DE102008047000A1 - Verfahren zum Betrieb und Konstruktion einer SOFC mit integrierten Wärmetauschern, integrierter Reformierung oder Vergasung, integrierter Anodenabgasrückführung, integrierter Wärmeauskopplung, kombinierter Gasvorwärmung und Restgasabtrennung und -rückführung sowie CO2-Abscheidung - Google Patents

Verfahren zum Betrieb und Konstruktion einer SOFC mit integrierten Wärmetauschern, integrierter Reformierung oder Vergasung, integrierter Anodenabgasrückführung, integrierter Wärmeauskopplung, kombinierter Gasvorwärmung und Restgasabtrennung und -rückführung sowie CO2-Abscheidung Download PDF

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Abstract

Eine weitere Möglichkeit, den elektrischen Wirkungsgrad von Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) zu erhöhen, besteht in der Steigerung des Brenngasnutzungsgrades. Bei hohen Brenngasnutzungsgraden kann zusätzlich aufgrund der in der SOFC getrennt vorliegenden Prozessströme Luft (Kathodenseite) und Brenngas (Anodenseite) durch einfaches Auskondensieren des Abscheidung realisiert werden. Problematisch ist dabei allerdings, dass das Brenngas in einem SOFC-Stack nicht vollständig umgesetzt werden kann. Ein Lösungsansatz besteht in der Erhöhung des Brenngasnutzungsgrades des SOFC-Stacks z. B. durch Kaskadierung (serielle Verschaltung mehrerer SOFC-Zellen). Durch die Erhöhung des Brenngasnutzungsgrades auf über 90% kommt es aber zu einer deutlichen Vergrößerung der elektrochemisch aktiven Brennstoffzellen-Fläche und damit zu höheren Kosten pro kW sowie teileweise zu einer Anodenoxidation, d. h. zu einer schnelleren Degradierung. Diese Probleme können vermindert bzw. umgangen werden, indem der SOFC-Stack mit Brenngasnutzungsgraden unterhalb von 90% betrieben wird und die im SOFC-Stack elektrochemisch nicht umgesetzten Brenngase im Anodenabgas nach dem SOFC-Stack abgeschieden und zusammen mit dem frischen Brenngas dem SOFC-Stack erneut zugeführt werden. Das das SOFC-System verlassende Anodenabgas besteht dann fast ausschließlich aus Wasserdampf und Kohlendioxid, das nach Auskondensation des Wasserdampfs allein übrig bleibt. Die ...

Description

  • Der in den Stack integrierte Wärmeübertrager (bevorzugt im Gegenstrom) zur Vorwärmung des frischen Brenngases durch Abkühlung des Anodenabgases des SOFC-Stacks wird so ausgeführt, dass die die Fluide trennende Wand nicht wie bisher üblich völlig gasundurchlässig ist, sondern selektiv, für bestimmte im Brenngas enthaltene Gaskomponenten bzw. Moleküle durchlässig ist. Die die Fluide (Brenngas und Anodenabgas des SOFC-Stacks) trennende Wand ermöglicht somit nicht nur eine Wärmeübertragung zwischen den Fluiden, sondern auch eine selektive Stoffübertragung. Die Trennwand soll für die im Anodenabgas verbliebenen in der SOFC elektrochemisch nicht umgesetzten Brenngaskomponenten, vor allem H2 und CO, bzw. zumindest für eine der beiden Gaskomponenten, insbesondere H2, durchlässig, für die anderen im Abgas enthaltenen Gaskomponenten, insbesondere CO2 und das frische Brenngas, aber nahezu undurchlässig sein. Eine Durchlässigkeit für Wasserdampf ist nicht nur nicht schädlich sondern sogar vorteilhaft, weil das Anodenabgasrecycling dadurch zumindest teilweise vorweggenommen wird und darauf unter Umständen dann ganz verzichtet werden kann. Eine Umsetzungsmöglichkeit für die kombinierte Wärme- und Stoffübertragung besteht in der Verwendung von Molekularsieben als Wärmeübertragerwände, die beispielsweise für H2 durchlässig sind. H2-Molekularsiebe für diesen Temperaturbereich können aus einer porösen Keramik (SiC) als Trägerschicht mit einer bezüglich der Stoffdurchlässigkeit selektiv wirkenden Funktionsschicht (z. B. Platin-Composite-Verbindungen) bestehen. Aus dem Anodenabgas des SOFC-Stacks diffundieren durch die entsprechend ausgeführten Trennwände des Wärmeübertragers die nicht umgesetzten Brenngase in das der SOFC frisch zugeführte Brenngas (Methan, Propan, etc.) und werden so der Brennstoffzelle wieder als umsetzbares Brenngas zugeführt. Aufgrund der Abkühlung des Anodenabgases des SOFC-Stacks zur Vorwärmung des frischen Brenngases im Wärmeübertrager verschiebt sich das chemische Gleichgewicht der CO-H2O-Shiftreaktion auf die Seite von H2 und CO2. Zusätzlich wird im Wesentlichen H2 durch die Trennwand diffundieren, so dass weiteres CO mit dem im Anodenabgas reichlich vorhandenen Wasserdampf zu H2 und CO2 reagiert. Dadurch ist zu erwarten, dass der zufolge der schnelleren Umsetzung von H2 in der SOFC größere Anteil an CO im Anodenabgas doch als H2 ins frische Brenngas diffundiert. Bei hohen H2-Abscheidungsraten und entsprechend tiefen Temperaturen am Ende des kombinierten Wärme- und Stoffübertragers und Shiftreaktors besteht das das SOFC-System verlassende Anodenabgas dann fast ausschließlich aus H2O und CO2. Dieses Gemisch kann im Anschluss durch einfaches Auskondensieren des Wasserdampfs getrennt werden, so dass nur CO2 übrig bleibt. Der Wärmeübertrager stellt somit eine Kombination aus Wärmeübertrager, H2(und evt. auch CO)-Übertrager sowie CO-Shift-Reaktor dar. Der wesentliche Vorteil dieser Kombination besteht zum einem in der Erhöhung des Wirkungsgrades des SOFC-Systems aufgrund der fast vollständigen Rückführung der brennbaren Bestandteile des Anodenabgases des SOFC-Stacks sowie in der Möglichkeit der vereinfachten CO2-Abscheidung hinter der SOFC durch Kondensation des Wasserdampfs.
  • Eine beispielhafte Struktur ist in 1 dargestellt.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Betrieb einer SOFC, gekennzeichnet dadurch, dass die im Anodenabgas des SOFC-Stacks enthaltenen nicht umgesetzten Brenngase ggf. nach einer Shiftreaktion von CO und Wasserdampf zu H2 und CO2 oder vergleichbaren Reaktionen abgeschieden und dem frischen Brenngas zugeführt werden.
  2. Ein SOFC-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand des Wärmeübertragers zur Vorwärmung des frischen Brenngases durch das Anodenabgas des SOFC-Stacks für die im Anodenabgas des SOFC-Stacks verbliebenen elektrochemisch nicht umgesetzten Brenngaskomponenten, z. B. H2 und CO oder zumindest für eine dieser Gaskomponenten (bevorzugt H2) durchlässig, gegenüber den anderen im Anodenabgas des SOFC-Stacks enthaltenen Gaskomponenten, insbesondere CO2, und den frischen Brenngasen aber gasdicht ist. Eine Durchlässigkeit für Wasserdampf ist nicht nur nicht schädlich sondern sogar vorteilhaft, weil das Anodenabgasrecycling dadurch zumindest teilweise vorweggenommen wird.
  3. Ein SOFC-System nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzung der kombinierten Wärme- und Stoffübertragung beispielsweise durch die Verwendung von Molekularsieben realisiert wird, die beispielsweise für H2 und ggf. auch für Wasserdampf durchlässig sind.
  4. Ein SOFC-System nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels einer entsprechend ausgeführten Trennwand aus dem Anodenabgas des SOFC-Stacks abgeschiedene(n) Gaskomponente(n) durch die Trennwand in das der SOFC frisch zugeführte Brenngas diffundieren und so der Brennstoffzelle wieder als umsetzbares Brenngas oder als Vergasungs- bzw. Reformierungsmittel zugeführt werden.
  5. Ein SOFC-System nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der Abkühlung des Anodenabgases zur Vorwärmung des Brenngases im Wärmeübertrager CO in einer Shiftreaktion mit dem ebenfalls in größeren Mengen im Anodenabgas des SOFC-Stacks vorhandenem Wasserdampf verstärkt zu H2 und CO2 umgesetzt wird und daher CO nur in geringen Mengen das SOFC-System verlässt. Begünstigt wird die Shiftreaktion zusätzlich durch die laufende Diffusion des H2 durch die für H2 durchlässige Trennwand. Der Wärmeübertrager ist also zugleich noch H2-Übertrager und Shiftreaktor.
  6. Ein SOFC-System nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenabgasseite des Wärmeübertragers, d. h. der Shiftreaktor, mit einem Katalysator zur Beschleunigung der Shift-Reaktion versehen ist.
  7. Ein SOFC-System nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragerwand zwischen Anodenabgas des SOFC-Stacks und dem frischen Brenngas nur für CO2 und die frischen Brenngase weitgehend gasdicht ist.
  8. Ein SOFC-System nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Anodenabgasrezirkulation verzichtet werden kann, weil ausreichend viel Wasserdampf aus dem Anodenabgas des SOFC-Stacks in das frische Brenngas diffundiert.
  9. Ein SOFC-System nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das das SOFC-System verlassende CO2-Wasserdampf-Gemisch im Anschluss durch einfaches Auskondensieren des Wasserdampfs in CO2 und Wasser getrennt wird, so dass nur CO2 als gasförmiger Abgasstrom des SOFC-Systems neben dem an O2 abgemagerten Luftstrom der Kathode übrig bleibt.
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