DE68911497T2

DE68911497T2 - Brennstoffzellenkraftanlage.

Info

Publication number: DE68911497T2
Application number: DE68911497T
Authority: DE
Inventors: Richard Floyd Buswell; George Vartanian
Original assignee: International Fuel Cells Corp
Current assignee: UTC Power Corp
Priority date: 1988-12-22
Filing date: 1989-08-25
Publication date: 1994-07-14
Anticipated expiration: 2009-08-26
Also published as: US5340663A; ES2049288T3; DE68911497D1; JPH02226664A; EP0374368A1; CA1312648C; EP0374368B1

Description

TECHNISCHES GEBIET

Diese Erfindung betrifft Brennstoffzellen-Kraftwerke.

TECHNISCHER HINTERGRUND

Eine Brennstoffzelle ist eine Vorrichtung zum direkten Umwandeln der chemischen Energie eines Brennstoffs in elektrische Energie.
Eine Brennstoffzelle weist zwei Gasdiffusionselektroden, eine Anode und eine Kathode, und eine mit Elektrolyt imprägnierte Matrix auf. Die Matrix ist zwischen den zwei Elektroden angeordnet. An der dem Elektrolyten zugewandten Oberfläche einer jeden Elektrode ist eine Katalysatorschicht angebracht. Beim Betrieb einer typischen Brennstoffzelle wird ein Wasserstoff enthaltendes Gas zur rückwärtigen Oberfläche der Anode zugeführt und ein Sauerstoff enthaltendes Gas wird zu der rückwärtigen Oberfläche der Kathode zugeführt. Die Gase diffundieren durch die Elektroden und reagieren an den Katalysatorstellen, um elektrische Energie, Wärme und Feuchtigkeit zu ergeben.
An der Anodenseite der Zelle wird Wasserstoff unter Abgabe von Elektronen elektrochemisch oxidiert. Der so erzeugte elektrische Strom wird über einen außerhalb befindlichen Kreis von der Anode zu der Kathode geleitet. An der Kathodenseite der Zelle werden die Elektronen elektrochemisch mit dem Oxidationsmittel vereinigt. Ein Ionenstrom durch den Etektrolyten vervollstandigt den Kreis.
Es wurden mehrere Typen von Brennstoffzellen entwickelt und sie können allgemein in Kategorien eingeordnet werden nach dem Typ von verwendetem Elektrolyten. Zellen vom Säuretyp, die konzentrierte Phosphorsäure als Elektrolyt verwenden, sind die kommerziell am weitesten fortgeschrittenen der verschiedenen Brennstoffzellen.
Brennstoffzellen-Kraftanlagen vom Säuretyp arbeiten in einer mit Druck beaufschlagten Umgebung effizienter und mit erhöhter Energiedichte. In einem mit Druck beaufschlagten Brennstoffzellen-Kraftwerk ist der Brennstoffzellen-Stapel in einem Rückhaltebehälter enthalten. Mit Druck beaufschlagte Reaktionsmittelströmungen, d.h. Brennstoff und Oxidationsmittel, werden zu dem Brennstoffzellen-Stapel zugeführt. Der Rückhaltebehälter wird bei einem erhöhten Druck gehalten, um die Antriebskraft für Lecken von Wasserstoff aus dem Brennstoffzellen- Stapel zu verringern. Typischerweise wird Stickstoff als die Inertgasströmung verwendet. Die Lagerung von Stickstoff als ein Hochdruckgas oder als eine kryogene Flüssigkeit ist lästig. Alternativ kann ein inertes Abgas durch die Verbrennung eines Brennstoffs in Luft bereitgestellt werden. Diese üblichen Verfahren zur Bereitstellung einer Inertgasströmung haben sich als kostspielig und lästig erwiesen.
Gemäß JP-A-60-212 968 wird eine Brennstoffzelle in einem Druckbehälter bereitgestellt. Der Behälter wird mit einem inaktiven Gas gespült, wobei die Behälter-Abgasströmung durch eine Wiederstandsöffnung in die Kathodenabgasleitung eingeführt wird.
In JP-A-60-241 665 ist eine Brennstoffzelle offenbart, die in einem Zellbehälter enthalten ist. Der Druckunterschied zwischen den Elektroden und dein gespüiten Behälter wird unter Lastveränderung konstant gehalten.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Es wird ein Brennstoffzellen-Kraftwerk offenbart, das ein weniger komplexes, weniger kostspieliges und verläßlicheres Inertgassystem verwendet. Die Brennstoffzellen-Kraftwerksanlage weist auf
einen Rückhaltebehälter,
eine Brennstoffzelle, die in dem Rückhaltebehälter enthalten ist und zu der eine Anode und eine Kathode gehören, zum elektrochemisch zur Reaktion bringen einer mit Druck beaufschlagten Brennstoffströmung und einer mit Druck beaufschlagten Oxidationsmittelströmung zur Erzeugung von Elektrizität,
einer Anoden-Abgasströmung und einer Kathoden-Abgasströmung,
einen Brenner zum Verbrennen einer Mischung aus Anoden-Abgas und Kathoden-Abgas zur Erzeugung von Wärme und einer Brenner-Abgas-Strömung,
eine Einrichtung zum Führen einer mit Druck beaufschlagten Spülgas-Strömung durch den Rückhaltebehälter, um eine kontinuierliche Spülung des Rückhaltebehälters zu schaffen und eine Rückhaltebehälter-Abgasströmung zu erzeugen, wobei das Spülgas einen Teil der Brenner-Abgasströmung enthält,
eine Einrichtung zum Führen der Rückhaltebehälter-Abgasströmung durch eine Verengung in die Kathoden-Abgasströmung, und die bei Betrieb einen positiven Druckunterschied zwischen der Spülgasströmung und dein Brennstoff- und Oxidationsmittel-Strömungen aufrechterhält, um ein Lecken von Brennstoff und Oxidationsmittel aus der Brennstoffzelle zu verhindern.
eine Sensor-Einrichtung zum Auffinden von Druckunterschieden entlang der Verengung,
eine Umgehungsweg-Einrichtung, die die Verengung umgeht und eine Ventil-Einrichtung enthält,
eine Betätigungseinrichtung, die auf die Sensor-Einrichtung anspricht, zum Steuern der Ventileinrichtung.
Ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Kraftwerks ist ebenfalls offenbart. Das Verfahren weist auf elektrochemisch zur Reaktion bringen einer mit Druck beaufschlagten Brennstoffströmung und einer mit Druck beaufschlagten Oxidationsmittelströmung in einer Brennstoffzelle zur Erzeugung von Elektrizität, einer Anoden-Abgasströmung und einer Kathoden-Abgasströmung, wobei die Brennstoffzelle in einem Rückhaltebehälter enthalten ist,
Verbrennen einer Mischung aus Anodenabgas und Kathodenabgas zur Erzeugung von Wärme und einer Verbrennungs-Abgasströmung,
Führen einer mit Druck beaufschlagten Spülgas-Strömung durch den Rückhaltebehälter, um eine kontinuierliche Spülung des Rückhaltebehälters zu schaffen und eine Rückhaltebehälter-Abgasströmung zu
erzeugen, wobei die Spülgas-Strömung einen Teil der Brenner-Abgasströmung enthält,
Führen der Rückhaltebehälter-Abgasströmung durch eine Verengung in die Kathoden-Abgasströmung, um einen positiven Druckunterschied zwischen der Spülgas-Strömung und den Brennstoff- und Oxidationsmittel-Strömungen aufrechtzuerhalten, um ein Lecken von Brennstoff und Oxidationsmittet aus der Brennstoffzelle zu verhindern, Feststellen des Druckunterschiedes entlang der Verengung, und
Umgehen der Verengung, wenn der Druckunterschied nicht innerhalb eines vorgewählten Bereichs ist.
Die vorhergehenden und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen deutlicher werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Figur zeigt eine schematische Darstellung der Brennstoffzellen- Kraftwerksanlage der vorliegenden Erfindung

BESTE ART ZUR DURCHFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Es wird auf die Figur Bezug genommen. Eine Kohlenwasserstoffbrennstoffströmung und Dampf werden in einem Reformer 2 zur Reaktion gebracht, um eine wasserstoffreiche Brennstoffgasströmung zu schaffen. Der Reformer 2 wird mittels eines Brenners 4 beheizt.
Die wasserstoffreiche Brennstoffgasströmung wird von dem Reformer zu der Anode 6 der Brennstoffzelle 8 geführt. Ein Luftstrom wird in einem Kompressor 10 komprimiert und zu der Kathode 12 der Brennstoffzelle 8 geführt. Die wasserstoffreiche Brennstoffgasströmung wird in der Brennstoffzelle 8 oxidiert, um Elektrizität, eine Anoden-Abgasströmung und eine Kathoden-Abgasströmung zu schaffen. Die Anoden-Abgasströmung wird zu dem Brenner 4 geführt. Die Kathoden-Abgasströmung wird durch einen Wärmeaustauscher 14 zu dem Brenner 4 geführt. Die Kathoden- Abgasströmung und die Anoden-Abgasströmung werden in dem Brenner 4 verbrannt, um Wärme für den Reformer 2 und eine nicht brennbare Brenner-Abgasströtnung zu liefern. Die Brenner- Abgasströmung enthält N&sub2;, H&sub2;O-Dampf und weniger als 4 Mol%O&sub2;. Die Brenner-Abgasströmung wird durch den Wärmeaustauscher 14 geführt, um die eintretende Kathoden-Abgasströmung vorzuwärmen. Ein erster Teil der Brenner-Abgasströmung wird zu einer Turbine 16 geführt, um einen Teil der Energie zu liefern, die zum Komprimieren des Luftstroms notwendig ist.
Ein zweiter Teil der Brenner-Abgasströmung wird durch ein Gebläse 18 als eine Spülgas-Strömung zu dem Brennstoffzellen-Rückhaltebehälter 20 geführt. Das Innere des Rückhaltebehälters 20 wird bei einem Druck gehalten, der leicht höher ist als der Reaktionsmitteldruck innerhalb der Brennstoffzelle 8, um ein Lecken von Reaktionsmittein aus der Brennstoffzelle 8 zu verhindern. Die inerte Brenner-Abgasströmung strömt durch den Rückhaltebehälter 20 und spült den Rückhaltebehälter 20 von jeglichem Brennstoff oder Oxidationsmittel, das aus der Brennstoffzelle 8 lecken könnte. Das Rückhaltebehälter-Spülsystem der vorliegenden Erfindung erlaubt es, daß ein dynamisches Gleichgewicht zwischen dem Spülgasdruck innerhalb des Rückhaltebehälters 20 und dem Reaktionsmitteldruck innerhalb der Brennstoffzelle 8 aufrechterhalten wird. Die Spülgasströmung verläßt den Rückhaltebehälter 20 durch eine Öffnung 22 und wird mit der Kathoden-Abgasströmung vereinigt. Der Spülgasdruck und der Kathoden-Abgasdruck unterscheiden sich durch den Druckabfall entlang der Öffnung. Die Öffnung 22 ist größenmäßig so ausgelegt, daß bei Spitzenlast ein Druckabfall zwischen etwa 1,378 N &supmin;²(2 psi) und etwa 2.067 N cm&supmin;² (3 psi) aufrechterhalten wird. Ein Druckunterschieds-Sensor 24 überwacht den Druckunterschied entlang der Öffnung und liefert ein Signal an einen Betätiger 26, wenn der Druckunterschied ein vorbestimmtes Maximum überschreitet. Ein Entlastungsventil 28 ist vorgesehen, um vorübergehende Druckunausgeglichenheiten zu mindern und den Aufbau eines übermäßigen Druckunterschieds zwischen dem Brennstoffzellen-Stapel und dem Rückhaltebehälter zu verhindern. Als Reaktion auf das Signal öffnet der Betätiger 26 das Entlastungsventil 28, um die Öffnung 22 zu umgehen.
Es sollte zur Kenntnis genommen werden, daß ein zusätzliches Sicherheitsmerkmal verwendet werden kann, um die Zusammensetzung des Spülgases, das den Rückhaltebehälter verläßt, zu begrenzen. Ein üblicher Brennbarkeits-Sensor (nicht gezeigt) kann in dein Strömungsweg des Spülgases angeordnet werden, wenn es aus dem Rückhaltebehälter austritt, um die Zusammensetzung des Spülgases zu überwachen. Wenn der Sensor den Rückhaltebehälter verlassendes, brennbares Spülgas aufspürt, wird das Brennstoffzellen- Kraftwerk abgeschaltet.
Das Brennstoffzellen-Kraftwerk der vorliegenden Erfindung verwendet ein einfaches, bezogen auf die Kosten wirksames und verlaßliches Rückhaltebehälter-Spulsystem. Das System schafft ein dynamisches Druckbalancieren zwischen dem Spülgas und den Reaktionsmitteln, um ein Lecken der Reaktionsmittel aus der Brennstoffzelle zu verhindern, vermeidet jedoch übermäßige Druckunterschiede.

Claims

1. Brennstoffzellen-Kraftwerk aufweisend:

einen Rückhaltebehälter (20),

eine Brennstoffzelle (8), die in dem Rückhaltebehälter (20) enthalten ist und zu der eine Anode (6) und eine Kathode (12) gehören, zum elektrochemisch zur Reaktionbringen einer mit Druck beaufschlagten Brennstoffströmung und einer mit Druck beaufschlagten Oxidationsmittelströmung zur Erzeugung von Elektrizität, einer Anoden-Abgasströmung und einer Kathoden-Abgasströmung

einen Brenner (4) zum Verbrennen einer Mischung aus Anoden- Abgas und Kathoden-Abgas zur Erzeugung von Wärme und einer Brenner-Abgasströmung,

eine Einrichtung zum Führen einer mit Druck beaufschlagten Spülgasströmung durch den Rückhaltebehälter (20), um eine kontiniuierliche Spülung des Rückhaltebehälters zu schaffen und eine Rückhaltebehälter-Abgasströmung zu erzeugen, wobei das Spülgas einen Teil der Brenner-Abgasströmung enthält,

eine Einrichtung zum Führen der Rückhaltebehälter-Abgasströmung durch eine Verengung (22) in die Kathoden-Abgasströmung, und die bei Betrieb einen positiven Druckunterschied zwischen der Spülgasströmung und den Brennstoff- und Oxidationsmittel- Strömungen aufrecht erhält, um ein Lecken von Brennstoff und Oxidationsmittel aus der Brennstoffzelle (8) zu verhindern,

eine Sensor-Einrichtung (24) zum Auffinden von Druckunterschieden entlang der Verengung (22),

eine Umgehungsweg-Einrichtung, die die Verengung (22) umgeht und eine Ventil-Einrichtung (28) enthält,

eine Betätigungseinrichtung (26), die auf die Sensor-Einrichtung (24) anspricht, zum Steuern der Ventileinrichtung (28).

2. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Kraftwerks, aufweisend:

Elektrochemisch zur Reaktion bringen einer mit Druck beaufschlagten Brennstoff-Strömung und einer mit Druck beaufschlagten Oxidationsmittelströmung in einer Brennstoffzelle (8) zur Erzeugung von Elektrizität, einer Anoden-Abgasströmung und einer Kathoden-Abgasströmung, wobei die Brennstoffzelle (8) in einem Rückhaltebehälter (20) enthalten ist,

Verbrennen einer Mischung aus Anodenabgas und Kathodenabgas zur Erzeugung von Wärme und einer Verbrennungs-Abgasströmung,

Führen einer mit Druck beaufschlagten Spülgas-Strömung durch den Rückhaltebehälter (20), um eine kontinuierliche Spülung des Rückhaltebehälters zu schaffen und eine Rückhaltebehälter- Abgasströmung zu erzeugen, wobei die Spülgas-Strömung einen Teil der Brenner-Abgasströmung enthält,

Führen der Rückhaltebehälter-Abgasströmung durch eine Verengung (22) in die Kathoden-Abgasströmung, um einen positiven Druckunterschied zwischen der Spülgas-Strömung und den Brennstoff- und Oxidationsmittel-Strömungen aufrechtzuerhalten, um ein Lecken von Brennstoff und Oxidationsmittel aus der Brennstoffzelle (8) zu verhindern,

Feststellen des Druckunterschiedes entlang der Verengung (22), und Umgehen der Verengung (22), wenn der Druckunterschied nicht innerhalb eines vorgewählten Bereichs ist.