der Brennstoffzelle (Brennstoffzellenstapel 1) und einer weiteren Wärmekraftmaschine (20) zur Entspannung der heißen Abgase der Verbrennung, wobei in Strömungsrichtung der Abgase nach der weiteren Wärmekraftmaschine (20) ein Wärmetauscher (21) angeordnet ist, und wobei die dort anfallende Wärme die Wärmekraftmaschine (11) mit antreibt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Wärmekraftmaschine (20) als Expansionsmaschine, insbesondere als Gasturbine, ausgebildet ist.