DE19611591A1

DE19611591A1 - Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Anlage

Info

Publication number: DE19611591A1
Application number: DE19611591A
Authority: DE
Inventors: Reinhold Dr Rer Nat Schamm
Original assignee: Dornier GmbH
Current assignee: Dornier GmbH
Priority date: 1996-03-23
Filing date: 1996-03-23
Publication date: 1997-09-25
Also published as: WO1997036336A1

Description

Eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SOFC) wandelt die in Brenngasen (Erdgas, Wasserstoff, Kohlegas, Synthesegas) enthaltene Energie in einem elektrochemischen Oxidationsprozeß direkt in elektrische Energie um. Dabei wird ein gegenüber normalen Verbrennungsprozessen höherer Wirkungs grad (η = 50% bis 60%) erreicht. Die nun zwar geringere, aber nachwievor entstehende Wärme in der SOFC wird im wesentlichen mit einem Kühlluft strom (sauerstoffhaltiges Gas) aus dem SOFC-Modul herausgeführt.

Die im Rauchgas- und im Abluftstrom enthaltene hochgradige Wärmeenergie (ca. 1000°C) wird zweckmäßigerweise weiter genutzt. In großen Einheiten kann ein Gasturbinenprozeß oder Dampfturbinenprozeß diese Abwärme in weitere elektrische Energie umwandeln. Hierbei ist es von Vorteil, wenn die Gaseintrittstemperatur der Gasturbine (also die Gasaustrittstemperatur und damit die Arbeitstemperatur der SOFC) so hoch wie möglich liegt.

Andererseits ist es möglich, die kalten Eintrittsgase in rekuperativen Wärme tauschern mit den heißen Austrittsgasen auf die notwendige SOFC-Gasein trittstemperatur anzuheben. Bei einer vorgegebenen Gasmenge bestimmt damit die Temperaturspreizung (= Differenz zwischen Gasaustrittstemperatur und Gaseintrittstemperatur) entscheidend die Größe und auch die Kosten der peripheren Wärmetauscher. Da die maximale Temperaturspreizung aber an Material- und Konstruktionseigenschaften des SOFC-Moduls gekoppelt ist, kann diese nicht beliebig vergrößert werden. Bei einer vollkeramischen SOFC liegt sie z. B. bei ca. 100°C.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennstoffzellen-Anlage mit möglichst ho her Temperaturspreizung zwischen Kühllufteintritt und Kühlluftaustritt sowie zwischen Brenngaseintritt und Brenngasaustritt zu schaffen. Je höher diese Werte werden, umso kleiner und kostengünstiger können z. B. die Wärme tauscherkomponenten ausgeführt werden.

Die Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst.

Gegenstand der Erfindung ist es, zwei oder mehr SOFC-Module unterschied licher Bauart so gasmäßig hintereinanderzuschalten, daß einerseits bezogen auf den peripheren Wärmetauscheraufwand eine möglichst große Tempera turspreizung wirksam wird, und andererseits die jeweiligen SOFC-Module in ihrem bevorzugten Arbeitstemperaturbereich optimal arbeiten können. Damit lassen sich nachteilige Eigenschaften für ein nur aus einem SOFC-Typ aufge bauten System vermeiden wie:

- geringe Temperaturspreizung und damit großer Wärmetauscheraufwand
- höhere Degradation wegen zu hoher Maximaltemperaturen (Gasaustritts temperaturen)
- ineffektive Nutzung der Zellflächen wegen zu niedrigen Gaseintritts temperaturen (geringe elektrische Leitfähigkeit).

Mit der Kombination verschiedener SOFC-Typen, das heißt Summierung der einzelnen Temperaturspreizungen, erreicht man vorteilhafterweise, daß der Aufwand an peripheren Wärmetauschern pro Kilowatt elektrischer Ausgangs leistung verringert werden kann und gleichzeitig die jeweiligen SOFC-Typen in ihrem aus der Konstruktion vorgegebenen Arbeitstemperaturbereich opti mal arbeiten können.

Beispielhaft wird die Kombination aus zwei SOFC-Typen beschrieben:
die SOFC-1 mit metallischen Bipolarplatten und die SOFC-2 mit keramischen Bipolarplatten.

Die SOFC-1 kann aufgrund der guten elektrischen Leitfähigkeit der metalli schen Bipolarplatte den Betriebsbereich bei niedrigen Temperaturen ab decken. Dieses insbesondere dann, wenn sich in Entwicklung befindliche Niedertemperatur-Ionenleiter als einsetzbar erweisen. In Richtung hoher Temperaturen ist der Einsatzbereich jedoch beschränkt, da dort die zuneh mende Korrosion der Bipolarplatte lebensdauerbestimmend wird.

Die SOFC-2 mit keramischer Bipolarplatte besitzt diese nachteiligen Korro sionseigenschaften nicht. Daher kann mit diesem Typ der Betriebstemperatur bereich ausgedehnt werden bis zur Grenze der Einsetzbarkeit metallischer oder keramischer Gasführungsrohre und kermischem oder metallischem Wärmetauscher. Andererseits nimmt die elektrische Leitfähigkeit der voll keramischen SOFC zu niedrigen Temperaturen hin stark ab, so daß dort der Betrieb ineffizient wird.

Die Aufzählung dieser Eigenschaften zeigt, wie aus der Kombination dieser beiden SOFC-Typen ihre jeweiligen speziellen. Vorteile genutzt und ihre Nachteile vermieden werden können. Daraus ergibt sich ein wirtschaftlicher Vorteil des Kombinationssystems.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Fig. näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine prinzipielle Verschaltung von zwei Brennstoffzellen und

Fig. 2 die Verschaltung von Fig. 1 mit Angabe von Brenngas konzentrationen.

Das Brenngas mit 10% Dampfanteil wird in einem Wärmetauscher WT-1 vom heißen Rauchgasstrom auf die Eintrittstemperatur des SOFC-1-Moduls auf geheizt (z. B. 800°C). In dieser SOFC-1 wird nun etwa die Hälfte des Brenn gases elektrochemisch umgesetzt, so daß sich die Brenngaskonzentration von eingangs 90% auf ca. 50% verringert. Die Kühlluft mit Raumtemperatur wird im Wärmetauscher WT-2 in gleicher Weise auf die Eintrittstemperatur der SOFC-1 vorgewärmt. Die SOFC-1 soll nun unter diesen Betriebsbedin gungen eine Temperaturspreizung in beiden Gasräumen von 100°C erzeu gen. Die SOFC-2 sieht diese Temperaturen (900°C) an ihrem Eingang. Der weitere Umsatz des Brenngases auf übliche 10% Restbrenngaskonzentration erzeugt dort ebenfalls 100°C Temperaturspreizung, das heißt Austritts temperaturen von 1000°C.

Claims

1. Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Anlage (System) bestehend aus mindestens zwei Brennstoffzellen, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Brennstoffzelle eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SOFC-1) ist, die abgasseitig mit der zweiten Hochtemperatur-Brenn stoffzelle (SOFC-2) verbunden ist.

2. Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Anlage (System) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Brennstoffzelle eine Hoch temperatur-Brennstoffzelle mit metallischen Bipolarplatten (SOFC-1) ist, die abgasseitig mit der zweiten Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit keramischen Bipolarplatten (SOFC-2) verbunden ist.

3. Verfahren zum Betrieb einer Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Brenn gas in einem Wärmetauscher (WT-1) vom heißen Rauchgasstrom auf die Eintrittstemperatur der ersten Brennstoffzelle (SOFC-1) aufgeheizt wird, daß die Kühlluft mit Raumtemperatur in einem zweiten Wärme tauscher (WT-2) auf die Eintrittstemperatur der SOFC-1 vorgewärmt wird, daß in der SOFC-1 unter Betriebsbedingungen eine Temperatur spreizung in beiden Gasräumen von 100°C erzeugt wird und daß die zweite Brennstoffzelle (SOFC-2) mit den Abgasen der SOFC-1 betrie ben wird, und der weitere Umsatz des Brenngases bei 100°C Tempe raturspreizung und Austrittstemperatur 1000°C erfolgt.

4. Verfahren zum Betrieb einer Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Brenngas mit 10% Dampfanteil in einem Wärmetauscher (WT-1) vom heißen Rauchgasstrom auf die Eintrittstemperatur der ersten Brennstoffzelle (SOFC-1) aufgeheizt wird, daß in der SOFC-1 die Hälfte des Brenn gases elektrochemisch umgesetzt wird, so daß sich die Brenngas konzentration von eingangs 90% auf ca. 50% verringert, daß die Kühlluft mit Raumtemperatur in einem zweiten Wärmetauscher (WT-2) auf die Eintrittstemperatur der SOFC-1 vorgewärmt wird, daß in der SOFC-1 unter Betriebsbedingungen eine Temperaturspreizung in beiden Gasräumen von 100°C erzeugt und daß die zweite Brennstoff zelle (SOFC-2) mit den Abgasen der SOFC-1 betrieben wird, und der weitere Umsatz des Brenngases auf 10% Restbrenngaskonzentration bei 100°C Temperaturspreizung und Austrittstemperatur 1000°C er folgt.