DE102007039593A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Betrieb einer Hochtemperaturbrennstoffzelle - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Betrieb einer Hochtemperaturbrennstoffzelle Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb einer Hochtemperaturbrennstoffzelle (1) mit flüssigem Brennstoff (B), vorzugsweise Diesel, wobei der Hochtemperaturbrennstoffzelle (1) anodenseitig ein Reformer (2) für den flüssigen Brennstoff (B) vorgeschaltet ist. Erfindungsgemäß ist eine Rezirkulationsleitung (3) für das heiße Anodenabgas vorgesehen, die ausgehend von der Auslassseite der Anode (A) der Hochtemperaturbrennstoffzelle (1) zur Einlassseite des Reformers (2) führt, wobei stromaufwärts eines dem Reformer (2) vorgeschalteten Verdichters (4) ein Injektor (5) zum Einsprühen oder Einspritzen des flüssigen Brennstoffs (B) in das heiße Anodenabgas angeordnet ist. Die dadurch erzielbare Abkühlung des Anodenabgases erlaubt den Einsatz herkömmlicher Verdränger- oder Rotationspumpen im Anodenkreislauf.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb einer Hochtemperaturbrennstoffzelle, welche mit flüssigem Brennstoff, vorzugsweise Diesel, betrieben wird und anodenseitig einen Reformer für den flüssigen Brennstoff vorgeschaltet hat.
  • Hochtemperaturbrennstoffzellen, welche mit flüssigen Brennstoffen betrieben werden, benötigten eine Verdampfungs- und eine Reformierungseinheit um den flüssigen Brennstoff in ein für die Brennstoffzelle taugliches Gasgemisch umzuwandeln.
  • Aus der WO 2005/005027 A1 ist beispielsweise eine einer Brennkraftmaschine zugeordnete Hochtemperaturbrennstoffzelle, beispielsweise eine Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) oder eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) bekannt, welche mit dem flüssigen Brennstoff der Brennkraftmaschine betrieben wird. Gemäß einer in 3 dargestellten Ausführungsvariante ist der Hochtemperaturbrennstoffzelle ein Reformer und gegebenenfalls eine Entschwefelungseinrichtung vorgeschaltet. Das Anodenabgas wird für die Abgasnachbehandlung der Brennkraftmaschine eingesetzt und über entsprechende Dosierventile, welche vom elektronischen Motormanagement gesteuert werden, einem Hoch-, sowie einem Niedertemperaturkatalysator zugeführt. Es ist auch möglich, einen Teilstrom des Reformats aus dem Reformer vor der Brennstoffzelle abzuzweigen und über ein Mischventil dem Anodenabgas zuzumischen, so dass für die Abgasnachbehandlung der Brennkraftmaschine eine optimale Zusammensetzung des Reduktionsmittels (für Stickoxide) erzielt werden kann.
  • Weiters zeigt die US 5,208,114 A eine Vorrichtung zur Energieerzeugung, bei welcher eine Hochtemperaturbrennstoffzelle (MCFC) eingesetzt wird. Der Anode der Brennstoffzelle ist ein Reformer vorgeschaltet, in welchem der Brennstoff (Erdgas) für die Brennstoffzelle aufbereitet wird. Vom Ausgang der Anode der Brennstoffzelle zweigt in einer Variante gemäß 8 oder 9 eine Rezirkulationsleitung ab und mündet nach einem Gebläse und einer Heizeinrichtung in die Zufuhrleitung zum Reformer, um die Temperatur im Reformer einzustellen. Probleme, die bei der Verwendung von flüssigen Brennstoffen auftreten, werden in diesem Dokument nicht abgehandelt.
  • Aus der DE 103 15 697 A1 ist ein Gaserzeugungssystem mit einem Reformer zum Erzeugen eines wasserstoffreichen Gasstroms zum Betreiben einer PEM-Brennstoffzelle bekannt, wobei als Brennstoff z.B. Benzin oder Diesel eingesetzt wird. Gemäß einer Ausführungsvariante wird zumindest ein Teil des Anodenabgases in den Anodenkreislauf rückgeführt. Dafür ist eine Rezirkulationsleitung für das Anodenabgas vorgesehen, die ausgehend von der Auslassseite der Anode der PEM-Brennstoffzelle zu einer Gasstrahlpumpe oder Jet-Pumpe an der Einlassseite des Reformers führt.
  • Problemstellung:
    • • Stark fluktuierender Reformatgasbedarf bei Laständerungen der Brennstoffzelle oder der Abgasnachbehandlung führt zu schwankenden Druckverhältnissen in der Brennstoffzelle und zu hohen Anforderungen an die Reformerregelung (Luft/Kraftstoff Verhältnis).
    • • Der Wirkungsgrad der reinen partiellen Oxidation im Reformer (d.h. ohne Wasserzufuhr) ist niedrig. An Bord eines Fahrzeugs ist kein flüssiges Wasser für die effizientere autothermale Reformierung mit Wasser, Kraftstoff und Luft verfügbar.
    • • Die Verdampfung von flüssigen Brennstoffen, z.B. Dieselkraftstoff, lässt sich sehr vorteilhaft über Einsprühung in einen Trägergasstrom bewerkstelligen. Als Trägergas kommt beispielsweise die Luft in Frage, die zur Reformierung benötigt wird. Da das Verhältnis von Kraftstoff zu Luftmenge durch den Reformierungsprozess bestimmt wird, muss der Kraftstoff in diesem verhältnismäßig kleinen Luftstrom verdampft werden. Dies ist nur durch aufwendige und komplexe Verfahrenstechnik realisierbar.
    • • Eine vollständige Verdampfung und gute Durchmischung von verdampftem Kraftstoff und Trägergas ist wichtig für einen optimalen Reformierungsprozess.
  • Bei einem Anodenkreislauf gemäß oben genannter US 5,208,114 A oder auch DE 103 15 697 A1 ergeben sich für Hochtemperaturbrennstoffzellen folgende Nachteile:
    • • Herkömmliche Pumpen können nicht verwendet werden, um heiße Gasströme im Kreis zu pumpen.
    • • Eine Jet-Pumpe (Strahlpumpe, Injektor) als Antrieb für den Anodenkreis erfordert sehr niedrige Druckverluste im Anodenkreis und hat eine unzureichende Lastdynamik.
  • Aufgabe der Erfindung ist es eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zum Betrieb einer Hochtemperaturbrennstoffzelle, welche mit flüssigem Brennstoff, vorzugsweise Diesel, betrieben wird, derart zu verbessern, dass herkömmliche Fördermittel für die zu bewältigenden Gasströme verwendbar sind, wobei das System rasch auf Laständerungen sowie Schwankungen beim Reformatbedarf reagieren soll.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest ein Teil des heißen Anodenabgases in den Anodenkreislauf rückgeführt wird, dass der flüssige Brennstoff stromaufwärts eines dem Reformer vorgeschalteten Verdichters in das heiße Anodenabgas eingesprüht oder eingespritzt wird, so dass der Brennstoff vollständig verdampft wird und das Gemisch aus Anodenabgas und Brennstoff vor dem Eintritt in den Verdichter abgekühlt wird.
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass eine Rezirkulationsleitung für das heiße Anodenabgas vorgesehen ist, die ausgehend von der Auslassseite der Anode der Hochtemperaturbrennstoffzelle zur Einlassseite des Reformers führt, wobei stromaufwärts eines dem Reformer vorgeschalteten Verdichters ein Injektor zum Einsprühen oder Einspritzen des flüssigen Brennstoffs in das heiße Anodenabgas angeordnet ist.
  • Für die Anodengasrückführung kann in vorteilhafter Weise eine herkömmliche Verdränger- oder Rotationspumpe eingesetzt werden. Die dafür notwendige Temperaturabsenkung des zu pumpenden Gasgemisches erfolgt durch Einsprühung und Verdampfung des Kraftstoffs in das heiße Anodenabgas der Hochtemperaturbrennstoffzelle, beispielsweise einer Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) oder einer Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC).
  • Hierdurch wird die Temperatur des umgewälzten Gasstroms von etwa 650°C auf ca. 400°C abgekühlt. Zusätzlich kann die für die Reformierung des flüssigen Brennstoffs benötigte Luftmenge dem Gemisch aus Anodenabgas und Brennstoff vor der Verdichtung zugesetzt werden, um eine weitere Temperatur-Absenkung zu erzielen.
  • Alternativ zur direkten Kühlung durch Luftzugabe kann das Gemisch aus Anodenabgas und Brennstoff vor dem Eintritt in den Verdichter, vorzugsweise mit Hilfe der für die Reformierung des flüssigen Brennstoffs benötigten Luftmenge, in einem Wärmetauscher abgekühlt werden. Damit wird ggf. ein großes Gasvolumen an zündfähigem Gemisch vor der Umsetzung im Reformer vermieden.
  • Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung kann das vom Reformer zur Verfügung gestellte Reformatgas zusätzlich für die Abgasnachbehandlung einer herkömmlichen Brennkraftmaschine eingesetzt werden. Das Reformatgas kann dafür im Überschuss durch die Brennstoffzelle geführt und stromabwärts der Abgasnachbehandlung zugegeben werden.
  • Die Erfindung wird im Folgenden an Hand von schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine erste Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betrieb einer Hochtemperaturbrennstoffzelle mit flüssigem Brennstoff;
  • 2 und 3 eine zweite und eine dritte Ausführungsvariante der Erfindung;
  • 4 ein Regelkonzept der Ausführungsvariante gemäß 1; sowie die
  • 5 und 6 eine vierte und fünfte Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • Die in 1 schematisch dargestellte Vorrichtung zum Betrieb einer Hochtemperaturbrennstoffzelle 1 mit flüssigem Brennstoff B, weist eingangsseitig der Anode A (von der Hochtemperaturbrennstoffzelle 1 bzw. dem Brennstoffzellenstapel ist in der vereinfachten Darstellung nur die Anode A dargestellt) einen Reformer 2 für den flüssigen Brennstoff (flüssiger Kohlenwasserstoff, beispielsweise Diesel) auf. Weiters ist eine Rezirkulationsleitung 3 für das heiße Anodenabgas vorgesehen, die ausgehend von der Auslassseite der Anode A der Hochtemperaturbrennstoffzelle 1 zur Einlassseite des Reformers 2 führt. Stromaufwärts eines dem Reformer 2 vorgeschalteten Verdichters 4 ist ein Injektor 5 zum Einsprühen oder Einspritzen des flüssigen Brennstoffs B in das heiße Anodenabgas angeordnet. Weiters weist der Reformer 2 einen Einlass für die zur Reformierung des Brennstoffs benötigte Luftmenge L auf.
  • In der Ausführungsvariante gemäß 2 wird die für die Reformierung des flüssigen Brennstoffs benötigte Luftmenge L dem Gemisch aus Anodenabgas und Brennstoff stromaufwärts des Verdichters 2 zugesetzt.
  • In der Ausführungsvariante gemäß 3 wird im Unterschied zur Variante gemäß 2 die zur Reformierung benötigte Luft L über einen Wärmetauscher 6 geführt, welcher das Gemisch aus Anodenabgas und Brennstoff kühlt ohne das Gasvolumen zu erhöhen.
  • Durch frühzeitige Einsprühung und Durchlaufen des Verdichters 4 ist eine sehr gute Mischung garantiert. Wegen der hohen Trägergastemperatur und des passend geregelten Gasmengenstroms im Kreislauf ist die Verdampfung des flüssigen Brennstoffs B vollständig.
  • Das Regelkonzept gemäß 4 sieht vor:
    • • dass die eingesprühte oder eingespritzte Menge an flüssigem Brennstoff B durch die Leistungsanforderung der Hochtemperaturbrennstoffzelle 1 und ggf. den Bedarf an Reformatgas für eine nachgeschaltete Abgasnachbehandlung 7 (einer Brennkraftmaschine) geregelt wird (siehe Regelkreise 8, 8' und Regelventil 9);
    • • dass die Austrittstemperatur des Reformerproduktgases aus dem Reformer 2 mit Hilfe der dem Reformer 2 zugeführten Luftmenge L geregelt wird (siehe Regelkreis 10 und Regelventil 11); sowie
    • • dass die Eintrittstemperatur in den Verdichter 4 mit Hilfe der regelbaren Drehzahl einer Verdränger- oder Rotationspumpe in einem Bereich von ca. 150°C bis 300°C eingestellt wird (siehe Regelkreis 12).
  • Durch eine sprunghafte Änderung der Leistung der Hochtemperaturbrennstoffzelle 1 bzw. des Reformatbedarfs in der Abgasnachbehandlung 7 ergeben sich hohe dynamische Anforderungen an den Anodenkreis. Eine wesentliche Verbesserung kann man durch Hinzufügen eines Zwischenspeichers 13 für das Reformat erreichen (siehe 5), welcher zwischen dem Ausgang des Reformers 2 und dem Eingang der Anode A der Hochtemperaturbrennstoffzelle 1 angeordnet ist. Dieser Speicher kann kurzzeitig den höheren Bedarf für die Brennstoffzelle und/oder für die Abgasnachbehandlung abdecken. Während diesen wenigen Sekunden können die Förderaggregate des Reformers (Kraftstoffpumpe, Luftverdichter) an den neuen Betriebspunkt herangeführt werden und den Bedarf an Reformatgas erfüllen. Das System kann somit hochdynamisch auf elektrische Laständerungen und Änderungen des Reformatbedarfs im Abgasnachbehandlungssystem reagieren.
  • Müssen sehr hohe Massenströme über die Rezirkulationsleitung 3 des Anodenkreises gepumpt werden, reicht die Kühlung durch Kraftstoffverdampfung und Luftverdünnung nicht mehr aus, um eine herkömmliche Verdränger- oder Rotationspumpe als Verdichter 4 verwenden zu können. In diesem Fall muss eine zusätzliche, externe Kühlung (beispielsweise ein Wärmetauscher 6' mit einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmedium K) vorgesehen werden (6). Nun kön nen beliebig große Massenströme im Kreis gepumpt werden ohne zusätzlichen Kraftstoff oder Luft zuzugeben. Dies stellt eine sehr effektive Möglichkeit dar, die Anode A vor eindringendem Sauerstoff (Nickeloxidation) zu schützen und um eine rasche Lastannahme der Brennstoffzelle zu gewährleisten. Durch Zudosieren von geringen Luftmengen kann ein Auskühlen der Anode A vermieden werden da der Sauerstoff im Reformer 2 sofort oxidiert wird (exotherme Reaktion). Soll dieser Zustand längere Zeit aufrechterhalten werden, müssen auch geringe Mengen an Kraftstoff zugegeben werden, um eine reduzierende Umgebung im Anodenkreis aufrechterhalten zu können.
  • Durch den Anodenkreislauf kann dem Reformerproduktgas permanent Wasser zugeführt werden. Dadurch erhöht sich jeweils das H/C und O/C Verhältnis was wiederum die für die Lebensdauer problematische Rußbildung wirksam unterdrückt.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Betrieb einer Hochtemperaturbrennstoffzelle, welche mit flüssigem Brennstoff, vorzugsweise Diesel, betrieben wird und anodenseitig einen Reformer für den flüssigen Brennstoff vorgeschaltet hat, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des heißen Anodenabgases in den Anodenkreislauf rückgeführt wird, dass der flüssige Brennstoff stromaufwärts eines dem Reformer vorgeschalteten Verdichters in das heiße Anodenabgas eingesprüht oder eingespritzt wird, so dass der Brennstoff voll-ständig verdampft wird und das Gemisch aus Anodenabgas und Brennstoff vor dem Eintritt in den Verdichter abgekühlt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Reformierung des flüssigen Brennstoffs benötigte Luftmenge dem Gemisch aus Anodenabgas und Brennstoff vor der Verdichtung zugesetzt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch aus Anodenabgas und Brennstoff vor dem Eintritt in den Verdichter vorzugsweise mit Hilfe der für die Reformierung des flüssigen Brennstoffs benötigten Luftmenge in einem Wärmetauscher abgekühlt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesprühte oder eingespritzte Menge an flüssigem Brennstoff durch die Leistungsanforderung der Hochtemperaturbrennstoffzelle und ggf. den Bedarf an Reformat für eine nachgeschaltete Abgasnachbehandlung geregelt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittstemperatur des Reformats aus dem Reformer mit Hilfe der dem Reformer zugeführten Luftmenge geregelt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittstemperatur in den Verdichter mit Hilfe der regelbaren Drehzahl einer Verdränger- oder Rotationspumpe in einem Bereich von ca. 150°C bis 300°C eingestellt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Reformer zur Verfügung gestellte Reformatgas zusätzlich für die Abgasnachbehandlung einer herkömmlichen Brennkraftmaschine eingesetzt wird.
  8. Vorrichtung zum Betrieb einer Hochtemperaturbrennstoffzelle (1) mit flüssigem Brennstoff (B), vorzugsweise Diesel, wobei der Hochtemperaturbrennstoffzelle (1) anodenseitig ein Reformer (2) für den flüssigen Brennstoff (B) vorgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rezirkulationsleitung (3) für das heiße Anodenabgas vorgesehen ist, die ausgehend von der Auslassseite der Anode (A) der Hochtemperaturbrennstoffzelle (1) zur Einlassseite des Reformers (2) führt, wobei stromaufwärts eines dem Reformer (2) vorgeschalteten Verdichters (4) ein Injektor (5) zum Einsprühen oder Einspritzen des flüssigen Brennstoffs (B) in das heiße Anodenabgas angeordnet ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Verdichter (4) eine herkömmliche Verdränger- oder Rotationspumpe eingesetzt ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ausgang des Reformers (2) und dem Eingang der Anode (A) der Hochtemperaturbrennstoffzelle (1) ein Zwischenspeicher (13) für das Reformat angeordnet ist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochtemperaturbrennstoffzelle (1) eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) oder eine Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) ist.
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