DE102008034420A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer elektrochemischen Stromquelle - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer elektrochemischen Stromquelle Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Betreiben einer elektrochemischen Stromquelle (FC), der kathodenseitig ein Sauerstoff enthaltendes Gas (Kathodengas ) (6) als Oxidationsmittel zugeführt wird. Zur Bildung des Kathodengases (6) wird ein sauerstoffreiches Restgas (3) verwendet, das in einem zur Gewinnung eines Stickstoff- und/oder eines Edelgasproduktes (4) eingesetzten kryogenen Luftzerleger (L) anfällt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrochemischen Stromquelle, der kathodenseitig ein Sauerstoff enthaltendes Gas (Kathodengas) als Oxidationsmittel zugeführt wird.
  • Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Als elektrochemische Stromquellen werden Vorrichtungen bezeichnet, die eine Anode und eine durch einen Elektrolyten von dieser getrennt angeordnete Kathode aufweisen, und mit deren Hilfe die Umwandlung von elektrischer in chemische und/oder chemischer in elektrische Energie möglich ist. Zu den elektrochemischen Stromquellen rechnet man Brennstoff-, Primär- und Sekundärzellen, wobei Brennstoff- und Primärzellen allein zur Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt werden, während Sekundärzellen zur Speicherung von Elektroenergie dienen. Brennstoffzellen zeichnen sich dadurch aus, dass den beiden Elektroden kontinuierlich chemische Reaktionskomponenten zugeführt werden. Primär- und Sekundärzellen hingegen enthalten zumindest eine der Reaktionskomponenten in begrenzter Menge, während die zweite Reaktionskomponente evtl. als Kathodengas kontinuierlich zugeführt werden kann. Beispiele für Brennstoffzellen sind die oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC, von engl. Solid Oxide Fuel Cell), die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC, von engl. Molten Carbonate Fuel Cell), die phosphorsaure Brennstoffzelle (PAFC, von engl. Phosphoric Acid Fuel Cell), die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEFC, von engl. Polymer Electrolyte Fuel Cell), die alkalische Brennstoffzelle (AFC, von engl. Alkaline Fuel Cell), die Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC, von engl. Direct Methanol Fuel Cell). Beispiele für Primärzellen mit kontinuierlich zuführbarem Kathodengas sind Metall-Luft-Batterien.
  • Elektrochemische Stromquellen bieten die Möglichkeit, elektrische Energie mit hohem Wirkungsgrad zu erzeugen. So weist etwa eine SOFC elektrische Wirkungsgrade von über 50% auf. Um zu noch höheren Wirkungsgraden zu gelangen, sind verschiedene Konzepte vorgeschlagen worden, wie beispielsweise die Nutzung der Anoden- und Kathodenrestgase in der Brennstoffzelle nachgeschalteten Gas- und/oder Dampfturbinen, wodurch Wirkungsgrade von bis zu ca. 70% (G. Crawley: "Solid Oxide Fuel Cells (SOFC)", Fuel Cell Today, Januar 2007), erreicht werden können. Allerdings muss die Wirkungsgradsteigerung mit einer signifikanten Erhöhung der Komplexität sowie der Investitions- und der Wartungskosten des resultierenden Gesamtsystems erkauft werden. Darüber hinaus lassen sich diese hohen Wirkungsgrade nur bei relativ große Anlagen, im elektrischen Leistungsbereich von mehr als 100 kW, realisieren.
  • In der Patentanmeldung EP 1114485 wird ein Verfahren zur Leistungssteigerung einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle beschrieben, das jedoch auch bei anderen elektrochemischen Stromquellen eingesetzt werden kann. Hierbei wird der Kathode der Brennstoffzelle als Kathodengas nicht Luft sondern Sauerstoff bzw. mit Sauerstoff angereicherte Luft zugeführt. Bei gleichem Druck des Kathodengases erhöht sich der Sauerstoffpartialdruck an der Kathode, was zu einer Erhöhung der Zellspannung und damit auch der elektrischen Leistung der Brennstoffzelle führt. Bei mittleren bis hohen Stromdichten verringert sich zudem das Diffusionsüberpotenzial in der Kathodenstruktur, wodurch die Zellspannung ebenfalls vergrößert wird. So kann beispielsweise die Zellspannung einer bei Atmosphärendruck betriebenen und mit einer Stromdichte von 0,5 A/cm2 arbeitenden SOFC durch die Zuführung von reinem Sauerstoff anstelle von Luft von 0,5 auf 0,6 V angehoben werden. Entsprechend kann die Zelle eine um 20% größere elektrische Leistung abgeben. Um den Sauerstoffpartialdruck an der Kathode zu erhöhen, wird in EP 1114485 diskutiert, der Kathode Luft mit erhöhtem Sauerstoffgehalt zuzuführen, wobei Polymermembranen oder Druckwechseladsorber zur Erhöhung des Sauerstoffgehaltes verwendet werden. Diese Maßnahmen sind allerdings aufwendig und erfordern einen erheblichen Energieeinsatz, durch den die Gesamtbilanz der beschriebenen Art der Stromerzeugung drastisch verschlechtert wird. Denkbar ist es auch, Sauerstoff mit Hilfe eines kryogenen Gaszerlegers aus Luft abzutrennen und anschließend als Kathodengas einzusetzen. Einer Umsetzung dieser Idee stehen jedoch die äußerst hohen Kosten einer kryogenen Luftzerlegung entgegen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung anzugeben, die es ermöglichen, die Nachteile des beschriebenen Standes der Technik zu überwinden.
  • Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß verfahrensseitig dadurch gelöst, dass zur Bildung des Kathodengases ein sauerstoffreiches Restgas verwendet wird, das in einem zur Gewinnung eines Stickstoff- und/oder eines Edelgasproduktes eingesetzten kryogenen Luftzerleger anfällt.
  • Unter einem Restgas ist hierbei ein Gas zu verstehen, das im kryogenen Luftzerleger bei der Stickstoff- und/oder einer Edelgasproduktion anfällt, das aber, beispielsweise wegen zu geringer Reinheit, nicht als Produkt abgegeben werden kann.
  • Kryogene Luftzerleger sind dem Fachmann seit vielen Jahren bekannt, und werden vorwiegend dann eingesetzt, wenn es darum geht, Luftgase in großen Mengen und/oder mit hoher Reinheit zu gewinnen. Häufig steht die Erzeugung von Sauerstoff im Vordergrund, der dann beispielsweise in Raffinerien zur Vergasung von Rückständen oder in Hüttenwerken zur Stahlherstellung verwendet wird. Je höher die geforderte Sauerstoffreinheit ist, umso aufwendiger und kostspieliger wird das Verfahren.
  • Besteht der Zweck der kryogenen Luftzerlegung lediglich darin, ein Stickstoffprodukt zu erzeugen, ist eine aufwendige und teure Sauerstoffreinigung nicht erforderlich. Kryogen gewonnener Stickstoff wird in großen Mengen in industriellen Prozessen eingesetzt, wo er wegen seiner Reaktionsträgheit als Inertgas, beispielsweise zum Verdrängen von Luftsauerstoff und brennbaren Gasen, verwendet wird. Bei der Erdölförderung presst man kryogen erzeugten Stickstoff in Erdöllagerstätten, um so die Erdölausbeute zu steigern (enhanced oil recovery). Die bei dieser Art der Stickstofferzeugung notwendigerweise anfallende sauerstoffreiche Fraktion kann aufgrund ihrer geringen Reinheit i. Allg. nicht wirtschaftlich verwertet werden und wird daher verworfen.
  • Mit besonderem Vorteil kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle, insbesondere einer SOFC oder einer MCFC oder einer PAFC oder einer PEFC oder einer AFC oder einer DMFC oder einer Metall-Luft-Batterie eingesetzt werden. Da sich der elektrische Wirkungsgrad einer derartigen Einrichtung deutlich erhöht, wenn anstatt Luft ein Gas mit höherem Sauerstoffpartialdruck als Kathodengas zugeführt wird, ist es möglich, die Stromausbeute mit geringen Kosten zu steigem und die Wirtschaftlichkeit der Stromgewinnung zu verbessern.
  • Einige elektrochemische Stromquellen, wie SOFC und MCFC, arbeiten bei Temperaturen von mehr als 600°C, weswegen sie als Hochtemperatur-Brennstoffzellen bezeichnet werden. Dies bedeutet, dass sowohl die der Anode zugeführte erste Reaktionskomponente (Brennstoff) als auch das Kathodengas mit erheblichem Energieaufwand vorgewärmt werden müssen, bevor sie der Anode bzw. der Kathode einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle zugeleitet werden. Um den negativen Einfluss der notwendigen Brennstoff- und Kathodengasaufheizung auf den elektrischen Wirkungsgrad des Gesamtsystems (Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit Hilfsaggregaten) zumindest zu begrenzen, sieht eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens daher vor, dass ein Teil der fühlbaren Wärme der aus der Hochtemperatur-Brennstoffzelle austretenden Ab- und/oder Restgase zur Vorwärmung des Brennstoffs und/oder des Kathodengases verwendet wird. Eine andere bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass an der Anode der Hochtemperatur-Brennstoffzelle nicht umgesetzter Brennstoff mit Luft oder wenigstens einem Teil des an der Kathode nicht umgesetzten Sauerstoffs verbrannt wird, wobei die heißen Verbrennungsgase zur Vorwärmung des Brennstoffs und/oder des Kathodengases verwendet werden.
  • Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die in der elektrochemischen Stromquelle erzeugte elektrische Energie dazu eingesetzt wird, um den Eigenbedarf des kryogenen Luftzerlegers an elektrischer Energie zumindest teilweise zu decken. Handelt es sich bei der elektrochemischen Stromquelle um eine Sekundärzelle, so kann sie dazu eingesetzt werden, um in Phasen geringer Leistungsanforderungen von außen zugeführte elektrische Energie zwischenzuspeichern und in Phasen erhöhter Leistungsanforderungen an den kryogenen Luftzerleger abzugeben.
  • Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Betreiben einer elektrochemischen Stromquelle, der kathodenseitig ein Sauerstoff enthaltendes Gas (Kathodengas) als Oxidationsmittel zuführbar ist.
  • Die gestellte Aufgabe wird vorrichtungsseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sie einen kryogenen Luftzerleger umfasst, mit dem aus Luft ein Stickstoff- und/oder Edelgasprodukt erzeugbar ist, wobei ein sauerstoffreiches Restgas anfällt sowie Zuführeinrichtungen, über die zumindest ein Teil des sauerstoffreichen Restgases aus dem kryogenen Luftzerleger der Kathode der elektrochemischen Stromquelle zuführbar ist.
  • Prinzipiell kann die erfindungsgemäße Vorrichtung jede elektrochemische Stromquelle umfassen, deren Kathode ein Sauerstoff enthaltendes Oxidationsmittel zuführbar ist. Bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sehen jedoch vor, dass es sich bei der elektrochemischen Stromquelle um eine SOFC oder einer MCFC oder einer PAFC oder einer PEFC oder einer AFC oder einer DMFC oder einer Metall-Luft-Batterie handelt.
  • Handelt es sich bei der elektrochemischen Stromquelle um eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle, sieht eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vor, dass sie einen oder mehrere Wärmetauscher umfasst, in dem oder in denen ein Teil der fühlbaren Wärme, der aus der Hochtemperatur-Brennstoffzelle austretenden Ab- und/oder Restgase zur Vorwärmung auf den Brennstoff und/oder das Kathodengas übertragbar ist.
  • Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht eine Verbrennungseinrichtung vor, in der an der Anode der Hochtemperatur-Brennstoffzelle nicht umgesetzter Brennstoff mit Luft oder wenigstens einem Teil des an der Kathode der Hochtemperatur-Brennstoffzelle nicht umgesetzten Sauerstoffs verbrennbar und die dabei freigesetzte Energie zumindest teilweise auf Brennstoff und/oder Kathodengas übertragbar ist. Diese Einrichtung weist vorzugsweise einen Brennraum zur Durchführung der Verbrennung auf, in dem ein oder mehrere regenerative Wärmetauscher angeordnet sind, die von Brennstoff und/oder Kathodengas durchströmbar sind. Eine andere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass der oder die Wärmetauscher außerhalb des Brennraums angeordnet sind, wobei heiße, bei der Durchführung der Verbrennung entstehende Rauchgase aus dem Brennraum in den oder die Wärmetauscher überleitbar sind, wo sie einen Teil ihrerfühlbaren Wärme in indirektem Wärmetausch an Brennstoff und/oder Kathodengas abgeben.
  • Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
  • Die Figur zeigt eine oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC), deren Kathode ein sauerstoffreiches Restgas aus einem kryogenen Luftzerleger als Oxidationsmittel zugeführt wird.
  • Ein Brennstoff 1 (z. B. Methan oder Wasserstoff) wird im Wärmetauscher E1 vorgewärmt und über Leitung 2 mit einer Temperatur von ca. 500°C dem Anodenraum A der oxidkeramischen Brennstoffzelle FC zugeleitet. Über Leitung 3 wird ein sauerstoffreiches Restgas aus dem kryogenen Luftzerleger L abgezogen, in dem ein Stickstoffprodukt 4 aus Luft 5 abgetrennt wird. Nach Anwärmung im Wärmetauscher E2 wird das sauerstoffreiche Restgas über Leitung 6 mit einer Temperatur von ca. 900°C dem Kathodenraum K, der durch den Elektrolyten E vom Anodenraum A der Brennstoffzelle FC getrennt ist, als Kathodengas zugeführt. Ein Teil des mit dem Oxidationsmittel 6 dem Kathodenraum K zugeführten Sauerstoffs reagiert elektrochemisch mit einem Teil der im Brennstoff 2 enthaltenen oxidierbaren Stoffe unter Erzeugung elektrischer Energie zu Wasser und gegebenenfalls Kohlendioxid. Über Leitung 7 wird ein Abgas aus der Brennstoffzelle FC abgezogen, das immer noch oxidierbare Stoffe enthält, während über Leitung 8 ein Restgas abgeführt wird, das immer noch Sauerstoff aufweist. Das Abgas 7 wird im Wärmetauscher E1 gegen den zuströmenden Brennstoff 1 abgekühlt und anschließend über Leitung 9 in die Verbrennungseinrichtung W eingeleitet, wo es mit dem Sauerstoff des Restgases 8 im Brennraum B verbrannt wird. Die bei der Verbrennung erzeugten heißen Verbrennungsgase geben über den Wärmetauscher E2 einen Teil ihrer fühlbaren und latenten Wärme an das sauerstoffreiche Gas 3 ab, bevor sie aus der Verbrennungseinrichtung W geführt und über Leitung 10 entsorgt werden.
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - EP 1114485 [0005, 0005]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - G. Crawley: ”Solid Oxide Fuel Cells (SOFC)”, Fuel Cell Today, Januar 2007 [0004]

Claims (7)

  1. Verfahren zum Betreiben einer elektrochemischen Stromquelle (FC), der kathodenseitig ein Sauerstoff enthaltendes Gas (Kathodengas) (6) als Oxidationsmittel zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung des Kathodengases (6) ein sauerstoffreiches Restgas (3) verwendet wird, das in einem zur Gewinnung eines Stickstoff- und/oder eines Edelgasproduktes (4) eingesetzten kryogenen Luftzerleger (L) anfällt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es zum Betreiben einer SOFC oder einer MCFC oder einer PAFC oder einer PEFC oder einer AFC oder einer DMFC oder einer Metall-Luft-Batterie eingesetzt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrochemische Stromquelle (FC) eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle eingesetzt wird, wobei an der Anode (A) der Hochtemperatur-Brennstoffzelle (FC) nicht umgesetzter Brennstoff (9) mit wenigstens einem Teil des an der Kathode (K) nicht umgesetzten Sauerstoffs (8) verbrannt werden, wobei die heißen Verbrennungsgase zur Vorwärmung des Brennstoffs (1) und/oder des Kathodengases (3) verwendet werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in der elektrochemischen Stromquelle (FC) erzeugte elektrische Energie dazu eingesetzt wird, um den Eigenbedarf des kryogenen Luftzerlegers (L) an elektrischer Energie zumindest teilweise zu decken.
  5. Vorrichtung zum Betreiben einer elektrochemischen Stromquelle (FC), der kathodenseitig ein Sauerstoff enthaltendes Gas (Kathodengas) (6) als Oxidationsmittel zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen kryogenen Luftzerleger (L) umfasst, mit dem aus Luft (5) ein Stickstoff- und/oder Edelgasprodukt (4) erzeugbar ist, wobei ein sauerstoffreiches Restgas (3) anfällt, sowie Zuführeinrichtungen (6), über die zumindest ein Teil des sauerstoffreichen Restgases aus dem kryogenen Luftzerleger (L) der Kathode (K) der elektrochemischen Stromquelle (FC) zuführbar ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der elektrochemischen Stromquelle (FC) um eine SOFC oder einer MCFC oder einer PAFC oder einer PEFC oder einer AFC oder einer DMFC oder einer Metall-Luft-Batterie handelt.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der elektrochemischen Stromquelle (FC) um eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle handelt, wobei sie eine Einrichtung (W) umfasst, in der an der Anode (A) der Hochtemperatur-Brennstoffzelle (FC) nicht umgesetzter Brennstoff (9) mit wenigstens einem Teil des an der Kathode (K) nicht umgesetzten Sauerstoffs (8) verbrennbar und die dabei freigesetzte Energie zumindest teilweise auf den Brennstoff (1) und/oder das Kathodengas (3) übertragbar ist.
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