DE102012218648A1

DE102012218648A1 - Festoxidbrennstoffzellensystem mit H2O- und CO2-Abtrennung

Info

Publication number: DE102012218648A1
Application number: DE201210218648
Authority: DE
Inventors: Florian Haag
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-10-12
Filing date: 2012-10-12
Publication date: 2014-04-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Festoxidbrennstoffzellensystem (20), welches mindestens eine Festoxidbrennstoffzelle (10) mit einer Anode (1), einer Kathode (2) und einem dazwischen angeordneten Elektrolyten und einen Rezirkulationskreislauf (201, 21, 221, 22, 222, 23, 223) zum Rezirkulieren von Anodenabgas umfasst, wobei der Anode (1) ein kohlenstoffhaltiges Brenngas und der Kathode (2) ein sauerstoffhaltiges Gas zuführbar ist. Um ein kontinuierlich betreibbares Festoxidbrennstoffzellensystem (20) mit einem verbesserten Brennstoffnutzungsgrad beziehungsweise Wirkungsgrad zur Verfügung zu stellen, umfasst der Rezirkulationskreislauf (201, 21, 221, 22, 222, 23, 223) einen Kohlenstoffdioxidabscheider (21), welcher eine Kohlenstoffdioxid selektive Membran oder eine Gaszentrifuge umfasst. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Betriebsverfahren für ein Festoxidbrennstoffzellensystem.

Description

Die Erfindung betrifft ein Festoxidbrennstoffzellensystem und ein Betriebsverfahren für ein Festoxidbrennstoffzellensystem.
Stand der Technik
Wegen ihres Potentials zur Senkung des Kohlenstoffdioxid-(CO₂)-Ausstoßes bei der Bereitstellung von Strom und Wärme spielt die Kraft-Wärme-Kopplung eine zunehmend wichtigere Rolle im Energiemarkt. Dabei sind Brennstoffzellen-Anlagen auf der Basis von keramischen Zellen, so genannten Festoxidbrennstoffzellen (SOFC; englisch: Solide Oxide Fuel Cell), welche – da sie herkömmlicherweise bei Temperaturen in einem Bereich von 650 °C bis 1000 °C betrieben werden – auch als Hochtemperatur-Brennstoffzellen bezeichnet werden, wegen ihres hohen elektrischen Wirkungsgrads von besonderem Interesse.
Festoxidbrennstoffzellen weisen eine Anode, einen Elektrolyten und eine Kathode auf. Die Kathode und die Anode sind dabei elektrisch kontaktiert. Der Kathode wird ein sauerstoffhaltiges Gas, beispielsweise Luft oder gegebenenfalls reiner Sauerstoff, zugeführt, wobei die Sauerstoffatome von der Kathode Elektronen aufnehmen und als zweifach negativ geladene Ionen durch den Elektrolyten diffundieren können.
Die Kathodenreaktion kann durch die Reaktionsgleichung: O₂ + 4e^– → 2O^2– wiedergegeben werden:
Als Brennstoff kann dem System ein kohlenstoffhaltiges Brenngas, beispielsweise Erdgas, Biogas oder Methan, zugeführt werden. Im Bereich der Anode kann das kohlenstoffhaltige Brenngas insbesondere in Form eines wasserstoff- und/oder kohlenmonoxidhaltigen Gases, so genanntes Reformat, vorliegen. Dabei können durch den Elektrolyten diffundierte Sauerstoffionen mit Wasserstoff beziehungsweise Kohlenstoffmonoxid unter der Abgabe von Elektronen an die Anode entsprechend den folgenden Reaktionsgleichungen reagieren: 2O^2– + 2H₂ → 2H₂O + 4e^– 2O^2– + 2CO → 2CO₂ + 4e^–
Die Druckschrift DE 103 00 466 A1 beschreibt ein Festoxidbrennstoffzellensystem.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Festoxidbrennstoffzellensystem welches mindestens eine Festoxidbrennstoffzelle mit einer Anode, einer Kathode und einem dazwischen angeordneten Elektrolyten umfasst. Der Anode ist dabei ein kohlenstoffhaltiges, gegebenenfalls (vor-)reformiertes, Brenngas und der Kathode ein sauerstoffhaltiges Gas, beispielsweise Luft, zuführbar. Weiterhin umfasst das Festoxidbrennstoffzellensystem einen Rezirkulationskreislauf zum Rezirkulieren von Anodenabgas, also dem Wiederzuführen von Anodenabgas zur Anode. Der Rezirkulationskreislauf kann dabei insbesondere eine Anodenabgasleitung zum Abführen von Abgas von der Anode, insbesondere gasleitend, mit einer Brenngaszufuhrleitung zum Zuführen von Brenngas zur Anode verbinden.
Unter einer Festoxidbrennstoffzelle kann insbesondere ein so genanntes Brennstoffzellenstack, insbesondere eine, beispielsweise kompakte, Anordnung aus mehreren Brennstoffzelleneinheiten mit jeweils einer Anode, einer Kathode und einem dazwischen angeordneten Elektrolyten, verstanden werden. Das kohlenstoffhaltige, gegebenenfalls (vor-)reformierte, Brenngas kann dabei insbesondere den Anoden und das sauerstoffhaltige Gas, beispielsweise Luft, den Kathoden des Stacks zuführbar sein.
Um ein kontinuierlich betreibbares Festoxidbrennstoffzellensystem mit einem verbesserten Brennstoffnutzungsgrad beziehungsweise Wirkungsgrad zur Verfügung zu stellen, umfasst der Rezirkulationskreislauf insbesondere einen Kohlenstoffdioxidabscheider, welcher eine Kohlenstoffdioxid selektive Membran oder eine Gaszentrifuge umfasst. Insbesondere kann der Kohlenstoffdioxidabscheider eine Kohlenstoffdioxid selektive Membran umfassen.
Herkömmlicherweise kann der Brennstoff in einem Festoxidbrennstoffzellensystem nicht vollständig umgesetzt werden, so dass das Anodenabgas noch unverbrauchten Brennstoff enthält.
Das Verhältnis von verbrauchtem zu eingesetztem Brennstoff (BS) kann über den Brennstoffnutzungsgrad (FU; englisch: Fuel Utilisation) entsprechend der folgenden Gleichung beschrieben werden:
Bei Festoxidbrennstoffzellensystemen bei denen das Anodenabgas nicht rezirkuliert wird, legt der Brennstoffnutzungsgrad (FU) gleichermaßen eine Obergrenze für die mögliche Stromgewinnung durch die Festoxidbrennstoffzelle und den möglichen elektrischen Wirkungsgrad des Festoxidbrennstoffzellensystems fest, wobei die mögliche Stromgewinnung durch die Festoxidbrennstoffzelle und der mögliche elektrische Wirkungsgrad des Festoxidbrennstoffzellensystems desto höher sind, je höher der Brennstoffnutzungsgrad und damit die dadurch vorgegebene Obergrenze ist.
Bei einem Festoxidbrennstoffzellensystem, in dem das Anodenabgas durch einen Rezirkulationskreislauf rezirkuliert, also der Anode erneut zugeführt wird, kann hingegen zwischen dem Brennstoffnutzungsgrad der Festoxidbrennstoffzelle (FU_BZ) und dem Brennstoffnutzungsgrad des Festoxidbrennstoffzellensystems (FU_BZS) unterschieden werden, wobei bei der Bestimmung des Brennstoffnutzungsgrads der Festoxidbrennstoffzelle (FU_BZ) der in die Brennstoffzelle eintretende Brennstoff und bei der Bestimmung des Brennstoffnutzungsgrads des Festoxidbrennstoffzellensystem (FU_BZS) der in das (Gesamt-)System eintretende Brennstoff berücksichtigt wird.
Der Brennstofffluss kann dabei im Hinblick auf die mit Sauerstoff oxidierbaren Komponenten bilanziert werden. Die Gewichtung kann dabei auf der Anzahl der durch Oxidation bindbaren Sauerstoffatome beruhen.
Methan (CH₄) kann beispielsweise einen Gewichtungsfaktor von 4 aufweisen, da zur vollständigen Oxidation von Methan entsprechend der Reaktionsgleichung: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O 4 Sauerstoffatome benötigt werden.
Definiert man beispielsweise die Rezirkulationsrate (r) entsprechend der Gleichung:
wobei n ._ox,recy der Anzahl an durch den rezirkulierten Stoffstrom bindbaren Sauerstoffatomen und n ._ox,Aag der Anzahl an durch den Stoffstrom am Ausgang der Anode, dem Anodenabgas, bindbaren Sauerstoffatomen entspricht (siehe auch Figuren), so kann ein Zusammenhang zwischen dem Brennstoffnutzungsgrad der Festoxidbrennstoffzelle (FU_BZ) und dem Brennstoffnutzungsgrad des Festoxidbrennstoffzellensystems (FU_BZS) entsprechend der folgenden Gleichung hergeleitet werden:
Zum Beispiel ergäbe sich damit für einen Brennstoffnutzungsgrad der Festoxidbrennstoffzelle (FU_BZ) von 60 % und eine Rezirkulationsrate (r) von 0,62 ein Brennstoffnutzungsgrad des Festoxidbrennstoffzellensystems (FU_BZS) von 79,8 %.
Das Anodenabgas umfasst in der Regel eine Mischung aus Wasserstoff (H₂), Kohlenstoffmonoxid (CO), Kohlenstoffdioxid (CO₂), und Wasser (H₂O).
Durch den Kohlenstoffdioxidabscheider kann dem Anodenabgas das Reaktionsprodukt Kohlenstoffdioxid entzogen werden, und dadurch der Brennstoffnutzungsgrad des Festoxidbrennstoffzellensystems (FU_BZS), insbesondere bei gleichbleibendem Brennstoffnutzungsgrad der Festoxidbrennstoffzelle (FU_BZ), erhöht werden. Der Grund hierfür liegt im höheren Anteil an oxidierbaren Bestandteilen im rezirkulierten Stoffstrom. Entsprechend der Definition für die Rezirkulationsrate r erhöht sich diese bei einer selektiven Kohlenstoffdioxidabscheidung, da das Verhältnis der oxidierbaren Komponenten im rezirkulierten Strom zu den oxidierbaren Komponenten im Anodenabgas steigt. Aus dem Kohlenstoffdioxidabscheider kann dabei ein kohlenstoffdioxidangereichertes Gas, insbesondere mit einem geringen Wasserstoff-, Kohlenstoffmonoxid- und Wasseranteil entfernt werden.
Verglichen mit einem vergleichbaren Festoxidbrennstoffzellensystem ohne Kohlenstoffdioxidabscheider kann so vorteilhafterweise der Brennstoffnutzungsgrad des Festoxidbrennstoffzellensystems (FU_BZS) erhöht werden. Da der Brennstoffnutzungsgrad des Festoxidbrennstoffzellensystems (FU_BZS) die Obergrenze für den elektrischen Wirkungsgrad bestimmt kann hierdurch ein höherer elektrischer Wirkungsgrad des Festoxidbrennstoffzellensystems erzielt werden. Im Fall einer hundertprozentigen Kohlenstoffdioxid-(CO₂)-Selektivität des Kohlenstoffdioxidabscheiders wäre sogar ein Brennstoffnutzungsgrad des Festoxidbrennstoffzellensystems (FU_BZS) von 100 % möglich. Zudem verändert sich durch die Abtrennung des Kohlenstoffdioxids – und wie später erläutert gegebenenfalls des Wassers – die Zusammensetzung des in die Anode eintretenden Gasgemisches, wodurch die Nernst-Spannung der Festoxidbrennstoffzelle und folglich auch der elektrische Wirkungsgrad der Festoxidbrennstoffzelle erhöht werden kann. Das abgetrennte Kohlenstoffdioxid kann zudem vorteilhafterweise leicht aufgefangen und damit Treibhausgasemission in die Atmosphäre verhindert werden, was die Möglichkeit bietet die CO₂-Bilanz und Umweltfreundlichkeit des Festoxidbrennstoffzellensystems merklich zu verbessern.
Bei einer vollständigen Umsetzung beispielsweise von Methan als zugeführtem Brennstoff müssten gemäß der Reaktionsgleichung: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O im stationären Betrieb pro Mol Methan (CH₄) zwei Mol Wasser (H₂O) und ein Mol Kohlenstoffdioxid (CO₂) entzogen werden.
Zur Berechnung des Brennstoffnutzungsgrades des Festoxidbrennstoffzellensystems (FU_BZS)
kann insbesondere der aus dem Festoxidbrennstoffzellensystem austretende oxidierbare Stoffstrom n ._ox,out ermittelt werden (siehe auch Figuren). Für eine Kohlenstoffdioxid-(CO₂)-Abscheidung mit einer Selektivität von 1 treten nur reines Kohlenstoffdioxid und gegebenenfalls Wasser aus dem System aus. Da diese Stoffströme beide keine oxidierbaren Komponenten enthalten, wäre bei einer Kohlenstoffdioxid-(CO₂)-Abscheidung mit einer Selektivität von 1 der aus dem Festoxidbrennstoffzellensystem austretende oxidierbare Stoffstrom n ._nox,out = 0 woraus sich FU_BZS = 100% ergäbe.
Der Einsatz eines Kohlenstoffdioxidabscheiders auf der Basis einer Kohlenstoffdioxid selektiven Membran oder einer Gaszentrifuge hat den Vorteil, dass die Kohlenstoffdioxidabscheidung kontinuierlich durchgeführt werden kann und beispielsweise auf eine bei absorptions- und/oder adsorptionsbasierten Kohlenstoffdioxidabscheidern erforderliche Unterbrechung der Kohlenstoffdioxidabscheidung zur Regeneration oder zum Austausch des Adsorptions- und/oder Absorptionsmaterials verzichtet werden kann. Zudem kann mit membranbasierten beziehungsweise zentrifugenbasierten Kohlenstoffdioxidabscheidern vorteilhafterweise eine höhere Kohlenstoffdioxid-Selektivität und damit ein höherer Brennstoffnutzungsgrad beziehungsweise Wirkungsgrad des Festoxidbrennstoffzellensystems erzielt werden als durch absorptions- und/oder adsorptionsbasierte Kohlenstoffdioxidabscheider.
Insgesamt kann so vorteilhafterweise ein, insbesondere kontinuierlich betreibbares, Festoxidbrennstoffzellensystem mit einem hohen elektrischen Wirkungsgrad beziehungsweise mit einem hohen Gesamtwirkungsgrad (Summe des elektrischen und thermischen Wirkungsgrades) und einer hohen Lebensdauer zur Verfügung gestellt werden.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Rezirkulationskreislauf weiterhin einen Kondensator zum Abscheiden von Wasser.
Durch den Kondensator kann dem rezirkulierten Anodenabgas zudem das Reaktionsprodukt Wasser entzogen werden, und dadurch ebenfalls der Brennstoffnutzungsgrad des Festoxidbrennstoffzellensystems (FU_BZS), insbesondere bei gleichbleibendem Brennstoffnutzungsgrad der Festoxidbrennstoffzelle (FU_BZ), erhöht werden. Insbesondere kann durch die Kondensation von Wassers ein für die (Vor-)Reformierung und die elektrochemische Reaktion in der Festoxidbrennstoffzelle günstiges Sauerstoff/Kohlenstoff-(O/C)-Verhältnis eingestellt werden, wodurch die Nernst-Spannung, die einen Einfluss auf den elektrischen Wirkungsgrad der Festoxidbrennstoffzelle hat, positiv beeinflusst werden kann und Rußbildung vermieden werden kann. Vorzugsweise wird der Wassergehalt des rezirkulierten Anodenabgases durch den Kondensator nur soweit gesenkt, dass eine, insbesondere im Wesentlichen vollständige, (Vor-)Reformierung von neu zugeführtem Brenngas gewährleistet werden kann. Dies hat den Vorteil, dass auf eine zusätzliche Wasserquelle verzichtet werden kann. Gegebenenfalls kann das entzogene Wasser zumindest teilweise einem (Vor-)Reformer zur Verfügung gestellt werden. Es ist jedoch ebenso möglich, das Festoxidbrennstoffzellensystem reformerfrei auszugestalten und beispielsweise das Brenngas, insbesondere ausschließlich, in der Brennstoffzelle zu reformieren. Auch ist es möglich, das Wasser in dem Rezirkulationskreislauf durch den Kondensator, insbesondere im Wesentlichen vollständig, zu entfernen und anderer Stelle, beispielsweise in den (Vor-)Reformer oder die Brenngaszufuhr, Wasser, insbesondere von dem Kondensator oder einer anderen Wasserquelle, zur (Vor-)Reformierung einzuspeisen.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung dieser Ausführungsform ist der Kondensator in dem Rezirkulationskreislauf vor dem Kohlenstoffdioxidabschneider angeordnet. Da das Anodengas durch den Kondensator abgekühlt wird, wird der Kohlenstoffdioxidabscheider so vorteilhafterweise einer geringeren Temperatur ausgesetzt. Da dem Anodengas durch den Kondensator Wasser entzogen wird, weist das in den Kohlenstoffdioxid eintretende Anodengas zudem vorteilhafterweise einen geringeren Wassergehalt auf. Eine geringer Temperaturbelastung und ein verminderter Wassergehalt können sich dabei wiederum vorteilhaft auf die Kohlenstoffdioxidabscheidung, die Herstellungskosten, die Lebensdauer und/oder die Zuverlässigkeit auswirken.
Im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der Rezirkulationskreislauf weiterhin eine Pumpe.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung dieser Ausführungsform ist der Kondensator in dem Rezirkulationskreislauf vor der Pumpe angeordnet.
Eine Anordnung des Kondensators vor der Pumpe hat ebenfalls den Vorteil, dass das Anodenabgas durch den Kondensator abgekühlt wird und die Pumpe bei einer geringeren Temperatur betrieben werden kann. So können die an die Pumpe gestellten Temperaturanforderungen beziehungsweise Temperaturbelastungen gesenkt und dadurch die Herstellungskosten, Lebenszeit und/oder Zuverlässigkeit der Pumpe und damit des Festoxidbrennstoffzellensystems optimiert werden.
Zum Beispiel kann die Pumpe in dem Rezirkulationskreislauf zwischen dem Kondensator und dem Kohlenstoffdioxidabscheider beziehungsweise nach dem Kondensator und vor dem Kohlenstoffdioxidabscheider angeordnet sein.
Insbesondere kann der Kondensator in dem Rezirkulationskreislauf direkt vor der Pumpe angeordnet sein.
Die Pumpe kann in dem Rezirkulationskreislauf, beispielsweise direkt, vor dem Kohlenstoffdioxidabscheider angeordnet sein. So kann beispielsweise das Anodenabgas mit einem erhöhten Druck beziehungsweise einer erhöhten Geschwindigkeit in den Kohlenstoffdioxidabscheider eingeleitet werden, was sich insbesondere im Fall eines membranbasierten Kohlenstoffdioxidabscheiders vorteilhaft auswirken kann.
Bei der Kondensation von Wasser kann dem Festoxidbrennstoffzellensystem durch den Kondensator Wärme entzogen werden. Grundsätzlich ist es möglich diese Wärme für einen anderen Zweck als das Festoxidbrennstoffzellensystem zu nutzen. Beispielsweise ist es möglich diese Wärme zu speichern und/oder zum Heizen eines anderen Objektes, beispielsweise eines Gebäudes, eines Wassertanks etc., zu nutzen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die dem Anodenabgas durch den Kondensator entzogene Wärme jedoch dem Festoxidbrennstoffzellensystem zurückführbar. So kann vorteilhafterweise der Gesamtwirkungsgrad des Festoxidbrennstoffzellensystems weiter erhöht werden.
Im Fall einer hohen Kohlenstoffdioxid-(CO₂)-Selektivität des Kohlenstoffdioxidabscheiders kann möglicherweise auf einen Nachbrenner verzichtet und das Festoxidbrennstoffzellensystem nachbrennerfrei ausgestaltet werden, da beispielsweise bei Kohlenstoffdioxid-(CO₂)-Selektivität des Kohlenstoffdioxidabscheiders von annähernd 100 % das von dem Kohlenstoffdioxidabscheider abgeschiedene Gas keine beziehungsweise kaum noch brennbare Komponenten umfasst.
Da durch eine Verbrennung von dem geringen Anteil der in dem von dem Kohlenstoffdioxidabscheider abgeschiedene Gas gegebenenfalls noch enthaltenen brennbaren Komponenten noch zusätzliche Wärme gewonnen werden kann und somit der thermische Wirkungsgradanteil des Festoxidbrennstoffzellensystems und damit auch der Gesamtwirkungsgrad des Festoxidbrennstoffzellensystems erhöht werden, kann es vorteilhaft sein dennoch einen Nachbrenner einzusetzen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst daher das Festoxidbrennstoffzellensystem weiterhin einen Nachbrenner, insbesondere wobei das von dem Kohlenstoffdioxidabscheider abgeschiedene kohlenstoffdioxidangereicherte Abgas dem Nachbrenner zuführbar ist. Als Oxidationsmittel kann dem Nachbrenner beispielsweise Kathodenabgas oder externe Luft, insbesondere Kathodenabgas, zuführbar sein.
Insofern der Anteil an brennbaren Komponenten in dem von dem Kohlenstoffdioxidabscheider abgeschiedenen Gas für eine Verbrennung in einem Nachbrenner zu gering sein sollte, kann das Festoxidbrennstoffzellensystem entweder, um einen besonders hohen elektrischen Wirkungsgradanteil zu erzielen, nachbrennerfrei ausgestaltet werden oder, die Kohlenstoffdioxidselektivität des Kohlenstoffdioxidabscheiders kann, um – insbesondere auf Kosten des elektrischen Wirkungsgradanteils und zu Gunsten des thermischen Wirkungsgradanteils – eine beispielsweise vollständige Ausnutzung des Brenngases und damit einen möglichst hohen Gesamtwirkungsgrad zu erzielen, bewusst so eingestellt beziehungsweise ausgewählt werden, dass das von dem Kohlenstoffdioxidabscheider abgeschiedene kohlenstoffdioxidangereicherte Gas noch brennbar ist.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das Festoxidbrennstoffzellensystem weiterhin einen (Vor-)Reformer. Der (Vor-)Reformer kann insbesondere in der Brenngaszufuhrleitung angeordnet sein. Der Rezirkulationskreislauf kann dabei insbesondere vor dem (Vor-)Reformer in die Brenngaszufuhrleitung münden. In dem (Vor-)Reformer kann dabei das zuvor in dem Rezirkulationskreislauf durch den Kondensator abgekühlte Anodenabgas wieder erhitzt werden.
Insofern das Festoxidbrennstoffzellensystem reformerfrei ist, kann das Erhitzen des durch den Kondensator abgekühlten Anodenabgases gegebenenfalls auch in der Brennstoffzelle oder durch eine in der Brenngaszufuhrleitung, insbesondere nach der Pumpe und/oder dem Kohlenstoffdioxidabscheider, angeordnete Heizeinrichtung beziehungsweise Wärmetauscher erfolgen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das Festoxidbrennstoffzellensystem weiterhin einen Wärmeaustauschkoppler, insbesondere durch welchen dem von dem Kohlenstoffdioxidabscheider abgeschiedenen kohlenstoffdioxidangereicherten Abgas und/oder dem Abgas des Nachbrenners Wärme entziehbar ist. Grundsätzlich ist es möglich auch diese Wärme für einen anderen Zweck als das Festoxidbrennstoffzellensystem zu nutzen. Beispielsweise ist es möglich diese Wärme zu speichern und/oder zum Heizen eines anderen Objektes, beispielsweise eines Gebäudes, eines Wassertanks etc., zu nutzen.
Insbesondere kann jedoch die durch den Wärmeaustauschkoppler dem von dem Kohlenstoffdioxidabscheider abgeschiedenen kohlenstoffdioxidangereicherten Abgas und/oder dem Abgas des Nachbrenners Wärme entzogene Wärme dem Festoxidbrennstoffzellensystem zurückführbar sein. So kann vorteilhafterweise der Gesamtwirkungsgrad des Festoxidbrennstoffzellensystems weiter erhöht werden.
Bei dem Festoxidbrennstoffzellensystem kann es sich beispielsweise um ein stationäres System, zum Beispiel um ein, gegebenenfalls ergänzendes, Heizsystem, zum Beispiel für ein Gebäude oder eine Anlage, handeln.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Festoxidbrennstoffzellensystems wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
Ein weiterer Gegenstand ist ein Betriebsverfahren für ein Festoxidbrennstoffzellensystem, beispielsweise ein erfindungsgemäße Festoxidbrennstoffzellensystem, in dem in einem Verfahrensschritt a) einer Anode ein kohlenstoffhaltiges, gegebenenfalls (vor-)reformiertes, Brenngas und einer Kathode ein sauerstoffhaltiges Gas, beispielsweise Luft, mindestens einer Festoxidbrennstoffzelle zugeführt wird.
Um den Brennstoffnutzungsgrad beziehungsweise den Wirkungsgrad des Festoxidbrennstoffzellensystems zu erhöhen, wird dabei in mindestens einem weiteren Verfahrensschritt Kohlenstoffdioxid aus dem Abgas der Anode entfernt und das kohlenstoffdioxidabgereicherte Anodengas rezirkuliert beziehungsweise der Anode (erneut) zugeführt. Das Entfernen des Kohlenstoffdioxids aus dem Anodenabgas kann dabei beispielsweise durch einen Kohlenstoffdioxidabscheider, welcher eine Kohlenstoffdioxid selektive Membran oder eine Gaszentrifuge, insbesondere eine Kohlenstoffdioxid selektive Membran, umfasst, erfolgen.
Im Rahmen einer speziellen Ausgestaltung wird neben dem Kohlenstoffdioxid in einem weiteren Verfahrensschritt Wasser durch Kondensation aus dem Anodengas entfernt, wobei der Verfahrensschritt des Entfernens von Wasser vorzugsweise vor dem Verfahrensschritt des Entfernens von Kohlenstoffdioxid durchgeführt wird.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren neben dem Verfahrensschritt a) den Verfahrensschritt b), in dem Wasser aus dem Abgas der Anode durch Kondensation entfernt wird, und den Verfahrensschritt c), in dem aus dem wasserabgereicherten Anodenabgas Kohlenstoffdioxid entfernt wird, sowie den Verfahrensschritt d), in dem das wasserabgereicherte, kohlenstoffdioxidabgereicherte Anodenabgases der Anode (erneut) zugeführt beziehungsweise rezirkuliert wird. Wasser aus dem Abgas der Anode durch Kondensation zu entfernen, bevor Kohlenstoffdioxid entfernt wird, hat den Vorteil, dass das Anodengas bei der Kohlenstoffdioxidabscheidung eine geringere Temperatur und einen geringeren Wassergehalt aufweist, was sich vorteilhaft auf die Kohlenstoffdioxidabscheidung sowie die Herstellungskosten, die Lebensdauer und/oder die Zuverlässigkeit der eingesetzten Bauteile auswirken kann.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wird in Verfahrensschritt b) der Wassergehalt des Anodengases nur soweit gesenkt, dass neu zugeführtes Brenngas, insbesondere im Wesentlichen vollständig, (vor-)reformierbar ist.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wird das Anodenabgas beim Entfernen von Wasser durch Kondensation, insbesondere in Verfahrensschritt b), abgekühlt. In einem nach dem Entfernen von Kohlenstoffdioxid, insbesondere in Verfahrensschritt c), und vor dem Rezirkulieren, insbesondere in Verfahrensschritt d), erfolgenden Verfahrensschritt d0), kann dabei das Anodenabgas zum Beispiel wieder aufgeheizt werden. Das Wiederaufheizen, insbesondere in Verfahrensschritt d0), kann zum Beispiel durch einen (Vor-)Reformer oder durch die mindestens eine Festoxidbrennstoffzelle oder gegebenenfalls durch eine Heizeinrichtung beziehungsweise einen Wärmetauscher erfolgen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wird beim Entfernen von Kohlenstoffdioxid, insbesondere in Verfahrensschritt c), ein brennbares kohlenstoffdioxidangereichertes Gas entfernt.
Insbesondere kann dabei das Verfahren weiterhin den Verfahrensschritt c1): Verbrennen des, insbesondere in Verfahrensschritt c) entfernten, brennbaren kohlenstoffdioxidangereicherten Gases umfassen.
Das Verbrennen des, insbesondere in Verfahrensschritt c), entfernten, brennbaren kohlenstoffdioxidangereicherten Gases kann, insbesondere in Verfahrensschritt c1), beispielsweise unter beziehungsweise durch Zufuhr von Kathodenabgas erfolgen.
Beim Entfernen von Wasser, insbesondere in Verfahrensschritt b), und/oder vor einem Auslassen beziehungsweise Ablassen des kohlenstoffdioxidangereicherten, gegebenenfalls verbrannten, Gases kann dem Gas Wärme entzogen werden. Insbesondere kann das Verfahren weiterhin den Verfahrensschritt c’): Entziehen von Wärme aus dem in Verfahrensschritt c) entfernten, brennbaren kohlenstoffdioxidangereicherten Gas und/oder dem beim Verbrennen des in Verfahrensschritt c) entfernten, brennbaren kohlenstoffdioxidangereicherten Gases in Verfahrensschritt c1) entstehenden Abgases umfassen.
Beim Entfernen von Wasser, insbesondere in Verfahrensschritt b), und/oder vor dem Auslassen beziehungsweise Ablassen des kohlenstoffdioxidangereicherten Gases, insbesondere in Verfahrensschritt c’), entzogene Wärme, kann dem Festoxidbrennstoffzellensystem insbesondere wieder zurückgeführt werden.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Festoxidbrennstoffzellensystem sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
Zeichnungen
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
1 einen schematischen Fließplan zur Veranschaulichung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Festoxidbrennstoffzellensystems und Verfahrens;
2 einen schematischen Fließplan zur Veranschaulichung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Festoxidbrennstoffzellensystems und Verfahrens;
3 einen schematischen Fließplan zur Veranschaulichung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Festoxidbrennstoffzellensystems und Verfahrens; und
4 einen schematischen Fließplan zur Veranschaulichung einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Festoxidbrennstoffzellensystems und Verfahrens;
1 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Festoxidbrennstoffzellensystems 20 und veranschaulicht, dass das Festoxidbrennstoffzellensystem 20 eine Festoxidbrennstoffzelle 10 mit einer Anode 1, einer Kathode 2 und einem dazwischen angeordneten Elektrolyten umfasst. Die Grenzen für die Berechnung des Brennstoffnutzungsgrades (FU_BZS) des Festoxidbrennstoffzellensystems 20 sind mit einer durchgezogenen Linie dargestellt, die Grenzen für die Berechnung des Brennstoffnutzungsgrades (FU_BZ) der Brennstoffzelle 10 mit einer Strichpunktlinie.
Dabei ist der Anode 1 über eine Brenngaszufuhrleitung 331, 231, 224 ein kohlenstoffhaltiges, durch einen Vorreformer 24 vorreformiertes Brenngas zuführbar. Der Kathode 2 ist dabei über eine Sauerstoffzufuhrleitung 332, 232 ein sauerstoffhaltiges Gas, beispielsweise Luft oder gegebenenfalls Sauerstoff, zuführbar.
Das sauerstoffhaltige Gas kann dabei beispielsweise durch eine Pumpe beziehungsweise ein Gebläse 32 in das Festoxidbrennstoffzellensystem 20 und insbesondere in die Sauerstoffzufuhrleitung 232 des Festoxidbrennstoffzellensystems 20 eingespeist werden.
Darüber hinaus ist in 1 eine weitere Pumpe beziehungsweise ein weiteres Gebläse 31 eingezeichnet, welches das Brenngas in das Festoxidbrennstoffzellensystem 20 und insbesondere in die Brenngaszufuhrleitung 231, 224 des Festoxidbrennstoffzellensystems 20 einspeist. Da kohlenstoffhaltige Brenngase, wie Erdgas, Biogas, Methan, Ethan, Propan, Butan und Gasgemische davon, in Druckbehältern speicherbar sind und aus diese unter Druckentlastung entnehmbar sind beziehungsweise durch eine Gasleitung, beispielsweise einen Hausanschluss, unter Druck bereitstellbar sind, ist das Gebläse beziehungsweise die Pumpe 31 nicht zwingend erforderlich, so dass hierauf in dem Festoxidbrennstoffzellensystem 20 verzichtet werden kann.
Zum Abführen des Abgases der Kathode 2 weist das Festoxidbrennstoffzellensystem 20 eine Kathodenabgasleitung 202 auf.
Zum Abführen des Abgases der Anode 1 weist das Festoxidbrennstoffzellensystem 20 eine Anodenabgasleitung 201 auf. 1 veranschaulicht, dass die Anodenabgasleitung 201 Bestandteil eines Rezirkulationskreislaufs 201, 21, 221, 22, 222, 23, 223 ist, welcher zum Rezirkulieren des Anodenabgases, das heißt zum (wieder) Zuführen des Anodenabgases zur Anode 1, gasleitend mit der Brenngaszufuhrleitung 231, 224 verbunden ist und in diese mündet.
In der Brenngaszufuhrleitung ist ein (Vor-)Reformer 24 angeordnet, welcher das kohlenstoffhaltige Brenngas in ein Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid enthaltendes Reformat umwandelt. 1 zeigt, dass dabei der Rezirkulationskreislauf 201, 21, 221, 22, 222, 23, 223 vor dem Reformer 24 in die Brenngaszufuhrleitung 231, 224 mündet.
1 veranschaulicht, dass der Rezirkulationskreislauf 201, 21, 221, 22, 222, 23, 223 einen Kohlenstoffdioxidabscheider 21 umfasst. Bei dem Kohlenstoffdioxidabscheider 21 kann es sich insbesondere um einen eine Kohlenstoffdioxid selektive Membran oder eine Gaszentrifuge umfassenden Kohlenstoffdioxidabscheider handeln.
1 zeigt zudem, dass der Rezirkulationskreislauf 201, 21, 221, 22, 222, 23, 223 weiterhin einen Kondensator 22 zum Abscheiden von Wasser und eine Pumpe 23 umfasst.
1 veranschaulicht, dass von dem Kohlenstoffdioxidabscheider 21 abgeschiedenes kohlenstoffdioxidangereichertes Abgas durch eine Abgasleitung 221’ in einen Wärmeaustauschkoppler 33 und von dort aus durch eine weitere Abgasleitung 333‘ ausleitbar ist. Durch den Wärmeaustauschkoppler 33 kann dabei dem kohlenstoffdioxidangereicherten Abgas Wärme entzogen und mittels einer, über Leitungen 333, 334 mit dem Wärmeaustauschkoppler 33 verbundene Heizeinrichtung 34 beispielsweise an anderer Stelle dem Festoxidbrennstoffzellensystem 20 wieder zugeführt oder zu einem anderen Zweck, beispielsweise zum Heizen eines anderen Objektes, zum Beispiel eines Gebäudes, eines Wassertanks etc., genutzt werden.
Durch den Kondensator 22 wird dem Anodenabgas nicht nur Wasser sondern auch Wärme entzogen, welche ebenfalls zum Beispiel an anderer Stelle dem Festoxidbrennstoffzellensystem 20 wieder zurück geführt oder zu einem anderen Zweck, beispielsweise zum Heizen eines anderen Objektes, zum Beispiel eines Gebäudes, eines Wassertanks etc., genutzt werden kann. Es ist sowohl möglich den Wassergehalt des Anodenabgases durch den Kondensator 23 nur soweit zu senken, dass neu zugeführtes Brenngas vollständig reformierbar ist. Alternativ dazu ist es möglich, Wasser aus dem Anodengas vollständig zu entfernen und zum Reformieren von neu zugeführtem Brenngas im (Vor-)Reformer 24 zumindest einen Teil des durch den Kondensator 22 abgeschiedenen Wassers oder Wasser aus einer anderen, beispielsweise externen, Wasserversorgung zu verwenden.
Im Rahmen der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform ist in dem Rezirkulationskreislauf 201, 21, 221, 22, 222, 23, 223 der Kohlenstoffdioxidabscheider 21 vor dem Kondensator 22 und dieser wiederum vor der Pumpe 23 angeordnet, wobei die Anodenabgasleitung 201 mit dem Kohlenstoffdioxidabscheider 21, der Kohlenstoffdioxidabscheider 21 über eine Rezirkulationskreislaufleitung 221 mit dem Kondensator 22, der Kondensator 22 über eine weitere Rezirkulationskreislaufleitung 222 mit der Pumpe 23 und die Pumpe über eine weitere Rezirkulationskreislaufleitung 223 mit der Brenngaszufuhrleitung 231, 224 gasleitend verbunden ist. Dabei entfernt der Kohlenstoffdioxidabscheider 21 zunächst Kohlenstoffdioxid aus dem Abgas der Anode 1, wobei dann der Kondensator 22 aus dem kohlenstoffdioxidabgereicherten Anodenabgases Wasser entfernt und dabei das Anodenabgas abkühlt, so dass der Pumpe 23 kohlenstoffdioxidabgereichertes, wasserabgereichertes und abgekühltes Anodenabgas zugeführt wird. Die Pumpe 23 pumpt dann das kohlenstoffdioxidabgereicherte, wasserabgereicherte und abgekühlte Anodenabgas in die Brenngaszufuhrleitung 231. In dem (Vor-)Reformer 24 wird dann das kohlenstoffdioxidabgereicherte, wasserabgereicherte und abgekühlte Anodenabgas wieder aufgeheizt, so dass der Anode 1 wasserabgereichertes, kohlenstoffdioxidabgereichertes temperiertes Anodenabgas zusammen mit neu reformiertem Brenngas zugeführt wird.
Die in 2 gezeigte zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Festoxidbrennstoffzellensystems 20 unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch von der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Festoxidbrennstoffzellensystems 20, dass in dem Rezirkulationskreislauf 201, 21, 221, 22, 222, 23, 223 der Kondensator 22 und die Pumpe 23 vor dem Kohlenstoffdioxidabscheider 21 angeordnet sind, wobei die Anodenabgasleitung 201 mit dem Kondensator 22, der Kondensator 22 wiederum über eine Rezirkulationskreislaufleitung 222 mit der Pumpe 23, die Pumpe wiederum über eine weitere Rezirkulationskreislaufleitung 223 mit dem Kohlenstoffdioxidabscheider 21 und schließlich der Kohlenstoffdioxidabscheider 21 über eine weitere Rezirkulationskreislaufleitung 221 mit der Brenngaszufuhrleitung 231, 224 gasleitend verbunden ist. Dabei entfernt der Kondensator 22 zunächst Wasser aus dem Abgas der Anode 1 und kühlt dieses dabei ab, so dass der Pumpe 23 und später auch dem Kohlenstoffdioxidabscheider 21 wasserabgereichertes, abgekühltes Anodenabgas zugeführt wird. Der Kohlenstoffdioxidabscheider 21 entfernt dann Kohlenstoffdioxid, so dass der Brenngaszufuhrleitung 231 wasserabgereichertes, kohlenstoffdioxidabgereichertes und abgekühltes Anodenabgas zugeführt wird. In dem (Vor-)Reformer 24 wird das wasserabgereicherte, kohlenstoffdioxidabgereicherte und abgekühlte Anodenabgas wieder aufgeheizt, so dass der Anode 1 wasserabgereichertes, kohlenstoffdioxidabgereichertes temperiertes Anodenabgas zusammen mit neu reformiertem Brenngas zugeführt wird.
Die in 3 gezeigte dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Festoxidbrennstoffzellensystems 20 unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch von der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Festoxidbrennstoffzellensystems 20, dass das Festoxidbrennstoffzellensystem 20 zusätzlich einen Nachbrenner 35 umfasst. 3 zeigt, dass dem Nachbrenner 35 einerseits über die Abgasleitung 221’ von dem Kohlenstoffdioxidabscheider 21 abgeschiedenes kohlenstoffdioxidangereichertes Abgas und andererseits über die Kathodenabgasleitung 202 Kathodenabgas zuführbar ist. Das Abgas des Nachbrenners 35 ist wiederum über eine Abgasleitung 335 dem bereits im Rahmen von 1 erläuterten Wärmeaustauschkoppler 33 zuführbar. Im Rahmen einer Ausgestaltung ist der Kohlenstoffdioxidabscheider 21 derart ausgestaltet beziehungsweise eingestellt, dass das von dem Kohlenstoffdioxidabscheider 21 aus dem Anodenabgas entfernte, kohlenstoffdioxidangereichertes Gas brennbar ist und damit von dem Nachbrenner 35 verbrannt werden kann. Durch den Wärmeaustauschkoppler 33 kann dabei dem beim Verbrennen des brennbaren kohlenstoffdioxidangereicherten Gases entstehenden Abgas Wärme entzogen und beispielsweise mittels einer, über Leitungen 333, 334 mit dem Wärmeaustauschkoppler 33 verbundene Heizeinrichtung 34 an anderer Stelle dem Festoxidbrennstoffzellensystem 20 wieder zurück geführt oder zu einem anderen Zweck, beispielsweise zum Heizen eines anderen Objektes, zum Beispiel eines Gebäudes, eines Wassertanks etc., genutzt werden.
Die in 4 gezeigte vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Festoxidbrennstoffzellensystems 20 unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch von der in 3 gezeigten dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Festoxidbrennstoffzellensystems 20, dass analog zu der in 2 gezeigten Ausführungsform in dem Rezirkulationskreislauf 201, 21, 221, 22, 222, 23, 223 der Kondensator 22 und die Pumpe 23 vor dem Kohlenstoffdioxidabscheider 21 angeordnet sind.
Die 1 bis 4 veranschaulichen zudem die in den anfangs beschriebenen Formel genannten Stoffströme. So zeigen, die Figuren 1 bis 4 n ._ox,recy, welcher dem Anteil an oxidierbaren Komponenten im Strom in Leitung 223 beziehungsweise 221 entspricht, n ._ox,Ang, welcher dem Anteil an oxidierbaren Komponenten im Strom in Leitung 201 entspricht, n ._ox,in, welcher dem Anteil an oxidierbaren Komponenten im Strom in Leitung 331 entspricht, und n ._ox,out, welcher dem Anteil an oxidierbaren Komponenten im Strom in den Leitungen 333‘ und 222’ entspricht.
Durch selektive Abscheidungen kann im Austritt beziehungsweise Abgas der Anteil Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) erhöht und der Anteil an Wasserstoff (H₂) und Kohlenstoffmonoxid (CO) minimiert werden. Unter Beibehaltung des Nutzungsgrades der Brennstoffzelle, verändert sich dadurch der Volumenstrom durch die Brennstoffzelle. Um einen Brennstoffnutzungsgrad (FU_BZS) des Festoxidbrennstoffzellensystem 20 von 100 % zum Beispiel mit einer Festoxidbrennstoffzelle 10 mit einem Brennstoffnutzungsgrad (FU_BZ) von 50 % zu erzielen, müsste beispielsweise der Volumenstrom an der Brennstoffzelle 10 doppelt so hoch sein wie am Systemeingang.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10300466 A1 [0005]

Claims

Festoxidbrennstoffzellensystem (20), umfassend – mindestens eine Festoxidbrennstoffzelle (10) mit einer Anode (1), einer Kathode (2) und einem dazwischen angeordneten Elektrolyten, wobei der Anode (1) ein kohlenstoffhaltiges Brenngas und der Kathode (2) ein sauerstoffhaltiges Gas zuführbar ist, und – einen Rezirkulationskreislauf (201, 21, 221, 22, 222, 23, 223) zum Rezirkulieren von Anodenabgas, wobei der Rezirkulationskreislauf (201, 21, 221, 22, 222, 23, 223) einen Kohlenstoffdioxidabscheider (21) umfasst, wobei der Kohlenstoffdioxidabscheider (21) eine Kohlenstoffdioxid selektive Membran oder eine Gaszentrifuge umfasst.
Festoxidbrennstoffzellensystem (20) nach Anspruch 1, wobei der Rezirkulationskreislauf (201, 21, 221, 22, 222, 23, 223) weiterhin einen Kondensator (22) zum Abscheiden von Wasser umfasst.
Festoxidbrennstoffzellensystem (20) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Rezirkulationskreislauf (201, 21, 221, 22, 222, 23, 223) weiterhin eine Pumpe (23) umfasst,
Festoxidbrennstoffzellensystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in dem Rezirkulationskreislauf (201, 21, 221, 22, 222, 23, 223) der Kondensator (22) vor dem Kohlenstoffdioxidabschneider (21) und/oder vor der Pumpe (23) angeordnet ist.
Festoxidbrennstoffzellensystem (20) nach einem der Ansprüche 2 bis 4 wobei dem Anodenabgas durch den Kondensator (22) entzogene Wärme dem Festoxidbrennstoffzellensystem (20) zurückführbar ist.
Festoxidbrennstoffzellensystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Festoxidbrennstoffzellensystem (20) weiterhin einen Nachbrenner (35) umfasst, wobei dem Nachbrenner (35) Kathodenabgas und von dem Kohlenstoffdioxidabscheider (21) abgeschiedenes kohlenstoffdioxidangereichertes Abgas zuführbar ist.
Festoxidbrennstoffzellensystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Festoxidbrennstoffzellensystem (20) weiterhin einen Reformer (24) umfasst, wobei der Reformer (24) in einer Brenngaszufuhrleitung (231, 24, 224) zum Zuführen des kohlenstoffhaltigen Brenngases zur Anode (1) angeordnet ist, insbesondere wobei der Rezirkulationskreislauf (201, 21, 221, 22, 222, 23, 223) vor dem Reformer (24) in die Brenngaszufuhrleitung (231, 24, 224) mündet.
Festoxidbrennstoffzellensystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Festoxidbrennstoffzellensystem (20) weiterhin einen Wärmeaustauschkoppler (33) umfasst, wobei dem von dem Kohlenstoffdioxidabscheider (21) abgeschiedenen kohlenstoffdioxidangereicherten Abgas und/oder dem Abgas des Nachbrenners (35) Wärme durch den Wärmeaustauschkoppler (33) entziehbar und insbesondere dem Festoxidbrennstoffzellensystem (20) zurückführbar ist.
Betriebsverfahren für ein Festoxidbrennstoffzellensystem (20), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend die Verfahrensschritte: a) Zuführen eines kohlenstoffhaltigen Brenngases einer Anode (1) und eines sauerstoffhaltigen Gases, beispielsweise Luft, einer Kathode (2) mindestens einer Festoxidbrennstoffzelle (10), b) Entfernen von Wasser aus dem Abgas der Anode (1) durch Kondensation, c) Entfernen von Kohlenstoffdioxid aus dem wasserabgereicherten Anodenabgas, und d) Zuführen des wasserabgereicherten, kohlenstoffdioxidabgereicherten Anodenabgases der Anode (1).
Betriebsverfahren nach Anspruch 9, wobei in Verfahrensschritt b) der Wassergehalt des Anodengases nur soweit gesenkt, dass neu zugeführtes Brenngas, insbesondere im Wesentlichen vollständig, reformierbar ist.
Betriebsverfahren nach Anspruch 10, wobei in Verfahrensschritt b) das Anodenabgas abgekühlt wird und wobei das Anodengas in einem nach Verfahrensschritt c) und vor Verfahrensschritt d) erfolgenden Verfahrensschritt d0) aufgeheizt wird, insbesondere wobei Verfahrensschritt d0) durch einen (Vor-)Reformer (24) oder durch die mindestens eine Festoxidbrennstoffzelle (10) erfolgt.
Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei in Verfahrensschritt c) ein brennbares kohlenstoffdioxidangereichertes Gas entfernt wird.
Betriebsverfahren nach Anspruch 12, wobei das Verfahren weiterhin den Verfahrensschritt c1): Verbrennen des in Verfahrensschritt c) entfernten, brennbaren kohlenstoffdioxidangereicherten Gases umfasst.
Betriebsverfahren nach Anspruch 13, wobei in Verfahrensschritt c1) das Verbrennen des in Verfahrensschritt c) entfernten, brennbaren kohlenstoffdioxidangereicherten Gases unter Zufuhr von Kathodenabgas erfolgt.
Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei das Verfahren weiterhin den Verfahrensschritt c’): Entziehen von Wärme aus dem in Verfahrensschritt c) entfernten, brennbaren kohlenstoffdioxidangereicherten Gas und/oder dem beim Verbrennen des in Verfahrensschritt c) entfernten, brennbaren kohlenstoffdioxidangereicherten Gases in Verfahrensschritt c1) entstehenden Abgases, umfasst, insbesondere wobei in Verfahrensschritt c’) und/oder b) entzogene Wärme dem Festoxidbrennstoffzellensystem (20) zurück geführt wird.