DE19706584C2 - Hochtemperaturbrennstoffzellen mit Erwärmung des Reaktionsgases - Google Patents

Hochtemperaturbrennstoffzellen mit Erwärmung des Reaktionsgases

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Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage mit Hochtemperaturbrennstoffzellen mit Erwärmung der Reaktionsgase, wie dies bspw. aus der DE 196 20 501 C1 bekannt ist.
Hochtemperatur-Brennstoffzellen haben Betriebstemperaturen im Bereich zwischen 850 und 1000°C. Da nur ein Teil der Energie des Brennstoffs in elektrische Energie umgewandelt wird, entsteht an der Anode, an der sich der elektrochemische Vorgang vollzieht, Wärme, die nach außen abgeführt werden muss. Diese Wärme wird überwiegend durch einen Luftstrom in der Kathode aus der Zelle abgeführt, der um ein Mehrfaches größer sein kann als der stöchiometrisch erforderliche.
Die Wärme der aus der Anode und der Kathode ausströmenden Gase kann dazu verwendet werden, die in die Anode und Kathode strömenden Gase über Wärmetauscher auf eine für den Betrieb der Brennstoffzellen erforderliche und für diese verträgliche Temperatur zu bringen. Brennstoffzellen mit keramischen Strukturelementen vertragen allerdings keine großen Temperaturdifferenzen. Das ist aber nur ein Problem, das die peripheren Prozesse in Verbindung mit Brennstoffzellen betrifft. Die Energie, die aufgebracht werden muss, um die die Kathode durchströmende Luftmenge auf den Betriebsdruck zu bringen, vermindert den Wirkungsgrad und ist umso größer, je mehr die Luftmenge das stöchiometrisch erforderliche Maß über­ steigt.
Aus der Buchveröffentlichung "System Design and Optimization in Fuel Cell Systems", ed. by L. J. M. J. Blomen and M. N. Mugerwa; Plenum Press, New York 1993, pp. 201-244 ist bekannt, die Wärme der aus der Kathode austretenden Luft zum Erwärmen der Frischluft zu verwenden. Dieser Austausch erfolgt in einem Wärmetauscher.
Das Anodenabgas mit dem darin enthaltenen Restwasserstoff wird im Allgemeinen in einem Nachbrenner verbrannt. Abhängig vom Umsetzungsgrad des Wasserstoffs in der Brennstoffzelle liegt dieser Wasserstoffanteil, bezogen auf den insgesamt eingesetzten Wasserstoff, zwischen 10 und 20%. Bei Brennstoffzellen, bei denen der Brennstoff, wie beispielsweise Erdgas, mit Wasserdampf in den Zellen selbst, d. h. intern, in CO und H2 umgewandelt, bzw. reformiert wird, muss, damit eine Rußabscheidung sicher vermieden wird, mit einem Wasserdampfüberschuss gearbeitet werden.
Bei Hochtemperatur-Brennstoffzellen gelangen O2 2--Ionen durch den Elektrolyten von der Kathode zur Anode, wo, zusammen mit dem dort vorhandenen Wasserstoff, Wasserdampf entsteht.
Wird das aus der Anode austretende Gas - zwar unter Nutzung des größten Teils seiner Wärme - abgeleitet, muss laufend aufbereitetes Wasser verdampft und mit dem Wasserstoff der Anode zugeführt werden, eine Erfordernis, die bei dezentralen Anlagen die Nutzungsmöglichkeiten der Brennstoffzellen einschränkt und auch den Wirkungsgrad vermindert.
Die bei den bisher bekannt gewordenen Konzepten verwendeten Wärmetauscher sind in ihrem Platzbedarf und ihren Kosten sehr aufwendig, insbesondere die Wärmetauscher für hohe Temperaturen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Mängel der bisher bekannten Konzepte zu vermeiden und den Wirkungsgrad zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die Anlage nach dem Anspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung und ein Verfahren zum Betrieb der Anlage sind in den Unteransprüchen enthalten.
Bei Ausbildungen der Erfindung ist wesentlich,
  • - dass in den Anoden- und Kathodenkreislauf mindestens diejenige auf die Zeit bezogene Menge an Reaktionsgasen eingebracht wird, die für das Er­ zielen der elektrischen Leistung der Brennstoffzelle erforderlich ist.
  • - daß von dem aus der Anode und Kathode ausströmenden Gas eine der eingebrachten Gasmenge entsprechende Gasmenge aus dem Kreislauf abgeleitet wird,
  • - daß die in den Kreislauf eingebrachten Gasmengen so bemessen werden, daß durch Mischen dieser Gasmengen mit den aus der Anode und der Ka­ thode in den Kreislauf zurückgeführten Gasen die Temperatur der in die Anode und Kathode einströmenden Gase auf die erforderliche Höhe ein­ gestellt werden kann.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird das in den Anodenkreislauf einge­ brachte frische Brenngas zusammen mit dem wasserdampf- und wasserstoffhalti­ gen Gas des Anodenkreislaufs durch einen Reformer geführt und in diesem teilwei­ se oder ganz reformiert. Die Temperatur des in die Anode eintretenden Gasge­ mischs ist vom Reformierungsgrad abhängig. Da dieser von der Temperatur des Reformers abhängt, kann die Temperatur des in die Anode eintretenden Gasge­ mischs von der thermischen Ankopplung des Reformers an die Brennstoffzellen­ stapel beeinflußt werden.
Die Erfindung wird nachstend anhand der Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:
Fig. 1 das Fließschema.
Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch einen Modul.
Die Funktion der Anlage wird zunächst an einem Beispiel erläutert.
Frischluft wird über den Frischluftkompressor 10a (Fig. 1) über den Luftinjektor 7 in den Kathodenkreislauf 1 gebracht. Der Luftverdichter 6 treibt die Luft durch die Kathode K. Ein kleiner Teil der Kathodenabluft wird zum Nachbrenner 8 abgeleitet, der größere Teil durchströmt den Luftinjektor 7 und den Luftverdichter 6.
Auf der Anodenseite wird Brenngas über den Brenngaskompressor 10b und den Brenngasinjektor 4 in den Anodenkreislauf 2 gebracht. Das Gasgemisch durchströmt den Reformer 3 und tritt in die Anode A ein. Ein kleiner Teil des aus der An­ ode austretenden Gases wird zum Nachbrenner 8 abgeleitet, der größere Teil ge­ langt, angetrieben durch den Brenngasverdichter 5, wieder in den Anodenkreislauf. Die Energie des Abgases 9 des Nachbrenners 8 wird vorteilhafterweise in einer Gasturbine abgearbeitet; denn auf diese Weise können Wirkungsgrade erzielt wer­ den, die 70% übersteigen.
Fig. 2 zeigt eine schematische Anordnung der Komponenten. In einer Hülle 13 sind einzelne Stackreihen 11a bis 11e angeordnet. Sie sind in dem gezeigten Beispiel brenngas- und luftseitig in Reihe geschaltet. Das Brenngas tritt bei 12 in die Stack­ anordnung ein und verläßt diese bei 19. Die Luft tritt über eine Haube 14 in die Stackanordnung und verläßt diese über die Haube 20. Abluft aus dieser Haube 20 wird über den Luftinjektor 7 und den Luftverdichter 6 wieder zur Haube 14 geführt. Komprimierte Frischluft - der Kompressor ist in der Fig. 2 nicht gezeigt - tritt über den Einlaß 16 in den Luftinjektor 7 ein.
Ein Teil des Anodenabgases 19 wird in den Nachbrenner 8 zusammen mit einem Teil der Abluft aus der Haube 20 geführt und darin verbrannt, der größere Teil wird, getrieben vom Brenngasverdichter 18 über den Injektor 4 über den Reformer 3 zum Brenngaseintritt 12 geführt.
Mit 18 und 15 sind die Antriebsmotoren der Brenngas- bzw. Luftverdichter bezeich­ net.
Der Luftkreislauf wird auf hoher Temperatur und bei vergleichsweise hohen Be­ triebsdrücken, z. B. 10 bar gehalten. Dazu ist erforderlich, daß die Regelung der Temperatur der in die Kathode eintretenden Luft durch Veränderung der Drehzahl des Verdichters und durch Veränderung der zugeführten Luftmenge erfolgt.
Um die Brennstoffzellenstapel zu kühlen und insbesondere den Temperaturgra­ dienten in den Brennstoffzellenstapeln zu vermindern, ist eine Kühlung auf der Ka­ thodenseite mit einer Luftmenge erforderlich, die ein Vielfaches, beispielsweise das Fünffache, der stöchiometrisch notwendigen Luftmenge betragen kann.
Der Verdichter im Luftkreislauf hat nur die vergleichsweise kleine Druckdifferenz im Brennstoffzellenstapel, die nur ein Zehntel bar beträgt, auszugleichen.
Der Antrieb der Verdichter in den beiden Kreisläufen geschieht entweder elektro­ magnetisch oder durch das aus dem Kathodenkreis abgeführte Gas.
In den Reformer im Anodenkreis wird zusätzlich Wärme aus den Brennstoffzellen­ stapeln eingespeist. Die Stärke der thermischen Isolation zwischen Brennstoffzel­ lenstapel und Reformer wird nach der bei Nennleistung in den Reformer zu über­ tragenden Wärmemenge bemessen. Bei Teilleistung wird weniger Wärme im Re­ former gebraucht. Die Temperaturdifferenz zwischen Brennstoffzellenstapel und Reformer nimmt ab, so daß auch weniger Wärme übertragen wird. Auch die aktive Oberfläche des Katalysators im Reformer ist nach der Nennleistung bemessen, so daß die Vorteile der Anlage nach der Erfindung sind:
  • 1. Die Anlage benötigt keine der üblichen Wärmetauscher. Damit entfallen de­ ren Nachteile:
    • - ihr großes Bauvolumen
    • - ihre großen Kosten, insbesondere derjenigen für hohe Temperaturen
    • - der hohe Aufwand, um die Wärmedehnungen der anzuschließenden Rohre zu beherrschen.
  • 2. Da die Anlage sehr kompakt gebaut ist, gibt es nur geringe Wärmeverluste. Daher ist mit einem hohen Wirkungsgrad zu rechnen. Die Anlage hat bei­ spielsweise nur etwa ein Viertel des Bauvolumens neuester Anlagenkonzep­ te herkömmlicher Art mit Wärmetauschern.
  • 3. Es erfolgt keine Zufuhr von Wasserdampf im Betrieb. Der im Anodenraum entstehende Wasserdampf wird wieder in den Anodenraum zurückgeführt. Diese Eigenschaft macht die Anlage vom Standort unabhängig und bedeutet eine hohe ökologische Verträglichkeit, was den Anwendungsbereich dezen­ traler Anlagen erweitert.
  • 4. Der Anodenkreislauf führt zu einer höheren Nutzung des Wasserstoffs. Das bedeutet einen wesentlichen Beitrag zur Erhöhung des Wirkungsgrads. Die Menge des nicht in der Zelle umgesetzten Wasserstoffs wird auf weniger als die Hälfte reduziert. Bei einer Ausnutzung von 90% führt das zu einer Ver­ besserung des Wirkungsgrads um etwa 5%.
  • 5. Der Verdichter im Anodenkreislauf muß nicht wasserstoffdicht sein. Der ins­ besondere über die Lager austretende Wasserstoff ist ein Teil des Wasser­ stoffs, der aus dem Kreislauf ohnehin abzuleiten ist. Damit vermindern sich die Anforderungen an die Lager, was die Lebensdauer der Verdichter ver­ größert.
  • 6. Das Abgas ist magerer als das bekannter Konzepte mit unmittelbarer Ver­ brennung der Anodenabgase. Dadurch entstehen bei der Nachverbrennung niedrigere Temperaturen mit einer geringeren NOx-Bildung.
Bezugszeichenliste
A Anode
K Kathode
1
Kathodenkreislauf
2
Anodenkreislauf
3
Reformer
4
Brenngasinjektor
5
Brenngasverdichter
6
Luftverdichter
7
Luftinjektor
8
Nachbrenner
9
Abgas, dessen Energie in einer Gasturbine abgarbeitet werden kann.
10
a Frischluftkompressor
10
b Brenngaskompressor
11
a bis
11
e Stapelreihen von Brennstoffzellen
12
Anodenzuleitung
13
Hülle
14
Kathodenzuleitung
15
Antriebsmotor für Luftverdichter
16
Lufteintritt
17
Brenngaseintritt
18
Antriebsmotor für Brenngasverdichter
19
Anodenableitung
20
Kathodenableitung
SA
Temperatursensor an der Anodeneintrittsseite
SK
Temperatursensor an der Kathodeneintrittsseite

Claims (16)

1. Hochtemperaturbrennstoffzellenanlage mit mindestens ein Hochtemperaturbrennstoffzellenstapel, bei der ein Te.1 der Wärme der aus der Anode und der Kathode ausströmenden Gase dazu verwendet ist, die Gase, die in die Anode und die Kathode einströmen, auf eine für den Betrieb der Brennstoffzellen erforderliche Temperatur zu bringen, mit einem Anoden- und einem Kathodenkreislauf, denen Brenngas und Luft zugeführt ist, mit einem Verdichter, der das Brenngas auf den für die Einleitung in den Anodenkreislauf erforderlichen Druck bringt, mit einem Verdichter, der die Luft auf den für die Einleitung in den Kathodenkreislauf erforderlichen Druck bringt, mit einem ersten Temperatursensor auf der Eintrittsseite der Luft vor der Kathode, und mit einer Regelung der Menge der in den Kathodenkreislauf eingeleiteten Luft in Abhängigkeit von der Abweichung der von dem ersten Temperatursensor gemessenen Temperatur von einer Solltemperatur.
2. Hochtemperaturbrennstoffzellenanlage nach Anspruch 1, mit einem zweiten Temperatursensor auf der Eintrittsseite des Brenngases vor der Anode, und mit einer Regelung der Menge des in den Anodenkreislauf eingeleiteten Brenngases in Abhängigkeit von der Abweichung der von dem zweiten Temperatursensor gemessenen Temperatur von der Solltemperatur.
3. Hochtemperaturbrennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, mit einem Reformer zum partiellen oder vollständigen Reformieren des Brenngases.
4. Hochtemperaturbrennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem außerhalb des Anoden- und Kathodenkreiseslaufs angeordneten Nachbrenner, in dem ein Teil der aus der Anode austretenden brennbaren Gase mit einem Teil der aus der Kathode ausströmenden Gase zur Verbrennung kommt.
5. Hochtemperaturbrennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in dem Anoden- und/oder Kathodenkreislauf Verdichter angeordnet sind, die die Gasströmung bewirken.
6. Hochtemperaturbrennstoffzellenanlage nach Anspruch 5, wobei die Verdichter nach dem Prinzip der Turbolader aufgebaut sind.
7. Hochtemperaturbrennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei die Verdichter keramische Bauteile aufweisen.
8. Verfahren zum Betreiben einer Hochtemperaturbrennstoffzellenanlage, bei der ein Teil der Wärme der aus der Anode und der Kathode ausströmenden Gase dazu verwendet wird, die Gase, die in die Anode und die Kathode einströmen, auf eine für den Betrieb erforderliche Temperatur zu bringen, wobei in einen Anoden- und einen Kathodenkreislauf Brenngas und Luft eingebracht wird, wobei in den Anodenkreislauf Brenngas unter Druck eingebracht wird, wobei in den Kathodenkreislauf Luft unter Druck eingebracht wird, wobei die Temperatur auf der Eintrittsseite der Luft vor der Kathode gemessen wird, und wobei die Menge der in den Kathodenkreislauf eingeleiteten Luft in Abhängigkeit von der Abweichung der gemessenen Temperatur von einer Solltemperatur geregelt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Temperatur auf der Eintrittsseite des Brenngases vor der Anode gemessen wird, und wobei die Menge des in den Anodenkreislauf eingeleiteten Brenngases in Abhängigkeit von der Abweichung der gemessenen Temperatur von der Solltemperatur geregelt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei in dem Anoden- und dem Kathodenkreislauf mindestens diejenigen, auf die Zeit bezogenen Mengen an Brenngas und Luft eingebracht werden, die für das Erzielen der elektrischen Leistung erforderlich sind.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die in den Anoden- und/oder den Kathodenkreislauf eingebrachte Gasmenge so bemessen wird, dass durch Mischen dieser Gasmenge mit dem aus der Anode und/oder der Kathode zurückgeführten Gas die Temperatur des in die Anode und/oder die Kathode einströmenden Gases auf eine optimale Betriebstemperatur eingestellt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die Frischluft über einen Injektor in den Kathodenkreislauf eingebracht wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei das Brenngas über einen Injektor in den Anodenkreislauf eingebracht wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei die Brenngase über einen Kompressor auf den erforderlichen Druck gebracht werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei in den Anodenkreislauf das mit Anodenabgas gemischte frische Brenngas vor der Einspeisung in die Anode durch einen Reformer geführt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15, wobei die abgegebene Wärme in den Reformer eingeleitet wird.
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