DE1931528C3 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem zur Durchführung dieses Verfahrens - Google Patents

Description

_6o RückführSng des Wasserstoffs über den Produktaustauscher in die Brennstoff kammer kann der Wasserstoff-Partialdruck in dieser auf dem genannten hohen hlt rde. Dies |^£««££

stoffPartialdruc

DieEr_nndungbetriffteinVerfahrenzumBetr_S Wert gehalten werde. Dies |^££ eines Brennstoffzellensystems von der im Oberbegriff ^^t JS einer verhältnismäßig hohen Temperatur des Patentanspruches 1 genannten Ga ung^ Dw Er- 65 ^^^„^ ^_1κ1ιβη 649 und 760° C. findung betrifft weiter ein Brennstoffzellensystem zur '»g^^ßj Ausgestaltung des erfindungs- ^^Z^^^lZ^ZT' S Verfahret unl eine Vorrichtung zum

Durchführen dieses Verfahrens sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Am Beispiel der in der Zeichnung genannten Ausführungsform wird die Erfindung nun weiter beschrieben.

Dem Brennstoffzellensystem wird über die Leitung 10 entschwefeltes Erdgas zugeführt. Ein Rücklauf von Wasserstoff und Wasser geschieht durch die Leitung 12. Es erfolgt eine Durchmischung, und sine Pumpe 14 drückt das Gemisch in einen Vorwärmer to 16, in welclicm auf etwa 538° C erhitzt wird. Das Gemisch wird dann der Brennstoffzelle 20 zugeleitet. Diese enthält eine Brennstoffkammer 18, welche mit katalytischem Material 22 gefüllt ist. In der Brennstoffkammer 18 wird der Brennstoff in seine Bestandteile Wasserstoff, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid sowie etwas Restwasser und Methan zerlegt. Die Brennstoffzelle 20 enthält eine Brennstoffelektrode 24 und eine Luftelektrode 26. Si*», sind durch einen Elektrolytträger 28 aus Tonerde miteinander verbunden. Der Elektrolyt enthält Lithium-, Kalium- und Natriumcarbonate. Bei Zimmertemperatur liegt der Elektrolyt in fester Form vor. Eine bevorzugte Elektrolytmischung enthält etwa 70 Gewichtsprozent Karbonate und 30 Gewichtsprozent Trägermaterial. Bei etwa 704° C ist der Elektrolyt flüssig und wird vom Träger festgehalten.

Das mit geschmolzenen Karbonatelektrolyten arbeitende System arbeitet unmittelbar mit dem umgeformten Brennstoff, und weder ein Separator noch eine chemische Zwischenreaktion sind zum Reinigen des Brennstoffs erforderlich. Die Brennstoffelektrode 24 besteht aus verfilzten Nickelfasern mit einer Dichte von etwa 2O°/o. Die Anodenreaktion mit der Gleichung

H₂ + CO₃

H₂O+ CO₂

leerzeugt Wasser, das in der Brennstoffströmung verdampft. Bei den hohen Temperaturen verdampft auch das Reaktionswasser, so daß der Wasserhaushalt im Elektrolyten nicht kritisch ist. Das Reaktionswasser ist die Quelle des Dampfes für den Umformvorgang. Ein Teil des Wasserstoffs aus dem umgeformten Brennstoff wird an der Brennstoffelektrode verbraucht. Die an Wasserstoff abgereicherten Brennstoffabgase verfassen die Brennstoffkammer 18 mit einer Temperatur von etwa 704⁰C. Sie werden einem Wärmetauscher 30 zugeführt und dort auf etwa 82° C abgekühlt und in den Produktaustauscher 32 eingebracht, in welchem im wesentlichen das gesamte Kohlendioxid und ein Teil des Wassers entfernt werden. Die Restströmung wird durch die Leitung 12 zur Pumpe 14 geleitet, durch welche dem System frischer Brennstoff zugeführt wird.

Im Gegenstrom wird Luft durch den Einlaß 34 dem Produktaustauscher 32 zugeführt, in welchem Kohlendioxid und Wasser, die aus den Brennstoffabgasen entfernt wurden, auf die Luftströmung übertragen werden, Kohlendioxid muß mit der Luft der Luftkammer 36 zugeführt werden. Vorkehrungen sind getroffen, um Kohlendioxid in verhältnismäßig hoher Konzentration zuzuführen. Das Luft-Gas-Gemisch wird dem Wärmetauscher 30 zugeführt und dort auf etwa 593° C erhitzt. Dieses Gemisch wird der Luftkammer 36 zugeführt, in welcher etwas Sauerstoff und Kohlendioxid bei der elektrochemischen Reaktion verbraucht werden. Die Kathodenreaktion mit der Gleichung

CO₂ + '/»O₂ + 2e- — CO3

erfordert 1 Mol Kohlendioxid und Vs MoI Sauerstoff für jedes Mol Wasserstoff, das an der Brennstoffelektrode umgewandelt wird. Die Luftabgase werden dem Vorwärmer 16 zugeführt, in welchem ihnen Wärme entzogen wird. Hierauf wild die Abgasströmung über die Leitung 38 abgeleitet.

An der Brennstoffelektrode 24 werden Elektronen erzeugt und über die Last 40 der Luftelektrode 26 zugeführt. In der Brennstoffkammer 18 ist Nickel als katalytisches Material 22 angeordnet. Die Abwärme der Zelle liefert die Energie, die zur Dampfumformung des Brennstoffs in der Brennstoffkammer erforderlich ist. Die Umformung des Brennstoffs erfolgt in unmittelbarer Nähe der Brennstoffelektrode, so daß der gebildete Wasserstoff gleichzeitig an der Elektrode zur Herstellung des Gleichgewichts verbraucht wird, um eine erhöhte Wasserstofferzeugung zu begünstigen.

Sinkt die Temperatur der Brennstoffzelle unter ihren maximalen Wert von etwa 704° C, kann die Strömung der Verfahrensluft verringert werden, um die Temperatur aufrechtzuerhalten. Die Temperatur sollte nicht unter ungefähr 649° C absinken, um eine hohe Leistung zu gewährleisten. Im allgemeinen wird die Temperatur auf etwa 704° C gehalten. Ein zusätzlicher Brenner kann mit dem Lufteinlaß verbunden werden, um die Temperatur der Zelle bei Teillast aufrechtzuerhalten. Bei der angenommenen Belastung und den Betriebsbedingungen ist genügend Abwärme für den Wärmebedarf der Umformung in der Brennstoffkammer 18 verfügbar.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

«ι sind Verfahren zum Betrieb eines Brenn- « i^ntes mit einem Brennstoff, der bei der Patentansprüche: ΑοΤ eines Kohlenwasserstoffes mit Wasserstoff i Brennstoff- KeaK ώ Bennstoffelemet p ΑοΤ eines Kohlenwasserstoffes mit Wasserstoff

1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoff- KeaK _ώ Brennstoffelement ent-

zellensystems bei Temperaturen zwischen 649 ^teten^ £_{m Reakt£)r fuf d Brennstoff}.

S 760° C mit einer Brennstoffelektrode, einer 5 stehen^ W ^ _{ß ff}

^elektrode, einem zwischen diesen angeord- heften g^ ^ _w„_{ßngem E1 ktrol ten} ^

hl Karbonatelektrolyten einer ^leme _{id dje Tempe}„tur des hergestellten

^elektrode, einem zwischen diesen ang f ^ ^ _{wßngem E1 ktrol ten} ^

„eten geschmolzenen Karbonatelektrolyten einer ^leme _{wird dje Tempe}„tur des hergestellten

Brennstoff- und einer Luftkammer und mit W* ^_{n yor dem Eintntt} das Brenn-

Wärmeaustausch zwischen den von der Brenn- ^B^ⁿ« _neruntergesetzL. ^f zhch wird die m

stoffzelie abgeleiteten und den dieser zugefuhrten ston _{st(jffelement} entwickelte Warme zum Teil

Stoffen dadurch gekennzeichnet, dais ",'". _Wärmeaustausch zum Erwarmen des Kohlen-

Kenw^^ (FR-PS 15 12 172 _und

kammer (18) eingeführt wird und in diesem wa ₂₃₄₎

Gegenwart eines katalytischen Materials (i£) ^rK ^t _weiter ein Brennstoffzellensystem, bei durch die Zellenabwärme umgeformt wird, wobei 15 «^e^_{nstoff in} einem außerhalb der Brennstoff-

der dazu benötigte Dampf von dem öei aem uc _{dea Um}f_ormer bei Temperaturen zwischen

Betrieb der Zelle entstehenden Wasserdampf ge- gi^e | _?60o _{c zu} Wasserstoff umgeformt wird. Die

stellt wird; daß die Brennstoff abgase, welche ^" _verden durch Verbrennen eines Teiles

Wasserstoff, Wasserdampf und Kohlendioxid ent- Jenig^^^ _{aus den} Zellenabgasen oder unhalten, durch einen Produktaustauscher ^) ge- *° ™? .. _durch der Brennstoffzeile entnommene

führt werden, in welchem das Kohlendioxid und mute b*^ dur ^^ ^ _{Brennstoffelektrode}

ein Teil des Wasser abgetrennt und der im Gegen- elektriscn s_palladium__silber__Mernbran (GB-PS

strom durchgeführten Luft zur Reaktion an der besteht au

Luftelektrode (26) zugeführt werden und daß iu«^· ; _{noch ein Verfahren zum} Betreidas restliche Wasser und der Wasserstoff aus dem _a5 »^^ann _Brennstoffzellensystems, bei dem die Brenn-

Produktaustauscher (32) unter Z«setzung von ben1 eines ^^ geschmolzenen Elektrolyten

neuem Kohlenwasserstoffbrennstoff in die Brenn- stonzc _kohlenstüffhaltige Brennstoff in der

Stoffkammer (18) zurückgeführt werden wobei in arbeite! unmittelbar mit Wasser umgesetzt

dieser Kammer ein Wasserstoff-Partialdruck von Β[^6ηη5 _ο ^ο"^Κ _α^_ε; _entstehende Reaktionswasser wird

0,35 bis 0,49 kp/cm* gehalten wird 3° wira _Kreisiauf zurückgeführt, sondern abge-

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge mcm in uc ^

kennzeichnet, daß als katalytisches Materia (22) »«»«^ bekannten Verfahren und Brennstoff-Nickel, das auf einem Träger ^g^ebra _t ^chi sein «^ⁿ _{ist ein} verhältnismäßig niedriger Wirkann, und als Kohlenwasserstohbrennstoff Me- ^K «meinsam. Hiervon ausgehend, er^bt sich

than eingesetzt werden. ur-hmnod« für die vorliegende Erfindung die Aufgabe, ein Ver-

3. Brennstoffzellensystem zur Durchfuhrung des fur die voniege Brennstoffzellensystems Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, mit fahrer.zum^traoe ^ _{hohef iherm}. einer Brennstoffelektrode, einer Luftelektrode und ^o auszubilden aa« _B Verfahren der einem zwischen diesen angeordneten geschmolze- ^her Wirkungsgrad ^g _sich ^ ^ nen Karbonatelektrolyten, mit Wärmeaustausch- ₄o WigJJ¹¹^ _d ⁸ _en f_m Kennzeichen des vorrichtungen zum Wärmeaustausch zwischen den J» J ^pnS« 1 aufgeführten Merkmalen.

von der Brennstoffzelle abgeleiteten und den die- ^PatentansP^ruC _d ^neS _wirki_ngsgrad steigerndes Merkmal ser zugeführten Stoffen, gekennzeichnet durch eine ^"^^ß"^ Kohlenwasserstoffbrennstoff un-Brennstoffkammer (18) mit einem kata^hen ,,eg^darn.daß der ^_{enabwärme un eformt wird}. Material (22) zur Umformung des Brennstoffes 45 m ttelba ^ cmrcn _{Veriuste unmktelbar au{} durch die Zellenabwärme, einem nachgeschalte- Die ^"^™^^ übertragen. Die Brennstofften Wärmetauscher sowie einem hinter diesem die^«njjoffkjmmer u 8_{produktaustauidieri} angeordneten Produktaustauscher (32) in.dem gase ge angen _Kohlendioxi_{d aus} dem Prodas Kohlendioxid und ein Teil des Wassers des Dort wira ™ _{und der} im Gegenstrom Brennstoffabgases konti"uierlich abgetrennt und ₅o dukt.™ _LW«_cV_geführte„ Luft⁸ zur erder im Gegenstrom durchgeieiteten Luf züge mu ein«jjp V Wasserstoff und restliches