DE19523972C1 - Brennstoffzellenanlage und Verfahren zu ihrem Betrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzellenanlage und ein Verfahren zu ihrem Betrieb.

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 mit O₂ angereicherter Luft anstelle von reinem Sau­ erstoff, erzeugt eine Brennstoffzelle deutlich weniger Schad­ stoffe und weniger CO₂ als andere Energieerzeuger, die mit fossilen Energieträgern arbeiten. Die technische Umsetzung des Prinzips der Brennstoffzelle hat zu sehr unterschiedli­ chen Lösungen, und zwar mit verschiedenartigen Elektrolyten und mit Betriebstemperaturen zwischen 80°C und 1000°C, ge­ führt.

Bei der Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brennstoffzelle (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) beispielsweise dient Erdgas als primäre Energiequelle. Der sehr kompakte Aufbau ermöglicht eine Lei­ stungsdichte von 1 MW/m³. Es ergeben sich Betriebstemperatu­ ren von über 900°C.

Ein Brennstoffzellenblock, der in der Fachliteratur auch "Stack" genannt wird, setzt sich in der Regel aus einer Viel­ zahl von planar aufgebauten und aufeinander gestapelten Brennstoffzellen zusammen.

Um eine Brennstoffzellenanlage, die mindestens einen Brenn­ stoffzellenblock umfaßt, mit einer hohen, konstanten Be­ triebstemperatur von beispielsweise über 900°C zu betreiben, muß dieser zum Erreichen der Betriebstemperatur vor dem Be­ trieb bzw. zum Halten der notwendigen Betriebstemperatur wäh­ rend kurzer Betriebspausen Wärme zugeführt werden. Die zur Zeit realisierten Brennstoffzellenblöcke haben relativ kleine Leistungen und weisen Abmessungen im Labormaßstab auf. Sie werden in einem Ofen auf die Betriebstemperatur von ca. 600°C bei der MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) oder ca. 950°C bei der SOFC gebracht und im Ofen betrieben. Diese Lösung ist für Brennstoffzellenblöcke mit größeren Leistungen und Abmes­ sungen 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 Oxide Fuel Cell Forum", Luzern 1994, Seiten 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, eine Brenn­ stoffzellenanlage, insbesondere eine Hochtemperatur-Brenn­ stoffzellenanlage, und ein Verfahren zu ihrem Betrieb anzuge­ ben, das diese erwärmt, ohne die Brennstoffzellen zu ver­ schmutzen oder zu beschädigen und unabhängig von der Größe der Brennstoffzellenanlage ist.

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

Die Brennstoffzellenanlage gemäß der Erfindung, insbesondere eine Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage, umfaßt mindestens einen Brennstoffzellenblock mit einem Anodenteil und einem Kathodenteil, wobei mindestens eine Wärmequelle zum elektri­ schen Erwärmen des Prozeßgases vor dem Einspeisen in den Brennstoffzellenblock zugeordnet ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist in einem Zuweg eines Kathodenweges dem Kathodenteil eine erste Wärmequelle vorge­ schaltet.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist in einem Zuweg eines Anodenweges dem Anodenteil eine zweite Wärme­ quelle vorgeschaltet.

Vorzugsweise ist die erste und/oder zweite Wärmequelle eine elektrische Heizmanschette, welche um den Zuweg, d. h. außen um eine das Prozeßgas führende Leitung, angeordnet ist und sich nicht in unmittelbarem Kontakt mit dem Prozeßgas befin­ det. Dies bietet den Vorteil, daß die elektrische Heizman­ schette auf dem Zuweg individuell positionierbar ist.

In einer weiteren Ausgestaltung ist die erste und/oder zweite Wärmequelle ein elektrisches Heizelement, welches in dem Zu­ weg angeordnet ist und von dem Prozeßgas unmittelbar umströmt wird. Durch diese Maßnahme ist die gute Regelbarkeit der Tem­ peratur gewährleistet.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf das Ausfüh­ rungsbeispiel der Zeichnung verwiesen, in deren einziger Figur das Anlagenschema einer Hochtemperatur-Brennstoffzel­ lenanlage dargestellt ist.

Bei dem Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage, insbesondere einer Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage, die mindestens einen Brennstoffzellenblock mit einem Anodenteil und einem Kathodenteil umfaßt, wird gemäß der Erfindung ein Prozeßgas für den Brennstoffzellenblock vor dem Einspeisen in den Brennstoffzellenblock elektrisch erwärmt. Durch eine sol­ che zusätzliche oder externe Wärmequelle kann der Brennstoff­ zellenblock unabhängig von der beim Reaktionsprozeß produ­ zierten Wärme erwärmt werden. Als Prozeßgas wird ein Gas ohne Rußanteile, d. h. kein Rauchgas, verwendet. Demzufolge kommt es nicht zur Verschmutzung oder Beschädigung der Brennstoff­ zellen aufgrund Rauchgaseinwirkung. Bei dem in dieser Pa­ tentanmeldung vorliegenden Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage wird der Brennstoffzellenblock durch das erwärmte Prozeßgas erwärmt. Dadurch muß der Brennstoff­ zellenblock nicht in einem speziellen Ofen erwärmt werden, d. h. daß das Verfahren auf jede beliebe Konfiguration von Brennstoffzellenblöcken anwendbar ist. Das Verfahren ist da­ mit unabhängig von der Leistung und den Abmessungen der Brennstoffzellenblöcke und damit ebenso unabhängig von den Abmessungen der Brennstoffzellenanlage.

Insbesondere wird das Prozeßgas zum Erreichen der notwendigen Betriebstemperatur elektrisch erwärmt, d. h. die Wärme wird zum Erreichen der notwendigen Betriebstemperatur zugeführt.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Prozeßgas zum Halten der notwendigen Betriebstemperatur elektrisch erwärmt, d. h. die Wärme wird zum Halten der notwendigen Betriebstem­ peratur zugeführt. Es werden Leistungsschwankungen aufgrund von Schwankungen der Betriebstemperatur ausgeglichen oder vermieden. Nach kurzen Betriebspausen muß die Brennstoffzel­ lenanlage nicht erst wieder auf die hohe Betriebstemperatur hochgefahren werden. Dadurch werden Kosten für aufzuwendende Prozeßgase während des Hochfahrens der Brennstoffzellenanlage und Zeit eingespart. Eine Einsparung von Zeit äußert sich auch in einer Reduzierung der Kosten.

Entsprechend der Figur enthält eine Brennstoffzellenanlage, insbesondere eine Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage 2, einen Brennstoffzellenblock 4, der in einen Anodenteil 6 mit nicht weiter dargestellten Anodengasräumen und einen Katho­ denteil 8 mit nicht weiter dargestellten Kathodengasräumen aufgeteilt ist. Der Brennstoffzellenblock 4 ist vorzugsweise aus einer Vielzahl von planar aufgebauten nicht weiter darge­ stellten Brennstoffzellen zusammengesetzt, wie z. B. aus der DE 39 35 722 A1 bekannt ist. An dem Brenn­ stoffzellenblock 4 ist ein Wechselrichter 46 angeschlossen, der den von dem Brennstoffzellenblock 4 erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom für ein hier nicht weiter dargestelltes Stromnetz umwandelt.

Dem Kathodenteil 8 ist ein Kathodenweg 10 für dessen Versor­ gung mit einem Prozeßgas, beispielsweise Sauerstoff O₂, zuge­ ordnet, der einen Zuweg 12 und einen Abweg 14 umfaßt. Das Prozeßgas für den Kathodenteil 8 wird über den Zuweg 12 in den Brennstoffzellenblock 4 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 bezeichnet. In dem Zuweg 12 ist ein erstes elektrisches Heizelement 24 dem Kathoden­ teil 8 vorgeschaltet.

Dem Anodenteil 6 ist ein Anodenweg 30 für dessen Versorgung mit einem Prozeßgas, beispielsweise Wasserstoff H₂ oder ein Gemisch aus Brenngas und Reaktionsdampf, zugeordnet, der ei­ nen Zuweg 32 und einen Abweg 34 umfaßt. Das Prozeßgas für den Anodenteil 8 wird über Zuführungsleitungen 36 und 37 und ei­ nen Mischer 38 in den Zuweg 32 und über den Zuweg 32 in den Brennstoffzellenblock 4 eingespeist. Das Prozeßgas wird vor dem Einspeisen in den Anodenteil 6 als Prozeßgas für den An­ odenteil 6 und nach dem Verlassen des Anodenteils 6 als Pro­ zeßabgas des Anodenteils 6 bezeichnet. In dem Zuweg 32 ist ein zweites elektrisches Heizelement 44 dem Kathodenteil 8 vorgeschaltet.

Als Prozeßgase werden Gase ohne Rußanteile, d. h. keine Rauch­ gase, verwendet. Demzufolge kommt es nicht zur Verschmutzung oder Beschädigung der Brennstoffzellen aufgrund der Rauchgas­ einwirkung. Bei dem vorliegenden Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage 2 wird der Brennstoffzellenblock 4 durch die erwärmten Prozeßgase erwärmt. Dadurch muß der Brennstoffzellenblock 4 nicht in ei­ nem speziellen Ofen erwärmt werden, d. h. daß das Verfahren auf jede beliebige Konfiguration von Brennstoffzellenblöcken 4 anwendbar ist. Das Verfahren ist damit unabhängig von der Leistung und den Abmessungen der Brennstoffzellenblöcke 4 und damit ebenso unabhängig von den Abmessungen der Brennstoff­ zellenanlage 2. Ein weiterer Vorteil der elektrischen Heiz­ elemente 24 und 44 ist die gute Regelbarkeit der Temperatur.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist im Zuweg 12 dem er­ sten elektrischen Heizelement 24 ein erster Wärmetauscher 22 und ein Verdichter 20 vorgeschaltet. In dem ersten Wärme­ tauscher 22 erwärmt das Prozeßabgas des Kathodenteils 8 über den Abweg 14 das Prozeßgas für den Kathodenteil 8. Nach Ver­ lassen des ersten Wärmetauschers 22 wird das Prozeßabgas des Kathodenteils 8 über den Abweg 14 einer Einrichtung 50 zum Aufbereiten der Restgase aus der Hochtemperatur-Brennstoff­ zellenanlage 2 zugeführt und aus dieser Einrichtung 50 über die Abführungsleitung 52 zur Weiternutzung ausgeleitet.

In dem Zuweg 32 ist ein zweiter Wärmetauscher 42 dem zweiten elektrischen Heizelement 44 vorgeschaltet, in dem das Prozeß­ abgas des Anodenteils 6 über den Abweg 34 das Prozeßgas für den Anodenteil 6 erwärmt. Der Abweg 34 mündet in die Einrich­ tung 50 zum Aufbereiten der Restgase.

Der erste und der zweite Wärmetauscher 22 bzw. 42 tragen so­ mit neben dem ersten und zweiten elektrischen Heizelement 24 bzw. 44 auch zum Erwärmen des Brennstoffzellenblocks 4 bei.

Claims (6)

1. Brennstoffzellenanlage, insbesondere eine Hochtemperatur-Brenn­ stoffzellenanlage (2), die mindestens einen Brennstoff­ zellenblock (4) mit einem Anodenteil (6) und einem Kathoden­ teil (8) umfaßt, bei der mindestens eine Wärmequelle (24, 44) zum elektrischen Erwärmen eines Prozeßgases vor dem Einspei­ sen in den Brennstoffzellenblock (4) vorgesehen ist.

2. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1, bei der in einem Zuweg (12) eines Kathodenweges (10) dem Kathodenteil (8) eine erste Wärmequelle (24) vorgeschaltet ist.

3. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1, bei der in einem Zuweg (32) eines Anodenweges (30) dem Anodenteil (6) eine zweite Wärmequelle (44) vorgeschaltet ist.

4. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1, insbesondere einer Hochtemperatur-Brennstoffzel­ lenanlage (2), die mindestens einen Brennstoffzellenblock (4) mit einem Anodenteil (6) und einem Kathodenteil (8) umfaßt, bei dem ein Prozeßgas für den Brennstoffzellenblock (4) vor dem Einspeisen in den Brennstoffzellenblock (4) elektrisch erwärmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Prozeßgas zum Er­ reichen der notwendigen Betriebstemperatur elektrisch erwärmt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Prozeßgas zum Hal­ ten der notwendigen Betriebstemperatur elektrisch erwärmt wird.