DE1571986C - Hochtemperatur-Brennstoffelement - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Hochtemperatur-Brennstoffelement, in dem Kohlenwasserstoffe unmittelbar in elektrische Energie umgewandelt werden.

Bei der Verwendung von Kohlenwasserstoffen in Hochtemperatur-Brennstoffelementen wird infolge der thermischen Zersetzung des Kohlenwasserstoffes bei dessen Durchgang durch die Wärmeaustauscher in den Brennstoffleitungen Kohlenstoff ausgeschieden. Durch diesen werden die Brennstoffleitungen bereits nach kurzer Zeit verstopft. Die Brennstoffelemente fallen daher aus. Das Abscheiden des amorphen Kohlenstoffes kann bei höheren Betriebstemperaturen der Brennstoffelemente durch Oxydation des Kohlenstoffes verhindert werden.

Es ist bereits bekannt, die Oxydation des Kohlenstoffes zu CO₂ in Konvertern vorzunehmen und dabei gleichzeitig das Kohlendioxyd vor dem Eintritt in die Brennstoffelemente abzuscheiden, so daß als Brennstoff nur noch Wasserstoff übrigbleibt.

Des weiteren ist es auch bekannt (deutsche Patentschrift 965 755), H₂O oder CO₂ in den Brennstoff einzuspritzen. Dabei reagieren H₂O bzw. CO₂ mit dem Kohlenstoff gemäß den Gleichungen:

C + H₂O -> CO + H.,
C+ CO,-* 2CO

Bekannt ist außerdem noch, den Brennstoff dadurch mit Wasserdampf anzureichern, daß der Brennstoff vor dem Eintritt in die Wärmeaustauscher der Brennstoffelemente durch einen Wasserbehälter geleitet wird.
Es ist des weiteren bekannt (deutsche Auslegeschrift 1119 352), Brennstoff, oxydierendes Mittel und die Abgase durch einen -Wärmetauscher zu führen, wobei in dieseniidie durch die,Leitungen strömenden Abgase Verwendung.zur Vorwärmung'des oxydierenden Gases und des''Brenngases Verwendung finden. Jedoch stellt diese Druckschrift mehr die Brennstoffzelle als solche als den Wärmetauscher dar.

Bei den bisher bekannten Einrichtungen sind zusätzliche Behälter für Wasser bzw. Wasserdampf oder für CO₂ erforderlich. Bei der Oxydation des Kohlenstoffes zu CO₂ und zum Einspritzen von H₂O oder CO₂ in den Brennstoff werden außerdem noch Förderpumpen benötigt. Durch alle diese zusätzlichen Teile erhöhen sich das Volumen und das Leistungsgewicht der Hochtemperatur-Brennstoffelemente ganz erheblich. Das ist insbesondere dann sehr nachteilig, wenn diese für nicht stationäre Zwecke Verwendung finden sollen. Außerdem müssen die dem Kohlenwasserstoff beizumengenden Stoffe praktisch auf die Reaktionstemperatur zur Oxydation des Kohlenstoffes erwärmt werden. Für diesen Zweck sind weitere zusätzliche Einrichtungen und Energien erforderlich. Bei den bisher bekannten Anordnungen bleibt in den meisten Fällen nur noch Wasserstoff als Brennstoff übrig. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Brenn-Stoffelemente geringer.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei Hochtemperatur-Brennstoffelementen, in denen . Kohlenwasserstoffe unmittelbar in elektrische Energie umgewandelt werden, in den Brennstoffleitungen die thermische Zersetzung des Kohlenwasserstoffes zu verhindern, so daß kein Kohlenstoff ausgeschieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zum Wärmeaustausch zwischen den Reaktionsgasen und den_s Abgasen ein Wärmeaustauscher

angeordnet und in diesem Wärmeaustauscher zwischen den Brennstoffabgas- und Brennstoff leitungen Verbindungsrohre vorgesehen sind.

Eine vorteilhafte Ausbildung der Verbindungsrohre besteht darin, daß die in die Brennstoffabgasleitungen hineinragenden Abschnitte der Verbindungsrohre mit ihren öffnungen gegen die in den Brennstoffabgasleitungen herrschende Strömung gerichtet sind, wobei die Verbindungsrohre gegebenenfalls mit in die Brennstoffleitungen hineinreichenden Teilen versehen sind, deren öffnungen in Richtung der Strömung des Kohlenwasserstoffes weisen.

Die Querschnitte der Verbindungsrohre entsprechen vorteilhaft dem Mischungsverhältnis zwischen dem Kohlenwasserstoff und dem H₂O- und CO₂-Zusätzen. Darüber hinaus können in den Verbindungsrohren Drosselklappen angeordnet sein.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß durch die Ausführung die Gefahr der Bildung von amorphem Kohlenstoff in den Brennstoffleitungen auf einfache Weise verhindert wird, ohne daß zusätzliche Geräte für die beizugebenden H₂O- und CO₂-Zusätze, wie Behälter und Pumpen, erforderlich sind, die das Leistungsgewicht der Brennstoffelemente erhöhen und außerdem auch noch derartige Anlagen merklich verteuern.

An Hand der Zeichnung soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 den Prozeßplan einer Anlage mit Hochtemperatur-Brennstoffelementen und

Fig. 2 und 3 zwei nach dem Punkt A der Fig. 1 zwischen der Abgas- und Brennstoffleitung angeordnete Verbindungsrohre in vergrößerter Dartsellung.

Der Prozeßplan für die Anlage mit Hochtemperatur-Brennstoffelementen enthält den Brennstoffkreis, die Luftzu- und -abführung sowie die Abgasanlage.

Der Brennstoff wird einer Hochdruckflasche 1 unter Zwischenschaltung eines Druckregelventils 2 entnommen und über eine Leitung 3, die durch den Wärmeaustauscher 4 geführt ist, im erwärmten Zustand den Hochtemperatur-Brennstoffelementen 5 zugeführt. Vor ihrem Eintritt in den Wärmeaustauscher 4 ist die Leitung 3 mit einem Abzweig 6 versehen, an den sich eine weitere mit einem Ventil 7 ausgerüstete Leitung 8 anschließt. Diese endet an einem Anheizbrenner 9, durch den die Hochtemperatur-Brennstoffelemente 5 und der Wärmeaustauscher 4 vorgewärmt werden.

Die Luftzuführung hat ein Gebläse 10, vor das ein Luftfilter 11 geschaltet ist. Die vom Gebläse 10 kommende Leitung 12 durchdringt den Wärmeaustauscher 4, in dem die Luft auf höhere Temperatur gebracht wird, und endet an den Brennstoffelementen 5.

Über eine Leitung 13 werden die Abgase von den Hochtemperatur-Brennstoffelementen5 abgeführt. Die Leitung 13 geht ebenfalls durch den Wärmeaustauscher 4 hindurch. In diesem ist zwischen der den Brennstoff führenden Leitung 3 und der Abgasleitung 13 ein Verbindungsrohr 14a bzw. 146 nach den F i g. 2 oder 3 angeordnet.

Nach den Fig. 2 und 3 ist der in die Abgasleitung 13 hineinreichende Abschnitt 15 des- Verbindungsrohres 14a oder 146 nach Art eines Staurohres angeordnet. Unter Ausnutzung des in der Abgasleitung

13 herrschenden Druckes wird der Brennstoffleitung 3 über das Verbindungsrohr 14 α oder 146 H₂O und CO₂ zugeführt.

Entsprechend der F i g. 3 kann das Verbindungsrohr 14 b zur Beseitigung des auf diesem ruhenden, von dem in der Leitung 3 strömenden Brennstoff herrührenden statischen Druckes mit einem v/eiteren Teil 16 versehen sein, der so in die Brennstoffleitung 3 hineinreicht, daß dessen Öffnung in Flußrichtung des Brennstoffes liegt. Dadurch kann die der Brennstoffleitung 3 zugeführte Menge an H₂O und CO₂ erhöht werden.

Da wegen der Konzentrationspolarisation die dem Brennstoff zugegebene Abgasmenge möglichst genau dosiert und nicht wesentlich größer als unbedingt erforderlich sein soll, kann das Verbindungsrohr 14 a nach der F i g. 2 in seinem Querschnitt dieser Forderung angepaßt oder entsprechend der F i g. 3 in dem Verbindungsrohr 14 b eine Drosselklappe 17 vorgesehen sein. Diese kann durch bekannte Mittel von Hand oder automatisch über entsprechende Steuerglieder verstellbar ausgebildet sein.

Die Luftabführung von den Brennstoffelementen 5 erfolgt nach der Fig. 1 der Zeichnung über eine Leitung 18, die hinter dem Verbindungsrohr 14 a bzw.

14 b in die Leitung 13 für das Abgas enden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Hochtemperatur-Brennstoffelement, in dem Kohlenwasserstoffe unmittelbar in elektrische Energie umgewandelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zum Wärmeaustausch zwischen den Reaktionsgasen und den Abgasen ein Wärmeaustauscher (4) angeordnet ist und in diesem Wärmeaustauscher zwischen den Brennstoffabgas- und Brennstoffleitungen (13, 3) Verbindungsrohre (14a bzw. -14b) vorgesehen' sind.

2. Hochtemperatur-Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Brennstoffabgasleitungen (13) hineinragenden Abschnitte (15) der Verbindungsrohre (14 a bzw. 140) mit ihren Öffnungen gegen die in den Brennstoffabgasleitungen (13) herrschende Strömung gerichtet sind, wobei die Verbindungsrohre (14 b) gegebenenfalls mit in die Brennstoffleitungen (3) hineinreichenden Teilen (16) versehen sind, deren Öffnungen in Richtung der Strömung des Kohlenwasserstoffes weisen.

3. Hochtemperatur-Brennstoffelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitte der Verbindungsrohre (14a) entsprechend dem Mischungsverhältnis zwischen dem Kohlenwasserstoff und den H₂O- und CO₂-Zusätzen ausgewählt sind.

4. Hochtemperatur-Brennstoffelement nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Verbindungsrohren (14 b) Drosselklappen angeordnet sind