DE19812155A1

DE19812155A1 - Anordnung zur Energieumwandlung, umfassend mindestens zwei Brennstoffzellenstracks und mindestens eine Reformereinheit, sowie ein Brennstoffzellenkraftwerk

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Publication number: DE19812155A1
Application number: DE19812155A
Authority: DE
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1998-03-20
Filing date: 1998-03-20
Publication date: 1999-09-30
Anticipated expiration: 2018-03-21
Also published as: DE19812155C2

Abstract

Bei bekannten Anordnungen von Brennstoffzellenstacks und Reformereinheiten werden zur Erwärmung der Reformereinheit dieser direkt oder über einen Nachbrenner die Abgase der Brennstoffzellenstacks zugeführt. Die Brennstoffzellenstacks, die Reformereinheiten sowie die Rohrleitungen werden aufwendeig isoliert, um Wärmeverluste zu vermeiden. Die neue Anordnung soll es ermöglichen, auf einfache Weise eine effiziente und kostengünstige Wärmekopplung zwischen Brennstoffzellenstacks und Reformereinheiten zu realisieren. DOLLAR A Mindestens zwei Brennstoffzellenstacks (1, 6, 10) und mindestens eine Reformereinheit (2, 5, 11) sind innerhalb eines gemeinsamen wärmeisolierten Behälters (3, 7, 8) angeordnet. Die Oberflächen der Brennstoffzellstacks (1, 6, 10) sowie der Reformereinheiten (2, 5, 11) sind so gestaltet, daß über Wärmestrahlung, direkte Wärmeleitung oder Konvektion in der Behälteratmosphäre eine hinreichende Wärmekopplung zwischen den Brennstoffzellenstacks (1, 6, 10) und der Reformereinheit (2, 5, 11) gegeben ist. DOLLAR A Die Anordnung ermöglicht eine kostengünstige und effiziente Wärmekopplung zwischen Brennstoffzellenstacks und Reformereinheiten innerhalb eines Brennstoffzellenkraftwerks.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Energieumwandlung, umfassend mindestens zwei Brennstoffzellenstacks und mindestens eine Reformereinheit, wobei die Reformereinheit zur zumindest teilweisen Reformierung eines Ausgangsbrennstoffs für die Bereitstellung eines Brenngases oder Brenngasgemisches dient, jeder Brennstoffzellenstack zur Erzeugung elektri scher Energie mittels einer exothermen Umsetzung des Brenngases bzw. Brenngasgemisches mit einem Oxidationsgas dient, und die bei der exothermen Umsetzung erzeugte Wärme zur Erwär mung der Reformereinheit genutzt ist, sowie ein Brennstoffzellenkraftwerk.

Eine Anordnung der eingangs genannten Art wird regelmäßig eingesetzt, wenn mit Hilfe der Brennstoffzellentechnik elektrische Energie aus kohlenstoffhaltigen Ausgangsbrennstoffen, wie z. B. Erdgas oder Methanol, gewonnen werden soll. Der eigentlichen elektrochemischen Reak tion wird dann eine sogenannte Reformierungsreaktion zwischen dem Ausgangsbrennstoff und Wasserdampf vorgeschaltet, bei der das im wesentlichen aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid sowie diversen Restgasen bestehende Brenngasgemisch entsteht, das dann auf der Anodenseite der Brennstoffzelle für die elektrochemische Reaktion zur Verfügung gestellt wird. Bei Hochtemperaturbrennstoffzellen kann der Reformierungsprozeß zumindest zum Teil als innere Reformierung innerhalb der Brennstoffzellen stattfinden. Jedoch läuft die Reformierung dort in der Regel nicht vollständig ab, so daß die Reformereinheit zumindest für eine Vorreformierung benötigt wird. Die Reformierungsreaktion ist endotherm, weshalb der Reformereinheit von au ßen Wärme zugeführt werden muß. Bei Hochtemperaturbrennstoffzellen, die bei Temperaturen von mehreren 100 Grad betrieben werden, wird hierzu die Abwärme der Brennstoffzellenstacks genutzt, die aufgrund der Reaktionswärme der exothermen elektrochemischen Reaktion entsteht. Für die beschriebene Brennstoffzellentechnik sind SOFC's (Solid Oxide Fuel Cells) und MCFC's (Molten Carbonate Fuel Cells) geeignet.

Es ist eine Anordnung bekannt (U. Birnbaum, E. Riensche, U. Stimming; Optimization of small SOFC Plants with flexible Power/Heat Ratios and their friture Application; Proc. 5^th Int. Symp. Solid Oxide Fuel Cells, Eds.: U. Stimming, S. C. Singhal, H. Tagawa, W. Lehnert, The Electrochem. Soc. Inc., Pennington, NJ, USA, Vol. 97-40, 1997), bei der die Abgase der Brennstoffzellenstacks einem Nachbrenner zugeführt und anschließend der Reformereinheit zugeleitet werden, wo über einen Wärmetauscher ein Teil des Wärmeinhalts des Abgasgemisches dem Reformierungsprozeß zugeführt wird. Ein anderer Teil wird zur Aufhei zung des Oxidationsgases genutzt. Ein weiterer Teil wird zur Verdampfung von Wasser genutzt, das anschließend dem Reformierungsprozeß zugeführt wird. Der hiernach noch ggf. im Abgas gemisch verbliebene Wärmeinhalt kann noch als Nutzwärme außerhalb der Anordnung einge setzt werden.

Bei der bekannten Anordnung ist es nachteilig, daß aufwendige Maßnahmen getroffen werden müssen, um einerseits die einzelnen Brennstoffzellenstacks, die Reformereinheit und die dazwi schen verlaufenden Gasleitungen gegen Wärmeverluste zu isolieren und andererseits geeignete Wärmeübergänge zu gewährleisten.

Es ist des weiteren eine aus einem einzelnen Brennstoffzellenstack und einer integrierten Refor mereinheit bestehende Einheit bekannt (Status of the sulzer hexis solid oxid fuel cell (SOFC) system development; Diethelm et. al. Electrochemical proceedings Vol. 97-40, S. 79 bis S. 87). Auch bei dieser Kombination werden die Brennstoffzellenabgase über einen Nachbrenner per Rohrleitungen der Reformereinheit zu dessen Aufwärmung zugeführt. Diese Konstruktion hat insbesondere den Nachteil, daß eine Reformereinheit für einen einzigen Brennstoffzellenstack eingesetzt wird, weshalb der Einsatz der Reformereinheit hier relativ ineffektiv ist. Die Effekti vität einer Reformereinheit steigt einerseits mit seiner Größe. Diese Größe muß andererseits aber an die Größe und Anzahl der Brennstoffzellenstacks angepaßt sein, so daß die Reformereinheit beim zuletzt genannten Stand der Technik auf eine relativ ineffektive Größe beschränkt ist. Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zur Energieumwandlung der eingangs genannten Art sowie ein Brennstoffzellenkraftwerk bereitzustellen, die bzw. das die vorgenannten Nachteile nicht aufweist.

Bei einer Anordnung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Brennstoffzellenstacks und die Reformereinheit gemeinsam innerhalb eines wärmeisolierten Be hälters angeordnet sind und über die Oberflächen der Brennstoffzellenstacks und der Refor mereinheit eine Wärmekopplung zwischen den Brennstoffzellenstacks einerseits und der Refor mereinheit andererseits gegeben ist.

Auf diese Weise entfällt die Isolierung der einzelnen Brennstoffzellenstacks und der Refor mereinheit. Bereits das Fehlen dieser Isolierungsmaßnahmen sowie die Anordnung der Brenn stoffzellenstacks und der Reformereinheit in einem gemeinsamen wärmeisolierten Behälter kann hinreichend sein, um über Konvektion der Behälteratmosphäre und/oder Wärmestrahlung eine für den Reformierungsprozeß hinreichende Wärmekopplung zwischen den Brennstoffzellen stacks und der Reformereinheit zu gewährleisten. Somit kann die Zuleitung der heißen Abgase aus den Brennstoffzellenstacks zu der Reformereinheit entfallen. Die Abgase können dann un mittelbar anderen Anwendungen, wie z. B. der Erwärmung des Oxidationsgases, der Wasserver dampfung etc. zugeführt werden.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann auch so ausgebildet sein, daß zumindest ein Teil der Brennstoffzellenstacks einen unmittelbaren körperlichen Kontakt zur Reformereinheit aufweist. In diesem Fall trägt auch eine unmittelbare Wärmeleitung zur Wärmeübertragung auf die Re formereinheit bei.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann vorteilhaft auch so ausgebildet sein, daß die Refor mereinheit entlang ihres äußeren Umfangs zylinderförmig ist und zumindest ein Teil der Brenn stoffzellenstacks im wesentlichen auf einem zur Reformereinheit koaxialen Kreis um die Refor mereinheit herum angeordnet ist.

Weiterhin kann die erfindungsgemäße Anordnung so ausgebildet sein, daß die Reformereinheit zylinderschalenförmig ist.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann auch so ausgebildet sein, daß die Reformereinheit plat tenförmig ist und zumindest ein Teil der Brennstoffzellenstacks entlang zumindest einer Seite der Platte angeordnet sind.

Hierdurch hat die Reformereinheit eine verhältnismäßig große Oberfläche bei gegebenem Volu men, so daß eine hinreichende Wärmekopplung leicht erreicht werden kann.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann auch so ausgebildet sein, daß innerhalb des Behälters mehrere Kraftwerkmodule angeordnet sind, wobei mindestens zwei Brennstoffzellenstacks und eine Reförmereinheit jeweils ein Kraftwerkmodul bilden.

Mit der Anzahl der einzelnen Module erhöht sich die Effizienz der erfindungsgemäßen Anord nung.

Bei einem Brennstoffzellenkraftwerk der eingangs genannten Art wird die obengenannte Auf gabe gelöst durch eine Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6.

Im folgenden werden bevorzugte Ausbildungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung an hand von Figuren dargestellt.

Es zeigt schematisch

Fig. 1 in Aufsicht eine wabenförmige Anordnung aus sechs Brennstoffzellenstacks und einer Reformereinheit,

Fig. 2 in Aufsicht eine quaderförmige Anordnung von zehn Brennstoffzellenstacks und einer plattenförmigen Reformereinheit,

Fig. 3 in schräger Aufsicht eine Anordnung aus mehreren Modulen, jeweils bestehend aus Brennstoffzellenstacks und einer Reformereinheit.

Fig. 1 zeigt schematisch in Aufsicht eine wabenförmige Anordnung von Brennstoffzellenstacks 1 und einer Reformereinheit 2 in einem wärmeisolierten Behälter 3. Die Brennstoffzellenstacks 1 haben unmittelbaren körperlichen Kontakt zur Reformereinheit 2, so daß die Wärmeübertragung von den Brennstoffzellenstacks 1 zur Reformereinheit 2 zum Teil mittels direkter Wärmeleitung über die Grenzflächen 4 erfolgen kann.

Eine alternative Anordnung zeigt Fig. 2. Hier ist die Reformereinheit 5 plattenförmig. Die Brennstoffzellenstacks 6 haben unmittelbaren körperlichen Kontakt zu den großflächigeren Plattenseiten der Reformereinheit 6. Die Brennstoffzellenstacks 6 und die Reformereinheit 5 befinden sich auch hier in einem wärmeisolierten Behälter 7. Bei dieser Ausbildungsform ist das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen bei der Reformereinheit 5 größer als im Beispiel von Fig. 1, so daß hier dementsprechend eine größere Wärmeleistung übertragen werden kann.

Fig. 3 zeigt in schräger Aufsicht einen wärmeisolierten Behälter 8, in dem mehrere Module 9 angeordnet sind. Jedes Modul 9 besteht aus einer Anzahl von Brennstoffzellenstacks 10 und ei ner Reformereinheit 11. In diesem Beispiel sind die Reformereinheiten 11 zylinderschalenför mig. Um die Reformereinheiten 11 herum sind annähernd koaxial zur Reformereinheit 11 die zu demselben Modul gehörenden Brennstoffzellenstacks 10 gruppiert. Hier ist die Wärmekopplung zwischen den Brennstoffzellenstacks 10 und der zugehörigen Reformereinheit 11 allein über Wärmestrahlung und Konvektion der Behälteratmosphäre gegeben.

Bezugszeichenliste

1

Brennstoffzellenstack

2

Reformereinheit

3

Behälter

4

Grenzfläche

5

Reformereinheit

6

Brennstoffzellenstack

7

Behälter

8

Behälter

9

Kraftwerkmodul

10

Brennstoffzellenstack

11

Reformereinheit

Claims

1. Anordnung zur Energieumwandlung, umfassend mindestens zwei Brennstoffzel lenstacks (1, 6, 10) und mindestens eine Reformereinheit (2, 5, 11), wobei

a) die Reformereinheit (2, 5, 11) zur zumindest teilweisen Reformierung eines Ausgangsbrenn stoffs für die Bereitstellung eines Brenngases oder Brenngasgemisches dient,
b) jeder Brennstoffzellenstack (1, 6, 10) zur Erzeugung elektrischer Energie mittels einer exo thermen Umsetzung des Brenngases bzw. Brenngasgemisches mit einem Oxidationsgas dient, und
c) die bei der exothermen Umsetzung erzeugte Wärme zur Erwärmung der Reformereinheit (2, 5, 11) genutzt ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Brennstoffzellenstacks (1, 6, 10) und die Reformereinheit (2, 5, 11) gemeinsam innerhalb eines wärmeisolierten Behälters (3, 7, 8) angeordnet sind und
b) über die Oberflächen der Brennstoffzellenstacks (1, 6, 10) und der Reformereinheit (2, 5, 11) eine Wärmekopplung zwischen den Brennstoffzellenstacks (1) einerseits und der Refor- mereinheit (2, 5, 11) andererseits gegeben ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Brennstoffzellenstacks (1, 6, 10) einen unmittelbaren körperlichen Kontakt zur Reformereinheit (2, 5, 11) aufweist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Refor mereinheit (2, 5, 11) entlang ihres äußeren Umfangs zylinderförmig ist und zumindest ein Teil der Brennstoffzellenstacks (1, 6, 10) im wesentlichen auf einem zur Reformereinheit (2, 5, 11) koaxia len Kreis um die Reformereinheit (2, 5, 11) herum angeordnet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reformereinheit (2, 5, 11) zylinderschalenförmig ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Refor mereinheit (2, 5, 11) plattenförmig ist und zumindest ein Teil der Brennstoffzellenstacks (1, 6, 10) entlang zumindest einer Seite der Platte angeordnet sind.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in nerhalb des Behälters (3, 7, 8) mehrere Kraftwerkmodule (9) angeordnet sind, wobei mindestens zwei Brennstoffzellenstacks (1, 6, 10) und eine Reformereinheit (2, 5, 11) jeweils ein Kraftwerk modul (9) bilden.

7. Brennstoffzellenkraftwerk, umfassend eine Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6.