DE102007042425A1

DE102007042425A1 - Einheit aus Brennstoffzelle und Nachbrenner mit Latentwärmespeicher und Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102007042425A1
Application number: DE102007042425A
Authority: DE
Inventors: Lutz Dr. Hartmann; Alexander Neumann; Gustavo Rizo Patron; Carsten Dr. Schwarz
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2007-09-06
Filing date: 2007-09-06
Publication date: 2009-03-12
Anticipated expiration: 2027-09-07
Also published as: DE102007042425B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einheit aus einer Brennstoffzelle, einem Nachbrenner für das Brennstoffzellen-Restgas sowie einem Latentwärmespeicher zur Speicherung und einem Wärmetauscher zur Nutzung zumindest eines Teils der im Nachbrenner erzeugten Abwärme, wobei der Latentwärmespeicher in oder innerhalb an einer diese Einheit umhüllenden Wärmeisolationsschicht vorgesehen und ausgelegt ist, bei sich aufgrund nicht betriebener Brennstoffzelle abkühlender Wärmeisolationsschicht durch Phasenwechsel Wärme an die Isolationsschicht abzugeben. Vorzugsweise ist dem Latentwärmespeicher ein eigener Zusatz-Brenner für einen Teil des Brennstoffzellen-Restgases zugeordnet, der als katalytischer Brenner ausgeführt und im Latentwärmespeicher integriert sein kann. Vorzugsweise sind der Zusatzbrenner und der Nachbrenner derart ausgelegt oder werden durch Aufteilung des Brennstoffzellen-Restgases über eine Ventilvorrichtung derart betrieben, dass der der Brennstoffzelle zugeführte Frischluftstrom zur Vorwärmung vollständig durch den die Abwärme des Nachbrenners nutzenden Wärmetauscher hindurchführbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einheit aus einer Brennstoffzelle, einem Nachbrenner für das Brennstoffzellen-Restgas sowie einem Latentwärmespeicher zur Speicherung und einem Wärmetauscher zur Nutzung zumindest eines Teils der im Nachbrenner erzeugten Abwärme. Zum bekannten Stand der Technik wird neben der DE 199 45 713 A1 auf die DE 102 54 842 A1 verwiesen.
Eine derartige Einheit, die weiterhin einen Reformer zur Erzeugung eines in der Brennstoffzelle (bzw. in einem Brennstoffzellen-Stack = Stapel von Einzel-Brennstoffzellen) zu verbrennenden Synthesegases aufweisen kann, kann beispielsweise als sog. Brennstoffzellen-APU (APU = auxiliary power unit = Hilfsenergieerzeugungseinheit) zum Einsatz kommen, in der jedenfalls dann, wenn eine Festoxid-Brennstoffzelle (= SOFC) enthalten ist, mit hohen Betriebstemperaturen in der Größenordnung von 750°C bis 950°C gearbeitet wird. Während des Stillstands einer solchen APU sollte ein starkes Abkühlen sowohl im Hinblick auf die Materialbelastung als auch hinsichtlich des Energieaufwandes zum neuerlichen Erreichen der Betriebstemperatur vermieden werden.
Grundsätzlich bekannt ist es daher, die einzelnen Komponenten der Einheit, nämlich einen ggf. vorhandenen Reformer, den sog. Brennstoffzellen-Stack, den Brenner und den genannten Wärmetauscher einzelnen oder im Ganzen zu isolieren, d. h mit einer Wärmeisolationsschicht zu umhüllen. Als Isolationsmaterial kommen üblicherweise mikroporöse Materialien mit geringem Wärmeleitungskoeffizienten zum Einsatz. Die Dicke der Isolierung wird den Anforderungen entsprechend ausgelegt.
In vielen Betriebszuständen einer solche Einheit wird unverbrauchtes Anodenabgas der Brennstoffzelle, welches hier allgemein als Brennstoffzellen-Restgas bezeichnet wird, in einem sog. Nachbrenner nach verbrannt, d. h. nachoxidiert, ehe es als Abgas in die Umgebung abgeführt werden kann. Die dabei freigesetzte Wärme wird in einem Wärmetauscher an den der Brennstoffzelle zugeführten Frischluftstrom abgegeben.
Aus der eingangs zweitgenannten DE 102 54 842 A1 , die zur Bildung des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 herangezogen wurde, ist es weiterhin bekannt, in einer solchen Einheit einen Wärmespeicher, insbesondere in Form eines Latentwärmespeichers, vorzusehen, in welchem bspw. in einem Brenner erzeugte Wärme für ein Aufwärmen einer der Komponenten der Einheit im Anschluss an eine Stillstandsphase der Einheit gespeichert werden kann.
Weiteren bekannten Stand der Technik bildet die eingangs erstgenannte DE 199 45 713 A1 , in der eine Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle beschrieben und unter anderem vorgeschlagen ist, zur Erhaltung der Betriebstemperatur und zur Verbesserung des Anfahrverhaltens eine Isolation vorzusehen, wobei ein Latentwärmespeichermaterial in einem doppelwandigen Gehäuse des Brennstoffzellen-Stacks untergebracht sein kann.
Zurückkommend auf den nächstkommenden Stand der Technik ist festzustellen, dass aufgrund der großen Temperaturdifferenzen zwischen der mit einer Isolationsschicht umhüllten Einheit und der Umgebung die Temperatur innerhalb dieser Einheit bei Verwendung des herkömmlichen Isolierungskonzeptes und unter Berücksichtigung realisierbarer Isolierungsstärken nach einem Stillsetzen der Einheit schneller absinkt als dies erwünscht ist. Größere Isolierungsstärken können aufgrund des zur Verfügung stehenden Bauraumes zumeist nicht realisiert werden, während die Mehrkosten für Isolationsmaterialien mit geringerem Wärmeleitungskoeffizienten nicht durch die mögliche Verbesserung hinsichtlich der Abkühlzeit gerechtfertigt werden können.
Ein verbessertes Isolierungskonzept für eine Einheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen, ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung. Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass der Latentwärmespeicher in oder innerhalb an einer diese Einheit umhüllenden Wärmeisolationsschicht vorgesehen und ausgelegt ist, bei sich aufgrund nicht betriebener Brennstoffzelle abkühlender Wärme-Isolationsschicht durch Phasenwechsel Wärme an die Isolationsschicht abzugeben. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
Vorgeschlagen ist somit, dass ein Latentwärmespeicher bei Betrieb der Einheit einen Teil der bei der Nachverbrennung des Brennstoffzellen-Restgases erzeugten Abwärme durch Phasenumwandlung speichert. Nach Stillsetzen der Einheit beginnt der Abkühlungsprozess auch in und an der Wärmeisolationsschicht dieser Einheit, woraufhin der neuerliche Phasenwechsel in Gang kommen soll, bei welchem Wärme an die Wärme-Isolationsschicht abgegeben wird. Hierdurch wird dieser Abkühlungsprozess signifikant verlangsamt und somit die Zeitdauer, während derer die Einheit und insbesondere die Brennstoffzelle, aber auch ein ggf. vorhandener Reformer derselben auch bei Stillstand noch auf einer Temperatur nahe ihrer bzw. seiner Betriebstemperatur gehalten wird, erheblich verlängert.
Um den Latentwärmespeicher aufzuladen, werden durch diesen die heißen aus der Nachverbrennung des Brennstoffzellen-Restgases stammenden Abgase hindurchgeführt. Dabei ist es möglich, den Abgasstrom eines einzigen Nachbrenners aufzuteilen auf den besagten Latentwärmespeicher einerseits sowie auf einen bzw. den eingangs bereits genannten Wärmetauscher zur Vorwärmung des der Brennstoffzelle zugeführten Frischluftstromes andererseits. Alternativ kann dem Latentwärmespeicher ein eigener Zusatz-Brenner für einen Teil des Brennstoffzellen-Restgases zugeordnet sein, welches vor Einleitung in den anderen Nachbrenner abgezweigt und dem Zusatz-Brenner zugeführt wird. Stets wird dabei durch die Brenner-Abgase ein Phasenwechsel des Latentwärmespeicher-Materials hervorgerufen und damit die Abgasenthalpie als latente Wärme gespeichert.
Im bekannten Stand der Technik besteht beim Nach-Verbrennen des Brennstoffzellen-Restgases, bei dem es sich bei Vorhandensein eines Reformers um unverbrauchtes Synthesegas desselben handelt, die Notwendigkeit, die Temperatur des Nachbrenners bzw. die Temperatur des der Brennstoffzelle zugeführten Frischluftstroms zu regeln. Dies erfolgt beispielsweise mit Hilfe eines Bypass für diesen Frischluftstrom am besagten Wärmetauscher, in welchem dieser mit der Abwärme des Nachbrenner-Abgasstromes vorgewärmt wird, vorbei; bedingt jedoch einen hohen konstruktiven Aufwand und ggf. eine zusätzliche Lufteinkopplung mit erhöhtem Druckverlust im Gesamtsystem zur Zwangskühlung des Nachbrenners. Dieser Aufwand kann vorteilhafterweise vermieden werden, wenn der Zusatzbrenner und der Nachbrenner derart ausgelegt sind oder durch gesteuerte bzw. geregelte Aufteilung des Brennstoffzellen-Restgases über eine Ventilvorrichtung derart betrieben werden, dass der der Brennstoffzelle zugeführte Frischluftstrom zur Vorwärmung vollständig durch den die Abwärme des Nachbrenners nutzenden Wärmetauscher hindurchführbar ist und dabei auf ein geeignetes Temperaturniveau erwärmt wird. Im Sinne einer vorteilhaften Weiterbildung kann der genannte Zusatzbrenner als katalytischer Brenner ausgeführt und im Latentwärmespeicher integriert sein.
Die beiden beigefügten Prinzipskizzen zeigen ein Ausführungsbeispiel und dienen der näheren Erläuterung der Erfindung. Dabei ist in 1 ein Schemabild und in 2 ein stark abstrahierter Schnitt durch eine erfindungsgemäße Einheit dargestellt.
Mit der Bezugsziffer 1 ist eine sog. „Hotbox" gekennzeichnet, die (vgl. 1) die innerhalb einer in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 3 gekennzeichneten Wärme-Isolationsschicht angeordneten Komponenten einer Einheit, bestehend aus einem Reformer 11, einem Brennstoffzellen-Stack 12 (auch Brennstoffzelle 12 genannt), einem Nachbrenner 13, einem Wärmetauscher 14, einem Zusatz-Brenner 15 sowie einem Latentwärmespeicher 16 sowie diese Bauelemente geeignet fluidisch verbindenden Rohrleitungen 2x, enthält.
Diese genannten Komponenten wurden – soweit erforderlich – in der Beschreibungseinleitung (unter Verwendung der gleichen Bezeichnungen) bereits erläutert. Dabei wird wie üblich dem Reformer 11 über eine Leitung 20 zumindest ein Kraftstoffstrom zugeführt, der im Reformer 11 zu einem Sysnthesegas umgewandelt wird, das über eine Leitung 21 der Brennstoffzelle 12 zur Verbrennung zugeführt wird. Hierfür erhält die Brennstoffzelle 12 über eine Leitung 22 ferner einen aus der Umgebung abgezogenen Frischluftstrom, der zur Vorwärmung durch den Wärmetauscher 14 geführt wird. Nicht vollständig in der Brennstoffzelle 12 verbranntes Synthesegas wird als sog. Brennstoffzellen-Restgas über eine Leitung 23 und ein Rest-Luftstrom aus der Brennstoffzelle 12 wird über eine Leitung 24 teilweise dem Nachbrenner 13 und über von diesen genannten Leitungen 23, 24 abzweigenden Zweig-Leitungen 23a, 24a teilweise dem Zusatz-Brenner 15 zugeführt. Während das Abgas des Nachbrenners 13 über eine Leitung 25 dem Wärmetauscher 14 zugeführt und durch diesen hindurch in die Umgebung abgeführt wird, gelangt das Abgas des Zusatz-Brenners 15 über eine Leitung 26 zum Latentwärmespeicher 16 und durch diesen hindurch schließlich in die Umgebung.
Wie 2 zeigt, ist diese sog. „Hotbox" 1 von einer Wärme-Isolationsschicht 3 umhüllt. Diese bestehet aus einer inneren Isolationsschicht 31, die die Hotbox 1 direkt umgibt und an die sich nach außen hin eine den Latentwärmespeicher 16 bildende bzw. enthaltende sog. Wärmespeicherschicht 32 anschließt, die (bzw. der) ihrerseits (bzw. seinerseits) nach außen hin von einer äußeren Isolationsschicht 33 umhüllt ist. Durch den Latentwärmespeicher 16 bzw. durch die entsprechende Wärmespeicherschicht 32 hindurch ist bzw. sind die bereits genannte(n) Leitung(en) 26 geführt, die das Abgas des Zusatz-Brenners 15 (vorzugsweise auf mehrere Leitungen 26 aufgeteilt) abführen, so dass dessen Abwärme wie vor der Figurenbeschreibung geschildert in der Wärmespeicherschicht als latente Wärme gespeichert werden kann, wobei noch darauf hingewiesen sei, dass durchaus eine Vielzahl von Details abweichend von obigen Erläuterungen gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19945713 A1 [0001, 0006]
- DE 10254842 A1 [0001, 0005]

Claims

Einheit aus einer Brennstoffzelle (12), einem Nachbrenner (13) für das Brennstoffzellen-Restgas sowie einem Latentwärmespeicher (16) zur Speicherung und einem Wärmetauscher (14) zur Nutzung zumindest eines Teils der im Nachbrenner (13, 15) erzeugten Abwärme, dadurch gekennzeichnet, dass der Latentwärmespeicher (16) in oder innerhalb an einer diese Einheit umhüllenden Wärme-Isolationsschicht (3, 32) vorgesehen und ausgelegt ist, bei sich aufgrund nicht betriebener Brennstoffzelle (12) abkühlender Wärmeisolationsschicht (3) durch Phasenwechsel Wärme an die Isolationsschicht (3) abzugeben.
Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Latentwärmespeicher (16) ein eigener Zusatz-Brenner (15) für einen Teil des Brennstoffzellen-Restgases zugeordnet ist.
Einheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzbrenner (15) als katalytischer Brenner ausgeführt und im Latentwärmespeicher (16) integriert ist.
Einheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzbrenner (15) und der Nachbrenner (13) derart ausgelegt sind oder durch Aufteilung des Brennstoffzellen-Restgases über eine Ventilvorrichtung derart betrieben werden, dass der der Brennstoffzelle (12) zugeführte Frischluftstrom zur Vorwärmung vollständig durch den die Abwärme des Nachbrenners (13) nutzenden Wärmetauscher (14) hindurchführbar ist.