DE19721817A1

DE19721817A1 - Verfahren zur Kaskadierung von Brennstoffzellen

Info

Publication number: DE19721817A1
Application number: DE19721817A
Authority: DE
Inventors: Alfred Dipl Phys Koch
Original assignee: Dornier GmbH
Current assignee: Dornier GmbH
Priority date: 1997-05-26
Filing date: 1997-05-26
Publication date: 1998-12-03

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kaskadierung von Brennstoffzellen nach dem Oberbegriff des Anspruch 1.

Brennstoffzellen, insbesondere SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) oder PEM-Brennstoffzellen (Proton-Exchange-Membrane) sind elektrochemische Ener giewandler, die Strom direkt aus gasförmigen Energieträgern (z. B. H₂, CO, CH₄) erzeugen. SOFC basieren in der Regel auf Zirkonoxid als Sauerstoff- Ionen-leitenden Festelektrolyt und werden bei Temperaturen von ca. 800 bis 1000°C betrieben. Da sie nicht wie Wärmekraftmaschinen der Carnot-Regel unterliegen, erreichen sie deutlich höhere Wirkungsgrade von über 50%. Deshalb und wegen ihrer geringen Emission von Schadstoffen haben sie ein hohes Potential als zukünftige Energiewandler, speziell wenn sie Erdgas als Primärenergieträger verwenden.

Für wirtschaftliche Anlagen werden mehrere Brennstoffzellen zu Zellstapeln (Stacks) und diese zu Modulen verschaltet. Grundvoraussetzung für die Wirt schaftlichkeit der miteinander verschalteten Stacks ist eine hohe mittlere Lei stungsdichte bei gleichzeitig hohem Gesamtwirkungsgrad - dem Produkt aus elektrischem Wirkungsgrad und Brenngasnutzung. Werden Stacks mit hoher Brenngasnutzung bzw. Brenngasabreicherung betrieben - z. B. mit über 90% - dann tritt das Problem auf, daß bereits eine geringe Gasungleichverteilung in einem Stack zu Gasverarmungen in einzelnen der parallelgeschalteten Zellen führt, mit irreparablen, schädlichen Auswirkungen auf den gesamten Stack. Eine derartige Gasungleichverteilung kann nur verhindert werden durch die Einhaltung extrem enger Bautoleranzen, die nicht garantiert werden können.

Um diese Nachteile zu vermeiden, werden die einzelnen Stacks nur mit gerin ger Brenngasnutzung - z. B. 40 bis 70% - betrieben. Der angestrebte hohe Ge samtnutzungsgrad der Anlage von über 90% wird in diesem Fall dadurch er reicht, daß mehrere Stacks brenngasseitig hintereinander geschaltet werden (Kaskadierung). Die Brenngasnutzung wird auf diese Weise in Stufen erhöht. Diese konventionelle brenngasseitige Kaskadierung von Stacks mit einge schränkter Brenngasnutzung wird so ausgeführt, daß Stacks gleicher Bauart und Größe, insbesondere gleicher Zellfläche und Anzahl von Zellen, bezüg lich der Brenngasführung hintereinander geschaltet werden, bis die ge wünschte Gesamtbrenngasnutzung erreicht ist.

In den Fig. 2 bis 5 sind für zulässige Stack-Brenngasnutzungsgrade von 40, 50, 60 und 70% derartige Kaskadierungsvarianten mit den zugehörigen Kenn größen "mittlere elektrische Leistung", "elektrischer Wirkungsgrad", "Gesamt gasnutzung" und "Gesamtwirkungsgrad" dargestellt (in Fig. 1 ist eine Legende für diese Figur dargestellt). Eine Übersicht über berechnete Betriebskennwerte für die dargestellten Ausführungen sind in den Tabellen 1 bis 4 angegeben. Damit ein Gesamtgasnutzungsgrad von über 90% erreicht wird, ist es erforder lich, fünf Stacks mit je 40% (Fig. 2, Tabelle 1), vier Stacks mit je 50% (Fig. 3, Tabelle 2), drei Stacks mit je 60% (Fig. 4, Tabelle 3) oder zwei Stacks mit je 70% zulässigem Stack-Brenngasnutzunggrad (Fig. 5, Tabelle 4) hintereinan der zu schalten. In diesen Beispielen wurden die Wasserstoff-Eingangsflüsse so gewählt, daß beim gleichen Anfangsstrom von 14,3 A - entsprechend einem H₂-Umsatz von 100 nccm - gerade 40, 50, 60 oder 70% H₂ umgesetzt werden. Für den Flächenwiderstand wurde 1,0 Ωcm² und für die aktive Zell fläche 67,2 cm² je Zelle angenommen. Zur Vereinfachung der Berechnungen besteht ein Stack hier jeweils aus genau einer Zelle.

Wie man aus den Fig. 2 bis 5 mit zugehörigen Tabellen 1 bis 4 entnehmen kann, nimmt die mittlere elektrische Leistung in allen vier Kaskadierungsvari anten von ca. 10 W pro Zelle in der ersten Kaskadierungsstufe auf ca. 5-7 W pro Zelle - gemittelt über alle Kaskadierungsstufen - ab, weil der Strom in den nachgeschalteten Stacks entsprechend der Brenngasabreicherung zurück geht. Dagegen bleibt der elektrische Wirkungsgrad konstant und der Gesamt wirkungsgrad steigt mit der Brenngasnutzung an.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Kaskadierung von Brennstoff zellenstacks zu schaffen, mit der die mittlere Leistung pro Zelle bei nur un wesentlicher Verminderung des Gesamtwirkungsgrads erhöht werden kann.

Das erfindungsgemäße Konzept sieht vor, daß das abgereicherte Brenngas der Zellen der vorgeschalteten Kaskadierungsstufe so zusammengefaßt wird, daß die Zellen der jeweils nachgeschalteten Kaskadierungsstufe die gleiche Absolutmenge an nichtverbrauchtem brennbarem Gas pro aktiver Zellfläche erhalten - bei entsprechend erhöhtem höherem Gesamtfluß. Dadurch kann nun auch in den nachgeschalteten Zellen derselbe Strom gezogen werden und der mittlere Leistungswert bleibt hoch. Gegenüber der konventionellen Serienverschaltung liefert die erfindungsgemäße Verschaltung der Zellen, abhängig von der Anzahl der Kaskadierungsstufen, eine im Durchschnitt um 40 bis über 95% höhere mittlere elektrische Leistung.

Diese höhere elektrische Leistungsdichte wird in erster Linie durch den hohen Strom in den Zellen der nachgeschalteten Kaskadierungsstufen verursacht, denn sie dienen nicht mehr nur der Erhöhung der Brenngasnutzung, sondern liefern auch einen wesentlichen Beitrag zur Gesamtleistung. In zweiter Linie tragen die nachgeschalteten Stacks mit ihrer geringfügig niedrigeren Leistung auch nur in geringerer Zahl zum Durchschnittswert bei.

Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung werden anhand von Figuren und Tabellen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Legende zu den Fig. 2 bis 9

Fig. 2 bis 5 jeweils eine schematische Darstellung einer konventionellen brenngasseitigen Kaskadierung von Stacks bei 40, 50, 60 und 70% maximaler Stack-Brenngasnutzung. Eine Übersicht über berechnete Betriebskennwerte für diese Ausführungen sind in den Tabellen 1 bis 4 angegeben.

Fig. 6 bis 9 jeweils eine schematische Darstellung einer erfindungsgemä ßen brenngasseitigen Kaskadierung von Stacks bei 40, 50, 60 und 70% maximaler Stack-Brenngasnutzung. Eine Übersicht über berechnete Betriebskennwerte (umgerechnet auf eine einzelne Zelle) für diese Ausführungen sind in den Tabellen 5 bis 8 angegeben.

In allen dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungen, wie auch in den ge zeigten Ausführungen der konventionellen Kaskadierung, sind die Brenngas eingangsflüsse so gewählt, daß in jedem Stack bzw. Zelle der ersten Kaska dierungsstufe ein Strom von 14,3 A - entsprechend einem H₂-Umsatz von 100 nccm pro Zelle - das Brenngas gerade um den zulässigen Betrag von 40, 50, 60 bzw. 70% abreichert.

Anhand der Fig. 6 soll das erfindungsgemäße Prinzip beispielhaft erläutert werden. Sie zeigt eine erste erfindungsgemäße Ausführung mit 5 Kaskadie rungsstufen, wobei jede Kaskadierungsstufe eine bestimmte Anzahl parallel geschalteter Brennstoffzellen umfaßt, die hier zur besseren Veranschauli chung alle identisch aufgebaut sein sollen. Alle Zellen innerhalb einer Kaska dierungsstufe werden vorteilhafterweise zu einem Stack zusammengefaßt. In der ersten Kaskadierungsstufe befinden sich in dieser Ausführung 77 Zellen. Das entsprechend der vorgegebenen Stack-Brenngasnutzung (hier 40%) ab gereicherte Brenngas wird nach Verlassen der ersten Kaskadierungsstufe an die Zellen der zweiten Kaskadierungsstufe geführt. Die zweite Kaskadierungs stufe umfaßt dabei gerade so viele Zellen (hier: 46), daß die Absolutmenge an nicht verbrauchtem brennbaren Gas pro Einzelzelle (allgemein bei Zellen, die nicht baugleich sind: pro aktiver Flächeneinheit) in 1. und 2. Kaskadierungs stufe gerade gleich ist. Entsprechendes gilt für das Verhältnis der Anzahl der Zellen aller übrigen aufeinanderfolgenden Kaskadierungsstufen.

Da durch die erfindungsgemäße Verschaltung auch in allen nachgeschalteten Kaskadierungsstufen derselbe Strom gezogen werden kann, bleibt der mittle re Leistungswert annähernd konstant hoch bei ca. 10 W pro Zelle. In Klam mern ist in den Fig. 6 bis 9 jeweils die Differenz in mittlerer elektrischer Leis tung sowie im Gesamtwirkungsgrad zwischen der jeweiligen erfindungsge mäßen Ausführung und der entsprechenden konventionellen Ausführung an gegeben. Der Zuwachs an mittlerer elektrischer Leistung bei den dargestellten Ausführungen sind dabei wie folgt:
5 Kaskadierungsstufen bei einer Stack-Brenngasnutzung von 40% (Fig. 6):
+96%
4 Kaskadierungsstufen bei einer Stack-Brenngasnutzung von 50% (Fig. 7):
+95%
3 Kaskadierungsstufen bei einer Stack-Brenngasnutzung von 60% (Fig. 8):
+78%
2 Kaskadierungsstufen bei einer Stack-Brenngasnutzung von 70% (Fig. 9):
+43%.

Zwar ergibt sich, wie aus den Fig. 6 bis 9 sowie den zugehörigen Tabellen 5 bis 8 zu entnehmen ist, für die einzelnen erfindungsgemäßen Ausführungen im Verlauf der Kaskadierung ein um 7 bis 9% geringerer Gesamtwirkungsgrad verglichen mit den konventionellen Ausführungen gemäß Fig. 2 bis 5 mit zu gehörigen Tabellen 1 bis 4. Dieser Unterschied wird verursacht durch die hö heren ohmschen Verluste aufgrund der höheren Ströme, die die Klemmspan nung absenken. Dieser geringfügig niedrigere Gesamtwirkungsgrad ist jedoch angesichts der erreichten höheren mittleren Stack-Leistung nur von unterge ordneter Bedeutung.

Wie man ebenfalls aus den dargestellten Ausführungen entnehmen kann, ist der Vorteil der höheren mittleren elektrischen Leistung stark abhängig von der Höhe der angestrebten Gesamtgasnutzung des Systems. So verringert sich bei einer Gesamtgasnutzung von nur 84 bis 87% der Vorteil des erfindungs gemäßen Kaskadierungskonzeptes hinsichtlich der mittleren elektrischen Lei stung zwar deutlich, bleibt aber mit 35 bis 70% immer noch von wesentlicher Bedeutung.

Betriebskennwerte für eine konventionelle brenngasseitige Stack-Kaskadierung.

Annahme:

- Betriebstemperatur: 1000°C
- Zellwiderstand: 1 Ωcm²
- Stack-Brenngasnutzungsgrad: 40%

Tabelle 1

Betriebskennwerte für eine konventionelle brenngasseitige Stack-Kaskadierung.

Annahme:

- Betriebstemperatur: 1000°C
- Zellwiderstand: 1 Ωcm²
- Stack-Brenngasnutzungsgrad: 50%

Tabelle 2

Betriebskennwerte für eine konventionelle brenngasseitige Stack-Kaskadierung.

Annahme:

- Betriebstemperatur: 1000°C
- Zellwiderstand: 1 Ωcm²
- Stack-Brenngasnutzungsgrad: 60%

Tabelle 3

Betriebskennwerte für eine konventionelle brenngasseitige Stack-Kaskadierung.

Annahme:

- Betriebstemperatur: 1000°C
- Zellwiderstand: 1 Ωcm²
- Stack-Brenngasnutzungsgrad: 70%

Tabelle 4

Betriebskennwerte für eine erfindungsgemäße brenngasseitige Stack-Kaskadierung.

Annahme:

Tabelle 5

Annahme:

Tabelle 6

Annahme:

Tabelle 7

Annahme:

Tabelle 8

Claims

1. Verfahren zur Kaskadierung von Brennstoffzellen, bei dem das abgerei cherte Brenngas aus den Zellen der vorgeschalteten Kaskadierungsstufe den Zellen der jeweils nachgeschalteten Kaskadierungsstufe zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß den Brennstoffzellen der jeweils nachgeschalteten Kaskadierungsstufe im wesentlichen die gleiche Abso lutmenge an nicht verbrauchtem brennbaren Gas pro aktiver Zellfläche zu geführt wird wie den Brennstoffzellen der vorgeschalteten Kaskadierungs stufe.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Brennstoff zellen vom Typ SOFC eingesetzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß min destens zwei Kaskadierungsstufen durchlaufen werden.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Brennstoffzellen innerhalb derselben Kaskadie rungsstufe zu einem oder mehren Stacks zusammengefaßt werden.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Brennstoffzellen innerhalb derselben Kaskadie rungsstufe parallelgeschaltet werden.