DE19636738A1

DE19636738A1 - Kombinationsanlage aus Hochtemperatur-Brennstoffzelle und Wärmekraftmaschine

Info

Publication number: DE19636738A1
Application number: DE19636738A
Authority: DE
Inventors: Christoph Dr Rer Nat Noelscher
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1996-09-10
Filing date: 1996-09-10
Publication date: 1998-03-12

Description

Die Erfindung betrifft eine Kombinationsanlage zur Energieer zeugung, bei der eine Brennstoffzellenbatterie, bevorzugt ei ne Hochtemperatur-Brennstoffzellenbatterie, mit einer Wärme kraftmaschine kombiniert ist.

Es ist bekannt, daß Brennstoffzellen, insbesondere Hochtempe ratur-Brennstoffzellen (HTBZ) mit hohen Wirkungsgraden, che misch gebundene Energie in elektrische Energie umwandeln kön nen. Bei Hochtemperatur-Brennstoffzellen wird dabei meistens noch die Abwärme der Brennstoffzelle nutzbar gemacht. Die Nutzbarmachung geschieht meist indirekt über ein Kühlmedium, das die Wärme in der Brennstoffzelle aufnimmt und in einem nachgeschalteten Wärmetauscher an ein nächstes Arbeitsmedium überträgt. Es ist leicht einzusehen, daß jeder der Wärmeüber tragungsschritte mit Energieverlusten verbunden ist.

Um die Energieverluste zu minimieren, besteht ein Bedarf an der Bereitstellung einer Kombinationsanlage zur Energie- und insbesondere zur Stromerzeugung mit Hochtemperatur- Brennstoffzellen, bei der die Abwärme aus der Brennstoffzel lenbatterie ohne zwischengeschaltetes Übertragungsmedium di rekt in einer Wärmekraftmaschine nutzbar gemacht werden kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kombi nationsanlage zur Erzeugung von Energie zur Verfügung zu stellen, die eine Kombination aus zumindest einem Hochtempe ratur-Brennstoffzellen-Energiewandler und einer Wärmekraftma schine darstellt, wobei die Abwärme aus der Hochtemperatur- Brennstoffzelle ohne zwischengeschaltetes, flüssiges oder gasförmiges Medium direkt in der Wärmekraftmaschine nutzbar gemacht wird.

Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist, daß eine HTBZ-Bat terie so mit einer Wärmekraftmaschine kombinierbar ist, daß die Abwärme aus der HTBZ direkt, d. h. durch Wärmeleitung und/oder -Strahlung zum Beheizen der Wärmekraftmaschine "WKM" einsetzbar ist. Dazu wird das Arbeitsmedium aus der WKM, be vorzugt ein Gas, zum Erhitzen in einem geschlossenen System durch die HTBZ geführt.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist deshalb eine Kombi nationsanlage, bei der eine Brennstoffzellenbatterie, insbe sondere eine Hochtemperatur-Brennstoffzellenbatterie, mit ei ner Wärmekraftmaschine kombiniert ist, wobei Leitungen und Räume vorgesehen sind, in denen das Arbeitsmedium der Wärme kraftmaschine zu dessen Erwärmung in einem geschlossenen Sy stem durch das Innere der Brennstoffzelle geführt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Unteransprüchen, den Figuren sowie den Erläuterungen dazu.

Bevorzugt liegt das Arbeitsmedium der Wärmekraftmaschine gas förmig vor. Wiederum besonders bevorzugt ist dabei, daß das gasförmige Arbeitsmedium im überkritischen Aggregatszustand, d. h. unter so hohem Druck vorliegt, daß es bei Temperaturer höhung ohne Nebelbildung, d. h. ohne Bildung eines zwei- Phasen-Systems flüssig-dampfförmig in die Dampfphase über geht. Dabei müssen selbstverständlich die Leitungen und Be hältnisse des geschlossenen Systems, in dem das Arbeitsmedium der Wärmekraftmaschine, also im vorliegenden Fall das über kritische Gas, geführt wird, so konstruiert sein, daß sie Überdruck und die hohe Temperatur aushalten.

Als Brennstoffzellen, oder Hochtemperatur-Brennstoffzellen oder "HTBZ" werden hier alle Brennstoffzellen mit einer Be triebstemperatur über 300°C und bevorzugt über 500°C bezeich net, wobei besonders bevorzugt die SOFC Brennstoffzelle (Solid Oxid Fuel Cell) erfindungsgemäß eingesetzt wird. Die bevorzugte Betriebstemperatur der SOFC beträgt 750°C bis 1000°C.

Als Arbeitsmedium für die Wärmekraftmaschine kann beispiels weise Helium, Wasserstoff, Luft oder Wasserdampf genommen werden. Diese Aufzählung ist nicht abschließend und soll den Umfang der Erfindung nicht beschränken.

Bei der Wärmekraftmaschine kann es sich beispielsweise um ei nen Stirling-Motor (vgl. Fig. 3), eine Dampfturbine oder ei ne Gasturbine mit geschlossenem Kreislauf (siehe dazu E. Böhm, K. Bammert: "Hochtemperaturreaktoren mit Heliumturbi nen", Atom und Strom Heft 1, Jan. 1970, Seite 13) handeln.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest ein Teil des geschlossenen Systems, in dem das Arbeitsmedium der Wär mekraftmaschine (WKM) geführt wird, räumlich ausgestaltet oder konstruiert wie eine "Vorrichtung zur Wasserstoff- und/oder Synthesegasgewinnung" gemäß der parallel eingereich ten Patentanmeldung derselben Anmelderin und desselben Erfin ders mit dem internen Aktenzeichen GR 96 E 2106 der Siemens AG, auf deren Inhalt und den der parallelen Anmeldung mit dem Titel "Anlage und Verfahren zur Energieerzeugung" internes Aktz. GR 96 E 2107 hiermit bezug genommen wird und die beide, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, zum Gegenstand der vorliegenden Beschreibung gemacht werden.

Unter den erfindungsgemäß unter Schutz gestellten "Leitungen" werden alle Arten von Rohren und sonstigen Leitungen verstan den, in denen Reaktanden, wie Brennstoff, gegebenenfalls un ter hohem Druck und bei hoher Temperatur, geführt werden. Da bei ist es keineswegs zwingend, daß eine Leitung beispiels weise nur aus einem Rohr, Kanal oder einer Nut besteht, viel mehr ist es durchaus möglich, daß eine Leitung aus zwei, ge gebenenfalls sogar parallel verlaufenden, Rohren besteht, so wie daß sie unter Umständen über zwischengeschaltete und/oder integrierte Sammelbehälter (Reservoirs), Wäscher, Wärmetau scher, Verdichter, Gasreiniger, etc. verfügt. Der Begriff Leitung wird hier also in einer sehr allgemeinen und, unter Umständen, gegenüber dem Gebrauch in der Alltagssprache stark erweiterten Form gebraucht. Er kann auch Reservetanks und Be hälter mitumfassen, die üblicherweise nicht unter den Begriff Leitung fallen, hier aber auch mit dem Begriff gemeint sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von mehreren Figuren, die bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, näher erläutert, wobei

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild des Prinzips der Inte gration einer Wärmekraftmaschine und einer Hochtemperatur- Brennstoffzelle in einer Kombinationsanlage zur Energieerzeu gung zeigt,

Fig. 2 eine beispielhafte konstruktive Ausführung einer SOFC im planaren Design zeigt,

die Fig. 2A bis 2E nähere Erläuterungen zur Fig. 2 dar stellen,

Fig. 3 die Integration eines Stirlingmotors in eine HTBZ schematisch aufzeigt,

Fig. 4 ein Verfahrensfließbild einer erfindungsgemäßen Kom binationsanlage im Wasserstoffbetrieb und

Fig. 5 ein weiteres Verfahrensfließbild einer erfindungsge mäßen Kombinationsanlage darstellt.

Fig. 1 zeigt das Prinzip der erfindungsgemäßen Kombination einer Wärmekraftmaschine und einer HTBZ. Von oben nach unten sieht man zunächst die Hochtemperatur-Brennstoffzelle 1 mit drei abgetrennten Räumen, ganz oben den Kathodenraum 2, der durch einen gestrichelt eingezeichneten Elektrolyt 3 vom dar unter liegenden Anodenraum 4 abgetrennt ist. Im (direkten) thermischen Kontakt (d. h. durch Wärmestrahlung und/oder Wär meleitung verbunden) mit dem Anodenraum befindet sich ein Teil der geschlossenen Leitung 5, die bevorzugt ein Gas ent hält und die entlang der Leitungen 5, bis zur Wärmekraftma schine 6 führt. Die Wärmekraftmaschine erzeugt Strom und Heizleistung, die über die Leitungen 9 und 10 abnehmbar sind, und sorgt für den Transport des Arbeitsmediums. Die HTBZ 1 erzeugt Strom, der über die Leitungen 7 abnehmbar ist. Den Kathodenraum 2 und den Anodenraum 4 der HTBZ 1 durchströmen z. B. von links nach rechts (Pfeile 8 und 11) das Oxidans, beispielsweise Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft, und der Brennstoff, beispielsweise Synthesegas (CO/Wasserdampf-Gemisch) oder Wasserstoff.

Durch die erfindungsgemäß abgeschlossene Leitung 5, die die Leitungen 5′ mitumfaßt, kann das Arbeitsmedium in einem Kreislauf, der größere Behältnisse in der HTBZ und in der Wärmekraftmaschine enthält, geführt werden. Die Leitungen 5′, jeweils durch die Doppelpfeile angedeutet, können beliebig geschaltet sein, so daß sie das Arbeitsmedium unabhängig von der Strömungsrichtung (Pfeile 8 und 11) der Reaktionsgase Oxidans und Brennstoff in beiden Richtungen transportieren können.

Das bevorzugt, aber nicht unbedingt, gasförmige Arbeitsmedium der Wärmekraftmaschine 6, das durch den in die HTBZ inte grierten aber gastechnisch abgeschlossenen Raum 5 und 5′ fließt, wird in der HTBZ auf hohe Temperatur gebracht. In der Wärmekraftmaschine 6 wird es dann wieder abgekühlt, wobei es Arbeit leistet und wodurch es als Kühlmedium für die HTBZ re generiert wird. So arbeitet die Wärmekraftmaschine direkt als Kühler für die Hochtemperatur-Brennstoffzelle und diese umge kehrt direkt als Erhitzer für die HTBZ. Die Wärmekraftmaschi ne liefert entweder über den Generator G Strom, oder über ei ne Maschine, z. B. einen Luftverdichter, mechanische Energie.

Fig. 2 zeigt eine beispielhafte konstruktive Ausführung ei ner SOFC Brennstoffzelle im planaren Design (in einer Projek tion parallel zur aktiven Fläche), d. h. die aktiven Flächen der Brennstoffzellen sind planar und nicht - beispielsweise - röhrenförmig. Die hier gezeigte konstruktive Ausführung ist u. a. anwendbar auf das Multiple Cell Array Concept der Sie mens AG, das u. a. in der Patentschrift von Greiner et al. Ak tenzeichen EP 0 425 939 näher beschrieben ist.

In Fig. 2 ist eine Ausführung mit externem Manifolding von Luft dargestellt, d. h. Luft wird jeder Zelle von außen zuge führt und von jeder Zelle nach außen hin entsorgt. Darüber hinaus zeigt die Figur internes Manifolding von Brenngas, d. h. die Verteilung auf oder Entsorgung von den einzelnen Zellen erfolgt in Kanälen, die in den Stapel integriert sind.

In der Fig. 2 sind die gezeigten Teile der geschlossenen Leitung 5, in der sich das Arbeitsmedium der Wärmekraftma schine befindet (wobei letztere in der Figur selbst nicht ge zeigt ist) in den von oben nach unten, d. h. parallel zur ak tiven Fläche, verlaufenden Kanäle 5 repräsentiert. Die Kanäle 5 sind als Rohre ausgebildet, die in Rinnen der bipolaren Platten, die sich zwischen zwei aufeinanderliegenden Brenn stoffzellen eines Brennstoffzellenstapels befinden, z. B. ein gefügt oder eingelötet sind. Die Erhitzung des in den Rohr leitungen 5 enthaltenen, beispielsweise gasförmigen, Arbeits mediums geschieht über die Bipolarplatten, die direkt mit den Rohrleitungen 5 und dem Inneren der HTBZ in Kontakt stehen.

Fig. 2A zeigt einen kleinen Ausschnitt aus Fig. 2, nämlich das linke obere Eck. Zu erkennen ist wiederum die Leitung 5, die über ein geschlossenes System die HTBZ thermisch mit der Wärmekraftmaschine verbindet und in der das Arbeitsmedium, das bevorzugt gasförmig ist, geführt wird. Bei der vorliegen den Ausgestaltung der HTBZ als SOFC werden die beiden Reakti onsgase der SOFC, nämlich Oxidans (Luft) und Brenngas im Kreuzstrom geführt. So ist in Fig. 2A durch den Pfeil 8 von oben nach unten das Anströmen des Brenngases auf die aktiven Flächen der HTBZ gekennzeichnet, und von links nach rechts, gekennzeichnet durch den Pfeil 8′, die Zufuhr an Oxidans. Dargestellt ist die Projektion auf die aktiven Flächen der Brennstoffzellen. Eingezeichnet sind verschiedene Schnittli nien A, B, C und D, die jeweils die Lage der Querschnitte an geben, die die folgenden Fig. 2B bis 2E zeigen.

Fig. 2B zeigt den Querschnitt durch die Leitung 5 entlang der Linie A (aus Fig. 2A), der senkrecht zur Zeichenfläche in Fig. 2A verläuft. Im Inneren der Leitung 5 fließt das Ar beitsmedium von der Wärmekraftmaschine in Richtung des Pfei les 17 und wird jeweils entlang der Bipolarplatte 19 oder Endplatte 19a geführt. Die Leitungsrohre 5 sind, ebenso wie die Bipolarplatten oder Zwischenelemente 19 und 19a, aus thermisch leitfähigem Material und in direkten thermischen Kontakt miteinander und dem Anoden- und/oder Kathodenraum der HTBZ, der gekühlt werden muß. Als Abstandshalter, die durch ihre elektrische Isolation einen Kurzschluß benachbarter Platten verhindern, sind Teile 20 (z. B. aus ZrO₂ oder anderer Keramik) eingelegt. Das in den Rohren 5 strömende Arbeitsme dium wird über die direkte Wärmeübertragung vom Anoden-/Ka thodenraum auf die Bipolarplatten 19 und von dort auf die Rohrleitungen 5 beheizt. Beim Anfahren (Aufheizen) des Blockes oder der Batterie kann über diese Leitungen auch eine Aufheizung erreicht werden, z. B. in dem - im Falle der Ver wendung eines Stirlingmotors - die Wärmekraftmaschine zu Be ginn als Wärmepumpe arbeitet.

Fig. 2C zeigt den Querschnitt entlang der Schnittlinie B (aus Fig. 2A), der senkrecht zur Zeichenfläche verläuft. Von links nach rechts sieht man zunächst schraffiert gezeich net den Raum 4, in dem sich das Brenngas, also beispielsweise die Wasserstoff, befindet. Im Anschluß daran ist durchgehend schwarz gezeichnet wieder die Bipolarplatte 19, die ihrer seits den Kathodenraum 2 begrenzt, der in-der-Gegenrichtung schraffiert zum Raum 4 gekennzeichnet ist. Darin befindet sich das Oxidans, also beispielsweise Luft. Die Stege dienen zur elektrischen Kontaktierung der Kathode und zur Gasfüh rung. Oben bei der Bipolarplatte 19 schließt die Dichtung und elektrische Isolation 21 an, die bereits aus Fig. 2B mit einfachem Karomuster bekannt ist. Im Anschluß daran befindet sich die Kathode 25, der Elektrolyt 26 und die Anode 27. An grenzend an die Anode 27 ist wieder der Anodenraum 4, in dem der Brennstoff strömt, zu sehen, an den dann wiederum die Bi polarplatte 19 mit dem Kathodenraum 2 mit Oxidans, der Katho de 25, dem Elektrolyten 26 und der Anode 27 mit der Dichtung 21 anschließt.

Fig. 2D repräsentiert den Schnitt C, wie er in Fig. 2A dar gestellt ist. Zu sehen ist - wieder von links nach rechts - der Kathodenraum 2, den das schraffiert gezeichnete Oxidans einnimmt, daneben die schwarz gezeichneten Bipolarplatten 19, die mit einfachem Karo gekennzeichnete Dichtungen 21 und den von den Bipolarplatten 19 und der Anode 27 eingeschlossenen Raum 4, in dem sich der Brennstoff befindet. Man erkennt wie derum den Elektrolyten 26 und durch einfachen vertikale Lini en gekennzeichnet die Kathode 25. Als Kreise gezeichnet sind die Rohre 5, die die Leitungen des geschlossenen Systems, das auch durch die Wärmekraftmaschine führt, bezeichnen. Im In nenraum der punktiert eingezeichneten Rohre 5 fließt senk recht zur Zeichenebene das Arbeitsmedium 17. Gut zu erkennen ist in Fig. 2D, in wie weit die Bipolarplatten 19 die Rohre 5 umschließen, wodurch der Grad an direkter Wärmeübertragung zwischen den Bipolarplatten 19, die die Innentemperatur der HTBZ haben, und dem Arbeitsmedium der Wärmekraftmaschine, das in den thermisch leitfähigen Rohren 5 strömt, deutlich wird. Die Rohre 5 können z. B. eingelötet sein.

Fig. 2E zeigt wiederum eine Schnittfläche aus Fig. 2A, den Schnitt D parallel zu Schnitt C, bei dem die Anode 27 der Elektrolyt 26 und die Kathode 25 zu erkennen ist. Weiterhin sind die Bipolarplatten oder Zwischenelemente 19 sowie der Kathodenraum, in dem sich das Oxidans 2 befindet, zu sehen. Oberhalb der Anode 27 liegt der Anodenraum 4, in dem sich das Brenngas befindet. Im Unterschied zur Fig. 2D sind hier die Dichtungen 21 bis zu den Rohren 5 hin ausgebildet, um den Ab stand benachbarter Zellen einzustellen.

Fig. 3 zeigt das Prinzip eines Stirling-Motors, der an die HTBZ angeschlossen ist, deren Kühlsystem er liefert und des sen Erhitzer die HTBZ ist. Von links nach rechts ist zunächst links der Kompressionskolben 1 zu sehen, der sich in beiden Richtungen des Pfeiles 2 hin- und herbewegen kann. Rechts vom Kompressionskolben 1 befindet sich das, bevorzugt gasförmige, Arbeitsmedium im Kompressionsraum 3 des Stirlingmotors. Die ses Arbeitsgas wird über den Kühler 4 und den Regenerator 5 in gastechnisch abgeschlossenen, aber in der Anlage oder Bat terie integrierten Gas räumen der angeschlossenen Brennstoff zelle erhitzt. Beispielsweise können solche integrierten Gas räume, die Rohre 5 aus der Fig. 2 sein, in denen das Ar beitsgas im geschlossenen System durch die Brennstoffzelle geleitet wird. Die integrierten Gasräume sind hier nur sche matisch mit den Bezugszeichen 6 dargestellt. Ebenfalls sehr schematisch angedeutet ist die Hochtemperatur-Brennstoffzelle als Quadrat 7. Unterhalb der Brennstoffzelle 7 befindet sich der Expansionsraum 8, mit dem Kolben 10, der in die Richtung des Pfeiles 9 hin- und herbewegt werden kann.

Bei einem idealen Kreisprozeß ist am Startpunkt eines Zyklus der Kompressionsraum 3 expandiert und der Expansionsraum 8 komprimiert. Dann komprimiert der Kompressionskolben 1 iso therm bei der Kühltemperatur (fast alles Arbeitsgas ist im kühlen Bereich, weil das Volumen des Expansionsraumes nahezu gleich Null ist = Expansionsraum ist komprimiert). Bevor al les Arbeitsgas komprimiert ist, bewegen sich beide Kolben 1 und 10 so, daß das Arbeitsgas durch Regenerator 5 und Erhit zer 7 in den heißen Bereich 8 geschoben wird. Als Erhitzer 7 wird hier, wie gesagt, die Hochtemperatur-Brennstoffzelle be zeichnet. Als Regenerator 5 wird beispielsweise ein hierfür üblicher Wärmespeicher bezeichnet, der beim Durchströmen des Arbeitsgases Wärme aufnimmt oder abgibt. Das Arbeitsgas wird sowohl im Regenerator 5 als auch in den integrierten Gasräu men 6 der Brennstoffzelle 7 erhitzt und der Druck steigt des halb weiter an. Schließlich ist der Kompressionskolben 1 am Anschlag und der Expansionskolben 10 expandiert isotherm und leistet dabei Arbeit. Durch die Bewegung beider Kolben wird das Arbeitsgas auch dann in den kühlen Bereich 4 geschoben, bevor der Kompressionskolben seine Arbeit von vorne beginnt. Die dafür notwendige mechanische Energie ist geringer als die bei der Expansion auf hoher Temperatur gewonnene und wird in der Regel durch die Schwungmasse eines Kurbeltriebs aufge bracht. Die Frequenz des Kreisprozesses beträgt ca. 800 bis 3500 Umdrehungen pro Minute. Im Unterschied zu dem gezeigten Fall treten bei einem herkömmlichen Stirlingmotor Verluste beim Beheizen des Erhitzers mit Rauchgas einer Verbrennung oder mit Heißluft auf, da bei einer Erhitzung mit heißem Gas nur ein Teil der Enthalpie genutzt werden kann, der durch Ab kühlung auf die Erhitzertemperatur abgegeben wird. Es handelt sich dabei wieder um einen klassischen Fall, wo eben die Nut zung der Abwärme durch Übertragung auf Zwischenmedien bzgl. ihres Wirkungsgrades stark beeinträchtigt wird.

Fig. 4 zeigt ein Verfahrensfließbild einer erfindungsgemäßen Kombinationsanlage im Wasserstoffbetrieb. Von links nach rechts ist zunächst die Leitung 1, in der Wasserstoff trans portiert wird, zu sehen. Diese Leitung führt durch einen Wär metauscher, der den Wasserstoff auf die Eingangstemperatur der Hochtemperatur-Brennstoffzelle 10 bringt. Die HTBZ 10 um faßt einen Anoden- und Kathodenraum durch die thermisch inte grierte, aber gastechnisch getrennte, isolierte, integrierte- Gasräume und -leitungen "IGR" 15 führen. Solche integrierte Gasräume können beispielsweise wieder die Rohre 5 aus Fig. 2 oder die Reaktionsräume für die Wasserstoff- oder Synthese gasgewinnung aus der bereits zitierten parallelen Anmeldung (internes Siemens-Aktenzeichen GR 96 E 2106) darstellen.

Die Wärmekraftmaschine 16 kann über die Leitung 19 und den Generator G Strom liefern. Ebenso liefert die Hochtemperatur- Brennstoffzelle 10 über die Leitung 17 Strom. Über die Lei tungen 14a und 14 wird die HTBZ mit Brenngas und/oder Oxidans versorgt. Das Brenngas und/oder Oxidansabgas wird, wie die Wärmetauscher 13a und 13 zeigen, zumindest thermisch genutzt. Im Fall des Brennstoffs (Leitung 14a) wird das wasser stoffreiche Abgas in das Wasserstoffreservoir 12 geleitet.

Im folgenden wird anhand einer Rechnung zur Abschätzung des Systemwirkungsgrades einer erfindungsgemäßen Anlage zur Ener gieerzeugung offenbart, wie überraschend hoch der Gesamtwir kungsgrad einer solchen Kombinationsanlage ist:
Die Abschätzung des Wirkungsgrades einer mit Wasserstoff be triebenen SOFC, wie in Fig. 4 dargestellt, lautet wie folgt: Zugrunde liegen die Bedingungen: Zellspannung 0,85 Volt, 80% Brenngasausnutzung, Brennstoffeinsatz 22,92 MW(76 Mol H₂ pro Sekunde), Bruttostromerzeugung (0,85/1,25)_*(22,92_*0,8) = 12,47 MW_el, Wechselrichterverluste 0,62 MW_el, Hilfsenergie für die Luftverdichtung 1,86 MW, die so ausgelegt ist, daß bei einer Erwärmung um ΔT = 200°C eine ausreichende Kühlung erfolgt. Daraus ergibt sich ein elektrischer Nettowirkungs grad für den umgesetzten Brennstoff von

η_el,H2SOFC = [12,47-0,62-1,86]MW/[22,92 MW_*0,8] = 54,5%

(Nichtverbrauchter H₂ kann nach Produktwasserabtrennung wie der zugeführt und mit gleichem η umgesetzt werden. Die Was serstoffverdichtung kostet 0,06 MW_el). An Abwärme fällt in der SOFC eine Leistung von 22,9 MW_*0,8_*(1,25 V-0,85 V)/1,25 V = 5,86 MW_th an. Davon trägt das Anodenabgas 0,70 MW, 834 Mol Luft/sec den Rest aus der SOFC. Im Fall einer Kühlung mit WKM (Wärmekraftmaschine) wird der Luftdurchsatz minimiert auf 7,4 Mol % O₂ im Kathodenabgas. Das entspricht 251 Mol Luft/sec am Kathodeneingang und einem Wärmeabtransport durch 213 Mol Abluft/sec von 1,32 MW_th. Der Energiebedarf für die Luftverdichtung sinkt auf (251/834)_*1,86 MW_el = 0,56 MW_el, d. h. die Verluste werden um 1,30 MW_el reduziert. Wegzukühlen bleiben 5,86-0,70-1,32 MW_th = 3,84 MW_th. Hierfür wird ei ne WKM mit Nettowirkungsgrad von 40% angenommen. Daraus er gibt sich eine elektrische Zusatzleistung von 1,54 MW_el bzw.

η_{el,H2SOFC/WKM} = [12,47-0,62-0,52+1,54]MW/[22,92 MW_*0,8] = 70,2%.

Die Wirkungsgradverbesserung wurde hiermit zu ca. 15% Punkten abgeschätzt, das zugehörige Verfahrensfließbild zeigt Fig. 4.

Fig. 5 zeigt wieder ein Verfahrensfließbild einer erfin dungsgemäßen Kombianlage. Von links nach rechts ist zunächst zentral in der Mitte mit der Bezugsziffer 1 die Brennstoff zelle mit internem Reformer, beispielsweise eine SOFC mit Re former, abgekürzt eine "SOFCR" zu sehen, die gastechnisch an die weiter rechts stehende Brennstoffzelle SOFC 2, die mit reinem Wasserstoff betrieben wird (H₂SOFC), angeschlossen ist. An die SOFC 2 wiederum ist die Wärmekraftmaschine 6 an geschlossen. Jedes Teil dieser Kombianlage, also sowohl die Brennstoffzelle 1 mit internem Reformer als auch die mit rei nem Wasserstoff betriebene SOFC 2 und auch die Wärmekraftma schine 6 liefern über die jeweils mit 7 gekennzeichneten Lei tungen Strom an die Nutzer. Über die jeweils mit 9 gekenn zeichneten Leitungen wird Abluft aus dem Kathodenkreislauf, der hier nicht weiter erläutert wird, abgeführt.

Das Oxidans für den Kathodenkreislauf von HTBZ 1 wird über die Leitung 5 am linken äußeren Rand des Verfahrensfließbil des eingespeist. Oberhalb der Leitung 5 bei der Leitung 13 strömt Erdgas oder anderes Feedgas in das System und zunächst in den integrierten Reformer der HTBZ 1. Vor Einleitung in die HTBZ 1 wird dem Feedgas Wasserdampf und Anodenabgas aus der SOFC 2 beigemischt und über den rekuperativen Wärmetau scher 14 auf die Betriebstemperatur der Hochtemperatur- Brennstoffzelle erwärmt. Nach Abkühlung des H₂ und CO-hal tigen Anodenabgases, wobei CO mit H₂O zu H₂ und CO₂ konver tiert wird dieses über die Leitung 20 in den H₂-Konzentrator 15, also ein Mittel zur Konzentrierung des Wasserstoffs wie beispielsweise einen Wäscher, eingeleitet. Aus dem H₂-Konzen trator 15 wird er im Verdichter 17, sofern erforderlich, nochmals verdichtet, bevor er in die mit relativ reinem Was serstoff (also H₂O und CO₂-abgereichertem) betriebene SOFC 2 eingeleitet wird. Das Anodenabgas aus der SOFC 2 wird dann wiederum nach Durchströmen des rekuperativen Wärmetauschers 14′ in die Feedgaszuleitung 13 eingespeist. Im betrachteten Beispiel ist die HTBZ 1 eine Brennstoffzelle nach dem Typ, der von der Anmelderin in der Patentanmeldung mit dem amtl. Aktenzeichen DE 195 45 186.4 Titel: "Verfahren zum Betreiben einer HTBZ-Anlage und HTBZ-Anlage" bereits in der Beschrei bung offenbart wurde. Auf den Inhalt dieser Patentanmeldung wird hiermit zur Vervollständigung der vorliegenden Beschrei bung verwiesen. Es ist jedoch auch möglich, daß die HTBZ 1 von dem Typ HTBZ ist, der von der Anmelderin in den bereits zitierten Anmeldung "Vorrichtung und Verfahren zur Was serstoff- und/oder Synthesegasgewinnung" beschrieben wurde, d. h. daß eine solche in dieser Anlage für die Reformierung und den Betrieb mit H₂ denkbare HTBZ 1 isolierte integrierte Gasräume "IGR" hat. In diesem Fall geht nach dem Verdichter 17 die Leitung über einen rekuperativen Wärmetauscher durch die HTBZ 1 und führt dann über 14′ in die SOFC 2.

Wie bereits erwähnt, verfügt die SOFC 2 über integrierte, aber gastechnisch isolierte Gasräume "IGR", die mit der Wär mekraftmaschine 6 einen geschlossenen Kreislauf bilden und in denen das Arbeitsmedium der Wärmekraftmaschine 6 erhitzt wird.

Eine Abschätzung des Wirkungsgrades einer solchen Kombinati onsanlage aus SOFC-Reformer und einer Kombinationsanlage aus H₂-SOFC und WKM ergibt folgende Rechnung:

Zugrunde liegt zunächst ein folgendes System: In einen SOFC-Re former mit Zellspannung 0,7 V werden 50 MW Methan (H_u) mit Wasserdampf geschickt. Daraus entstehen 20,86 MW_el, abzüglich Verluste durch Wechselrichter (1,04 MW_el) und Luftverdichter (1,13 MW_el). Nach Abkühlung, Shift-Reaktion und CO₂-Wäsche verbleiben im Abgas 22,92 MW chemische Brennstoffleistung. Der elektrische Wirkungsgrad beträgt für die Differenz der chemischen Brennstoffleistungen

η_el,SOFCR,netto,ac = 69%.

Die H₂-Abtrennung verbraucht bei chemischer Wäsche i.w. nur thermische Energie auf einem Niveau von 120°C. Es folgt für den Fall einer Kühlung mit Überschußluft:

η_el,H2SOFC,Hu = [12,47-0,62-0,30-1,86]Mw/[22,92 MW_*0,8] = 52,9%

dabei ist
12,47 die BZ-Bruttoleistung
0,62 der Verbrauch des Wechselrichters
0,30 der Verbrauch des H₂-Verdichters
1,86 der Verbrauch des Luftverdichters
22,92 die Brennstoffleistung und
0,8 die Brennstoffausnutzung.

Im Fall der Kühlung mit Wärmekraftmaschinen von 40% elektri schem Wirkungsgrad sinkt die Luftverdichterleistung von 1,86 MW auf 0,56 MW und die WKM erzeugt 1,54 MW. Daraus ergibt sich für den umgesetzten Wasserstoff

η_el,H2SOFC = [12,47-0,62-0,30-0,56+1,54]MW/[22,92 MW_*0,8] = 68,4%.

Durch Rückführung des Überschußwasserstoffs ergibt sich 100%ige Brenngasausnutzung und eine zusätzliche Nettostromer zeugung von 1,14 MW im SOFCR und 1,99 MW in der H₂-SOFC. Als elektrischer Gesamtwirkungsgrad auf Basis Methan ergibt sich damit:

η_elH2SOFC = 68,7%.

Dies ist um 6,6%-Punkte höher als im Referenzfall ohne Ab luftrückführung.

Der Hauptvorteil der Integration einer WKM besteht aber dar in, daß sie ermöglicht, die SOFC bei höherer Leistungsdichte zu betreiben und damit die aktive Fläche bei gleicher elek trischer Leistung wesentlich zu verkleinern. Statt den Luft verdichter und dessen Stromverbrauch stark zu vergrößern, um die erhöhte Abwärme wegzubringen, treibt nun die Abwärme eine WKM an und erzeugt Strom bzw. treibt die Verdichter direkt an.

Die Integration der beiden Geräte, nämlich der Hochtempera tur-Brennstoffzelle und der Wärmekraftmaschine ermöglicht die Ausnutzung folgender Vorteile

a) die Hochtemperaturabwärme der Brennstoffzelle wird zur Stromerzeugung über die Wärmekraftmaschine genutzt. Der Be darf an Hilfsenergie für die Kühlung der Hochtemperatur- Brennstoffzelle entfällt. Beides zusammen kann im Wasser stoffbetrieb zur Wirkungsgradverbesserung von bis zu 15% Punkten führen, im Erdgasbetrieb um Wirkungsgradverbesserun gen bis zu 6%. (vgl. hierzu Fig. 4 und 5 und Beschreibun gen dazu).
b) die Hochtemperatur-Brennstoffzelle kann bei höherer Lei stungsdichte und damit geringeren spezifischen Investitions kosten betrieben werden. Der geringere elektrische Wirkungs grad der Hochtemperatur-Brennstoffzelle wird in der Kombina tionsanlage überkompensiert durch die Leistung der Wärme kraftmaschine.
c) Durch die Integration beider Geräte fallen somit die Zu satzkosten für die integrierten Gasräume der Hochtemperatur- Brennstoffzelle gegenüber einer normalen Hochtemperatur- Brennstoffzelle weg, da diese den Erhitzer bei der Wärme kraftmaschine bilden, der für die Wärmekraftmaschine sowieso notwendig ist.

Claims

1. Kombinationsanlage, bei der eine Brennstoffzellenbatterie, insbesondere ein Hochtemperatur-Brennstoffzellenbatterie, mit einer Wärmekraftmaschine kombiniert ist, wobei Leitungen und Räume vorgesehen sind, in denen das Arbeitsmedium der Wärme kraftmaschine zum Erhitzen in einem geschlossenen System durch das Innere der Brennstoffzelle geführt wird.

2. Kombinationsanlage nach Anspruch 1, bei der die Leitungen und Räume so konstruiert sind, daß sie Überdruck aushalten und ein Gas, gegebenenfalls in überkritischem Aggregatszu stand, als Arbeitsmedium enthalten können.

3. Kombinationsanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Arbeitsmedium in dem geschlossenem System unter hohem Druck bis zu 300 bar enthalten sein kann.

4. Kombinationsanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche bei dem die Brennstoffzelle eine Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) mit einer Betriebstemperatur von 500°C bis 1000°C ist.