DE19544483A1 - Verfahren zur Gaskühlung bei Brennstoffzellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gaskühlung bei Brennstoff­ zellen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Hochtemperatur-Brennstoffzellen müssen mit dem Luftstrom, der auch den für die Oxidation benötigten Sauerstoff heranbringt, gekühlt wer­ den. Dazu ist eine Differenz zwischen der Eintritts- und der Aus­ trittstemperatur der Luft bzw. des sauerstoffhaltigen Gases notwendig. Um eine bestimmte Wärmemenge aus der Zelle entfernen zu können, muß daher für eine vorgegebene Temperaturspreizung eine bestimmte Luft­ menge durch die Zelle gefördert werden. "Zelle" steht hierbei auch für einen Stapel von Zellen, einem sogenannten Stack.

Da für größere Luftmengen auch größere Verdichtungsleistungen benö­ tigt werden, ist man bestrebt, die Luftmenge gering zu halten, was andererseits eine große Temperaturdifferenz bedeutet. Die Tempe­ raturgradienten führen beispielsweise in den keramischen Teilen einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle zu mechanischen Spannungen, die bestimmte Grenzen nicht überschreiten dürfen, so daß die maximal zulässige Temperaturdifferenz über eine Zelle beschränkt ist.

Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, ein Verfahren zur Gaskühlung bei Brennstoffzellen zu entwickeln, welches für alle Zellen möglichst einheitliche Proßezbedingungen garantiert. Dabei ist insbe­ sondere darauf zu achten, daß große Temperaturunterschiede zwischen Ein- und Ausgang der Brennstoffzellen vermieden werden.

Die Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 aufge­ führten Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Eine Möglichkeit, die Problematik der zu hohen thermisch-mechanischen Spannungen zu umgehen, ist die Kaskadierung von Zellen. Dabei werden zwei oder mehrere Zellen für die Luftzufuhr in Serie geschaltet (Zellenstapel). Das hat aber zur Folge, daß die Zellen bei unterschiedlichen Temperaturen arbeiten, was erheblichen Einfluß auf die Leistung der Zellen hat. Der Flächenwiderstand der Zellen ist stark temperaturabhängig, so daß es günstig ist, den optimalen Temperaturbereich möglichst genau einzuhalten.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Gasversorgung mit Wärme­ tauscher und

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Gasführung mittels direkter Zumischung von Frischluft.

Das Wesen der Erfindung besteht nun darin, den Luftstrom, der aus einer Zelle austritt, wieder auf die thermodynamisch günstigste Ein­ trittstemperatur der Zelle herunter zu kühlen, bevor er in die nächste Zelle eintritt.

Dies kann wie in Fig. 1 in einem zusätzlichen Wärmetauscher W erfolgen, der zwischen den kaskadierten Zellen einzubauen ist, bzw. auch in die Stapelkonstruktion der Zellen (Stacks) Z1, Z2 . . . integriert werden kann. Der Wärmeübergang von der Frischluft Lo an die Luft L mit der Temperatur Te für Zelle Z2 muß im Wärmetauscher W1 so sein, daß die nötige Temperaturdifferenz erzielt wird. Die Frischluft heizt sich dabei im allgemeinen nicht auf Te für Zelle Z1 auf und muß daher noch einen zweiten Wärmetauscher W2 durchlaufen, welcher von den Abgasen des Zellenstapels aufgeheizt wird.

Nach Fig. 2 kann auch in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung durch Zumischen von kälterer Luft Lo erreicht werden, daß die Mischtemperatur wieder der Eintrittstemperatur entspricht.

Das Zumischen von Luft hat als zusätzlichen Vorteil, daß der im ersten Zellenstapel bereits verbrauchte Sauerstoff teilweise wieder ergänzt wird. Wie sehr der Sauerstoff in der Luft des folgenden Stapels wieder angereichert wird, hängt einerseits von der Luftmenge ab, mit der die Zelle gekühlt wird und andererseits von der Temperatur der zuge­ mischten Luft. Die Menge der Kühlluft bestimmt sich aus der abzufüh­ renden Wärmemenge und der zulässigen Differenz aus Austritts- und Eintrittstemperatur. Sie ist im allgemeinen größer als die minimal not­ wendige stöchiometrische Luftmenge. Aus dem Verhältnis der tatsächli­ chen Luftmenge zur stöchiometrischen ergibt sich dann die Abreiche­ rung des Sauerstoffs.

Für die Wärmeübertragung in einem Wärmetauscher steht die gleiche Temperaturdifferenz zur Verfügung, die auch in den Zellen bzw. Stacks auftritt.

Aus thermodynamischen Gründen sollte die Eingangstemperatur des sauerstoffhaltigen Gases sich möglichst wenig von der Prozeßtemperatur unterscheiden.

Wird kältere Luft zu gemischt, so kann über den Temperaturunterschied zwischen austretender und zugemischter Luft die zugemischte Menge eingestellt werden. Um die Verdichterleistung nicht wieder zu ver­ größern, ist es nicht günstig, den zweiten Luftstrom auf die gleiche Temperatur wie den ersten vorzuwärmen, da dann durch den zweiten Stack die doppelte Luftmenge zu fördern ist. Wird, wie für eine SOFC typisch, der mit 1000°C austretenden Luft kalte Luft zu gemischt, so muß der Luftstrom nur um ca. 10% im zweiten Stack erhöht werden, um eine günstige Eintrittstemperatur von rund 900°C zu erreichen.

Claims (4)

1. Verfahren zur Gaskühlung bei Brennstoffzellen, welche in einem Brennstoffzellenstapel angeordnet sind, wobei ein wasserstoffhal­ tiges Brenngas und ein sauerstoffhaltiges Gas in den Zellen mit­ einander reagieren und aus den Zellen ein erstes Abgas und ein zweites Abgas entweichen, wobei das erste Abgas weniger Was­ serstoff enthält als das Brenngas und die Abgastemperaturen hö­ her liegen als die Gastemperaturen auf der Eingangsseite des Zellenstapels, dadurch gekennzeichnet, daß das sauerstoffhaltige Gas vor der Einleitung in einen folgen­ den Brennstoffzellenstapel auf eine Temperatur heruntergekühlt wird, welche als Eingangstemperatur für diesen Brenn­ stoffzellenstapel aus thermodynamischen Gründen bevorzugt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des sauerstoffhaltigen Gases in einem zusätz­ lichen Wärmetauscher herabgesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des sauerstoffhaltigen Gases durch Zumischen von kälterer Luft erreicht wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die auf der Oxidation von Wasserstoff beruhende Brennstoffzelle an ihrer Eintrittsseite mit einem sauerstoffhaltigen Gas von etwa 90°C beaufschlagt wird.