DE19622073A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage und Brennstoffzellenanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage und eine Brennstoffzellenanlage.

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 Verbrennung 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. In Abhängigkeit von ihrer Betriebstemperatur werden die Brennstoffzellen in Nieder-, Mittel- und Hochtemperatur- Brennstoffzellen eingeteilt, die sich wiederum durch ver­ schiedene technische Ausführungsformen unterscheiden.

Ein Hochtemperatur-Brennstoffzellenblock beispielsweise, der in der Fachliteratur auch "Stack" genannt wird, setzt sich in der Regel aus einer Vielzahl von planar aufgebauten und auf­ einander gestapelten Hochtemperatur-Brennstoffzellen zusam­ men. Unter anderem in den deutschen Patentanmeldungen mit den amtlichen Kennzeichen 195 23 973.3, 195 23 972.5 und 195 14 469.4 werden Brennstoffzellenanlagen vorgestellt, die wenig­ stens einen Hochtemperatur-Brennstoffzellenblock umfassen. Um eine Brennstoffzellenanlage 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. Diese Pro­ blemstellung wird durch die angegebenen Vorschläge zum Be­ treiben einer Brennstoffzellenanlage bereits gelöst.

Eine weitere Problemstellung ist die effiziente Nutzung der Betriebsmittel für den Betrieb des Hochtemperatur-Brennstoff­ zellenblocks. Um einen Hochtemperatur-Brennstoffzellenblock mit einem hohen Wirkungsgrad betreiben zu können, muß das Be­ triebsmittel im Überfluß zugeführt werden. Nur dadurch kann gewährleistet werden, daß die aktiven Flächen der Hochtempe­ ratur-Brennstoffzellen ausreichend mit Betriebsmitteln ver­ sorgt werden. Durch diese Betriebsweise ergibt sich zwangs­ läufig, daß am Ausgang des Hochtemperatur-Brennstoffzellen­ blocks nach erfolgter elektrochemischer Reaktion im Abgas des Hochtemperatur-Brennstoffzellenblocks noch Betriebsmittel vorhanden sind. Das heißt mit anderen Worten, daß die Be­ triebsmittel nicht vollständig im Hochtemperatur-Brennstoff­ zellenblock verbraucht werden, und somit noch Betriebsmittel im Abgas des Hochtemperatur-Brennstoffzellenblocks zur Verfü­ gung stehen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage anzugeben, bei dem eine hocheffiziente und flexible Energieerzeugung gewährlei­ stet wird. Außerdem soll eine Brennstoffzellenanlage zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden.

Die erstgenannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einem Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage, die wenigstens einen Brennstoffzellenblock umfaßt, deren Ab­ gas als Betriebsmittel für wenigstens eine Wärmekraftmaschine verwendet wird. Die zweitgenannte Aufgabe wird gemäß der Er­ findung gelöst mit einer Brennstoffzellenanlage mit wenig­ stens einem Brennstoffzellenblock, der ein Anodenteil mit we­ nigstens einem Abweg und ein Kathodenteil mit wenigstens ei­ nem Abweg umfaßt, wobei wenigstens eine Wärmekraftmaschine über den Abweg des Anodenteils und/oder den Abweg des Katho­ denteils am Brennstoffzellenblock angeschlossen ist.

Als Wärmekraftmaschine wird eine Maschine bezeichnet, die Wärmeenergie in mechanische Arbeit umsetzt. Eine Wärmekraft­ maschine mit innerer Verbrennung heißt Verbrennungskraftma­ schine. Die Wärmekraftmaschine kann vorteilhaft zur Verbren­ nung von einem Abgas eines Anodenteils eines Brennstoffzel­ lenblocks, bevorzugt mit warmem bzw. heißem Abgas eines Ka­ thodenteils als Oxidans betrieben, genutzt werden. Bei einer Wärmekraftmaschine mit äußerer Verbrennung wird durch die Verbrennung, z. B. durch eine elektrochemische Reaktion in ei­ nem Brennstoffzellenblock, das Betriebsmittel zum externen Beheizen der Wärmekraftmaschine erzeugt, beziehungsweise er­ hitzt. Im Heißteil der Wärmekraftmaschine wird thermische Energie an ein Arbeitsmedium abgegeben, wobei in der Folge mechanische Arbeit gewonnen wird.

Durch das angegebene Verfahren wird eine hocheffiziente und flexible Energieerzeugung gewährleistet. Die Kombination ei­ nes Brennstoffzellenblocks mit einer Wärmekraftmaschine in einer Brennstoffzellenanlage erweist sich beim Betreiben der­ selbigen als besonders leise, emissionsarm und von hohem elektrischen Wirkungsgrad.

Zum Beispiel können in einer 100-kW-Hochtemperatur-Brennstoff­ zellenanlage mit 52% elektrischem Wirkungsgrad ohne Wärme­ kraftmaschine und einer Betriebsmittelausnützung von 80% durch Verbrennen der restlichen 20% Betriebsmittel, die im Abgas des Anodenteils vorhanden sind, in einer Wärmekraftma­ schine mit einem elektrischen Wirkungsgrad von 30%, der elek­ trische Wirkungsgrad der Brennstoffzellenanlage mit Wärme­ kraftmaschine auf 58% erhöht werden.

Durch eine weitere Nutzung der Enthalpie des Abgases des An­ oden- und/oder Kathodenteils in der Wärmekraftmaschine, d. h. mit anderen Worten der fühlbaren Wärme, kann der elektrische Wirkungsgrad noch weiter erhöht werden. Bei einer Abwärme von 48% des Brennstoffzellenblocks und einer Betriebstemperatur von 950°C und einer darauffolgenden Abkühlung auf 600°C in der Wärmekraftmaschine ist eine Wärmeenergie von ca. 48%×(1- 600/950)=17,7% nutzbar. Mit einer Wärmekraftmaschine mit 30% elektrischem Wirkungsgrad ließe sich der elektrische Wir­ kungsgrad somit um ca. 5% weiter erhöhen.

Durch Verbrennung des durch den Brennstoffzellenblock zur Verfügung gestellten Betriebsmittels für die Wärmekraftma­ schine, d. h. des Abgases des Brennstoffzellenblocks, in der Wärmekraftmaschine und durch zusätzliche Nutzung der Enthal­ pie des Betriebsmittels kann der elektrische Wirkungsgrad der Brennstoffzellenanlage um ca. 11% verbessert werden.

Vorzugsweise wird als Wärmekraftmaschine ein Stirling-Motor verwendet. Der Stirling-Motor, auch Heißgasmotor genannt, ist nach der Dampfmaschine die älteste Wärmekraftmaschine. Im Heißgasmotor wird ein eingeschlossenes Betriebsmittel peri­ odisch erwärmt und abgekühlt. Die dadurch hervorgerufenen Druckänderungen werden durch Arbeitskolben in mechanische Ar­ beit umgesetzt. Der thermodynamische Prozeß besteht ideali­ siert aus vier Zustandsänderungen, einer Kompression bei kon­ stanter Temperatur, einer Wärmezufuhr bei konstantem Volumen, einer Expansion bei konstanter Temperatur und einer darauf­ folgenden Wärmeabfuhr bei konstantem Volumen. Das Arbeitsme­ dium wird bei Drücken von ca. 150 bar zwischen einem heißen und einem kalten Raum hin und her geschoben. Zwischen diesen Räu­ men ist zur Verbesserung des Wirkungsgrades ein Regenerator geschaltet, in dem das zur kalten Seite strömende Betriebs­ mittel Wärme abgibt und beim Rückströmen zur heißen Seite wieder aufnimmt. Am besten geeignet ist Wasserstoff H₂ als Arbeitsmedium. Vorteile des Stirling-Motors gegenüber Ver­ brennungsmotoren sind die äußere Wärmezufuhr mit kontinuier­ licher Verbrennung sowie die geringe Geräuschentwicklung. Auch andere Wärmekraftmaschinen mit externer Verbrennung kön­ nen verwendet werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprü­ chen beschrieben.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf das Ausfüh­ rungsbeispiel der Zeichnung verwiesen, in deren einziger Figur eine Brennstoffzellenanlage mit einem Brennstoffzellen­ block und nachgeschalteten Wärmekraftmaschinen schematisch dargestellt ist.

Gemäß der Figur umfaßt eine Brennstoffzellenanlage 2, bei­ spielsweise eine Mittel- oder Hochtemperatur-Brennstoffzel­ lenanlage, einen Brennstoffzellenblock 4 mit einem Anodenteil 6 und einem Kathodenteil 8 mit nicht näher dargestellten An­ oden- und Kathodengasräumen. An dem Brennstoffzellenblock 4 ist ein Wechselrichter 10 angeschlossen, der den von dem Brennstoffzellenblock 4 erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt und über eine Leitung 12 an ein hier nicht weiter dargestelltes Stromnetz 14 abführt.

Über einen Zuweg 16 des Anodenteils 6 wird der Anodenteil 6 des Brennstoffzellenblocks 4 mit einem Betriebsmittel ver­ sorgt, beispielsweise einem Brenngas oder einem Brennstoff für eine interne Reformierung. In dem Zuweg 16 des Anoden­ teils 6 sind in Strömungsrichtung der Reihenfolge nach eine Mischkammer 18, ein erster 20 und ein zweiter Wärmetauscher 22 angeordnet.

Über einen Zuweg 24 des Kathodenteils 8 des Brennstoffzellen­ blocks 4 wird der Kathodenteil 8 mit einem Oxidans, bei­ spielsweise Sauerstoff, versorgt. In dem Zuweg 24 des Katho­ denteils 8 sind in Strömungsrichtung der Reihenfolge nach ein Verdichter 26, ein dritter 28 und ein vierter Wärmetauscher 30 angeordnet.

Nach erfolgter elektrochemischer Reaktion im Brennstoffzel­ lenblock 4 wird ein Abgas des Anodenteils 6 über einen Abweg 32 des Anodenteils 6 in eine Wärmekraftmaschine 34 einge­ speist. Dabei wird das Abgas vor dem Einspeisen in die Wärme­ kraftmaschine 34 durch den zweiten Wärmetauscher 22 geleitet, wo es das Betriebsmittel für den Anodenteil 6 des Brennstoff­ zellenblocks 4 erwärmt.

Über einen Abweg 36 des Anodenteils 6, der zwischen dem An­ odenteil 6 und dem zweiten Wärmetauscher 22 aus dem Abweg 32 abzweigt und vor der Wärmekraftmaschine 34 wieder in den Ab­ weg 32 einmündet, wird ein Anteil des Abgases des Anodenteils 6 aus dem Abweg 32 abgezweigt. In dem Abweg 36 ist eine Wär­ mekraftmaschine 38 angeordnet, in der ein Anteil der Wärmee­ nergie des Abgases des Anodenteils 6 in mechanische Arbeit umgesetzt wird. Nach erfolgter Abkühlung des Abgases in der Wärmekraftmaschine 38 wird das Abgas über den ersten Wärme­ tauscher 20 wieder in den Abweg 32 des Anodenteils 6 einge­ speist. In dem ersten Wärmetauscher 20 wird mit der Wärmee­ nergie des Abgas es das Betriebsmittel für den Anodenteil 6 in dem Zuweg 16 erwärmt.

Über einen Abweg 40 des Kathodenteils 8 des Brennstoffzellen­ blocks 4 wird ein Abgas des Kathodenteils 8 in die Wärme­ kraftmaschine 34 eingespeist. Der Abweg 40 wird durch den Wärmetauscher 30 geführt, wo das Oxidans für den Kathodenteil 8 in dem Zuweg 24 erwärmt wird. Aus dem Abweg 40 des Katho­ denteils 8 zweigt ein weiterer Abweg 42 zwischen dem Katho­ denteil 8 und dem vierten Wärmetauscher 30 aus dem Abweg 40 ab, um vor der Wärmekraftmaschine 34 wieder in den Abweg 40 des Kathodenteils 8 einzumünden. Über den Abweg 42 wird ein Anteil des Abgases des Kathodenteils 8 aus dem Abweg 40 abge­ zweigt. In dem Abweg 42 des Kathodenteils 8 ist eine Wärme­ kraftmaschine 44 angeordnet, in der ein Anteil der Wärmener­ gie des abgezweigten Anteils des Abgases des Kathodenteils 8 in Arbeit umgesetzt wird. Das in der Wärmekraftmaschine 44 abgekühlte Abgas des Kathodenteils 8 wird über den dritten Wärmetauscher 28 in den Abweg 40 eingespeist. In dem dritten Wärmetauscher 28 wird das Oxidans für den Kathodenteil 8 er­ wärmt.

Den Wärmekraftmaschinen 34, 38, 44 wird somit als Betriebs­ mittel ein Abgas des Brennstoffzellenblocks 4 zugeführt. Die Wärmekraftmaschinen 34, 38, 44 sind somit dem Brennstoffzel­ lenblock 4 nachgeschaltet.

Die Wärmekraftmaschine 38 ist über den Abweg 36 an dem Ano­ denteil 6 angeschlossen und erhält als Betriebsmittel ein Ab­ gas des Anodenteils 6. Die Wärmekraftmaschine 44 ist über den Abweg 42 an den Kathodenteil 8 des Brennstoffzellenblocks 4 angeschlossen und erhält als Betriebsmittel ein Anteil des Abgases des Kathodenteils 8.

Die Wärmekraftmaschine 34 ist über den Abweg 32 an den Ano­ denteil 6 und über den Abweg 40 an dem Kathodenteil 8 des Brennstoffzellenblocks 4 angeschlossen. Der Wärmekraftma­ schine 34 werden Anteile der Abgase des Anodenteils 6 und des Kathodenteils 8 als Betriebsmittel für eine Verbrennung in der Wärmekraftmaschine 34 zugeführt. Das heißt, bei der Wär­ mekraftmaschine 34 handelt es sich um eine Verbrennungs­ kraftmaschine. Dagegen werden den Wärmekraftmaschinen 38, 44 die erwärmten Abgase des Anodenteils 6 bzw. des Kathodenteils 8 als Betriebsmittel zugeführt. In den Wärmekraftmaschinen 38, 44 läuft keine Verbrennung ab, d. h. mit anderen Worten, daß ein Teil der Wärmeenergie der Abgase des Brennstoffzel­ lenblocks 4 in den Wärmekraftmaschinen 38, 44 direkt in me­ chanische Arbeit umgesetzt wird.

Die Wärmekraftmaschinen 34, 38, 44 können beispielsweise als Stirling-Motoren ausgeführt sein. Anstelle der Wärmekraftma­ schinen 34, 38, 44 kann jeweils auch ein geschlossener Gas- Turbinen-Kreislauf verwendet werden.

Die in den Wärmekraftmaschinen 34, 38, 44 erzeugte mechani­ sche Arbeit wird über die elektrischen Generatoren 50, 52, 54, die die mechanische Arbeit in Wechselstrom umwandeln, an das hier nicht näher dargestellte Stromnetz 14 abgeführt.

Die bei der inneren Verbrennung in der Wärmekraftmaschine 34 erzeugten gasförmigen Verbrennungsprodukte werden über eine Leitung 58 aus der Wärmekraftmaschine 34 abgeführt und zu­ nächst in einen Verdampfer 60 eingespeist. Über eine Leitung 62 mit einer Pumpe 64 wird in den Verdampfer 60 zusätzlich Wasser eingespeist. Dieses kann bereits in der Brennstoffzel­ lenanlage 2 vorgewärmt sein. Der durch die erwärmten gasför­ migen Verbrennungsprodukte aus der Wärmekraftmaschine 34 in dem Verdampfer 60 erzeugte Wasserdampf wird über eine Leitung 68 aus dem Verdampfer 64 in die Mischkammer 18 eingespeist. Dort befeuchtet und erwärmt der Wasserdampf das Betriebsmit­ tel für den Anodenteil 6 des Brennstoffzellenblocks 4. Die abgekühlten gasförmigen Verbrennungsprodukte werden aus dem Verdampfer 60 über die Leitung 58 aus dem Verdampfer 60 für eine weitere Verwendung abgeführt.

Durch den Betrieb der Brennstoffzellenanlage 2 wird eine hocheffiziente und flexible Energieerzeugung gewährleistet. Die Kombination eines Brennstoffzellenblocks 4 mit den Wärme­ kraftmaschinen 34, 38, 44 erweist sich beim Betrieb als be­ sonders leise, emissionsarm und von hohem elektrischen Wir­ kungsgrad.

Claims (7)

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage (2), die wenigstens einen Brennstoffzellenblock (4) umfaßt, deren Abgas als Betriebsmittel für wenigstens eine Wärmekraftma­ schine (34, 38, 44) verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Wärmekraftmaschine (34, 38, 44) ein Stirling-Motor verwendet wird.

3. Brennstoffzellenanlage (2) zum Durchführen eines Verfah­ rens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit wenigstens einem Brennstoffzellenblock (4), der ein Anodenteil (6) mit wenigstens einem Abweg (32, 36) und ein Kathodenteil (8) mit mit wenigstens einem Abweg (40, 42) umfaßt, wobei wenigstens eine Wärmekraftmaschine (34, 38, 44) über den Abweg (32, 36) des Anodenteils (6) und/oder den Abweg (40, 42) des Kathoden­ teils (8) am Brennstoffzellenblock (4) angeschlossen ist.

4. Brennstoffzellenanlage (2) nach Anspruch 3, bei der in ei­ nem Zuweg (16) des Anodenteils (6) ein erster (20) und ein zweiter Wärmetauscher (22) vorgesehen sind.

5. Brennstoffzellenanlage (2) nach Anspruch 3 oder 4, bei der in einem Zuweg (24) des Kathodenteils (8) ein dritter (28) und ein vierter Wärmetauscher (30) vorgesehen sind.

6. Brennstoffzellenanlage (2) nach Anspruch 4, bei der im Zu­ weg (16) des Anodenteils (6) vor dem ersten Wärmetauscher (20) eine Mischkammer (18) angeordnet ist.

7. Brennstoffzellenanlage (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei der in einer Leitung (58) zwischen der Wärmekraftma­ schine (34) und der Mischkammer (18) ein Verdampfer (60) an­ geordnet ist.