Verfahren und System zum Betreiben einer Hochtemperaturbrennstoffzelle
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Betreiben einer Hochtemperaturbrennstoffzelle mit einem Kohlenwasserstoffverbindungen enthaltendem Brennstoff, wie insbesondere Bio- und/oder Erdgas mit hohem GesamtWirkungsgrad. Dabei kann eine Gasaufbereitungseinheit, ein Reformer, eine einzelne Brenn- stoffzelle oder mehrere in Form eines Brennstoffzel- lenstapels (SOFC-Modul) und ein Nachbrenner vorhanden sein.
Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC) wurden, schon als Demonstrationsanlagen mit einer elektrischen
Leistung von 100 kW (Siemens-Westinghouse) und 1 kW
(Sulzer-Hexis) in Betrieb genommen. Der elektrische
Wirkungsgrad der Hochtemperaturbrennstoffzelle liegt regelmäßig bei >50%. Der Gesamtwirkungsgrad mit der Berücksichtigung der Wärmenutzung kann bei dezentra-
len Systemen 85% überschreiten.
Insbesondere bei geringen elektrischen Leistungen ≤2 kW haben die Brennstoffzellen-Anlagen einen geringe- ren elektrischen Wirkungsgrad als die Brennstoffzellen selbst, auf Grund des Energieverbrauches durch Verdichter und andere periphere Geräte . Aus diesem Grund besteht Bedarf an der optimalen Auslegung solcher Anlagen für einen effizienten Betrieb. Dabei sollen die elektrischen Verbraucher im System- weitgehend reduziert und die in der Anlage entstehende Wärme in der Anlage effektiv genutzt werden.
So ist es beispielsweise aus DE 101 49 014 Al bekannt einen Brennstoffzellenstapel in Kombination mit einem Nachbrenner zu betreiben und die Abwärme beider technischen Elemente für die Vorwärmung von Frischluft, die den Brennstoffzellen kathodenseitig zugeführt wird vorzuwärmen. Dabei strömt Frischluft entlang ei- ner Kammerwand über die der Wärmeaustausch vom Brennstoffzellenstapel und Nachbrenner erreicht werden kann .
Die kathodenseitig aus den Brennstoffzellen austre- tende Abluft wird dem Nachbrenner unmittelbar zugeführt .
Mit einer solchen Lösung kann aber der Gesamtwirkungsgrad nicht in ausreichend großem Maß erhöht wer- den .
Es ist daher Aufgabe der Erfindung den Gesamtwirkungsgrad von Hochtemperaturbrennstoffzellen zu erhöhen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfah-
ren, das die Merkmale des Anspruchs 1 sowie einem System nach Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen können mit den in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen er- reicht werden.
Bei der Erfindung ist mindestens eine Hochtemperaturbrennstoffzelle, bevorzugt mehrere übereinander gestapelte Hochtemperaturbrennstoffzellen deren Brenn- Stoffeingang an einen Reformer angeschlossen ist und deren Abgasausgang in einen Nachbrenner mündet vorhanden. Die Frischluft für die Brennstoffzelle (n) wird durch Abgas aus der/den Brennstoffzelle (n) , ggf. zusätzlich durch Wärme aus einer Wärmeisolation, Wär- me vom Nachbrenner mehrstufig vorgewärmt . Dabei kann auch die Wärme des Abgases des Nachbrenners ausgenutzt werden.
Da bei der hoher Gasausnutzung in Brennstoffzellen (60%) die Wärme des Nachbrenners für die erforderliche Luftvorwärmung nicht ausreichend ist (so erwärmte Frischluft erreicht eine Temperatur von 500-6000C statt der erforderlichen 7500C) , wird vor dem Eingang in die Brennstoffzelle (n) der Frischluft zusätzlich Wärme aus der Abluft von Brennstoffzellen über einen weiteren Wärmetauscher zugeführt, so dass eine mehrstufige Erwärmung der kathodenseitig zugeführten Frischluft durchgeführt wird. Dieser Hochtemperaturwärmetauscher hat einen Temperaturgradienten von 3000C (500-8000C) und kann als kompaktes Bauteil ausgeführt werden, da sich die Temperaturniveaus der wärmetauschenden Medien (Frischluft und Abluft) nicht stark voneinander unterscheiden. Da es sich um einen Luft/Luft-Wärmetauscher handelt, beeinträchtigen e- ventuelle kleine Undichtheiten den Betrieb des, Systems, wenn überhaupt nur unwesentlich.
Reformer und Nachbrenner sollten so ausgeführt sein, dass sie in der Lage sind, kurzzeitige (bis zu 5h) Temperaturbelastungen von bis zu 10000C zu überste- hen. Dadurch kann gewährleistet werden, dass Brennstoffzellen durch die vollständige Verbrennung des Kohlenwasserstoffverbindungen enthaltenden Brennstoffs im Reformer und Nachbrenner mit den Restgasen aus dem Vorreformer sowie der Frischluft, die durch den Nachbrenner vorgewärmt wird, auf die Betriebstemperatur vorgeheizt werden kann.
Die Temperaturregelung im Reformer und im Nachbrenner kann durch die Steuerung oder Regelung des zugeführ- ten Frischluftvolumenstromes erfolgen.
Der Betriebspunkt eines katalytisehen Reformers wird durch die Eindüsung der Gasmischung, die aus dem Brennstoff und befeuchteter Luft gebildet ist, defi- niert und durch eine Lambda-Sonde kontrolliert werden. Die dem Reformer zugeführte Luft kann in einem Wasserbehälter durch Verdampfung von Wasser mittels Abluft aus der/den Brennstoffzelle (n) befeuchtet und über ein Dosierventil in den Reformer eingeleitet werden.
Die Nachverbrennung des Abgases aus der/den Brennstoffzelle (n) im Nachbrenner kann temperaturgesteuert durchgeführt werden. Vor der Nachverbrennung sollte die Temperatur des brennbaren Abgases abgesenkt werden, um die Selbstentzündung bei der Vormischung mit der Luft zu vermeiden. Diese Wärme kann zusätzlich für die mehrstufige Erwärmung der Brennstoffzellen zugeführten Frischluft genutzt werden.
Die Elemente des Systems, die eine Betriebstemperatur
von > 6000C aufweisen, sollten in einem wärmeisolierten Gehäuse angeordnet sein, und bevorzugt von der Gehäuseinnenwand reflektierte Wärmestrahlung ebenfalls Wirkungsgrad erhöhend genutzt werden kann.
Dies betrifft die Elemente Brennstoffzelle (n) , Hochtemperaturwärmetauscher, Nachbrenner und Reformer. Dadurch kann die Wärmeabfuhr aus Brennstoffzelle (n) (geringerer Frischluftverbrauch) und die Wärmezufuhr zum Reformer (höhere Wasserdampfkonzentration, geringere Stickstoffkonzentration) verbessert werden. Diese Elemente werden durch eine Wärmeisolation von anderen Elementen isoliert, um die Wärmeverluste des Systems zu minimieren.
Die restlichen Komponenten, wie z.B. eine Brennstoff- reinigung, Luftbefeuchtung, Steuerung usw. können in einem „kalten" Bereich (<200°C) untergebracht werden.
Im Abgas vorhandenes Wasser kann am Gasausgang aus- kondensiert, im System zurückgeführt und ggf. für die Befeuchtung von dem Reformer zugeführter Luft eingesetzt werden.
Um den Verbrauch elektrischer Energie des Systems zu reduzieren, sollten Ventile pneumatisch betrieben werden. Ebenfalls können die Verdichter für Frischluft und Brennstoff vorteilhafter Weise mit Wasserdampf, der aus der Wasserverdampfung durch die heißen Abgase des Systems entsteht, angetrieben werden.
Der/den Brennstoffzelle (n) sollte Brennstoff anöden- seitig mit einer Temperatur von mindestens 600 0C und einer Zusammensetzung mit 0 bis 50 Mol-% Stickstoff, 0 bis 18 Mol-% mindestens einer Kohlenwasserstoffverbindung, 10 bis 90 Mol-% Wasserstoff, 5 bis 35 Mol-%
Kohlenmonoxid, 2,5 bis 35 Mol-% Wasserdampf und 0,5 bis 50 Mol-% Kohlendioxid zugeführt werden. Die jeweilige Zusammensetzung hängt dabei vom eingesetzten Brennstoff ab.
Zusätzlich können Abluft- bzw. Abgasleitungen in ei¬ nen Kamin münden, was ebenfalls den zugeführten Energiebedarf, insbesondere für den Antrieb von Verdichtern reduzieren kann.
Mit der Erfindung können Systeme zur Verfügung gestellt werden, die eine elektrische Leistung im Bereich 300 W bis 20 kW und einen elektrischen Wirkungsgrad größer 30 % erreichen können. Der Verbrauch von Energie, insbesondere Elektroenergie für den eigentlichen Betrieb eines Systems kann reduziert werden.
Ebenfalls können Abwärmeverluste reduziert werden.
Ein wesentlicher Vorteil besteht in der Vorwärmung der Frischluft über Wärmetausch mit ebenfalls Luft als heißem Medium, so dass die Sicherheit erhöht werden kann und Leckverluste unkritisch sind.
Mit einem geschlossenen Wasserkreislauf kann auf Zufuhr von Frischwasser verzichtet werden.
Durch ein mögliches Betriebsregime kann ein erfin- dungsgemäßes System ohne zusätzliche Elemente' betrieben werden, was insbesondere auf den Anfahrbetrieb zutrifft. So kann ein Aufheizen auf Betriebstemperatur mit dem Nachbrenner, der bevorzugt als Porenbrenner ausgebildet sein soll, erfolgen.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft naher er-
läutert werden.
Dabei zeigen:
Figur 1 einen schematischen Aufbau eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Systems und Figur 2 eine Anordnung von Wärmetauschern an einem Nachbrenner .
So zeigt Figur 1 einen schematischen Aufbau eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Systems.
Dabei wird Brennstoff (biogenes Gas, Erdgas, Kohlegas, Propan, Butan, Methanol und/oder Ethanol) mit einem nicht dargestellten Verdichter auf einen be- stimmten Überdruck gebracht und anschließend in einem zusammengesetzten Filter (ebenfalls nicht dargestellt) gereinigt und entschwefelt. Falls notwendig, kann auch Sauerstoff, der im Gas vorhanden sein kann, beseitigt werden. In einem autothermen Reformer 3 wird der Brennstoff mit feuchter Luft vermischt. Unter dem Einfluss von Katalysatoren wird Reformatgas erzeugt, das in die einen Stapel bildendenden Brennstoffzellen 1 eingeleitet wird. Die Umwandlung eventuell noch im Reformatgas enthaltener Kohlenwasser- Stoffe (CH4) in durch elektrochemische Oxidation umsetzbare Gaskomponenten (H2 , CO) erfolgt durch interne Reformierung in Brennstoffzellen 1. Ebenfalls dort finden die elektrochemischen Reaktionen statt, die zur Stromerzeugung führen. Über einen Wechselrichter wird der Gleichstrom ins Netz (Wechselstrom 50Hz,
230V) eingespeist. Das anodenseitige Abgas aus den Brennstoffzellen 1 wird zu einem Nachbrenner 2 geführt .
Mit Figur 2 soll verdeutlicht werden, wie in einer ersten Stufe das Abgas aus den Brennstoffzellen 1
durch die entgegenströmende bereits vorgewärmte Frischluft in einem Wärmetauscher 10 auf eine Temperatur gekühlt werden kann, welche die Selbstzündung bei der Vermischung mit angesaugter Luft aus der Um- gebung vor dem nachstehenden Porenbrenner 2 verhindert .
Die Ansaugung der Frischluft 12 für den Porenbrenner 2 kann dabei unabhängig von der Ansaugung der Frisch- luft für die Brennstoffzellen 1 erfolgen. Im Porenbrenner 2 wird die vollständige Oxidation des Abgases aus den Brennstoffzellen 1 durchgeführt. Die Frischluft nimmt einen Teil der Oxidationswärme auf, wodurch der Porenbrenner 2 gekühlt und auf einer kon- stanten Temperatur gehalten wird. Das Abgas aus dem Porenbrenner, als Nachbrenner 2 wird im nachstehenden Wärmetauscher 9, der als Gegenstromwärmetauscher ausgebildet ist, mit Frischluft gekühlt. Die Restkühlung der Abgase kann in einem externen Wärmenutzer (nicht dargestellt durchgeführt werden. Das Wasser und Kondensationswärme werden in einem Kondensatabscheider 8 gewonnen. Ein Teil des auskondensierten Wassers wird als Prozesswasser in das System zurückgeführt und zur Erzeugung von Wasserdampf über eine Umwälzpumpe in einen Verdampfer eingespeist.
Um den elektrischen Verbrauch eines Brennstoffverdichters zu minimieren, kann die Frischluft ein Teil der die Abgase durch eine Venturi-Düse ansaugen (nicht dargestellt) . Dadurch wird ein Teil vom Abgasstrom abgezweigt und mit der Frischluft vermischt. Die Venturi-Düse erzeugt aus dem Frischluftström einen Unterdruck auf der Brennstoff-Abgasseite und wirkt damit verstärkend auf den Brennstoffström durch die Brennstoffzellen 1.
Frische Luft aus der Umgebung wird in das System durch einen Luftverdichter (nicht dargestellt) gefördert und in einem Partikelfilter (nicht dargestellt) gereinigt . Dieser Frischluft kann ein Teil der Nach- brennerabgase mittels einer Venturi-Düse zugemischt und im Nachbrenner 2 nachfolgend erwärmt werden. Da die dabei zugeführte Wärme nicht ausreicht, um die Luft auf die Temperatur von mindestens 7000C zu erhitzen, erfolgt im System im Anschluss eine weitere Luft-Erwärmung mit Hilfe eines Hochtemperaturwärmetauschers 5, der als Plattenwärmetauscher ausgebildet sein kann (Rekuperators) , durch das heiße kathoden- seitig abgeführte Abluft aus den Brennstoffzellen 1. Die so erwärmte Frischluft wird aus dem Hochtempera- turwärmetauseher 5 kathodenseitig den Brennstoffzellen 1 zugeführt, wo sich der darin enthaltene. Sauerstoff an den elektrochemischen Reaktionen beteiligt. Die restliche Wärme der Abluft nach dem Hochtemperaturwärmetauscher 5 wird zum Teil als Wärmequelle für die Verdampfung genutzt, der Rest steht weiteren Wärmenutzern WN zur Verfügung. Ein Teil der im Verdampfer gekühlten Abluft wird mit einem Teil des aus dem rückgeführten Prozesswasser erzeugten Dampfes vermischt, und steht als befeuchtete Luft dem Reformer 3 zur Verfügung.
Da für die Kühlung der Brennstoffzellen 1 eine erhebliche Luftmenge gebraucht wird, stellt die elektrische Leistung des Luftverdichters ein erheblicher Be- trag des gesamten elektrischen Bedarfes des Systems dar. Dieser Bedarf kann reduziert werden, wenn die Restwärme aus der heißen Abluft für den Antrieb von Verdichtern verwendet werden kann. Dies kann über Wasserdampferzeugung stattfinden. Der erzeugte Dampf kann für den Antrieb des Luft- und/oder Brennstoff- Verdichters verwendet werden. Mit einem zusätzlichen
Luftzug durch einen Kamin kann die Luftansaugung ver- stärkt werden.
Wie mit den Figuren 1 und 2 ersichtlich kann bei der Erfindung die Frischluft mehrstufig erwärmt werden, bevor sie kathodenseitig den Brennstoffzellen 1 zugeführt wird. Dies kann mit dem Abgas aus dem Nachbrenner 2 im Wärmetauscher 6, einem in den Nachbrenner 2 integrierten, darin aufgenommenen bzw. mit dem Nachbrenner verbundenen Wärmetauscher 4, einem Wärmetauscher 10 (Beispiel gemäß Figur 2) und dem Hochtemperaturwärmetauscher 5 erreicht werden.
Tabelle 1 zeigt Gastemperaturen und GasZusammensetzungen an charakteristischen Punkten bei einem Methanbetriebenen System für Erdgas-Betrieb .
Punkt A ist dabei der Einlass für Brennstoff, Punkt B der Ausgang des Reformers 3 zu den Brennstoffzellen 1, Punkt C der anodenseitige Ausgang aus den Brennstoffzellen 1 für Abgas und Punkt D der Ausgang des Wärmetauschers 7 zum Reformer 3.