DE19514469A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage und Brennstoffzellenanlage zum Durchführen des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage und auf eine Brennstoffzellenan­ lage zum Durchführen des Verfahrens.

Es ist bekannt, daß bei der Elektrolyse von Wasser die Was­ sermoleküle durch elektrischen Strom in Wasserstoff und Sau­ erstoff zerlegt werden. In der Brennstoffzelle läuft dieser Vorgang in umgekehrter Richtung ab. Bei der elektrochemischen Verbindung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser entsteht elektrischer Strom: mit hohem Wirkungsgrad und - wenn als Brenngas reiner Wasserstoff eingesetzt wird - ohne Emission von Schadstoffen und Kohlendioxid. Auch mit technischen Brenngasen, beispielsweise Erdgas oder Kohlegas, und mit Luft oder mit O₂ angereicherte Luft anstelle von reinem Sauer­ stoff, erzeugt die Brennstoffzelle deutlich weniger Schad­ stoffe und weniger CO₂ als andere Technologien fossiler Ener­ gieträger. Die technische Umsetzung dieses Prinzips hat zu sehr unterschiedlichen Lösungen, mit verschiedenartigen Elek­ trolyten und mit Betriebstemperaturen zwischen 80°C und 1000°C, geführt.

Bei der Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brennstoffzelle (Solid Oxid Fuel Cell, SOFC) beispielsweise dient Erdgas als primäre Energiequelle. Die Leistungsdichte von 1 MW/m³ ermöglicht ei­ nen sehr kompakten Aufbau. Die zusätzlich entstehende Wärme hat eine Temperatur von über 900°C.

Ein Brennstoffzellenblock, der in der Fachliteratur auch "Stack" genannt wird, setzt sich aus einer Vielzahl von planar aufgebauten und aufeinander gestapelten Brennstoffzel­ len zusammen.

Um eine Brennstoffzellenanlage, die mindestens einen Brenn­ stoffzellenblock umfaßt, mit einer bestimmten, konstanten Be­ triebstemperatur zu betreiben, muß dieser zum Erreichen bzw. Halten der notwendigen Betriebstemperatur Wärme zugeführt werden. Die zur Zeit realisierten Brennstoffzellenblöcke wei­ sen relativ kleine Leistungen und Abmessungen im Labormaßstab auf. Sie werden in Öfen auf die Betriebstemperatur von ca. 600°C bei der MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) bzw. ca. 950°C bei der SOFC gebracht und im Ofen betrieben. Diese Lösung ist für Brennstoffzellenblöcke mit größeren Leistungen und Abmessungen nicht praktikabel.

Aus "A Study for a 200 kWe-System for Power and Heat", von M. R. Taylor, D. S. Beishon, Tagungsbericht "First European Solid Oxid Fuel Cell Forum", Luzern 1994, Seite 849 bis 864, ist ein Verfahren bekannt, das zum Erwärmen des Brennstoff­ zellenblockes Rauchgas durch diesen leitet. Dieses Verfahren ist unvorteilhaft, da durch das Rauchgas die Brennstoffzel­ len, aus denen sich der Brennstoffzellenblock zusammensetzt, verschmutzt oder beschädigt werden.

Ein weiteres Problem ist das Erwärmen aller anderen Komponen­ ten außer dem Brennstoffzellenblock aus dem sich die Brenn­ stoffzellenanlage zusammensetzt, beispielsweise die Erwärmung der Leitungen und der Wärmetauscher.

Der Erfindung liegen nun die Aufgaben zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage, insbesondere ei­ ner Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage, anzugeben, das diese erwärmt, ohne die Brennstoffzellen zu verschmutzen oder zu beschädigen und unabhängig von der Größe der Brennstoff­ zellenanlage ist. Außerdem soll eine Brennstoffzellenanlage zum Durchführen des Verfahrens angegeben werden.

Die genannten Aufgaben werden jeweils gelöst mit den Merkma­ len der Ansprüche 1 bzw. 4.

Bei einem Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanla­ ge, insbesondere einer Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage, die mindestens einen Brennstoffzellenblock mit einem Anoden­ teil und einem Kathodenteil umfaßt, wird gemäß der Erfindung ein Prozeßgas für den Kathodenteil vor dem Einspeisen in den Brennstoffzellenblock durch einen Wärmetausch mit einem in einem Verbrennungsprozeß entstehenden Abgas erwärmt. Als Pro­ zeßgas wird ein Gas ohne Rußanteile, d. h. kein Rauchgas ver­ wendet. Demzufolge kommt es nicht zu Verschmutzungen oder Be­ schädigungen der Brennstoffzellen aufgrund von Rauchgasein­ wirkungen. Der Brennstoffzellenblock wird durch das erwärmte Prozeßgas erwärmt. Dadurch muß der Brennstoffzellenblock nicht in einem speziellen Ofen erwärmt werden, d. h. daß das Verfahren auf jede beliebige Konfiguration von Brennstoffzel­ lenblöcken anwendbar ist. Das Verfahren ist damit unabhängig von der Leistung und den Abmessungen der Brennstoffzellen­ blöcke und damit ebenso unabhängig von den Abmessungen der Brennstoffzellenanlage.

Insbesondere wird die Wärme zum Erreichen und/oder Halten der notwendigen Betriebstemperatur zugeführt. Dadurch werden Lei­ stungsschwankungen aufgrund von Schwankungen der Betriebstem­ peratur ausgeglichen oder vermieden. Nach kürzeren Betriebs­ pausen muß somit die Brennstoffzellenanlage nicht mehr erneut auf die notwendige Betriebstemperatur gefahren werden, wo­ durch Zeit und Energie eingespart wird.

Des weiteren wird ein Prozeßabgas des Anodenteils einem Wär­ metauscher zugeführt, mit dem ein Prozeßgas für den Anoden­ teil erwärmt wird. Ein Teil der Wärme des Kathodenteils wird an den Anodenteil und den Anodenweg übertragen. Somit wird der Anodenteil des Brennstoffzellenblocks und der Anodenweg erwärmt, ohne daß eine zusätzlich gesonderte Vorrichtung für die Erwärmung des Anodenteils und des Anodenweges verwendet werden muß.

Bei einer Brennstoffzellenanlage zum Durchführen des Verfah­ rens gemäß der Erfindung, die mindestens einen Brennstoffzel­ lenblock mit einem Anodenteil und einem Kathodenteil enthält, ist ein erster Wärmetauscher vorgesehen, der in einem Zuweg dem Kathodenteil vorgeschaltet ist und mit dem in einem Ver­ brennungsprozeß entstehenden Abgas betrieben wird. Das Abgas aus der Brennkammer gibt in dem ersten Wärmetauscher seine Wärme an das Prozeßgas ab. In dem Wärmetauscher findet keine Mischung des Abgas es aus der Brennkammer mit dem Prozeßgas statt. Es gelangt somit beim Erwärmen des Brennstoffzellen­ blockes kein Rauchgas, d. h. kein Abgas aus der Brennkammer, das Rußanteile enthalten kann, in den Kathodenteil des Brenn­ stoffzellenblockes.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der erste Wärmetauscher an eine Brennkammer angeschlossen.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist im Zuweg vor dem ersten Wärmetauscher ein zweiter Wärmetauscher vorge­ schaltet, in dem ein Prozeßabgas des Kathodenteils seine Wärme an das Prozeßgas für den Kathodenteil überträgt. Vor­ teilhafterweise wird so die Wärme des Prozeßabgases des Ka­ thodenteils für die Erwärmung des Prozeßgases für den Katho­ denteil verwendet.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Bypass und eine Ventilanordnung zum Verändern der Menge und/oder der Tempera­ tur des Prozeßgases für den Kathodenteil vorgesehen. Mit die­ ser Ausführungsform können Temperaturschwankungen im Brenn­ stoffzellenblock ausgeglichen werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein in ei­ nem Zuweg dem Anodenteil vorgeschalteter dritter Wärme­ tauscher vorgesehen.

In einer weiteren Ausgestaltung sind wenigstens zwei parallel geschaltete Zuführungsleitungen zum Einspeisen des Prozeßga­ ses in den Zuweg vorgesehen.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung münden die Zufüh­ rungsleitungen vor dem dritten Wärmetauscher in den Zuweg des Anodenteils.

In einer vorteilhaften Ausführungsform enthält eine der Zu­ führungsleitungen einen Verdichter zum Zirkulieren des Pro­ zeßgases.

Vorzugsweise ist zum Zirkulieren des Prozeßgases eine Rück­ führungsleitung hinter dem dritten Wärmetauscher eines Abwe­ ges abgezweigt, die einen Kühler enthält und vor einem Ventil in die Zuführungsleitung mündet.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausfüh­ rungsbeispiele der Zeichnung verwiesen, in deren

Fig. 1 eine Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage gemäß der Erfindung schematisch dargestellt ist. In

Fig. 2 ist eine weitere Ausgestaltung einer Hochtemperatur- Brennstoffzellenanlage ebenfalls schematisch darge­ stellt.

Gemäß Fig. 1 enthält eine Brennstoffzellenanlage, insbeson­ dere einer Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage 2, einen Hochtemperatur-Brennstoffzellenblock 4, der in einen Anoden­ teil 6 mit nicht weiter dargestellten Anodengasräumen und ei­ nen Kathodenteil 8 mit nicht weiter dargestellten Kathoden­ gasräumen aufgeteilt ist. Der Brennstoffzellenblock 4 ist vorzugsweise aus einer Vielzahl von planar aufgebauten nicht weiter dargestellten Brennstoffzellen zusammengesetzt, wie es z. B. aus dem deutschen Patent P 39 35 722.8 bekannt ist. An dem Brennstoffzellenblock 4 ist ein Wechselrichter 10 ange­ schlossen, der den von dem Brennstoffzellenblock 4 erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom für ein hier nicht weiter darge­ stelltes Stromnetz 12 umwandelt.

Dem Kathodenteil 8 ist ein Kathodenweg 20 zugeordnet, der ei­ nen Zuweg 30 und einen Abweg 31 umfaßt. Im Zuweg 30 sind ge­ gen die Strömungsrichtung hintereinander ein erster und ein zweiter Wärmetauscher 22 und 24, ein Ventil 26 und ein Ver­ dichter 28 angeordnet. Der erste Wärmetauscher 22 ist über eine Abgasleitung 44 an eine Brennkammer 42 angeschlossen, die über die Zuführungsleitungen 46 und 60 mit Komponenten für einen Verbrennungsprozeß versorgt wird. Im Ausführungs­ beispiel mündet die Zuführungsleitung 60 zwischen das Ventil 26 und den Verdichter 28 und zweigt einen Teil eines Prozeß­ gases, beispielsweise Sauerstoff O₂, für den Kathodenteil 8 zur Versorgung der Brennkammer ab. Zum Einstellen der Menge dieses abgezweigten Teils ist in der Zuführungsleitung 60 ein Ventil 62 angeordnet. Das Prozeßgas für den Kathodenteil 8 wird in dem ersten Wärmetauscher 22 durch das Abgas aus der Brennkammer 42 erwärmt. Es findet kein Austausch von Gaskom­ ponenten im ersten Wärmetauscher 22 statt, d. h. daß kein Rauchgas in den Kathodenteil 8 eingespeist wird. Demzufolge kommt es nicht zu Beschädigungen oder Verschmutzungen der Brennstoffzellen aufgrund von Rauchgaseinwirkung.

Das Prozeßgas für den Kathodenteil 8 wird über den Zuweg 30 in die Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage 2 eingespeist. Das Prozeßgas wird vor dem Einspeisen in den Kathodenteil 8 als Prozeßgas für den Kathodenteil 8 und nach dem Verlassen des Kathodenteils 8 als Prozeßabgas des Kathodenteils 8 be­ zeichnet.

Nach Verlassen des Kathodenteils 8 wird das Kathodenabgas des Kathodenteils 8 durch den zweiten Wärmetauscher 24 geleitet und anschließend einer Einrichtung 70 zum Aufbereiten der Restgase aus der Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage 2 zu­ geführt und aus dieser Einrichtung 70 über die Abführungslei­ tung 72 zur Weiternutzung ausgeleitet.

Im zweiten Wärmetauscher 24 wird somit das Prozeßgas vor sei­ nem Eintritt in den ersten Wärmetauscher 22 zusätzlich durch das Prozeßabgas aus dem Kathodenteil 8 erwärmt.

Ein Bypass 50, der ebenfalls Prozeßgas für den Kathodenteil 8 führt, mit den Ventilen 52 und 54 und einer Leitung 56 ist parallel zu dem Zuweg 30 geschaltet. Die Leitung 56 zweigt aus dem Zuweg 30 zwischen dem Verdichter 28 und dem Ventil 26, das in Strömungsrichtung vor dem zweiten Wärmetauscher 24 angeordnet ist, ab. Die Leitung 56 teilt sich und mündet so­ wohl zwischen dem ersten und dem zweiten Wärmetauscher 22 bzw. 24, als auch zwischen dem Kathodenteil 8 und dem ersten Wärmetauscher 22, jeweils über das Ventil 54 bzw. 52, in den Zuweg 30. Mit den Ventilen 52 und 54 kann die Menge des durch die Wärmetauscher 22 und 24 strömenden Prozeßgases einge­ stellt werden. Mit mit dem Bypass 50 kann somit die Tempera­ tur des Prozeßgases für den Kathodenteils 8 verändert werden und demzufolge Temperaturschwankungen im Brennstoffzellen­ block 4 ausgeglichen oder vermieden werden.

Dem Anodenteil 6 ist ein Anodenweg 80 für dessen Versorgung mit Prozeßgas zugeordnet, der einen Zuweg 88 und einen Abweg 89 umfaßt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist im Zuweg 88 ein dritter Wärmetauscher 82 angeordnet, in dem ein Pro­ zeßabgas des Anodenteils 6 über den Abweg 89 ein Prozeßgas für den Anodenteil 6 erwärmt. Der Abweg 89 mündet in die Ein­ richtung 70 zum Aufbereiten der Restgase.

Über Zuführungsleitungen 86 und 87 und einen Mischer 84 wer­ den Prozeßgase für den Betrieb der Brennstoffzellenanlage 2, beispielsweise Brenngas und Reaktionsdampf, in den Zuweg 88 eingespeist.

In der vorteilhaften Ausgestaltung gemäß Fig. 2 ist dem An­ odenteil 6 ein Anodenweg 90 für dessen Versorgung mit Prozeß­ gas zugeordnet, der einen Zuweg 100 und einen Abweg 101 um­ faßt. In dem Zuweg 100 ist der dritte Wärmetauscher 82 ange­ ordnet. Eine Zuführungsleitung 110, über die ein Prozeßgas für den Anodenteil 6 zugeführt wird, mündet in Strömungsrich­ tung vor dem dritten Wärmetauscher 82 in den Zuweg 100.

Die Zuführungsleitung 110 umfaßt in Strömungsrichtung hinter­ einander angeordnet ein erstes Ventil 112, ein zweites Ventil 96 und einen Verdichter 98. Hinter dem dritten Wärmetauscher 82 ist vom Abweg 101 eine Rückführungsleitung 95 abgezweigt, die in die Zuführungsleitung 110 zwischen den Ventilen 112 und 96 mündet. In die Rückführungsleitung 95 ist ein Kühler 94 angeordnet.

Weitere Zuführungsleitungen 102, 104 und 128 münden jeweils über ein Ventil 106, 108 bzw. 130 in einen Mischer 84, dessen Ausgang an den Zuweg 100 angeschlossen ist. Über die Zufüh­ rungsleitungen 102 und 104 werden Prozeßgase für den Betrieb der Brennstoffzellenanlage 2, beispielsweise Brenngas, Reak­ tionsdampf und Wasserstoff H₂ eingespeist.

Zunächst sind die Ventile 106, 108, 122 und 130 geschlossen und über die Zuführungsleitung 110 mit dem geöffneten Ventil 112 wird das Prozeßgas für den Anodenteil 6 in den Zuweg 100 eingespeist. Anschließend wird das Ventil 112 geschlossen und das Prozeßgas für den Anodenteil 6 zirkuliert in dem Kreis der sich aus der Zuführungsleitung 110, dem Zuweg 100, dem Abweg 101 und der Rückführungsleitung 95 zusammensetzt. Das Zirkulieren wird durch den Kühler 94 und den Verdichter 98 ermöglicht.

Der kathodenseitige Teil der Brennstoffzellenanlage 2 hat denselben Aufbau wie in Fig. 1 veranschaulicht.

Der Anodenteil 6 wird, wie in der Figurenbeschreibung zu Fig. 1 beschrieben, durch das Erwärmen des Kathodenteils 8 miterwärmt. Der Anodenteil 6 gibt einen Teil der Wärme an das den Anodenteil 6 durchströmende Prozeßgas ab. Das den Anoden­ teil 6 verlassende erwärmte Prozeßabgas überträgt einen Teil seiner Wärme im Wärmetauscher 82 an das Prozeßgas für den An­ odenteil 6, das in den Anodenteil 6 einströmt. Das im Kühler 94 abgekühlte Prozeßabgas wird durch den Verdichter 98 in Be­ wegung gehalten und gelangt wieder als Prozeßgas in den An­ odenteil 6. Hier wird es wieder erwärmt und der Kreis wird von neuem durchlaufen bis er die erforderte Betriebstempera­ tur hat. Nach Erreichen der geforderten Betriebstemperatur wird das Prozeßabgas über den Abweg 101 einer Einrichtung 70 zum Aufbereiten der Restgase zugeführt.

Die Ausführungsform nach Fig. 2 hat den Vorteil, daß mit dem Erwärmen des Kathodenteils 8 des Brennstoffzellenblockes 4 ebenfalls auch der Anodenteil 6 und der Anodenweg 90 erwärmt werden, ohne daß zusätzliche gesonderte Vorrichtungen außer dem Kühler 94 und dem Verdichter 98 für die Erwärmung des An­ odenteils 6 und des Anodenweges 90 verwendet werden müssen. Dadurch wird die gesamte Brennstoffzellenanlage gleichmäßig und anlagenschonend erwärmt.

Ersatzweise kann der Anodenweg 90 auch mit Wasserstoff H₂, der über die Leitung 128 in den Zuweg 100 eingespeist wird, in der letzten Aufwärmphase erwärmt werden. Dies hat den Vor­ teil, daß bereits in der letzten Aufwärmphase der Brennstoff­ zellenblock 4 Gleichstrom produzieren kann.

Claims (12)

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage, ins­ besondere einer Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage (2) die mindestens einen Brennstoffzellenblock (4) mit einem An­ odenteil (6) und einem Kathodenteil (8) umfaßt, bei dem ein Prozeßgas für den Kathodenteil (8) vor dem Einspeisen in den Brennstoffzellenblock (4) durch einen Wärmetausch mit einem in einem Verbrennungsprozeß entstehenden Abgas erwärmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Wärme zum Erreichen und/oder Halten der notwendi­ gen Betriebstemperatur zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem ein Prozeßabgas des Anodenteils (6) einem Wärme­ tauscher (82) zugeführt wird, mit dem ein Prozeßgas für den Anodenteil (6) erwärmt wird.

4. Brennstoffzellenanlage zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, mit mindestens einem Brennstoffzellenblock (4) mit einem Anodenteil (6) und einem Kathodenteil (8) , bei dem ein in einem Zuweg (30) dem Kathodenteil (8) vorgeschalteter, mit einem in einem Verbrennungsprozeß entstehenden Abgas be­ triebener erster Wärmetauscher (22) vorgesehen ist.

5. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 4, bei der der erste Wärmetauscher (22) an eine Brennkammer (42) angeschlossen ist.

6. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 5, bei der im Zuweg (30) dem ersten Wärmetauscher (22) ein zwei­ ter Wärmetauscher (24) vorgeschaltet ist, in dem ein Prozeß­ abgas des Kathodenteils (8) seine Wärme an das Prozeßgas für den Kathodenteil (8) überträgt.

7. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 6, bei der ein Bypass (50) und eine Ventilanordnung (52 und 54) zum Verändern der Menge und/oder der Temperatur des Prozeßga­ ses für den Kathodenteil (8) vorgesehen ist.

8. Brennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei der ein in einem Zuweg (88, 100) dem Anodenteil (6) vor­ geschalteter dritter Wärmetauscher (82) vorgesehen ist.

9. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 8, bei der wenigstens zwei parallel geschaltete Zuführungsleitungen (102, 104, 110, 128) zum Einspeisen des Prozeßgases in den Zuweg (88, 100) vorgesehen sind.

10. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 8, bei der die Zuführungsleitungen (102, 104, 110, 128) vor dem dritten Wärmetauscher (82) in den Zuweg (88, 100) münden.

11. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 8, bei der eine der Zuführungsleitungen (110) einen Verdichter (98) zum Zirkulieren des Prozeßgases enthält.

12. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 11, bei der zum Zirkulieren des Prozeßgases eine Rückführungslei­ tung (95) hinter dem dritten Wärmetauscher (82) eines Abweges (101) abgezweigt ist, die einen Kühler (94) enthält und vor einem Ventil (96) in die Zuführungsleitung (110) mündet.