DE102007033864B4

DE102007033864B4 - Verfahren zum Betreiben einer Festoxidbrennstoffzellenanlage, Wärmetauscher für eine Festoxidbrennstoffzellenanlage und Festoxidbrennstoffzellenanlage

Info

Publication number: DE102007033864B4
Application number: DE102007033864.5A
Authority: DE
Inventors: Jeroen Valensa; Liping Cao; Mark G. Voss; Nicholas Siler
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 2006-07-20
Filing date: 2007-07-20
Publication date: 2017-03-02
Anticipated expiration: 2027-07-21
Also published as: DE102007033864A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Festoxidbrennstoffzellenanlage (110) umfassend einen Brennstoffzellenstapel (100), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Zusammenführen eines Anoden-Abgasstromes (5) einer Anodenseite des Brennstoffzellenstapels (100) und eines Kathoden-Abgasstromes (6) einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels (100); Oxidieren des Anoden-Abgasstroms (112) der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels (100) vor dem Zusammenführen des Anoden-Abgasstroms (5) und des Kathoden-Abgasstroms (6); Übertragen von Wärme vom zusammengeführten Abgasstrom (7) zu einem ersten Luftstrom (9); und Zusammenführen eines zweiten Luftstroms (11) und des erwärmten ersten Luftstroms (10) stromaufwärts vom Brennstoffzellenstapel (100), um eine Temperatur des zusammengeführten Luftstroms (12), der an der Kathodenseite der Festoxidbrennstoffzellen eintritt, zu regeln.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegend Erfindung bezieht sich auf Wärmetauscher, insbesondere auf Wärmetauscher für Festoxidbrennstoffzellen und insbesondere auf Rückgewinnungswärmetauscher in einer Festoxidbrennstoffzellenhilfsenergieeinheit für Beförderungsanwendungen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist sehr erwünscht, dass Elektrolyte sowohl in oxidierender, als auch in reduzierender Atmosphäre stabil sind und dass der Elektrolyt eine ausreichend hohe Ionenleitfähigkeit bei den Betriebstemperaturen aufweist, zusammen mit einer ausreichend niedrigen elektrischen Leitfähigkeit. Stabilisiertes Zirkonoxid, aufweisend eine Fluoridstruktur, ist ein hoch entwickeltes Elektrolyt und hat typischerweise eine geeignete Betriebstemperatur von ungefähr 800 °C.
Während des Betriebes kann ein Brennstoffzellenstapel sowohl Wärme, als auch elektrische Energie produzieren. Die Wärme kann vom Brennstoffzellenstapel abgeführt werden, so bemessen, um die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels beizubehalten. Der oxidierende Gasstrom, der Luft umfassen kann, kann als kühlender Gasstrom zum Entfernen des größten Teils der Überschusswärme, die im Brennstoffzellenstapel produziert wird, verwendet werden.
Obwohl es thermodynamisch möglich ist, den Brennstoffzellenstapel mit Luft zu beschicken, die eine Temperatur aufweist, die weit unterhalb der Betriebstemperatur des Stapels liegt, kann ein zu großer Temperaturgradient im Luftstrom, der durch den Stapel führt, Wärmespannungen verbunden mit einem Reißen der Keramik und einen rapiden strukturellen Defekt des Brennstoffzellenstapels verursachen. Dementsprechend kann zumindest ein Teil der Überschusswärme des Brennstoffzellenstapels und/oder der Reaktionsströme wiederverwendet und benutzt werden zum Vorwärmen der eingehenden Kathodenluft auf eine Temperatur etwas unterhalb der Temperatur des Stapels. Luft kann ebenso oder alternativ zur Kathode geführt werden, so dass die Überschusswärme, die im Stapel produziert wird, entfernt werden kann und der Brennstoffzellenstapel bei einer erwünschten Betriebstemperatur gehalten werden kann.
Ein Erwärmen des Brennstoffzellenstapels während der Inbetriebnahme kann ebenfalls oder alternativ durch ein Vorheizen der Luft, die durch die Brennstoffzellenkathoden fließt, bereitgestellt werden. Während dieser Zeit kann die Verbrennung von Kraftstoff die Wärmequelle zum Vorheizen der Luft bereitstellen. Durch effiziente Übertragung der Wärmeenergie ist es möglich, die Zeit für die Inbetriebnahme zu reduzieren und/oder zu minimieren.
Ein Wärmetauscher zum Vorwärmen der Kathodenluft einer Festoxidbrennstoffzellenanlage kann einen erheblichen Teil der Größe, des Gewichts und der Kosten einer ganzen Brennstoffzellenanlage benötigen. In vielen Anwendungen muss der Wärmetauscher in der Lage sein, sehr effizient Wärme zwischen Gasströmen mit niedrigem Druck zu übertragen; dies bedingt eine große Vorrichtung. Die Betriebstemperaturen bedingen oft, dass die Vorrichtung aus hochtemperaturtauglichen Materialien hergestellt werden muss. Solche Materialien sind von Natur aus teuerer als konventionellere Materialien (wie beispielsweise rostfreier Stahl), die nicht geeignet sind für einen Betrieb bei solchen Temperaturen für einen längeren Zeitraum. Darüber hinaus machen es thermisch induzierte Spannungen schwierig, dünne Materialien für die Konstruktion einer solchen Vorrichtung erfolgreich zu verwenden und führt dies zu noch höheren Kosten und Gewichtsnachteilen. Eine Zunahme an Gewicht und Größe ist besonders für Transportanwendungen diametral.
DE 603 02 609 T2 bezieht sich auf Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoffzellen mit einer elektrolytischen Festoxidschicht, die eine Anodenschicht von einer Kathodenschicht trennt; insbesondere auf Anordnungen und Systeme aus Brennstoffzellenstapeln, die mehrere einzelne Zellen umfassen, wobei durch eine einzige Luftversorgungspumpe Luft zugeführt wird; und ganz besonders auf solche Brennstoffzellenanordnungen und -systeme, bei denen die ankommende Luft in zwei Ströme geteilt wird, einen, um eine Reformer/Anoden-Schleife des Systems zu versorgen, und den anderen, um die Schleife für Kathodenluft zu versorgen, wobei jeder Strom durch eine unabhängige Verdrängerluftpumpe zugeführt wird.
DE 101 41 843 A1 offenbart eine Wasserstoffversorgungsvorrichtung zur Erzeugung und zum Zuführen von Wasserstoff zu einer Wasserstoff verbrauchenden Vorrichtung, mit einem Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal; einem Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal; einem Wärmeaustauschabschnitt, durch den die Niedrigtemperatur- und Hochtemperaturkanäle hindurch verlaufen; einem Reformierungsmaterialversorgungsabschnitt, zum Zuführen von wenigstens einem Teil eines Reformierungsmaterials zu dem Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal auf einer stromaufwärtigen Seite des Wärmeaustauschabschnittes; einem Reformierungsabschnitt, in welchem das Reformierungsmaterial reformiert wird, um ein reformiertes Gas, welches Wasserstoff enthält, zu erzeugen, nachdem es durch den Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal hindurch geströmt ist; und einem Verbrennungsgasversorgungsabschnitt zum Erzeugen und zum Zuführen eines Verbrennungsgases zu dem Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal, wobei der Wärmeaustauschabschnitt als Drehantrieb einen thermischen Rotationsspeicher aufweist, und der thermische Rotationsspeicher sich dreht, um sich abwechselnd zwischen dem Niedrigtemperatur- und Hochtemperatur-Strömungsmittelkanälen zu bewegen, so dass die Verbrennungswärme des Verbrennungsgases, welches in der Hochtemperatur-Strömungsmittelleitung strömt, auf das Reformierungsmaterial übertragen wird, welches in der Niedrigtemperatur-Strömungsmittelleitung strömt.
DE 10 2005 015 874 A1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Brennstoffzelle, die einen kathodenseitigen und einen anodenseitigen Einlaß sowie zumindest einen Auslaß aufweist, mit einer mit dem kathodenseitigen Einlaß verbindbaren kathodenseitigen Zuströmleitung, mit einer mit dem anodenseitigen Einlaß verbindbaren anodenseitigen Zuströmleitung und mit zumindest einer mit einem Auslaß und der Zuströmleitung verbindbaren Abströmleitung.
US 2006/0131008 A1 beschreibt einen Wärmetauscher mit einer Vielzahl von wärmeleitenden Rohren. Erste Durchgänge sind zwischen einer äußeren Wandplatte und einer inneren Wandplatte vorgesehen. Luft strömt durch die ersten Durchgänge. Zweite Durchgänge sind zwischen den wärmeleitenden Rohren gebildet. Ein Abgas strömt durch die zweiten Durchgänge. Jedes der wärmeleitenden Rohre hat gegenüberliegende Wände, welche die Durchgangsbreite des ersten Durchgangs zu begrenzen. Die Wände sind entlang Evolventenkurven ausgebildet ist. Die zweiten Durchgänge werden durch die Bereitstellung benachbarten wärmeleitenden Rohre entlang der Evolventen gebildet.
Die vorliegende Erfindung wird durch die anhängenden Ansprüche definiert.
In einigen Ausführungsformen stellt die vorliegende Erfindung einen kompakten, leichten, sehr wirkungsvollen Wärmetauscher zum Vorwärmen der Kathodenluft, zur Inbetriebnahme und/oder zum Dauerbetrieb bereit. Die vorliegende Erfindung kann ebenfalls oder alternativ einen verbesserten Wärmetauscher bereitstellen, der u. a. ein ankommendes Paar von Gasströmen vormischt, um einen zusammengeführten Gasstrom zur Übertragung von Wärmeenergie zu einem weiteren Gasstrom bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen stellt die vorliegende Erfindung einen Wärmetauscher bereit, der einen Frischluftstrom auf eine Temperatur vorwärmt, die geeignet ist für einen Einlass auf der Kathodenseite des Festoxidbrennstoffzellenstapels, durch Übertragung von Wärmeenergie von einem Kathodenabgasstrom, der aus der Kathodenseite des Festoxidbrennstoffzellenstapels austritt und von einem Abgasstrom, der aus der Anodenseite des Festoxidbrennstoffzellenstapels austritt. Der Abgasstrom, der aus der Anodenseite der Festoxidbrennstoffzellen austritt umfasst oxidiertes Abgas, das aus einem Anodenendgasoxidierer austritt. Der Ausdruck „Frischluft“ wird hier verwendet mit Bezug zu Luft oder Luftmischungen, die der Kathodenseite der Brennstoffzelle nicht ausgesetzt waren.
Die vorliegende Erfindung erlaubt ebenfalls eine schnelle Inbetriebnahme einer Festoxidbrennstoffzellenanlage durch eine effiziente Übertragung von Wärmeenergie von einem Verbrennungsabgas, das aus einem Anodenendgasoxidierer austritt zu einem Kaltluftstrom, der anschließend durch die Kathodenseite des Festoxidbrennstoffzellenstapels geführt wird. In einigen Ausführungsformen erreicht der Wärmetauscher der vorliegenden Erfindung das Vorangehende, während zeitgleich die Größe und das Gewicht der Vorrichtung reduziert werden und/oder die thermische Spannung in der Vorrichtung reduziert wird, um dadurch die Lebensdauer dieser zu verbessern.
In einigen Ausführungsformen erzielt die vorliegende Erfindung das Vorangehende mit einem Kathodenluftvorheizwärmetauscher, der eine Heizgasmischsektion umfasst, um einen Kathodenabgasstrom von einer ersten Kathodenabgaseinlassöffnung und einen Abgasstrom eines Anodenendgasoxidierers (oder während der Inbetriebnahme eines Abgasstrom-Inbetriebnahmebrenners) von einer zweiten Abgaseinlassöffnung und zum adiabatischen Vermischen der zwei Ströme in einem zusammengeführten Abgasstrom, der im Wesentlichen homogen in Zusammensetzung und Temperatur vorliegt. Der Wärmetauscher kann einen ersten verlängerten Abgasdurchgang, mit einem Einlass an einem Ende, der den zusammengeführten Abgasstrom entgegennimmt und einem Auslass am anderen Ende, der mit einer Abgasaustrittsöffnung fluidverbunden ist, umfassen. Der Wärmetauscher kann außerdem einen zweiten verlängerten Frischluftstromdurchgang umfassen, wärmegekoppelt mit dem ersten Abgasstromdurchgang, mit einem Einlassende und einem gegenüber liegenden Auslassende. Das Einlassende kann benachbart zum Auslassende des Abgasstromdurchgangs vorliegen und kann das Auslassende benachbart zum Einlassende des Abgasstromdurchgangs vorliegen, so dass eine Gegenstromströmung zwischen dem zusammengeführten Abgas und der Frischluft entsteht.
Wärmeübertragungserweiterungen können in einem oder beiden, dem ersten Abgasströmungsdurchgang, als auch im zweiten Frischluftströmungsdurchgang angeordnet werden. Die vorliegende Erfindung kann ebenfalls oder alternativ eine Frischluftmischregion umfassen, die einen ersten erwärmten Frischluftstrom vom zweiten Frischluftstromdurchgang und einen zweiten nicht erwärmten Frischluftstrom von einer Bypassfrischlufteinlassöffnung und kombiniert die zwei Frischluftströme zu einem dritten vermischten Frischluftstrom, um die Kathodenelektroden des Festoxidbrennstoffzellenstapels zu versorgen, umfassen.
In einigen Ausführungsformen sind zumindest Teile des ersten Abgasstromdurchgangs und des zweiten Frischluftstromdurchgangs konzentrische, ringförmige Strömungsdurchgänge. Alternativ oder zusätzlich können der erste Abgasstromdurchgang und der zweite Frischluftstromdurchgang einen Wirbelerzeuger, eine Rippe (beispielsweise eine hoch effiziente Rippe, wie eine Rippe mit sich schlängelnden Lüftungsschlitzen oder eine gelanzte und versetzte Rippe) und/oder Oberflächenvergrößerungen zur Wärmeübertragung umfassen. In einigen Ausführungsformen kann die zweite Abgaseinlassöffnung unmittelbar verbunden sein mit der Abgasöffnung eines Anodenendgasoxidierers.
Die vorliegende Erfindung stellt ebenfalls ein Verfahren bereit zum Vorheizen der Kathodenluft, umfassend die Schritte, Bereitstellen einer thermisch leitfähigen langgestreckten Wandung, die gegenüber liegende Seiten aufweist, Bereitstellen von Wärmeübertragungserweiterungen an einer oder beiden Seiten der thermisch leitfähigen langgestreckten Wandung und Leiten eines heißen Gasstromes, der einen Abgasstrom der Festoxidbrennstoffzellenkathode, einen Abgasstrom des Anodenendgasoxidierers und ggf. einen Abgasstrom eines Startbrenners umfasst, entlang einer Seite der Wandung, allgemein in Erstreckungsrichtung dieser. Das Verfahren kann ebenfalls oder alternativ die Schritte umfassen, Leiten eines Teils eines erwünschten Kathodenluftstroms entlang der anderen Seite der Wandung im Gegenstrom zum Heißgasstrom, um den Teil des erwünschten Kathodenluftstroms zu erwärmen und Hinzuführen des nicht erwärmten übrigen Teils des erwünschten Kathodenluftstroms zum erwärmten Teil des erwünschten Kathodenluftstroms, um einen erwünschten Kathodenluftstrom mit einer erwünschten Kathodeneinlasstemperatur zu erhalten.
In einigen Ausführungsformen stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Festoxidbrennstoffzellenanlage, umfassend einen Brennstoffzellenstapel bereit. Das Verfahren kann die Schritte umfassen, Zusammenführen eines oxidierten Abgasstroms von einer Anodenseite des Brennstoffzellenstapels und einen Abgasstrom von einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels, Wärmeübertragung vom zusammengeführten Abgasstrom zu einem ersten Luftstrom und Zusammenführen eines zweiten Luftstroms und des erwärmten ersten Luftstroms, stromaufwärts von dem Brennstoffzellenstapel, um eine Temperatur des zusammengeführten Luftstroms, der in die Kathodenseite der Festoxidbrennstoffzelle eintritt, regeln zu können.
Die vorliegende Erfindung, stellt ebenfalls ein Verfahren zur Inbetriebnahme eines Brennstoffzellenstapels einer Festoxidbrennstoffzellenanlage von einer Temperatur, unterhalb einer Betriebstemperatur bereit. Das Verfahren kann die Schritte umfassen, Zusammenführen eines oxidierten Abgasstroms und eines Abgasstroms von einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels und Wärmeübertragung vom zusammengeführten Abgasstrom zu einem Luftstrom, der in die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels eintritt.
In einigen Ausführungsformen stellt die vorliegende Erfindung zudem einen Wärmetauscher für eine Festoxidbrennstoffzellenanlage bereit, umfassend einen ersten Einlass zum Erhalt eines oxidierten Abgasstroms einer Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels, einen zweiten Einlass zum Erhalt von Luft, einen dritten Einlass zum Erhalt eines Abgasstroms einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels und ein erstes Rohr, gestützt in einem zweiten Rohr. Das erste Rohr oder das zweite Rohr kann zumindest teilweise einen Strömungspfad für den Abgasstrom der Kathoden- und Anodenseite des Brennstoffzellenstapels definieren und das Andere des ersten Rohres oder des zweiten Rohres kann zumindest teilweise einen Strömungspfad zur Beschickung des Brennstoffzellenstapels mit Luft definieren. Der zweite Strömungspfad kann im Gegenstrom zum ersten Strömungspfad vorliegen.
Außerdem stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren bereit zum Betreiben einer Festoxidbrennstoffzellenanlage, umfassend einen Brennstoffzellenstapel. Das Verfahren kann die Schritte umfassen, Leiten eines Luftstroms durch ein erstes Rohr des Wärmetauschers und Leiten eines Abgasstroms der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels und eines oxidierten Abgasstroms der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels durch ein zweites Rohr des Wärmetauschers, um Wärme vom Abgasstrom zum Luftstrom zu übertragen, um den Luftstrom vorzuheizen, bevor der Luftstrom in eine Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels geleitet wird. Das erste Rohr oder das zweite Rohr kann gestützt werden im Anderen des ersten Rohres oder des zweiten Rohres.
In einigen Ausführungsformen stellt die vorliegende Erfindung eine Festoxidbrennstoffzellenanlage bereit, umfassend einen Brennstoffzellenstapel, aufweisend eine Anodenseite und eine Kathodenseite, einen Wärmetauscher, umfassend einen ersten Einlass zum Aufnehmen eines Abgasstroms von der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels und einen zweiten Einlass zum Aufnehmen eines Abgasstroms von der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels, eine Mischkammer zum Zusammenführen des Abgasstroms von der Kathoden- und Anodenseite der Brennstoffzelle und einen Strömungspfad zur Beschickung des Brennstoffzellenstapels mit Luft und sich erstreckend durch den Wärmetauscher, so dass Wärme vom zusammengeführten Abgasstrom zur Luft, die entlang des Strömungspfads führt, übertragen werden kann.
Metallische Legierungen, die geeignet sind, der langen Einwirkung von oxidierenden Strömungen bei hohen Temperaturen zu widerstehen, können bei der Konstruktion der Erfindung oder Teilen der Erfindung eingesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich können die Teile der Vorrichtung, die höheren Temperaturen ausgesetzt sind, als andere Teile der Vorrichtung konstruiert werden aus Materialien, die eine größere Korrosionsresistenz aufweisen, als Materialien, die verwendet werden für andere Teile der Vorrichtung. Beispielsweise können der zweite Abgaseinlass und die Abgasmischregion des Abgases des Anodenendgasoxidierers ausgesetzt sein, die eine Temperatur von mehr als 1100 °C aufweisen kann. Nachdem die Verbrennungsabluft gemischt wird mit dem Kathodenabgas, kann die Mischtemperatur um 200 °C niedriger liegen. Die Materialanforderungen für den Rest der Vorrichtung kann dementsprechend niedriger sein, als die Anforderungen für den Verbrennungsablufteinlass und der Abgasmischregion.
Weitere Aspekte der Erfindung werden offensichtlicher bei einer Betrachtung der ausführlichen Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine schematische Teilansicht einer Festoxidbrennstoffzellenanlage, umfassend einen Kathodenluftvorwärmer, ausgeführt gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des Kathodenluftvorwärmers, gemäß der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt eine Schnittansicht des Kathodenluftvorwärmers aus 2.
4 zeigt eine offene perspektivische Ansicht des Kathodenluftvorwärmers aus 2.
5A bis 5C zeigen fragmentarische perspektivische Ansichten der drei Ausführungsformen einer Abgasmischregion, gemäß der Erfindung.
6 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Wärmeübertragungserweiterung, benutzt in einem Kaltluftströmungspfad der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1 zeigt einen Wärmetauscher 1, gemäß der vorliegenden Erfindung enthaltend mit einer Festoxidbrennstoffzellenanlage 110. Obwohl die Erfindung gezeigt ist in Zusammenhang mit einer Festoxidbrennstoffzellenanlage 110, soll verstanden werden, dass Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden können und werden in anderen Anwendungen. Demgemäß ist mit der Anwendung von Heizwärmetauschern gemäß der vorliegenden Erfindung mit Brennstoffzellenanlagen oder mit besonderen Typen von Brennstoffzellenanlagen keine Beschränkung intendiert, außer wenn es ausdrücklich in den Ansprüchen vorgetragen wird.
Wie in 1 gezeigt, kann der Wärmetauscher 1 ein Luftvorwärmetauscher sein und kann eine Heißabgasmischregion 2 umfassen, eine Wärmeaustauschregion 3 und eine Frischluftmischregion 4. In weiteren Ausführungsformen kann die Heißabgasmischregion 2 oder ein Teil der Heißabgasmischregion 2 stromaufwärts von oder benachbart zu dem Vorwärmetauscher 1 angeordnet sein, so dass ein vorgemischter oder zusammengeführter Abgasstrom in einem gemeinsamen Abgaseinlass des Wärmetauschers 1 eintritt. Alternativ oder zusätzlich kann die Frischluftmischregion 4 oder ein Teil der Frischluftmischregion 4 stromabwärts von oder benachbart zu einem Teil des Vorwärmetauschers 1 angeordnet sein.
In der dargestellten Ausführungsform in 1 bis 6 nimmt die Heißabgasmischregion 2 einen Kathodenabgasstrom 6 von der Kathodenseite des Festoxidbrennstoffzellenstapels 100 und einen Anodenabgasstrom 5 von einem Anodenendgasoxidierer 101 auf. In weiteren Ausführungsformen kann Abgas von anderen Teilen oder Elementen der Festoxidbrennstoffzellenanlage 110 oder andere erwärmte Gase ebenfalls oder alternativ zur Abgasmischregion 2 geführt werden und können diese kombiniert werden mit dem Kathodenabgasstrom 6 und/oder dem Anodenabgasstrom 5. In noch weiteren Ausführungsformen kann Abgas von anderen Teilen oder Elementen der Festoxidbrennstoffzellenanlage 110 oder andere erwärmte Gase kombiniert oder gemischt werden mit dem Kathodenabgasstrom 6 und/oder dem Anodenabgasstrom 5 bevor diese in die Abgasmischregion 2 geführt werden.
Während des normalen Dauerbetriebs der Brennstoffzellenanlage 110 kann der Anodenabgasstrom 5 die Produkte einer Oxidationsreaktion zwischen einem Anodenabgasstrom 112, erhalten durch den Anodenendgasoxidierer 101 der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 100 und einem Luftstrom 106, umfassend einen Luftstrom 107, bereitgestellt durch ein Luftgebläse 104, umfassen. Während der Inbetriebnahme der Brennstoffzellenanlage 110, wenn eine schnelle Bereitstellung von Wärme an den Elementen der Brennstoffzellenanlage 110 erwünscht ist und wenn ein zündbarer Anodenabgasstrom 112 noch nicht zur Oxidation im Anodenendgasoxidierer 101 bereitsteht, kann der Luftstrom 106 Produkte eine Verbrennungsreaktion, entstanden in einem Startbrenner 102, der zwischen dem Luftstrom 107 und einer Brennstoffquelle 108 angeordnet ist, umfassen.
Wie in den 1 und 3 gezeigt, können der Kathodenabgasstrom 6 und der Anodenabgasstrom 5 kombiniert und/oder vermischt werden, um einen zusammengeführten Abgasstrom 7 bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen kann der zusammengeführte Abgasstrom 7 in Zusammensetzung und Temperatur homogen sein. In weiteren Ausführungsformen kann der zusammengeführte Abgasstrom 7 teilweise vermischt oder kombiniert sein, so dass der Strom oder Teile des Stroms unterschiedliche Zusammensetzungen und unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Der zusammengeführte Abgasstrom 7 kann die Wärmeaustauschregion 3 des Wärmetauschers 1 durchlaufen, in diesem Wärme abgeben und als gekühlter Abgasstrom 8 austreten.
In einigen Ausführungsformen kann ein Luftgebläse 103 einen Frischluftstrom 109 an einem Ventil oder anderen Strömungsseparatoren 105, die den Frischluftstrom 109 in einen ersten Luftstrom 9 und einen Bypass- oder zweiten Luftstrom 11 aufteilen, bereitstellen. In einigen dieser Ausführungsformen kann das Ventil 105 den relativen Anteil des ersten und zweiten Luftstroms 9, 11, in Abhängigkeit zu einem Regelsignal und/oder durch manuelle Einstellung variieren. Wie in 1 gezeigt, kann der erste Frischluftstrom 9 des Frischluftstroms 109 in die Wärmetauschregion 3 eintreten und kann erwärmt werden. Erwärmte Luft 10 kann aus der Wärmetauschregion 3 austreten und kann in Richtung einer Frischluftmischregion 4 geführt werden, wo diese neu kombiniert werden kann mit dem zweiten Frischluftstrom 11, um einen zusammengeführten Kathodenluftstrom 12 bereitzustellen.
In einigen Ausführungsformen, wie in den 2 bis 4 gezeigt, kann die Heißabgasmischregion 2 im Wärmetauscher 1 gehalten werden und umfassen ein Einlassrohr 13, das zumindest teilweise einen Abgaseinlass definiert, ein inneres Rohr 15, gestützt im Einlassrohr 13, ein erstes Wärmeaustauschrohr 18, ein zweites Wärmeaustauschrohr 17, eine Kathodenabgaseinlassöffnung 14, eine Ablenkkuppel 20 und Mischstrukturen 16. In anderen Ausführungsformen kann die Heißabgasmischregion 2 andere Ausgestaltungen und Ausführungen aufweisen und kann aus oder zumindest teilweise aus einem, zwei oder mehreren Gehäuseteilen, aufweisend kreisförmige oder nicht kreisförmige Querschnittsausführungen, ausgebildet sein.
In der in den 2 bis 4 gezeigten Ausführungsform fließt der Anodenabgasstrom 5 in die Heißabgasmischregion 2 durch Strömen durch einen Innenraum des Einlassrohres 13 und anschließendem Strömen durch einen Innenraum des Innenrohres 15. In der in den 2 bis 4 dargestellten Ausführungsform strömt der Kathodenabgasstrom 6 in die Heißabgasmischregion 2 durch die Kathodenabgaseinlassöffnung 14 ein, die durch das Einlassrohr 13 hindurchgeht. Der Kathodenabgasstrom 6 führt dann eine ringförmige Region, die durch die äußere Oberfläche des inneren Rohres 15 und durch die innere Oberfläche des Einlassrohres 13 und durch das erste Wärmetauschrohr 18 ausgebildet wird, in eine Richtung übereinstimmend mit dem Anodenabgasstrom 5. Der Anodenabgasstrom 5 trifft auf die Ablenkkuppel 20 und wird dadurch in einen ringförmigen Strömungsbereich, begrenzt durch die Innenfläche des Innenrohrs 15 und der Außenfläche der Kuppel 20, geführt. In anderen Ausführungsformen kann der Anodenabgasstrom 5 und/oder der Kathodenabgasstrom 6 durch die Heißabgasmischregion 2 strömen und/oder auf andere Art und Weise gemischt werden.
Wie in den 3 bis 5C gezeigt, kann eine Mischstruktur 16 in der Heißabgasmischregion 2 gestützt sein, um den Anodenabgasstrom 5 und/oder den Kathodenabgasstrom 6 zu kombinieren und/oder zu vermischen. In der in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsform ist die Mischstruktur 16 integral ausgebildet mit dem inneren Rohr 15 und kann diese den Anodenabgasstrom 5 und den Kathodenabgasstrom 6 effektiv mischen, was zu einem guten durchmischten zusammengeführten Abgasstrom 7, der die Heißabgasmischregion verlässt, führt.
In einigen Ausführungsformen, wie zum Beispiel die in den 3 bis 5C gezeigten Ausführungsformen, ist die Mischstruktur 16 so ausgebildet, dass eine effektive Vermischung des Anodenabgasstroms 5 und des Kathodenabgasstroms 6 ermöglicht wird, ohne Einhehrgehen eines signifikanten Druckverlustes, um den Fremdstrom zu minimieren, der notwendig ist, um die Quellen des Anoden- und Kathodenabgasstroms 5/6 unter Druck zu setzen. Wie in 3 und 4 gezeigt und detaillierter in 5A kann die Mischstruktur 16 eine Anzahl von gebogenen Umlenkblechen 32 umfassen, die den Anodenabgasstrom 5 und den Kathodenabgasstrom 6 in eine hauptsächlich radiale Richtung durch die Heißabgasmischregion 2 führen.
5B und 5C zeigen weitere alternative Ausführungsformen der Mischstruktur 16. In der Ausführungsform von 5B umfasst die Mischstruktur 16 ein sanduhrenförmiges inneres Rohr 15, formend eine Düse mit einer Anzahl von umlaufend beabstandeten Öffnungen 33, angeordnet, um den Umfang der Düse, stromabwärts von einem Minimumdurchmesser des inneren Rohres 15. Die Reduktion des Strömungsbereichs innerhalb des Innenrohres 15 erzeugt einen lokalen Bereich, in welchen der Kathodenabgasstrom 6 in den Anodenabgasstrom 5 durch die Öffnungen 33 eintreten kann, um einen gut durchmischten zusammengeführten Abgasstrom 7 zu erhalten. In der dargestellten Ausführungsform von 5B kann ein Ende des sanduhrenförmigen Innenrohres 15 (beispielsweise die linke Seite des Zylinders, gezeigt in 5B) in Eingriff oder in Anlage gebracht werden mit der Innenfläche des ersten Wärmetauscherrohres 18, um das Strömen von Kathodenabgas 6 um die Öffnungen 33 herum zu begrenzen und/oder zu verhindern. In der gezeigten Ausführungsform von 5B sind die Öffnungen 33 jeweils im allgemeinen kreisförmig. In anderen Ausführungsformen können eine oder mehrere längliche Schlitze um das Innenrohr 15 angeordnet werden. In weiteren Ausführungsformen können die Öffnungen 33 andere Formen und relative Orientierungen aufweisen.
In der in 5C gezeigten Ausführungsform umfasst die Mischstruktur 16 eine Anzahl von radialen Aufweitungen oder Vorkragungen 34 und radiale Einschnürungen oder Vertiefungen 35, ausgebildet, um den Umfang von einem Ausgang oder einem distalen Ende des Innenrohres 15 herum. Auf diese Weise stellt die Mischstruktur 16 wechselnde Bereiche mit erhöhter Strömungsgeschwindigkeit und mit herabgesetzter Strömungsgeschwindigkeit für den Kathodenabgasstrom 6, durchsetzt mit wechselnden Bereichen mit erhöhter Strömungsgeschwindigkeit und herabgesetzter Strömungsgeschwindigkeit für den Anodenabgasstrom 5 bereit. Wie ebenfalls in den 5B und 5C gezeigt, kann es nützlich sein, in allen Ausführungsformen die Kathodenabgasgaseinlassöffnung 14 so anzuordnen, dass der Kathodenabgasstrom 6 in den ringförmigen Strömungsbereich in einer Richtung, die tangential zum ringförmigen Strömungsbereich ist, eintritt, um die Verteilung des Kathodenabgasstroms 6 durch die Heißabgasmischregion 2 zu verbessern. Es sollte verstanden werden, dass Ausgestaltungen der Mischstruktur 16, anders als die in den 5A bis 5C gezeigten, verwendet werden können, um den gleichen oder annähernd gleichen Zweck zu erfüllen. Beispielsweise können Wirbelerzeuger ebenfalls oder alternativ längs der Mischstruktur 16 vorgesehen werden, um Turbulenzen in dem Anodenabgasstrom 5 und im Kathodenabgasstrom 6 zu erzeugen. In anderen Ausführungsformen können andere Oberflächenbiegungen oder Vergrößerungen (beispielsweise Vorsprünge, Vertiefungen, Rippen, etc.) angeordnet werden längs des Innenrohres 13, der Kathodeneinlassöffnung 14, des Innenrohres 15 und/oder an anderer Stelle in der Heißgasmischregion 2 zum Kombinieren und/oder Mischen des Anoden- und Kathodenabgasstroms 5, 6.
Wie in 3 gezeigt kann die Wärmetauschregion 3 eine Rohr-in-Rohr-Konstruktion aufweisen, mit einem ersten Wärmetauschrohr 18 gestützt in einem zweiten Rohr 17. Eine Innenfläche des ersten Wärmetauschrohres 18 und eine Außenfläche einer lang gezogenen Trennwand 19 können zusammen zumindest teilweise einen Strömungspfad für den zusammengeführten Abgasstrom 7 durch die Wärmetauschregion 3 definieren. Wie in den 3 und 4 gezeigt können eine Außenfläche des ersten Wärmetauschrohres 18 und eine Innenfläche des zweiten Wärmetauschrohres 17 zumindest teilweise einen Strömungspfad für den ersten Luftstrom 9 durch die Wärmetauschregion 3 definieren. In anderen Ausführungsformen können die Außenfläche eines Innenrohres und die Innenfläche eines Außenrohres zumindest teilweise einen Strömungspfad für den zusammengeführten Abgasstrom 7 durch die Wärmetauschregion 3 definieren und eine Innenfläche des Innenrohres kann zumindest teilweise den Strömungspfad für den ersten Luftstrom 9 durch die Wärmetauschregion 3 definieren. Wie in 3 gezeigt, können das erste Wärmetauschrohr 18 und das zweite Wärmetauschrohr 17 allgemein kreisförmig sein. In anderen Ausführungsformen können das erste und zweite Wärmetauschrohr 18, 17 andere Formen und Konfigurationen (beispielsweise eines oder beide des ersten und zweite Wärmetauschrohres 18, 17 kann eine ovale, dreieckige, quadratische oder polygonale oder unregelmäßige Querschnittsform aufweisen) aufweisen. Außerdem, obwohl das erste und zweite Wärmetauschrohr 18, 17 hier als miteinander verbunden gezeigt und beschrieben sind, um einen Teil der Wärmetauschregion 3 des Wärmetauschers 1 bereitzustellen, kann das erste und zweite Wärmetauschrohr 18, 17 alternativ integral ausgebildet sein.
Eine oder mehrere Rippen 30 können gestützt werden zwischen der Innenfläche des ersten Wärmetauschrohres 18 und einer Außenfläche der Trennwand 19, um die Wärmeübertragung zwischen dem ersten Luftstrom 9 und dem zusammengeführten Abgasstrom 7 zu verbessern und/oder um Turbulenzen in dem zusammengeführten Abgasstrom 7 zu erzeugen. In einigen Ausführungsformen können die Seiten der Rippen 30 befestigt (beispielsweise geschweißt, hartgelötet, gelötet, etc.) an einer Innenfläche des ersten Wärmetauschrohres und/oder an einer Außenfläche des Trennblechs 19 sein. Bei weiteren Ausführungsformen weisen andere Rippen 30 andere Ausgestaltungen und Konfigurationen auf, die ebenfalls oder alternativ gestützt werden können in der Wärmetauschregion 3. In einigen Ausführungsformen können die Rippen 30 oder das Trennblech 19 zumindest teilweise einen spiralförmigen oder kreisförmigen Strömungspfad durch die Wärmetauscherregion 3 definieren. Alternativ oder zusätzlich können Oberflächenbiegungen oder Vergrößerungen ausgebildet sein, entlang oder auf der Innenfläche des ersten Wärmetauscherrohres 18, einer Außenfläche des Trennblechs 19 und/oder den Rippen 30, um den Wärmeübergang zwischen dem ersten Luftstrom 9 und dem zusammengeführten Abgasstrom 7 zu verbessern und/oder um Turbulenzen in dem zusammengeführten Abgasstrom 7 zu erzeugen.
Alternativ oder zusätzlich können eine oder mehrere Rippen 29 zwischen der Innenfläche des zweiten Wärmetauschrohres 17 und der Außenfläche des ersten Wärmetauschrohres 18 gestützt werden, um die Wärmeübertragung zwischen dem ersten Luftstrom 9 und dem zusammengeführten Abgasstrom 7 zu verbessern und/oder um Turbulenzen in dem ersten Luftstrom 9 zu erzeugen. In einigen Ausführungsformen können die Seiten der Rippen 29 befestigt sein (beispielsweise geschweißt, hartgelötet, gelötet, etc.) an der Innenfläche des zweiten Wärmetauscherrohres 17 und an der Außenfläche des ersten Wärmetauscherrohres 18. In anderen Ausführungsformen weisen weitere Rippen 29 andere Ausgestaltungen und Konfigurationen auf, die ebenfalls oder alternativ in der Wärmetauschregion 3 gestützt werden können. In einigen Ausführungsformen können die Rippen 29 zumindest teilweise einen spiralförmigen oder kreisförmigen Strömungspfad durch die Wärmetauschregion 3 definieren. Alternativ oder zusätzlich können Oberflächenbiegungen oder Vergrößerungen ausgebildet sein entlang oder auf der Innenfläche des zweiten Wärmetauscherrohres 17, der Außenfläche des ersten Wärmetauscherrohres 18 und/oder den Rippen 29, um die Wärmeübertragung zwischen dem ersten Luftstrom 9 und dem zusammengeführten Abgasstrom 7 zu verbessern und/oder um Turbulenzen in dem ersten Luftstrom 9 zu erzeugen.
In der in den 1 bis 6 gezeigten Ausführungsform erstrecken sich der erste Luftstrom 9 und der zusammengeführte Abgasstrom 7 durch die Wärmetauschregion 3 in entgegen gesetzten Richtungen, um einen Gegenstromwärmeaustausch bereitzustellen. In weiteren Ausführungsformen kann die Wärmetauschregion 3 andere Strömungsorientierungen aufweisen, wie beispielsweise eine Parallelströmung oder eine Querströmung.
Der zusammengeführte Abgasstrom 7 weist eine signifikant höhere Temperatur auf als der erste Luftstrom 9 und hat einen signifikant größeren Volumenstrom als der erste Luftstrom 9. Folglich kann es vorteilhaft sein, dass die Querschnittsfläche des Strömungspfades für den zusammengeführten Abgasstrom 7 durch den Wärmetauscher 1 (beispielsweise das kranzförmige Areal zwischen der Außenfläche des Trennblechs 19 und der Innenfläche des ersten Wärmetauscherrohres 18 in der in 3 dargestellten Ausführungsform) größer ist als die Querschnittsfläche des Strömungspfades für den Frischluftstrom 9 (beispielsweise das kranzförmige Areal zwischen der Außenfläche des ersten Wärmetauscherrohres 18 und der Innenfläche des zweiten Wärmetauscherrohres 17 in der in 3 dargestellten Ausführungsform), um den Druckabfall und/oder die Gesamtgröße des Wärmetauschers 1 zu minimieren.
In einigen Ausführungsformen können die Rippen 29, die entlang des Strömungspfades für den ersten Luftstrom 9 angeordnet sind, ein größeres Maß oder eine größere Anzahl von Oberflächenbiegungen oder -vergrößerungen aufweisen, als die Rippen 30, die entlang des Strömungspfades für den zusammengeführten Abgasstrom 7 angeordnet sind, was die Wärmespannungseffekte im Wärmetauscher 1 reduzieren kann. Ein Beispiel einer solchen Oberflächenbiegung oder -vergrößerung ist eine lanzierte und versetzte Rippenanordnung, wie die in 6 gezeigte Rippenanordnung 36. Solch eine Rippenanordnung hat den Effekt, dass die Temperatur des Teiles des Wärmetauschers 1, der den Abluftstrompfad für den zusammengeführten Abgasstrom 7 definiert (beispielsweise das Areal zwischen der Innenfläche des ersten Wärmetauschrohres 18 und der Außenfläche des Trennbleches 19 in der gezeigten Ausführungsform in 3 und 4) näher an der Temperatur des kühleren Gases im benachbarten Luftkanal (beispielsweise der Kanal, der zwischen der Innenfläche des zweiten Wärmetauschrohres 17 und der Außenfläche des ersten Wärmetauschrohres 18 in der gezeigten Ausführungsform von 3 und 4 ausgebildet ist) vorliegt, als zur Temperatur des zusammengeführten Abgasstroms 7, somit erhaltend eine höhere Materialfestigkeit des ersten Wärmetauschrohres 18. In der in den 2 bis 4 gezeigten Ausführungsform stellt die allgemein zylindrische Anordnung des Wärmetauschers 1 weiterhin ein größeres Maß an Beständigkeit gegen Wärmespannungseffekte aufgrund des erkennbaren Fehlen von Spannungserhöhern in einer röhrenförmigen Konstruktion im Vergleich zu Wärmetauschern mit einem Plattenblock oder anderen ähnlichen Konstruktionen bereit.
Wie in 3 und 4 gezeigt kann die Frischluftmischregion 4 benachbart zum Wärmetauscher 1 und stromabwärts von einem Auslass des Luftkanals des Wärmetauschers 1 angeordnet sein. Wie ebenfalls in den 3 und 4 gezeigt kann die Frischluftmischregion 4 integral ausgebildet sein mit dem und/oder befestigt an dem Gehäuse des Wärmetauschers 1, um einen relativ kompakten Aufbau bereitzustellen. Die Frischluftmischregion 4 kann eine Heißfrischlufteinlassöffnung 26 umfassen, um den erwärmten Luftstrom 10 von der Wärmetauschregion 3 aufzunehmen und eine Bypassfrischlufteinlassöffnung 27, um den zweiten Luftstrom 11 aufzunehmen. Die erwärmte Frischluft vom Luftkanal des Wärmetauschers 1 und die Bypassfrischluft können zusammengeführt werden und/oder vermischt werden in der Frischluftmischregion 4, bevor diese stromabwärts zur Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 100 geleitet wird.
Wie in den 3 und 4 gezeigt, kann der Wärmetauscher 1 einen Zylinderkopf 22, der abgedichtet verbunden ist mit dem Abgasauslassende des ersten Wärmetauschrohres 18 und eine kreisförmige Öffnung aufweist, deren Achse ausgerichtet ist mit der Achse des ersten Wärmetauschrohres 18, an das ein Abgasauslassrohr 24 gasdicht verbunden ist, durch welches der gekühlte Abgasstrom 8 den Wärmetauscher verlässt, umfassen. Der Wärmetauscher 1 kann ebenfalls oder alternativ ein konisches Reduzierungsstück 23, abgedichtet verbunden mit dem Frischlufteinlassende der äußeren Zylinderschale 17 und der Außenfläche des Abgasauslassrohres 24 und aufweisend eine kreisförmige Öffnung, die abgedichtet verbunden ist an einer Einlassöffnung 25, durch die der erste Luftpfad 9 in den Wärmetauscher 1 eintritt, umfassen. In anderen Ausführungsformen ist das Abgasaustrittsrohr 24 gestützt im konischen Reduzierungsstück 23, relativ zum konischen Reduzierungsstück 23 beweglich, um unterschiedliche thermische Relativ-Ausdehnungen des ersten und zweiten Wärmetauscherrohres 18, 17 aufzunehmen oder zumindest teilweise aufzunehmen, dadurch können thermisch induzierte mechanische Spannungen im Wärmetauscher 1 vermieden werden. In einigen dieser Ausführungsformen ist ein Gleitgelenk zwischen dem Abgasaustrittsrohr 24 und dem konischen Reduzierungsstück 23 bereitgestellt. Alternativ oder zusätzlich kann der Druck des ersten Luftstroms 9 über dem Druck des gekühlten Abgasstroms 8 gehalten werden, so dass jede auftretende Undichtigkeit am Gleitgelenk einen Lufteintritt in den gekühlten Abgasstrom 8 einschließt und so dass ein Ausströmen von gekühltem Abgas 8 in den ersten Luftstrom 9 verhindert wird.
Eine Frischlufteinlasskammer 37, geformt durch die Außenfläche des Zylinderkopfes 22, die Innenfläche des konischen Reduzierungsteils 23 und die Außenfläche des Abgasrohres 24 kann den ersten Luftstrom 9 von der Einlassöffnung 25 aufnehmen und kann den ersten Luftstrom 9 zum Luftströmungspfad der Wärmetauscherregion 3 leiten. In einigen Ausführungsformen kann der Wärmetauscher 1 auch eine oder mehrere Drosselkörper umfassen, wie der Drosselkörper 31, gezeigt in 3 und 4, der angeordnet ist am Ende der Luftkammer 37. Solche Drosselkörper 31 können eine einheitliche Verteilung des Luftstroms im Luftströmungspfad der Wärmetauschregion 3 schaffen. Alternativ oder zusätzlich können Drosselkörper 31 längs des Abgasströmungspfades oder stromaufwärts vom Abgasströmungspfad (beispielsweise in der Heißabgasmischregion 2) angeordnet werden, um eine einheitliche Verteilung des Abgasstroms im Abgasströmungspfad der Wärmetauschregion 3 schaffen.
Ein Wärmetauscher 1, wie oben beschrieben, verwendet als Luftvorwärmer in einer Festoxidbrennstoffzellenanlage 110 weist die Fähigkeit auf, Wärme von einem zusammengeführten Abgasstrom 7 zu einem ersten Luftstrom 9 mit einem hohen Wirkungsgrad für die Wärmeübertragung zu übertragen. Diese Fähigkeit erlaubt eine schnelle Abgabe von Wärme zum Brennstoffzellenstapel 100 der Anlage 110. Dadurch wird die schnelle Inbetriebnahme ermöglicht, die wie gesehen für solche Anlagen 110 erwünscht ist. Während eines solchen Inbetriebnahme-Modus und wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels unterhalb einer Betriebstemperatur vorliegt, wird die maximale Menge an Zusatzwärme zur Frischluft erreicht, wenn sie nicht von der Frischluftströmung 109 vorbeigeleitet wird um den Wärmetauscher 1. Während des normalen Betriebs und wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels die oder annähernd die Betriebstemperatur aufweist, könnte die Kathodenluftströmung 12, die zur Brennstoffzellenkathode abgegeben wird, eine zu hohe Temperatur aufweisen, falls der Wärmetauscher 1 auf diese Art und Weise betrieben wird. Durch Umleiten eines Teils der Frischluftströmung 109 um den Wärmetauscher 1 herum und durch Vermischen dieses mit dem nicht herumgeleiteten ersten Frischluftstrom 9 stromabwärts von der Wärmetauschregion 3 des Wärmetauschers 1 wird die Temperatur des Kathodenluftstroms 12, der an die Kathode abgegeben wird, gesenkt werden. Die Temperatur des Kathodenluftstroms 12, die abgegeben wird an die Brennstoffzellenkathode, kann geregelt werden durch Veränderung des Teils des Frischluftstroms 109, der um die Wärmetauschregion 3 herumgeleitet wird.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Festoxidbrennstoffzellenanlage (110) umfassend einen Brennstoffzellenstapel (100), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Zusammenführen eines Anoden-Abgasstromes (5) einer Anodenseite des Brennstoffzellenstapels (100) und eines Kathoden-Abgasstromes (6) einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels (100); Oxidieren des Anoden-Abgasstroms (112) der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels (100) vor dem Zusammenführen des Anoden-Abgasstroms (5) und des Kathoden-Abgasstroms (6); Übertragen von Wärme vom zusammengeführten Abgasstrom (7) zu einem ersten Luftstrom (9); und Zusammenführen eines zweiten Luftstroms (11) und des erwärmten ersten Luftstroms (10) stromaufwärts vom Brennstoffzellenstapel (100), um eine Temperatur des zusammengeführten Luftstroms (12), der an der Kathodenseite der Festoxidbrennstoffzellen eintritt, zu regeln.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Anoden- und Kathoden-Abgasströme (5, 6) in einer Mischkammer (2) eines Wärmetauschers (1) zusammengeführt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Übertragen der Wärme vom zusammengeführten Abgasstrom (7) zum ersten Luftstrom (9) ein Leiten des zusammengeführten Abgasstroms (7) und des ersten Luftstroms (9) durch einen Wärmetauscher (1) umfasst und weiterhin ein Leiten des Anoden-Abgasstroms (5) von der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels (100) in dem Wärmetauscher (1) durch einen ersten Einlass (15) des Wärmetauschers (1) hindurch und ein Leiten des Kathoden-Abgasstroms (6) der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels (100) in den Wärmetauscher (1) durch einen zweiten Einlass (14) des Wärmetauschers (1) hindurch umfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche weiterhin umfassend, ein Trennen des ersten und zweiten Luftstroms (9, 11) und ein Bypassen eines Wärmetauschers (3) mit dem zweiten Luftstrom (11), wobei die Wärme im Wärmetauscher (3) vom zusammengeführten Abgasstrom (7) zum ersten Luftstrom (9) übertragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, wobei das Übertragen der Wärme vom zusammengeführten Abgasstrom (7) zum ersten Luftstrom (9) ein Leiten von einem des zusammengeführten Abgasstroms (7) und des ersten Luftstroms (9) durch ein erstes Rohr (17) und ein Leiten des Anderen des zusammengeführten Abgasstroms (7) und des ersten Luftstroms (9) durch ein zweites Rohr (18), das im ersten Rohr (17) gehalten wird, umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, wobei das Übertragen der Wärme vom zusammengeführten Abgasstrom (7) zum ersten Luftstrom (9) ein Leiten des zusammengeführten Abgasstroms (7) und des ersten Luftstroms (9) in Gegenstromrichtung durch den Wärmetauscher (3) umfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Wärme vom zusammengeführten Abgasstrom (7) zum ersten Luftstrom (9) in einem Wärmetauscher (3) übertragen wird und wobei der zweite Luftstrom (11) zusammengeführt wird mit dem ersten Luftstrom (10) stromabwärts vom Wärmetauscher (3).
Ein Wärmetauscher (1) für eine Festoxidbrennstoffzellenanlage (110), wobei der Wärmetauscher (1) umfasst: einen ersten Einlass (15) zum Entgegennehmen eines oxidierten Abgasstroms (5) von einer Anodenseite des Brennstoffzellenstapels (100); einen zweiten Einlass (25) zum Entgegennehmen von Luft; einen dritten Einlass (14) zum Entgegennehmen eines Abgasstroms (6) von einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels (100); und ein erstes Rohr (18) gehalten in einem zweiten Rohr (17), wobei eines von dem ersten Rohr (18) oder dem zweiten Rohr (17) einen Strömungspfad für die Abgasströme (5, 6), die von der Kathoden- und Anodenseite des Brennstoffzellenstapels (100) strömen definiert; und wobei das Andere von dem ersten Rohr (18) oder dem zweiten Rohr (17) einen Strömungspfad zum Einbringen von Luft in den Brennstoffzellenstapel definiert, wobei der zweite Strömungspfad entgegen gesetzt zum ersten Strömungspfad ist.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 8, weiterhin umfassend eine Mischregion (2) zum Zusammenführen der Abgasströme (5, 6) der Kathoden- und Anodenseite des Brennstoffzellenstapels (100).
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 9, wobei die Mischregion (2) Umlenkbleche (32) umfasst.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei die Mischregion (2) eine Düse (16) umfasst, die zumindest zwei Einlässe zum Mischen der Abgasströme (5, 6) von der Kathoden- und Anodenseite des Brennstoffzellenstapels (100) umfasst, wobei der Abgasstrom (6) von der Kathode in die Düse durch einen der zwei Einlässe eingebracht wird und der Abgasstrom (5) von der Anodenseite in die Düse (16) durch einen anderen der zwei Einlässe eingebracht wird.
Wärmetauscher (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, weiterhin umfassend ein Rohr (13), sich erstreckend durch die Mischregion (2) und das den ersten Einlass (15) oder den dritten Einlass (14) definiert und umfassend sich nach außen erstreckende Vorkragungen (34) zum Mischen der Abgasströme (5, 6) der Kathoden- und Anodenseite des Brennstoffzellenstapels (100).
Wärmetauscher (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei das Eine des ersten Rohres (18) oder des zweiten Rohres (17) Oberflächenvergrößerungen zur Wärmeübertragung umfasst, die entlang des Strömungspfades der Abgasströme angeordnet sind.
Wärmetauscher (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei das Andere des ersten Rohres (18) oder des zweiten Rohres (17) Oberflächenvergrößerungen zur Wärmeübertragung umfasst, die entlang des Strömungspfades zur Luftbeschickung des Brennstoffzellenstapels (100) angeordnet sind.
Wärmetauscher (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei das Eine des ersten Rohres (18) oder des zweiten Rohres (17) Rippen (30) umfasst, die sich in den Strömungspfad des Abgasstromes hinein erstrecken.
Wärmetauscher (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei das Andere des ersten Rohres (18) oder des zweiten Rohres (17) Rippen (29) umfasst, die sich in den Strömungspfad für die Luftbeschickung des Brennstoffzellenstapels (100) hinein erstrecken.
Festoxidbrennstoffzellenanlage (110) umfassend: einen Brennstoffzellenstapel (100), aufweisend eine Anodenseite und eine Kathodenseite; einen Anodenendgasoxidierer (101) zum Oxidieren eines Abgasstroms (112) von der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels (100); einen Wärmetauscher (1), umfassend einen ersten Einlass (14) zum Entgegennehmen eines Abgasstroms (6) der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels (100) und einen zweiten Einlass (15) zum Entgegennehmen des oxidierten Abgasstroms (5) der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels (100); eine Mischkammer (2) zum Zusammenführen des Abgasstroms (5, 6) der Kathoden- und Anodenseite der Brennstoffzelle; und einen Strömungspfad (9) zur Luftbeschickung des Brennstoffzellenstapels (100) zur Unterstützung einer energieproduzierenden Reaktion im Brennstoffzellenstapel und sich ersteckend durch den Wärmetauscher (1), so dass Wärme vom zusammengeführten Abgasstrom (7) zur Luft, die sich entlang des Strömungspfads (9) bewegt, übertragen wird.
Festoxidbrennstoffzellenanlage (110) gemäß Anspruch 17, wobei der Wärmetauscher (1) ein erstes Rohr (18) umfasst, das gehalten wird in einem zweiten Rohr (17), wobei eines von dem ersten Rohr (18) oder dem zweiten Rohr (17) einen Strömungspfad für den zusammengeführten Abgasstrom (7) definiert und das Andere des ersten Rohres (18) oder des zweiten Rohres (17) entlang des Luftströmungspfades angeordnet ist.
Festoxidbrennstoffzellenanlage (110) gemäß Anspruch 18, wobei der zusammengeführte Abgasstrompfad (7) entgegen gesetzt zum Luftstrompfad (9) ist.
Festoxidbrennstoffzellenanlage (110) gemäß Anspruch 18 oder 19, wobei das Eine des ersten Rohres (18) oder des zweiten Rohres (17) Oberflächenvergrößerungen zur Wärmeübertragung umfasst, die entlang des Strömungspfades (7) für die Abgasströme angeordnet sind.
Festoxidbrennstoffzellenanlage (110) gemäß Anspruch 18 oder 19, wobei das Andere des ersten Rohres (18) oder des zweiten Rohres (17) Oberflächenvergrößerungen zur Wärmeübertragung umfasst, die entlang des Strömungspfades (9) für die Luftbeschickung des Brennstoffzellenstapels (100) angeordnet sind.
Festoxidbrennstoffzellenanlage (110) nach einem der Ansprüche 17 bis 21, wobei die Mischregion (2) Umlenkbleche (32) umfasst.
Festoxidbrennstoffzellenanlage (110) nach einem der Ansprüche 17 bis 22, wobei die Mischregion (2) eine Düse (16) zum Mischen der Abgasströme (5, 6) der Kathoden- und Anodenseite des Brennstoffzellenstapels (100) umfasst.
Festoxidbrennstoffzellenanlage (110) nach einem der Ansprüche 17 bis 23, weiterhin umfassend, ein Rohr (13), sich erstreckend durch die Mischregion (2) und welches den ersten Einlass (14) oder den zweiten Einlass (15) definiert und umfassend Fluidmischungsoberflächenvergrößerungen zum Mischen des Abgasstroms (5, 6) der Kathoden- und Anodenseite des Brennstoffzellenstapels (100).
Festoxidbrennstoffzellenanlage (110) nach einem der Ansprüche 17 bis 24, wobei die Mischkammer (2) im Inneren des Wärmetauschers (1) gehalten wird.
Festoxidbrennstoffzellenanlage (110) nach einem der Ansprüche 18 bis 25, wobei das Eine des ersten Rohres (18) oder des zweiten Rohres (17) eine Rippe (30) umfasst, die entlang des Strömungspfades der Abgasströme (7) angeordnet ist.
Festoxidbrennstoffzellenanlage (110) nach einem der Ansprüche 18 bis 25, wobei das Andere des ersten Rohres (18) oder des zweiten Rohres (17) eine Rippe (29) umfasst, die entlang des Strömungspfades für die Luftbeschickung (9) des Brennstoffzellenstapels (100) angeordnet ist.