DE2849151A1 - Brennstoffzellenstromversorgungsanlage und verfahren zum betreiben derselben - Google Patents

Brennstoffzellenstromversorgungsanlage und verfahren zum betreiben derselben

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DE2849151A1
DE2849151A1 DE19782849151 DE2849151A DE2849151A1 DE 2849151 A1 DE2849151 A1 DE 2849151A1 DE 19782849151 DE19782849151 DE 19782849151 DE 2849151 A DE2849151 A DE 2849151A DE 2849151 A1 DE2849151 A1 DE 2849151A1
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fuel
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DE19782849151
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Richard Allan Sederquist
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United Technologies Corp
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Description

UNITED TECHNOLOGIES CORPORATION Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.
Brennstoffzellenstromversorgungsanlage und Verfahren zum
Betreiben derselben
Die Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellenstromversorgungsanlagen .
Da Brennstoffzellenstromversorgungsanlagen zum Erzeugen von Elektrizität kommerziell immer interessanter werden, werden mehr und mehr Anstrengungen darauf gerichtet, den Wirkungsgrad der Stromversorgungsanlage zu verbessern und die Kosten der Stromversorgungsanlage zu senken, ohne neue und verbesserte Materialien und Einzelteile entwickeln zu müssen. Eine Lösung besteht darin, vorhandene Einzelteile zu beseitigen oder in ihrer Größe zu verringern, beispielsweise durch Verändern der Reihenfolge der Anordnung der Einzelteile, -um wirksameren Gebrauch von der in den ver-
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schiedenen Gasströmen verfügbaren Energie zu machen. Andere Verfahren zum Verbessern des Wirkungsgrades und zum Verringern der Kosten beinhalten das Modifizieren der Betriebsparameter des Systems. Ein Beispiel für die Anstrengungen, die in dieser Hinsicht gemacht wurden·, sind die aus der US-PS 3 976 507 bekannten Stromversorgungsanlagenkonfigurationen. Bei der in dieser Patentschrift beschriebenen Stromversorgungsanlage werden unter inneren Überdruck gesetzte Reaktionsmittel unter Zuhilfenahme eines Turboladers ausgenutzt, der durch innerhalb der Stromversorgungsanlage erzeugte Energie angetrieben -wird, welche sonst vergeudet worden wäre. Gekoppelt mit dem Unter-inneren-Überdruck-setzen der Stromversorgungsanlage wurde die Verwendung von Katodenraumabgas in einem Brennstoffreaktor zum Erzeugen von Wasserstoff, wobei das Reaktorabgas durch verschiedene Wärmeaustauscher und von diesen aus durch den Anodengasraum der Brennstoffzellen geleitet wird. Das Anodenraumabgas wird nach dem Erhöhen seiner Temperatur durch Hindurchleiten desselben durch einen katalytischem. Brenner zum Antreiben des Turboladers benutzt, um die dem Katodengasraum zugeführte Luft zu komprimieren.
Ein Vorteil der in der vorgenannten US-Patentschrift beschrie-. benen Stromversorgungsanlage ist die Beseitigung von Wasser— rückgewinnungsgeräten, weil der durch den Reaktor benötigte Dampf in den Katodenraumabgasen zur Verfugung steht.
Trotz der vielen Vorteile arbeitet die vorgenannte Stromversorgungsanlage nicht völlig zufriedenstellend. Beispielsweise wird jegliches Wasser, das in dem Abgas des Anodengasraums freigesetzt wird, vergeudet, weil es nicht in dem Reaktor ausgenutzt wird und deshalb nicht die Leistung des Reaktors verbessert. Weiter kann ein Druckabfall an dem Reaktor
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zu einem Druckungleichgewicht an der Brennstoffzelle führen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennstoffzellenstromversorgungsanlage zu schaffen, die viele der Probleme von bekannten Stromversorgungsanlagen verringert und gleichzeitig die Kosten der Stromversorgungsanlage reduziert und ihren Wirkungsgrad verbessert.
Eine Brennstoffzellenstromversorgungsanlage nach der Erfindung umfaßt mehrere Brennstoffzellen. Die Anoden— und Katodenabgase der Brennstoffzellen werden vereinigt und in einem Brenner verbrannt, wobei ein erster Teil des Brennerabgases und ein kohlenstoffhaltiger Brennstoff in einen Brennstoff auf bereitungsapparat geleitet werden, um den Brennstoff in Wasserstoff umzuwandeln, welcher dann der Anodenseite der Brennstoffzellen zugeführt wird. Ein zweiter Teil des Brennerabgases wird abgelassen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der zweite Teil des Brennerabgases, bevor er abgelassen wird, zum Antreiben eines Turboladers benutzt, um die Luft (Oxydationsmittel), die der Katodenseite der Brennstoffzellen zugeführt wird, unter inneren Überdruck zu setzen. Das Brennerabgas kann außerdem zum Vorwärmen der Anoden- und Katodenabgase vor deren Eintritt in den Brenner benutzt werden.
In einer weiteren Ausführungsform enthält der Brennstoffaufbereitungsapparat einen thermischen Vergasungsapparat, welcher stromaufwärts- eines Dampfreformierungsreaktors angeordnet ist. Das Brennerabgas und der Brennstoff werden in den Vergasungsapparat eingeleitet und das Vergasungsapparatabgas wird dann dem Eeformierungsreaktor zugeleitet. Der ther-
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mische Vergasungsapparat hat ein Volumen, in welchem die meisten der schweren Kohlenwasserstoffverbindungen in dem Brennstoff durch die hohen Temperaturen innerhalb des Vergasungsapparatvolumens in leichtere Stoffe gespalten werden. Die leichteren Stoffe können dann durch einen typischen katalytischen Dampfreformer verarbeitet werden. Der thermische Vergasungsapparat gestattet daher das Betreiben der Stromversorgungsanlage mit unsauberen Brennstoffen, wie Schwerölen oder sogar festen Abfällen.
Die Erfindung hat eine Anzahl von Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik. Beispielsweise wird der gesamte Dampf, der durch einen Dampfreformierungsreaktor benötigt wird, durch die Anoden- und Katodenabgasströme geliefert. Da beide Ströme dem Reaktor zugeführt werden, wird weniger Dampf vergeudet. Der zusätzliche Dampf verbessert die Leistung des Reaktors.
Ein weiterer wichtiger Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß ein beträchtlicher Teil des Anodenabgases nach seiner Verbrennung und anschließenden Ausnutzung in dem Brennstoffaufbereitungsapparat wieder durch die Anode hindurchgeleitet wird. Verglichen mit dem aus der vorgenannten US-PS 3 976 507 bekannten System wird dadurch der Wasser stoff par tialdruck, besonders an dem Anodenauslaß, erhöht, wodurch die Brennstoffzellenleistung und der thermische Wirkungsgrad verbessert werden.
Noch ein weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung, und zwar eines, durch das der thermische Wirkungsgrad der gesamten Stromversorgungsanlage verbessert wird, besteht darin, daß das Vermischen und Verbrennen der Anoden- und Katodenab-
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gase die gesamte Energie liefert, die benötigt wird, um sowohl den Brennstoffaufbereitungsapparat zum Erzeugen von Wasserstoff als auch einen Turbolader (unter der Annahme eines unter inneren Überdruck gesetzten Systems) zum Komprimieren der der Katodenseite der Brennstoffzellen zugeführten Luft zu betreiben. Wenn zusätzliche Energie in dem Brennstoff auf bereitungsappaiat benötigt wird, kann die Temperatur darin erhöht werden, indem einfach der Katodenluftstrom erhöht wird, was zur Folge hat, daß dem Apparat zusätzlicher Sauerstoff zugeführt wird.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die hohe Temperatur des Einlaßstroms des Brennstoffaufberei— tungsapparates die Verwendung von gewissen Brennstoffen mit hohem Schwefelgehalt (wie beispielsweise Nr.-2-Heizöl) direkt in einem Dampfreformer gestatten kann, sogar ohne die Verwendung des oben erwähnten thermischen Vergasungsapparates .
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schema einer Brennstoffzellen
stromversorgungsanlage nach der Erfindung,
Fig. 2 einen kombinierten Apparat aus Bren
ner, Wärmeaustauscher und Reaktor, der in der Stromversorgungsanlage von Fig. 1 verwendbar ist, und
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Fig. 3 ein Schema einer weiteren Ausfüh
rungsform einer Brennstoffzellenstromversorgungsanlage nach der Erfindung.
Es wird die in Fig. 1 schematisch dargestellte Stromversorgungsanlage als ein Beispiel für eine Ausführungsform der Erfindung betrachtet. Die Stromversorgungsanlage enthält einen in seiner Gesamtheit mit der Bezugszahl 10 bezeichneten Brennstoffzellenstapel, einen in seiner Gesamtheit mit der Bezugszahl 12 bezeichneten Turbolader, einen Brenner 14, einen Brennstoffreaktor 16, einen Kohlenoxid-Konverter 18, eine Umwälzpumpe 20 und Wärmeaustauscher 22, 23 und 24-
Der Brennstoffzellenstapel 10 enthält mehrere Brennstoffzellen, die über eine Belastung elektrisch in Reihe geschaltet sind, der aber zur einfacheren Erläuterung hier nur mit einer einzigen Zelle 26 dargestellt ist. Jede Zelle hat eine Katodenelektrode 28, die mit Abstand von einer Anodenelektrode 30 angeordnet ist, wobei zwischen diesen eine einen Elektrolyten enthaltende Grundmasse 32 angeordnet ist. Die Elektroden 28, 30 enthalten beide einen Platinkatalysator und sind über eine Belastung 34 in Reihe geschaltet.
Der Brennstoffzellenstapel 10 kann jeden herkömmlichen Typ von Brennstoffzellen enthalten, die mit gasförmigen Reale— tionsmitteln arbeiten. In dieser Ausführungsform ist das Oxydationsmittel Luft und der Brennstoff ist Wasserstoff. Das Oxydationsmittel strömt an der Katodenelektrode 28 durch den hier als Katodenseite 36 der Zelle 26 bezeichneten Bereich. Der Brennstoff strömt an der Anodenelektrode 30 durch den hier als Anodenseite 38 der Zelle 26 bezeieh-
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neten Bereich. In dieser bevorzugten Ausführungsform ist der Elektrolyt zwar flüssige Phosphorsäure, die Erfindung ist aber nicht darauf beschränkt, denn es können auch andere Säuren sowie Basenelektrolyten, Carbonatschmelzenelektrolyten oder feste Arten von Elektrolyten, wie Metalloxidelektrolyten oder feste Polymerelektrolyten in einer Stromversorgungsanlage nach der Erfindung benutzt werden.
Der Turbolader 12 enthält einen Verdichter 40, der durch eine Turbine 42 über eine Welle 44 angetrieben wird. Seine Aufgabe wird aus der folgenden Beschreibung der Betriebsweise der Stromversorgungsanlage hoch deutlicher.
In der Anlage von Fig. 1 tritt im Betrieb Luft in den Verdichter 40 über eine Leitung 46 ein und wird auf wenigstens ■ etwa zwei Atmosphären Druck komprimiert. Diese unter inneren Überdruck gesetzte Luft gelangt über eine Leitung 48 in die Katodenseite 36 der Brennstoffzelle. Der Sauerstoff in der Luft tritt innerhalb der Katodenelektrode 28 mit dem Phosphorsäureelektrolyten in der Grundmasse 32 in elektrochemische Reaktion. Ein Teil des Wassers, das durch die Reaktion erzeugt wird, wird zurück in den Luftstrom verdampft, der durch die Katodenseite der Zelle hindurchgeht. Das feuchte Katodenabgas verläßt die Brennstoffzelle über eine Leitung 50, nimmt Wärme in dem Wärmeaustauscher 22 auf und wird in den Brenner 14 geleitet.
Auf der Anodenseite 38 der Brennstoffzelle reagiert Wasserstoff elektrochemisch innerhalb der Anodenelektrode 30 mit dem Phosphorsäureelektrolyten in der Grundmasse 32. Etwas Wasser verdampft ebenfalls in diesen Wasserstoffstrom, der durch die Zelle hindurchgeht. Das Abgas der Anodenseite 38
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der Zelle enthält zum überwiegenden Teil unverbrannten Wasserstoff und Wasser. Es verläßt die Zelle über die Leitung 52 und nimmt Wärme in den Wärmeaustauschern 23 und 24 auf, bevor es in den Brenner 14 geleitet wird.
Innerhalb des Brenners 14 werden die vorgewärmten Anoden- und Katodenabgase miteinander vermischt und bei einer relativ hohen Temperatur verbrannt, die irgendwo zwischen 982 0C und 1371 °C liegen kann, je nach den Anfangstemperaturen der Brennstoffzellenabgasströme, dem Ausmaß der Vorwärmung dieser Ströme vor dem Einleiten derselben in den Brenner und dem Verhältnis von Sauerstoff zu Wasserstoff. Vorzugsweise sollte die Brennertemperatur über 1093 C liegen.
Der Abgasstrom des Brenners 14 wird an der Stelle 54 in einen Abzügstrom 56 und einen Eückfuhrstrom 58 aufgeteilt. Gewöhnlich ist die rückgeführte Masse etwa doppelt so groß wie die abgezogene Masse. Das erwünschteste Verhältnis wird durch die Reaktorerwärmungs- und-temperaturerfordernisse sowie durch das für den Reaktor erforderliche Verhältnis von Dampf zu Brennstoff bestimmt. Der Brenner kann entweder in einem stöchiometrischen Zustand (ohne überschüssige Luft) oder mit einem höheren als stöchiometrischen Zustand arbeiten, indem einfach der Katodenluftstrom verstärkt oder verringert wird. Wenn der Brenner mit einem höheren als stöchiometrischen Luftstrom läuft, empfängt der Reaktor automatisch überschüssigen Sauerstoff, der in ihm zur Verbrennung sowie zur Dampfreformierung führt. Das bewirkt, daß der Reaktor auf einer höheren Temperatur arbeitet, die für gewisse Arten von Brennstoffen erwünscht sein kann. In jedem Fall sollte der Brenner nicht mit weniger als stöchiometri-
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scher Luft betrieben werden, da das dazu führen würde, daß unverbrannter Wasserstoff mit dem Abzugstrom 56 abgezogen wird.
Der Abzugstrom 56 wird durch den Wärmeaustauscher 24 geleitet, um das Anodenabgas vorzuwärmen, und durch den Wärmeaustauscher 22, um das Katodenabgas vorzuwärmen. Er wird dann zum Antrieb des Turboladers 12 benutzt, indem er durch die Turbine 42 geleitet wird, woraufhin er über die Leitung 60 in die Atmosphäre abgelassen wird.
Der Rückführstrom 58 des Brennerabgases wird in den Reaktor 16 geleitet. Brennstoff wird über eine Leitung 62 ebenfalls in den Reaktor 16 geleitet, in welchem er sich mit dem Brennerabgas vermischt. Der flüssige Brennstoff wird zuerst in seinem Druck durch eine Pumpe 63 auf etwa denselben Druck wie die in die Katodenseite 36 der Brennstoffzelle eintretende Luft erhöht. In diesem Fall ist der Reaktor 16 ein katalytischer Dampfreformer, in welchem ein Katalysator aus auf Aluminiumoxid abgestütztem Nickel benutzt wird. Vorzugsweise arbeitet der Reaktor adiabatisch, wobei er nur die Eigenwärme in dem Brennerabgas zum Umwandeln des Brenn- · stoffes in Wasserstoff ausnutzt. Das Brennerabgas enthält das Wasser (in Form von Dampf), das für die Dampfreformierungsreaktion erforderlich ist.
Das Reaktorabgas wird zum Vorwärmen des Anodenabgases in dem Wärmeaustauscher 23 benutzt und dann in den Kohlenoxid-Konverter 18 geleitet, um jegliches Kohlenmonoxid (ein Gift für die Brennstoffzelle) in Kohlendioxid und zusätzlichen Wasserstoff umzuwandeln. Aus dem Kohlenoxid-Konverter 18 geht der Gasstrom in eine Pumpe 20, die den Brennstoff zu
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der Anodenseite 38 der Brennstoffzelle leitet. In den Ansprüchen sind der Reaktor 16 und der Kohlenoxid-Konverter 18 unter dem breiteren Begriff "Brennstoffaufbereitungsapparat" zusammengefaßt.
Ein wichtiges Merkmal der Stromversorgungsanlage nach der Erfindung ist der Wiederumlauf eines beträchtlichen Teils von verbranntem Anoden- und Kätodenabgas, der die Energie zum Betreiben des Reaktors liefert, welcher den Brennstoff reformiert. Der Hauptvorteil des Verbrennens und Rückführens des Anodenabgases besteht darin, daß es den Wasserstoff partialdruck erhöht, insbesondere an dem Auslaß der Anodenseite der Brennstoffzelle. Außerdem, da in der Stromversorgungsanlage nach der Erfindung Wasser sowohl aus den Anoden- als auch den Katodenabgasen benutzt wird, ist das einzige Wasser, das verlorengeht, dasjenige, das in dem Abzugstrom 56 vorhanden ist.
In der Ausführungsform von Fig. 1 werden zwar sowohl der Reaktorabgasstrom als auch der Abzuggasstrom zum Vorwärmen des Anoden- und Katodenabgases benutzt, die Notwendigkeit für dieses Vorwärmen hängt jedoch von der Betriebstemperatur der in der Stromversorgungsanlage benutzten Brennstoffzelle und von der gewünschten Brennertemperatur ab. Beispielsweise arbeiten Brennstoffzellen mit festen Elektrolyten häufig bei Temperaturen oberhalb von 538 0C. In diesem Fall braucht das Vorwärmen nicht notwendig zu sein oder kann in einem geringeren Ausmaß als bei Zellen mit niedrigerer Temperatur erforderlich sein. Zellen mit festen Elektrolyten würden außerdem nicht die Verwendung eines Kohlenoxid-Konverters erfordern, da bei ihnen das Vorhandensein von Kohlenmonoxid in dem Anodenseiteneinlaßstrom eher zulässig ist.
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Die vorliegende Erfindung beschränkt sich außerdem nicht auf Systeme, die unter inneren Überdruck gesetzt werden. In Systemen, die ohne inneren Überdruck arbeiten, würde selbstverständlich kein Turbolader vorhanden sein. Deshalb kann die. Energie, die in dem Abzuggasstrom vorhanden ist, für andere Zwecke verwendet werden, beispielsweise zur DampfverStärkung, um einen turboelektrischen Generator anzutreiben.
In der Ausführungsform von Fig. 1 sind die Wärmeaustauscher, der Brenner und der Reaktor zwar als einzelne und gesonderte Bestandteile dargestellt, jedoch braucht das nicht und wird wahrscheinlich nicht der Fall zu sein. Fig. 2 zeigt einen Apparat, in welchem der Reaktor 16, der Brenner 14 und der Wärmeaustauscher 24 integriert sind. Diese Bestandteile sind in einem innen isolierten Mantel 64 untergebracht. Das Katodenabgas aus dem Wärmeaustauscher 22 tritt in einen Sammelraum 66 über eine Leitung 68 ein. Aus dem Sammelraum 66 geht das Katodenabgas durch mehrere Rohre 70 hindurch zu dem Brenner 14, welcher hier als ein offener Raum innerhalb des Mantels 64 dargestellt ist. Das Anodenabgas tritt in einen Sammelraum 72 über eine Leitung 74 ein und geht durch ringförmige Zwischenräume 7-6 hindurh, die durch äußere Rohre 78 gebildet sind, welche die Rohre 70 umschließen. Wenn das Anodenabgas in den Brenner 14 austritt und sich mit der erschöpften Luft des Katodenabgases vermischt, findet die Verbrennung statt.
Vertikal über dem Brenner 14 ist der Wärmeaustauscher 24 angeordnet, während sich unter dem Brenner 14 der Reaktor 16 befindet. Der Wärmeaustauscher 24 ist ein Raum, welcher mit zur Wärmeübertragung dienenden Keramiksätteln gefüllt ist, die die konzentrischen Rohre 70, 78 umgeben. Die Kera-
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miksättel sind durch ein Gitter 79 abgestützt. Ein Teil des heißen Brennergases zirkuliert durch diesen mit den Keramiksätteln gefüllten Raum und wärmt das Anodenabgas vor, welches innerhalb der Ringräume 76 strömt. Ein Teil dieses Brennerabgases (der Abzugstrom) tritt über die Leitung 80 aus, welche ihn zu dem Wärmeaustauscher 22 fördert.
Der übrige Teil der Brennerabgase bewegt sich abwärts in den Reaktor 16. Brennstoff für den Reaktor wird dem Brennerabgas über die Leitung 62 zugesetzt. Das Gemisch aus Brennstoff und Brennerabgasen geht durch ein durch ein Gitter 83 abgestütztes Reaktorkatalysatorbett 82 hindurch, wobei der Brennstoff mit dem Dampf in den Brennerabgasen in Gegenwart des Katalysators reagiert, um hauptsächlich Wasserstoff und Kohlenoxide zu erzeugen. Die Wärmeenergie in den Brennerabgasen treibt die Reaktion an, welche endotherm ist. Das Abgas verläßt den Reaktor über eine Leitung 84, die es zu dem Wärmeaustauscher 23 leitet.
Der Apparat von Fig. 2 ist nur ein Beispiel dafür, wie mehrere Stromversorgungsanlagenteile gemäß der Erfindung integriert werden können. Viele andere Anordnungen sind im Rahmen der Erfindung möglich.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. In Fig. 3 tragen gleiche Teile wie in Fig. 1 gleiche Bezugszahlen. Die Ausführungsform von Fig. 3 unterscheidet sich von der Ausführungsform von Fig. 1 in drei bedeutsamen Punkten. Erstens werden zwei getrennte Brenner, nämlich ein JRückfuhrbrenner 86 und ein Abzugbrenner 88, statt eines einzigen Brenners benutzt. Zweitens enthält
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der Brennstoffaufbereitungsapparat einen thermischen Vergasungsapparat 90. Drittens wird ein Wärmeaustauscher weniger benutzt.
Ein thermischer Vergasungsapparat ist im Grunde genommen ein großer Raum, der zum Bereitstellen einer langen Verweilzeit dient, während der der Brennstoff vergast werden kann. Thermische Vergasungsapparate sind bekannt und haben typischerweise eine Einlaßtemperatur von 1149 °C und eine Auslaß- oder Abgastemperatur von 982 0C bis 1038 0C. Der thermische Vergasungsapparat 90 gestattet die Verwendung von praktisch jedem Brennstoff einschließlich Schwerölen und sogar festen Abfällen, da bei diesen Temperaturen schwere Kohlenwasserstoffe in dem Brennstoff in leichte Kohlenwasserstoffe umgewandelt werden, die ohne Probleme durch herkömmliche katalytische Dampfreformierungsapparate, wie den Reaktor 16, verarbeitet werden können. Selbstverständlich ist der thermische Vergasungsapparat 90 mit Einrichtungen zum Entfernen von Asche und Resten aus den vergasten Brennstoffprodukten versehen. In dieser Ausführungs^ form wird die gesamte Energie für den thermischen Vergasungsprozeß durch denjenigen Teil des Brennerabgases geliefert, welcher in den thermischen Vergasungsapparat gefördert wird.
Der Brenner.14 von Fig. 3 enthält einen Rückführbrenner und einen Abzugbrenner 88. Das Anodenabgas wird an der Stelle 92 geteilt und in geeigneter Weise auf den Rückführbren— ner und den Abzugbrenner aufgeteilt (im Gegensatz zu dem Aufteilen nach dem Austritt aus dem Brenner in der Ausführungsform von Fig. 1). Ebenso wird das Katodenabgas an der Stelle 94 geteilt und in geeigneter Weise auf den Rückführ-
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brenner und den Abzugbrenner aufgeteilt. Das Abgas aus dem Rückführbrenner wird dem thermischen Vergasungsapparat zugeführt und schließlich zurück durch die Brennstoffzelle geleitet. Das Abgas aus dem Abzugbrenner 88 wird zum Antreiben des Turboladers 12 benutzt.
Einige der Möglichkeiten dieser Anordnung sind, im Vergleich zu der Anordnung von Fig. 1, daß der Rückführbrenner 86 mit einer anderen Temperatur als der Abzugbrenner 88 sowie mit unterschiedlichen Anoden- und Katodenabgasstromäufteilungen betrieben werden kann. Das gestattet, den Rückführbrenner 86 über, unter oder im stöchiometrischen Zustand zu betreiben, je nachdem, ob entweder ein wasserstoffreicher oder ein sauerstoffreicher Rückführbrennerstrom dem thermischen Vergasungsapparat (oder dem Reaktor, wenn kein thermischer Vergasungsapparat vorhanden ist) zugeführt werden soll. Es sei daran erinnert, daß in der Ausführungsform von Fig. 1 vorgezogen wurde, den Brenner nicht unter dem stöchiometrischen Zustand zu betreiben, da ein Teil des unverbrannten Wasserstoffes in dem Brennerabgas über den Abzugs trom verlorengehen und dadurch den Wirkungsgrad der Stromversorgungsanlage verringern würde. Andererseits ist es in der Ausführungsform von Fig. 3 vorzuziehen, den Abzugbrenner 88 im oder über dem stöchiometrischen Zustand zu betreiben, um eine vollständige Verbrennung und eine vollständige Ausnutzung der Energie (d.h. des Wasserstoffes) in demjenigen Teil des Anodenabgases zu gewährleisten, der durch den Abzugbrenner geleitet wird.
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Claims (11)

Patentansprüche :
1. Brennstoffzellenstromversorgungsanlage mit mehreren Brennstoffzellen, von denen jede eine Katodenseite und eine Anodenseite, eine Quelle kohlenstoffhaltigen Brennstoffes, eine Luftquelle, einen Turbolader zum Komprimieren der Luft und einen Brennstoffaufbereitungsapparat zum Erzeugen von Wasserstoff, der einen katalytischen Reaktor enthält, aufweist, gekennzeichnet durch:
eine Einrichtung zum Verbrennen eines Gemisches aus Anodenseitenabgas und Katodenseitenabgas, wobei der Brennstoff für die Verbrennung Wasserstoff in dem Anodenseitenabgas ist, während das Oxydationsmittel für die Verbrennung in dem Katodenseitenabgas ist;
eine Einrichtung zum Einleiten des Anodenseitenabgases und des Kathodenseitenabgases in die Einrichtung zum Ver-
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ORIGINAL INSPECTED
brennen;
eine Einrichtung zum Einleiten eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffes und eines ersten Teils der verbrannten Anoden- und Katodenseitenabgase in den Brennstoffaufbereitungsapparat;
eine Einrichtung zum Einleiten des in dem Brennstoffaufbereitungsapparat erzeugten Wasserstoffes in die Anodenseiten der Brennstoffzellen als Brennstoff für dieselben; eine Einrichtung zum Fördern eines zweiten Teils der verbrannten Anoden- und Katodenseitenabgase in den Turbolader zum Antreiben desselben; und
eine Einrichtung zum Einleiten der durch den Turbolader komprimierten Luft in die Katodenseiten der Brennstoffzellen als Oxydationsmittel für dieselben.
2. Anlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffaufbereitungsapparat einen thermischen Vergasungsapparat stromaufwärts des katalytischen Reaktors enthält.
3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungseinrichtung einen Rückführbrenner und einen Abzugbrenner enthält, daß die Einrichtung zum Einleiten der Anoden- und Katodenseitenabgase in die Verbrennungseinrichtung eine Einrichtung zum Einleiten eines Teils von jeweils dem Anodenseitenabgas und dem Katodenseitenabgas jeweils in den Rückführbrenner und in den Abzugbrenner aufweist und daß der erste Teil der verbrannten Anoden- und Katodenseitenabgase aus den Abgasen aus dem Rückführbrenner besteht, während der zweite Teil der Abgase aus den Abgasen aus dem Abzugbrenner besteht.
4. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenstromver-
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sorgungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Verbrennen eines Gemisches aus Brennstoffzellenanoden- undkatodenabga-.en in der Verbrennungseinrichtung; Einleiten eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffes und eines ersten Teils des Verbrennungseinrichtungsabgases in den Brennstoffaufbereitungsapparat, um es darin mit dem Brennstoff reagieren zu lassen; . .
Fördern des Auslaßstroms des Brennstoffaufbereitungsapparates zu der Anodenseite der Brennstoffzellen; und Abziehen eines zweiten Teils des Verbrennungseinrichtungsabgases.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzellen mit durch den Turbolader unter inneren Überdruck gesetzter Luft als Oxydationsmittel arbeiten, die der Katodenseite der Brennstoffzellen zugeführt wird, wobei der Turbolader durch den zweiten Teil des Verbrennungseinrichtungsabgases angetrieben wird, bevor dieser zweite Teil abgelassen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens entweder das Anodenabgas oder das Katodenabgas vorgewärmt wird, bevor es in die Verbrennungseinrichtung geleitet wird, wobei das Vorwärmen unter Ausnutzung der Wärme in dem Verbrennungseinrichtungsabgas erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungseinrichtung einen Rückführbrenner und einen Abzugbrenner enthält, von denen jeder einen Teil des Brennstoffzellenkatodenabgases und ei-
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nen Teil des Brennstoffzellenanodenabgases empfängt, wobei der erste Teil des Verbrennungseinrichtungsabgases das Rückführbrennerabgas ist, während der zweite Teil des Verbrennungseinrichtungsabgases das Abzugbrennerabgas ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungseinrichtung mit oder oberhalb von stöchiometrischen Bedingungen arbeitet.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mengenströmungsgeschwindigkeit des ersten Teils des Verbrennungseinrichtungsabgases gleich dem Zwei- bis Dreifachen der Mengendurchflußgeschwindigkeit des zweiten Teils des Verbrennungseinrichtungsabgases ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffaufbereitungsapparat einen thermischen Vergasungsapparat enthält und daß der Schritt des Förderns des kohlenstoffhaltigen Brennstoffes und des ersten Teils des Verbrennungseinrichtungsabgases in den Brennstoffaufbereitungsapparat erst das Fördern des kohlenstoffhaltigen Brennstoffes und des ersten Teils des Verbrennungseinrichtungsabgases in den thermischen Vergasungsapparat und dann das Fördern des Abgases des thermischen Vergasungsapparates in den katalytischen Reaktor umfaßt, der ein Dampfreformierungsreaktor ist und allein mit der Wärme in dem Abgas des thermischen Vergasungsapparates arbeitet.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der katalytische Reaktor ein Dampfreformierungsreaktor ist und daß die Wärme zum Antreiben der
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Dampfreforinierungsreaktion die Eigenwärme in dem ersten Teil des Verbrennungseinrichtungsabgases ist.
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DE19782849151 1977-11-26 1978-11-13 Brennstoffzellenstromversorgungsanlage und verfahren zum betreiben derselben Withdrawn DE2849151A1 (de)

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