DE102008045147A1

DE102008045147A1 - Effizientes Brennstoffzellensystem mit integrierter Gaserzeugung und zugehöriges Verfahren zur Regelung und Steuerung des Betriebes

Info

Publication number: DE102008045147A1
Application number: DE102008045147A
Authority: DE
Inventors: Stephan Koehne
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-09-01
Filing date: 2008-09-01
Publication date: 2010-04-01
Anticipated expiration: 2028-09-02
Also published as: DE102008045147B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein hoch effizientes Brennstoffzellensystem zur Strom- und/oder Wärmeerzeugung mit einem Reformer für gasförmige Kohlenwasserstoffe wie Propan oder Erdgas, einem Restgasbrenner und zumindest einer Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (HT-PEM-BZ). Bei Brennstoffzellensystemen, die den Stand der Technik darstellen, werden die Kathoden- und Anodenabgasströme einer Kondensationseinheit zugeführt und das Prozesswasser auskondensiert, um es dann dem Prozess wieder zuzuführen. In dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem wird der in der HT-PEM-Brennstoffzelle in der Kathode entstehende Wasserdampf teilweise oder gänzlich für die Herstellung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen genutzt. Dafür wird das in der Kathode mit Sauerstoff abgereicherte und mit Wasserdampf angereicherte Gas (Kathodenabgas) dem Reformer zugeleitet, ohne dabei das Wasser auszukondensieren. Es ist dabei besonders vorteilhaft, den Anodenabgasstrom über eine entsprechende Einrichtung beispielsweise einem Wärmeübertrager vor Eintriff in den Restgasbrenner vorzuheizen, so dass die bei der Verbrennung entstehende Wärme über die Reaktion an der Wärmetauscherwand direkt an die gegenüberliegende Seite der Reformierung übertragen werden kann. Dadurch kann der Sauerstoffgehalt im Kathodenabgas weiter reduziert werden, da die für die Reformierung benötigte Wärme nicht allein aus den Oxidationsreaktionen erzeugt werden muss. Durch diese Prozessanordnung kann eine ...

Description

Die Erfindung betrifft ein hoch effizientes Brennstoffzellensystem zur Strom- und/oder Wärmeerzeugung mit einem Reformer für gasförmige Kohlenwasserstoffe wie Propan oder Erdgas, einem Restgasbrenner und zumindest einer Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (HT-PEM BZ).
PEM-Brennstoffzellen sind vom Stand der Technik bekannt. Unter HT-PEM-Brennstoffzellenanlage ist eine Anlage verstanden, bei der die Brennstoffzellen vom Typ Polymer-Elektrolyt-Membranbrennstoffzellen sind, die bei erhöhten Betriebstemperaturen arbeitet. Erhöhte Betriebstemperaturen sind im vorliegenden Zusammenhang höhere Temperaturen im Vergleich zur Arbeitstemperatur der herkömmlichen PEM-Brennstoffzelle von etwa 60°C, und zwar Temperaturen zwischen 60°C und 300°C, insbesondere im Bereich zwischen 120°C und 200°C.
Vom Stand der Technik ist es weiterhin bekannt, dass herkömmliche Systemverschaltungen mit PEM-Brennstoffzellen und HT-PEM-Brennstoffzellen bei der Nutzung von gasförmigen Kohlenwasserstoffen einen hohen Wasserdampfbedarf in der Reformierung bzw. der Gasbereitstellung mit der bevorzugten Gasqualität aufweisen. Der zusätzlich zugeführte Wasserdampf erweist sich als vorteilhaft für die Gasbereitstellung, da er zum einen in der Reformierung die Russbildung unterdrückt sowie eine zusätzliche Quelle für Wasserstoff darstellt und zum anderen in der Kohlenmonoxidreduzierung mittels der Wassergasshiftreaktion benötigt wird. Dies erfordert deshalb eine separate Bereitstellung von Wasser und dessen vorherige Verdampfung vor Eintritt in die einzelnen Reaktoren. Bisher ist im Stand der Technik kein Brennstoffzellensystem bekannt in der eine vollständige Schließung der Wasserbilanz bei hohen Außentemperturen ohne externe Bereitstellung des benötigten Wassers für die Gaserzeugung erreicht wird. Üblicherweise werden in den bekannten Brennstoffzellensystemen der in der Brennstoffzelle erzeugte Wasserdampf sowie der Wasserdampf im Abgas des Restgasbrenners in einer Einrichtung zur Kondensation unter hohem Aufwand auskondensiert. Die Menge des auskondensierten Wassers hängt dabei direkt mit der Umgebungstemperatur zusammen, da es mit herkömmlichen Einrichtungen zur Auskondensierung ein Abkühlen der Gase nur bis zu dieser Temperatur möglich ist. Das so zurück gewonnene Wasser muss anschließend, vor Rückführung in den Prozess der Gasbereitstellung aufwendig gereinigt und aufbereitet werden.
Die Einstellung des für die Reformierung notwendigen Temperaturniveaus erfolgt nach dem Stand d. Technik über die Regulierung des Oxidationsmittels insbesondere Luft sowie der Vorwärmung der zugeführten Komponenten. Dabei ist es vorteilhaft möglichst hohe Eintrittstemperaturen der Edukte zu erreichen, um die Zufuhr von Oxidationsmittel (Luft) zu verringern. Dadurch lassen sich höhere Systemwirkungsgrade realisieren.
Der Betrieb der nach dem Stand d. Technik bekannten Brennstoffzellenanlagen ist sehr aufwendig.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine HT-PEM-Brennstoffzellenanlage in verbesserter Betriebsweise vorzuschlagen.
Der in der HT-PEM-Brennstoffzelle in der Kathode entstehende Wasserdampf wird teilweise oder gänzlich für die Herstellung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen genutzt. Dafür wird das in der Kathode mit Sauerstoff abgereicherten und mit Wasserdampf angereicherte Gas (Kathodenabgas) dem Reformer zugeleitet, ohne dabei vorher das Wasser auszukondensieren. Das Wasser bleibt während der Überführung aus dem Kathodenaustritt bis zum Eintritt in den Reformer in der Gasphase.
Im Reformer werden Kohlenwasserstoffe unter Anwesenheit von Wasserdampf und/oder Sauerstoff in ein wasserstoffreiches Gasgemisch überführt. Das entstehende Reformatgas kann anschließend zumindest einem Shift-Reaktor zugeführt werden, welcher in einer einstufigen oder mehrstufigen Wassergasshift-Reaktion das im Gasgemisch enthaltene Kohlenmonoxid auf geforderte Brennstoffzellen verträgliche Konzentrationen umsetzt. Der Anodenraum der Brennstoffzellen wird mit dem derart erhaltenen, wasserstoffhaltigen Brenngasgemisch, welches neben Wasserstoff noch andere Begleitstoffe enthält, durchströmt.
Der Wasserstoff wird zu hohen Anteilen anodenseitig elektrochemisch oxidiert und das restliche Abgas wird über einen katalytischen oder nicht katalytischen Restgasbrenner dem System abgeführt.
Hier ist es besonders vorteilhaft wenn das Anodenabgas in einem katalytisch beschichteten Wärmeübertrager dem Reformer direkt zugeführt werden kann. Hierfür kann der katalytisch beschichtete Wärmeübertrager auf der einen Seite mit Katalysatoren für die Reformierung und auf der anderen Seite für die Verbrennung des Anodenabgases beschichtet sein, so dass die Reaktionen räumlich getrennt stattfinden, jedoch eine direkte Wärmeübertragung gegeben ist.
In dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist es besonders Vorteilhaft den Anodenabgasstrom über eine entsprechende Einrichtung beispielsweise einem Wärmeübertrager vor Eintritt in den Restgasbrenner vorzuheizen, so dass die bei der Verbrennung entstehende Wärme über die Reaktion an der Wand direkt an die gegenüberliegende Seite der Reformierung übertragen werden kann. Dadurch kann der Sauerstoffgehalt im Kathodenabgas weiter reduziert werden, da die benötigte Wärme nicht allein aus den Oxidationsreaktionen im Reformer erzeugt werden muss. Dies ist äußerst vorteilhaft für die Effizienz des Systems ist. Zur exakten Dosierung der des Sauerstoffgehalts in der Reformierung wird die Betriebsweise der Brennstoffzelle genutzt, um durch gezielte Abreicherung des Sauerstoffs auf der Kathodenseite und Erzeugung von Wasserdampf die erwünschten Mengen einzustellen. Es ist vorteilhaft in der erfindungsgemäßen Anlage nach der Brennstoffzelle im Kathodenabgasstrom vor Eintritt in den Restgasbrenner ein Einheit zum aufteilen des Kathodenabgasstromes anzuwenden. Dadurch kann zum einen die Brennstoffzelle mit einem ausreichend hohen Luftverhältnis für die Reaktion in der Zelle betrieben werden und zum anderen kann über die Einheit zur Teilung des Kathodenabgasstromes die Sauerstoffzuführung in den Reformer kontrolliert werden. Die überschüssige Kathodenabluft wird über diese Einheit an die Umgebung abgeführt und gegebenenfalls vorher auf übliche Temperaturen abgekühlt.
Des Weiteren ist die erfindungsgemäße Betriebsweise der Brennstoffzellenanlage dadurch gekennzeichnet, dass das Kathodenabgas, die Restgasbrennerzuluft und die Kathodenzuluft über Wärmeübertrager vor Eintritt in die jeweiligen Prozesse zur Steigerung der Effizienz der Brennstoffzellenanlage vorgewärmt werden. Optimalerweise sind in der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanlage die Zuführung der einzelnen Stoffströme sowie die Weiterleitung und prozesstechnischen Zwischenbehandlung der Stoffströme in beispielsweise Wärmeübertragern so gewählt, dass so viel wie möglich der entstandenen Wärme dem Prozess der Gasbereitstellung bzw. der Brennstoffzelle zurückgeführt werden kann.
Durch diese Prozessanordnung kann eine Kondensation und Verdampfung des für den Prozess notwendigen Wassers vermieden werden und die Effizienz um den Betrag der Verdampfungsenergie erhöht werden.
Die Erfindung macht daher kathodenseitig und anodenseitig eine separate Kondensation des in den Abgasen befindlichen Wassers und damit eine Rückgewinnung über einen derartigen Prozessschritt oder über andere Hilfseinrichtungen überflüssig. Zusätzlich kann die Energie des nicht verbrauchten Wasserstoffes unmittelbar über Wärmeleitung/Strahlung oder andere bekannte Verfahren der Wärmeübertragung der Reformierung über den Restgasbrenner zugeführt werden. Gemäß der Erfindung erfolgt die Versorgung des Reformierungsprozesses mit Oxidationsmitteln (Wasser und/oder Sauerstoff) über das Kathodenabgas und gegebenenfalls einer Einheit zur Aufteilung des Kathodenabgases, wodurch zumindest eine Hilfseinrichtung zur Dosierung und Bereitstellung (Lüfter, Kompressor) des Oxidationsmittels eingespart werden kann, da jeweils nur noch eine Versorgung der Kathode und des Restgasbrenners des Brennstoffzellensystems über eine entsprechende Dosiereinrichtung erforderlich ist. Zusätzlich ist eine Druckaufladung des Prozesses wesentlich einfacher, da es sich um ein geschlossenes System handelt und die Druckdifferenzen zwischen Anoden und Kathode im Bereich des Druckverlustes des Gesamtsystems liegen.
In der dem Reformierungsprozess möglicherweise nach geordneter Wassergasshift-Reaktion wird gemäß der Erfindung der in der Reformierung nicht umgesetzte Wasserdampf für die Umsetzung des im Reformatgas enthaltenen Kohlenmonoxids zu Wasserstoff und Kohlendioxid eingesetzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Brennstoffzellenanlage dabei so kompakt und einfach wie möglich zu bauen. Dabei sind die Temperaturen des Restgasbrenners und des Reformers im Betrieb etwa gleich hoch und betragen in etwa 750°C. Die beiden Komponenten werden deshalb in eine Einheit integriert. Dabei sind verschiedene Bauformen denkbar, jedoch ist es äußerst vorteilhaft die Einheit in Form eines Wärmeübertragers mit katalytischer Beschichtung auszuführen. Die Integration ist besonders im Startverhalten vorteilhaft, da der Restgasbrenner seine Wärme beim Systemstart an den Reformer unmittelbar durch Wärmeleitung/Strahlung oder anderen bekannten Verfahren zur Wärmeübertragung übertragen kann.
Hinter der Reformierung und dem Restgasbrenner sind unmittelbar Wärmeübertrager angeschlossen, welche die Abgase des Restgasbrenners und der Reformierung abkühlen und die Zuluftströme zur Brennstoffzelle, zur Reformierung und zum Restgasbrenner erhitzen.
Eine Verschaltung bei der die Zuluft der Brennstoffzelle über den Abgasstrom des Restgasbrenners erhitzt wird, ist besonders vorteilhaft wenn der Restgasbrenner zur Erwärmung des Brennstoffzellensystems in der Startphase genutzt wird.
Nach der Brennstoffzelle kann die Kathodenabluft in der Startphase in der noch keine Reformierung gestartet ist, über eine Einrichtung zur Aufteilung der Kathodenabluft (BypassVentil) abgelassen werden, um eine Zuführung von Oxidationsmittel in den Reformer zu vermeiden.
Die Steuerung der Temperaturen der Zuluft für das Brennstoffzellensystem, welches in vorher definierten Grenzen je nach Bauweise der HT-PEM Brennstoffzelle liegen muss erfolgt über die Lüfter des Restgasbrenners und damit der Temperatur des Restgasbrennerabgases und der Kathodenzuluft sowie über die Stromabnahme der Brennstoffzelle (Umsatz der Brennstoffzelle) und die Dosierung der gasförmigen Kohlenwasserstoffe. Alternativ kann die Kathoden- und Anodenzuluft über das Wärmemanangement (Kühlsystem) der Brennstoffzelle auf die notwendige Betriebstemperatur gekühlt werden.
Die Erfindung betrifft ferner ein vereinfachtes Verfahren zur Regelung und Steuerung des Betriebes von Brennstoffzellensystemen. In dem Brennstoffzellensystem wird die Kathodenzuluft und die Anodenzuluft über Wärmeübertrager mit Hilfe der Restgasbrennerabluft und der Reformerabluft so konditioniert, dass sie in dem Temperaturbereich liegen, welche in vorher definierten Grenzen je nach Bauweise der HT-PEM Brennstoffzelle liegen. Dies wird durch die Betriebsweise der Lüfter, welche den Kathodenzuluftstrom und den Restgasbrennerzuluftstrom steuern gewährleistet. Um die Anodenzuluft zu konditionieren wird die Anodenzuluft über die Kathodenabluft und über den Restgasbrennerzuluftstrom konditioniert. Hierbei wird ebenfalls der Anodenzuluftstrom durch die Betriebsweise der Lüfter für die Restgasbrennerzuluft und für die Kathodenzuluft sowie der Betriebsweise der Brennstoffzelle (Wasserstoff- und Luftumsatz) gesteuert. Dabei kann vorteilhaft sein unmittelbar nach der Reformierung einen Hochtemperaturshiftreaktor anzuordnen, um gegebenenfalls den Kohlenmonoxidgehalt zu senken.
Das ganze System besteht somit nur noch aus 4 aktiven Einheiten für die Steuerung des Brennstoffzellensystems. Es besteht aus 2 Lüftern, einer Brennstoffdosiereinheit, der Brennstoffzellenstrom/-spannungsregelung, zusätzlich für den Startfall einem Bypassventil und einer Einrichtung zur Zündung im Restgasbrenner und im Betrieb die Wärmeabfuhr für die Brennstoffzelle.
Für die Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems bzw. zum Starten des Reformierungsprozesses ist beim erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass zu Beginn des Betriebes der gasförmige Kohlenwasserstoff durch das ganze System geführt wird ohne dabei nennenswerte Reaktionen einzugehen und erst im Restgasbrenner unter Luftzufuhr oxidiert wird. Bei Bedarf wird das Gemisch im Restgasbrenner über eine an sich bekannte Einrichtung gezündet.
Vorzugsweise wird über die Wand zwischen Restgasbrenner und Reformer die Wärme an den Reformer mittels Wärmeleitung/Strahlung übertragen. Über den nach geschalteten Wärmeübertragern wird die Kathodenzuluft erwärmt, welche zum Aufheizen der Brennstoffzelle genutzt wird. Dadurch wird es ermöglicht, wenn Brennstoffzelle und Reformer ihre notwendigen Temperaturen erreicht haben, dass das Brennstoffzellensystem nach dem Start der Reformierung unmittelbar Strom erzeugen kann und dass nach dem Start der Reformierung unter Anwesenheit von Sauerstoff und ohne nennenswerte Anwesenheit von Wasserdampf der Reformierung zeitnah Wasserdampf aus dem Kathodenabgas zur Verfügung steht.
Dadurch ist ein einfacher und schneller Systemstart möglich und das Brennstoffzellensystem kann zudem ohne Schädigung der Komponenten einfach in einem StandBy Mode gehalten werden, indem der Restgasbrenner das System auf Starttemperaturen hält. Das Kathodenabgas wird bei Betrieb der Reformierung über einem dem Restgasbrenner nach geschalteten Wärmeübertrager vor Eintritt in den Reformer vorgewärmt
Ein besonderes Merkmal ist die Vorwärmung des Anodenabgases über einen dem Reformer nach geschalteten Wärmeübertragers. Somit kann möglichst viel Wärme in das System zurückgeführt und der Reformierung zur Verfügung gestellt werden. Damit sind deutliche Effizienzsteigerungen möglich. Die Anodenzuluft wird ebenfalls über einem dem Reformer nach geschalteten Wärmeübertrager vorgewärmt.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung, die schematisch zwei Ausführungsvarianten enthält, näher erläutert. Dabei zeigt
1 die prinzipielle Ausführung eines Brennstoffzellensystems, welches gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet.
2 eine mögliche Variante des Brennstoffzellensystems
In 1 zeigt eine bevorzugte Verschaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem weist einen Reformer 1 zur Umsetzung der gasförmigen Kohlenwasserstoffe wie Propan oder Erdgas mit Luft und/oder Wasser auf. Die zur Oxidation benötigte Luft wird über einen Lüfter 11, dem Wärmeübertrager 8, der Verbindungsleitung 9 und der Kathode 4 im Betrieb des Brennstoffzellensystems über die Einrichtung zur Teilung des Kathodenstroms und dem Wärmeübertrager 7 dem Reformer 1 zugeführt. Das im Reformer erzeugte Produktgas wird über eine Verbindungsleitung 17 und unter Behandlung in den Wärmeübertragern 10 und 20 der Anode 2 der Brennstoffzelle zugeführt, wo es in bekannter Weise elektrochemisch umgesetzt wird. Das anodenseitige Abgas wird anschließend über eine Verbindungsleitung 5 und dem Wärmeübertrager 10 in einen katalytischen oder nicht katalytischen Restgasbrenner 3 geführt. Während der Startphase wird lediglich der gasförmige Kohlenwasserstoff über die Brennstoffzufuhr 13 in den Reformer gegeben ohne Zufuhr von Luft in den Refomer. In der Startphase in der der Reformer bis zur Starttemperatur der Reformierung aufgewärmt wird findet im Reformer keine nennenswerte Reaktion statt. Der gasförmige Brennstoff durchströmt den Reformer 1, die Wärmetauscher 10 und 20 und die Anode 2 ohne dabei nennenswerte Reaktionen einzugehen und wird anschließend über den Wärmeübertrager 10 im Restgasbrenner 3 unter Zufuhr von Luft über den Lüfter 21 und der Versorgungsleitung 19 oxidiert. Die dabei entstehende Wärme wird unmittelbar dem Reformer 1 über Wärmeleitung/Strahlung zugeführt. In einem dem Restgasbrenner 3 nach geschaltetem Wärmeübertrager 8 wird die Kathodenluft, welche über den Lüfter 11 zugeführt wird, erhitzt. Über eine Verbindungsleitung 9 wird die Kathodenluft in die Kathode 4 der Brennstoffzelle geleitet, wo sie in bekannter Form elektrochemisch umgesetzt wird. Während der Aufwärmphase, in der keine Luft dem Reformer 1 zugeführt wird, wird die gesamte Luft über eine Einheit zum Teilen das Kathodenstroms 6 und der Entsorgungsleitung 16 abgeführt. Während der Aufwärmphase wird der Wärmeübertrager 8 genutzt, um die Kathodenluft und damit die Brennstoffzelle aufzuwärmen. Somit kann eine kurze Aufheizzeit bis zur Starttemperatur des Reformers 1 sowie der Brennstoffzelle (4 und 2) erreicht werden. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem zeichnet sich insbesondere dadurch aus, das mittels der Nutzung des Wärmeübertragers 8 und dem Lüfter 11 das System einfach ohne Schädigung der Systemkomponenten in einem Standby Modus gehalten werden kann, so dass das Brennstoffzellensystem bereits vorgewärmt ist und deutlich schnellere Startzeiten, als herkömmliche Systemverschaltungen, erreichen kann.
Nach Abschluss der Aufwärmphase bis zum Erreichen der Starttemperatur im Reformer 1 wird Luft in der benötigten Menge über den Lüfter 11, der Verbindungsleitung 9, der Kathode 4, der Einrichtung 6 zum Teilen des Kathodenstroms, der Verbindungsleitung 18 und dem Wärmeübertrager 7 in den Reformer 1 geleitet. Dabei sind beide Wärmeübertrager (7 und 8) so ausgelegt, dass in der Startphase und im Betrieb jeweils die benötigten Temperaturen in vorher definierten Grenzen vorliegen. Im Reformer 1 startet dann die Reformierungsreaktion und wandelt die eingebrachten gasförmigen Kohlenwasserstoffe in ein wasserstoffreiches Reformatgas um. Es kann dabei möglich sein, dass zu Beginn der Reaktion im Reformer 1 keine nennenswerte Menge an Wasser zur Verfügung steht. Das erzeugte Reformatgas, welches neben den Hauptkomponenten Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Stickstoff auch Methan und Restkohlenwasserstoffe enthält wird über die Wärmeübertrager 10 und 20 auf die Eintrittsbedingungen der Anode 2 konditioniert. Gleichzeitig werden die Anodenzuluft sowie die Anodenabluft erwärmt. Das anodenseitige Abgas wird zur Gänze dem Restgasbrenner zugeführt. Der Reformer 1 sowie der Restgasbrenner 3 werden so betrieben, dass sich annähernd gleiche Austrittstemperaturen nach dem jeweiligen Prozessschritt ergeben.
Nach dem Start des Betriebes der Brennstoffzelle bildet sich Wasser in der Kathode 4, welcher unter den gegebenen Betriebsbedingungen gasförmig in der Brennstoffzelle vorliegt. Die Kathodenabluft mit dem darin enthaltenem Restsauerstoff und dem Wasserdampf wird dem Reformer 1 über der Einrichtung zum Teilen des Kathodenstroms und dem Wärmeübertrager 7 zugeführt. Es ist vorteilhaft die gesamte Kathodenabluft dem Reformer zuzuführen, um den Anteil an Wasserdampf im Reformer zu maximieren und insbesondere das ein vorteilhaftes Verhältnis des Sauerstoffs zum Wasserdampf einzuhalten. Die Erhöhung des Wasserdampfgehaltes bewirkt eine Senkung des Kohlenmonoxidgehalts unmittelbar in dem Reformierungsprozess. Der Sauerstoffgehalt in der Kathodenabluft wird über den Betrieb/Umsatz der Brennstoffzelle eingestellt und/oder über die Einrichtung zur Aufteilung der Kathodenstroms. Als besonders vorteilhaft erweist sich eine Aufteilung der Kathodenluft direkt vor oder in der Brennstoffzelle, so dass einzelne Bereiche der Brennstoffzelle unabhängig voneinander mit Kathodenluft durchströmt werden. Mit dieser Betriebsweise kann der Sauerstoffgehalt sowie der Wasserdampfgehalt und insbesondere das Verhältnis der beiden Komponenten eingestellt werden. Das an Wasserstoff abgereicherte Anodenabgas wird über den Wärmeübertrager 10 in den Restgasbrenner geleitet. Auf Grund der Abreicherung muss insbesondere der Lüfter 21 geregelt werden, um das erwünschte Temperaturniveau im Restgasbrenner zu einzustellen.
Die in dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem eingesetzte Brennstoffzelle kann das im Reformer erzeugte Reformatgas ohne weitere Prozessschritte zur Gasreinigung nutzen. Es kann vorteilhaft sein in bestimmten Betriebspunkten der Brennstoffzelle, insbesondere bei Temperaturen unter 180°C, dem Reformer unmittelbar einen Hochtemperatur-Shift Katalysator nachzuschalten, welcher bei Temperaturen um die 400°C betrieben werden kann. Der restliche Wasserdampfgehalt im Reformatgas kann in der Shiftreaktion genutzt werden, um mit Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid und Wasserstoff zu reagieren.
Die Erfindung ist nicht auf die in 1 dargestellte Ausführungsvariante eingeschränkt. In dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem können mehrere Brennstoffzellen und/oder Verschaltungsvarianten der Stoffströme zur Konditionierung der jeweiligen Eintrittstemperaturen in die einzelnen Reaktoren mittels Wärmeübertrager vorgesehen werden. 2 stellt eine mögliche Variante des Brennstoffzellensystems mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dar. Die Kathodenluft wird über den Lüfter 11 und dem Wärmeübertrager 8 in das System geleitet und die Kathodenabluft wird über den Wärmeübertrager 10 behandelt. Die Restgasbrennerzuluft wird über den Lüfter 21 geregelt und im Wärmeübertrager 20 erwärmt. Die Anodenabluft wird vor Eintritt in den Restgasbrenner in dem Wärmeübertrager 7 behandelt.

1: Reformer
2: Anode
3: Restgasbrenner
4: Kathode
5: Verbindungsleitung
6: Einrichtung zum Teilen des Kathodenstroms
7: Wärmeübertrager 1 Restgasbrenner
8: Wärmeübertrager 2 Restgasbrenner
9: Verbindungsleitung
10: Wärmeübertrager 1 Reformer
11: Lüfter Kathode
12: Verbindungsleitung
13: Zuleitung Brennstoff
14: Verbindungsleitung
15: Entsorgungsleitung
16: Entsorgungsleitung
17: Verbindungsleitung
18: Verbindungsleitung
19: Verbindungsleitung
20: Wärmeübertrager 2 Reformer
21: Lüfter Restgasbrenner

Claims

Effizientes Brennstoffzellensystem zur Strom- und/oder Wärmeerzeugung • mit einer integrierten Reformer für gasförmige Kohlenwasserstoffe-Abgasbrennereinheit (beispielsweise einen katalytisch beschichteten Wärmetauscher), • mit einer Hoch Temperatur Polymer Elektrolyt Membran Brennstoffzelle (HT-PEM BZ) mit einem Anoden- und Kathodenraum mit einer hohen Kohlenmonoxidtoleranz • mit einer unmittelbaren Zuführung des Kathodenabgas und dem darin enthaltenen Wasserdampf und Sauerstoff in den Reformierungsprozess • mit einem dem Reformer nachgeschalteten Wärmetauscher zur Erwärmung des Anodenabgases • mit einem dem Abgasbrenner nachgeschalteten Wärmetauscher zur Erwärmung des Kathodenabgases • mit einem dem Wärmetaucher zur Erwärmung des Kathodenabgases nachgeschalteten Wärmetauscher zur Erwärmung des Kathodenzuluftstromes • mit einem dem Wärmetauscher zur Erwärmung des Anodenabgases nachgeschalteten Wärmetauscher zur Erwärmung der Restgasbrennerzuluft • einem Lüfter zur Versorgung des Restgasbrenners mit Oxidationsmittel • einem Lüfter zur Versorgung der Kathode mit Oxidationsmittel • einer Bypassventil zur Ableitung eines Teilstromes des Kathodenabgasstromes dadurch gekennzeichnet, dass keine zusätzliche Wasserverdampfung im laufenden Betrieb benötigt wird und die entstehende Prozesswärme auf effiziente Art dem Prozess wieder zugeführt wird um möglichst hohe Effizienz zu erzielen. Dabei kann die Wärmeabfuhr der Brennstoffzelle sowohl flüssig als auch gasförmig erfolgen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhitzung des Kathodenabgases mit einem dem Reformer nachgeschalteten Wärmetauscher zur Erwärmung erfolgt und die Erwärmung des Anodenabgases mit einem dem Abgasbrenner nachgeschalteten Wärmetauscher erfolgt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Hochtemperatur Shift mit ca. 400°C Betriebstemperatur nach dem Reformer eingesetzt wird.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle über zwei Kathodenzuluftstörme versorgt wird, die entsprechend des Luftbedarfes der Reformers eingestellt werden kann. Die Aufteilung der Kathodenluft direkt vor oder in der Brennstoffzelle kann so eingestellt werden, dass einzelne Bereiche der Brennstoffzelle unabhängig voneinander mit Kathodenluft durchströmt werden. Mit dieser Betriebsweise können der Sauerstoffgehalt sowie der Wasserdampfgehalt und insbesondere das Verhältnis der beiden Komponenten eingestellt werden.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass anstatt der HT-PEM Brennstoffzelle, Brennstoffzelle(n), des Typs Festelektrolyt-Brennstoffzelle, wie die SAFC (Solid Acid Fuel Cell) sowie die AFC (Alcaline Fuel Cell) oder die PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) mit einer Betriebstemperatur über 180°C eingesetzt werden.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass anstatt des katalytischen ein nicht katalytischer Restgasbrenner eingesetzt wird.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass anstatt gasförmige Kohlenwasserstoffe, flüssige Kohlenwasserstoffe oder Alkohole eingesetzt werden.
Verfahren zur Regelung und Steuerung eines vereinfachtes Brennstoffzellensystem zur Strom- und/oder Wärmeerzeugung • mit einer integrierten Reformer für gasförmige Kohlenwasserstoffe-Abgasbrennereinheit (beispielsweise einen katalytisch beschichteten Wärmetauscher), • mit einer Hoch Temperatur Polymer Elektrolyt Membran Brennstoffzelle (HT-PEM BZ) mit einem Anoden- und Kathodenraum mit einer hohen Kohlenmonoxidtoleranz • mit einer unmittelbaren Zuführung des Kathodenabgas und dem darin enthaltenen Wasserdampf und Sauerstoff in den Reformierungsprozess • mit einem dem Reformer nachgeschalteten Wärmetauscher zur Erwärmung des Anodenabgases • mit einem dem Abgasbrenner nachgeschalteten Wärmetauscher zur Erwärmung des Kathodenabgases • mit einem dem Wärmetaucher zur Erwärmung des Kathodenabgases nachgeschalteten Wärmetauscher zur Erwärmung des Kathodenzuluftstromes • mit einem dem Wärmetauscher zur Erwärmung des Anodenabgases nachgeschalteten Wärmetauscher zur Erwärmung der Restgasbrennerzuluft • einem Lüfter zur Versorgung des Restgasbrenners mit Oxidationsmittel • einem Lüfter zur Versorgung der Kathode mit Oxidationsmittel • einer Bypassventil zur Ableitung eines Teilstromes des Kathodenabgasstromes dadurch gekennzeichnet, dass keine zusätzliche Wasserversorgung/-dosierung im laufenden Betrieb zur Steuerung und Regelung benötigt wird, die Steuerung/Regelung des Brennstoffzellensystems ausschließlich über die Lüfter zur Versorgung des Restgasbrenners und der Kathode sowie der Brennstoffdosierung und des Brennstoffzellenumsatzes erfolgt. Die Wärmeabfuhr der Brennstoffzelle sowohl flüssig als auch gasförmig erfolgen kann.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhitzung des Kathodenabgases mit einem dem Reformer nachgeschalteten Wärmetauscher zur Erwärmung erfolgt und die Erwärmung des Anodenabgases mit einem dem Abgasbrenner nachgeschalteten Wärmetauscher erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Hochtemperatur Shift mit ca. 400°C Betriebstemperatur nach dem Reformer eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass gekennzeichnet, dass das die Brennstoffzelle über zwei Kathodenzuluftstörme versorgt wird, die entsprechend des Luftbedarfes der Reformers eingestellt werden können. Die Aufteilung der Kathodenluft direkt vor oder in der Brennstoffzelle kann so eingestellt werden, dass einzelne Bereiche der Brennstoffzelle unabhängig voneinander mit Kathodenluft durchströmt werden. Mit dieser Betriebsweise können der Sauerstoffgehalt sowie der Wasserdampfgehalt und insbesondere das Verhältnis der beiden Komponenten eingestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass anstatt der HT-PEM Brennstoffzelle, Brennstoffzelle(n), des Typs Festelektrolyt-Brennstoffzelle, wie die SAFC (Solid Acid Fuel Cell) sowie die AFC (Alcaline Fuel Cell) oder die PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell), mit einer Betriebstemperatur über 180°C eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass anstatt des katalytischen ein nicht katalytischer Restgasbrenner eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass anstatt gasförmige Kohlenwasserstoffe, flüssige Kohlenwasserstoffe oder Alkohole eingesetzt werden.