EP1974414A1 - Method and system for operating a high-temperature fuel cell - Google Patents

Method and system for operating a high-temperature fuel cell

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EP1974414A1
EP1974414A1 EP07718301A EP07718301A EP1974414A1 EP 1974414 A1 EP1974414 A1 EP 1974414A1 EP 07718301 A EP07718301 A EP 07718301A EP 07718301 A EP07718301 A EP 07718301A EP 1974414 A1 EP1974414 A1 EP 1974414A1
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EP
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fuel cell
heat exchanger
supplied
afterburner
reformer
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Ceased
Application number
EP07718301A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Mihails Kusnezoff
Wieland Beckert
Ivanka Michelva
Michael Stelter
Ulf Waeschke
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Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method and a system for operating a high-temperature fuel cell with a hydrocarbon compounds containing fuel, in particular biogas and / or natural gas with high overall efficiency.
  • a gas treatment unit, a reformer, a single fuel cell or more in the form of a fuel cell stack (SOFC module) and an afterburner may be present.
  • Efficiency of the high-temperature fuel cell is regularly> 50%.
  • the fuel cell systems have a lower electrical efficiency than the fuel cell itself, due to the energy consumption by compressors and other peripheral devices. For this reason, there is a need for the optimal design of such systems for efficient operation.
  • the aim is to substantially reduce the electrical loads in the system and to effectively utilize the heat generated in the system in the system.
  • the exhaust air exiting the fuel cells on the cathode side is supplied directly to the afterburner.
  • this object is achieved by a method ren, which solved the features of claim 1 and a system according to claim 13.
  • Advantageous embodiments and further developments can be achieved with the features described in the subordinate claims.
  • At least one high-temperature fuel cell preferably a plurality of stacked high-temperature fuel cells whose fuel input is connected to a reformer and the exhaust outlet opens into an afterburner.
  • the fresh air for the fuel cell (s) is preheated by exhaust gas from the / the fuel cell (s), possibly additionally by heat from a heat insulation, heat from the afterburner multi-stage. In this case, the heat of the exhaust gas of the afterburner can be exploited.
  • the heat of the afterburner for the required air preheating is not sufficient (so heated fresh air reaches a temperature of 500-600 0 C instead of the required 750 0 C), before entering the fuel cell (n) the fresh air additionally supplied heat from the exhaust air of fuel cells via a further heat exchanger, so that a multi-stage heating of the cathode side supplied fresh air is performed.
  • This high-temperature heat exchanger has a temperature gradient of 300 0 C (500-800 0 C) and can be designed as a compact component, since the temperature levels of the heat-exchanging media (fresh air and exhaust air) are not very different.
  • Reformer and afterburner should be designed so that they are capable of short-term hen (up to 5h) temperature loads of up to 1000 0 C to überste-. It can thereby be ensured that fuel cells can be preheated to the operating temperature by the complete combustion of the fuel containing hydrocarbon compounds in the reformer and afterburner with the residual gases from the pre-reformer and the fresh air which is preheated by the afterburner.
  • the temperature control in the reformer and in the afterburner can be done by controlling or regulating the supplied fresh air volume flow.
  • the operating point of a catalytic reformer is defined by the injection of the gas mixture, which is formed from the fuel and humidified air, and controlled by a lambda probe.
  • the reformer supplied air can be humidified in a water tank by evaporation of water by means of exhaust air from / the fuel cell (s) and introduced via a metering valve in the reformer.
  • the post-combustion of the exhaust gas from the / the fuel cell (s) in the afterburner can be carried out temperature controlled. Before afterburning, the temperature of the flammable exhaust gas should be lowered to avoid the spontaneous combustion of the premix with the air. This heat can also be used for the multi-stage heating of the fuel cell fresh air supplied.
  • the elements of the system that have an operating temperature of> 600 0 C, should be arranged in a thermally insulated housing, and preferably reflected from the housing inner wall heat radiation can also be used to increase the efficiency.
  • the remaining components such as Fuel cleaning, air humidification, control etc. can be accommodated in a "cold" area ( ⁇ 200 ° C).
  • Water present in the exhaust gas can be condensed out at the gas outlet, returned to the system and, if necessary, used to humidify the air supplied by the reformer.
  • valves should be pneumatically operated.
  • the compressors for fresh air and fuel may be advantageously powered by water vapor resulting from the evaporation of water by the system's hot exhaust gases.
  • the fuel cell (s) should be fuel bottom side at a temperature of at least 600 0 C and a composition having 0 to 50 mol% of nitrogen, 0 to 18 mol% of at least one hydrocarbon compound, 10 to 90 mol% hydrogen, 5 to 35 mol% Carbon monoxide, 2.5 to 35 mol% of water vapor and 0.5 to 50 mol% of carbon dioxide are fed.
  • the particular composition depends on the fuel used.
  • exhaust air or exhaust pipes can open in ei ⁇ nen chimney, which can also reduce the supplied energy requirements, in particular for the drive of compressors.
  • systems can be made available which can achieve an electrical power in the range 300 W to 20 kW and an electrical efficiency greater than 30%.
  • the consumption of energy, in particular electrical energy for the actual operation of a system can be reduced.
  • waste heat losses can be reduced.
  • a significant advantage consists in the preheating of the fresh air via heat exchange with also air as the hot medium, so that the safety can be increased and leakage losses are not critical.
  • an inventive system may operate without additional elements', which applies in particular to the start-up operation.
  • a heating to operating temperature with the afterburner which should preferably be designed as a pore burner, take place.
  • Figure 1 shows a schematic structure of an example of a system according to the invention and Figure 2 shows an arrangement of heat exchangers on an afterburner.
  • FIG. 1 shows a schematic structure of an example of a system according to the invention.
  • fuel biological gas, natural gas, coal gas, propane, butane, methanol and / or ethanol
  • a compressor not shown
  • a composite filter also not shown
  • oxygen which may be present in the gas
  • the fuel is mixed with moist air.
  • reformate gas is generated, which is introduced into the fuel cell 1 forming a stack.
  • the conversion of hydrocarbons (CH4) which may still be contained in the reformate gas into gas components (H2, CO) which can be converted by electrochemical oxidation takes place by internal reforming in fuel cells 1.
  • the electrochemical reactions take place there, which lead to the generation of electricity.
  • An inverter converts the direct current into the grid (alternating current 50Hz,
  • the anode-side exhaust gas from the fuel cells 1 is led to an afterburner 2.
  • FIG. 2 is intended to illustrate how, in a first stage, the exhaust gas from the fuel cells 1 can be cooled in a heat exchanger 10 to a temperature by the counterflowing already preheated fresh air, which prevents the self-ignition when mixed with sucked air from the environment in front of the pore burner 2 below.
  • the intake of the fresh air 12 for the pore burner 2 can be carried out independently of the intake of the fresh air for the fuel cell 1.
  • the complete oxidation of the exhaust gas from the fuel cells 1 is performed.
  • the fresh air absorbs part of the heat of oxidation, whereby the pore burner 2 is cooled and kept at a constant temperature.
  • the exhaust gas from the pore burner, as an afterburner 2 is cooled in the following heat exchanger 9, which is designed as a countercurrent heat exchanger with fresh air.
  • the residual cooling of the exhaust gases can be carried out in an external heat user (not shown) .
  • the water and heat of condensation are recovered in a condensate separator 8. A portion of the condensed water is returned as process water to the system and fed to an evaporator to produce steam via a circulation pump ,
  • the fresh air may suck in a portion of the exhaust gases through a venturi (not shown). As a result, a part is diverted from the exhaust stream and mixed with the fresh air.
  • the venturi nozzle generates a negative pressure from the fresh air flow on the fuel exhaust gas side and thus has an amplifying effect on the fuel flow through the fuel cells 1.
  • Fresh ambient air is delivered to the system by an air compressor (not shown) and cleaned in a particulate filter (not shown). Part of the afterburner exhaust gases can be added to this fresh air by means of a Venturi nozzle and subsequently heated in the afterburner 2.
  • the system is followed by another air heating with the aid of a high-temperature heat exchanger 5, which can be designed as a plate heat exchanger (recuperator), through the hot exhaust gas discharged from the cathode side of the fuel cells 1.
  • the fresh air heated in this way is supplied from the high-temperature heat exchanger 5 on the cathode side to the fuel cells 1, where the exhaust gas contained therein. Oxygen involved in the electrochemical reactions.
  • the remaining heat of the exhaust air after the high-temperature heat exchanger 5 is partly used as a heat source for evaporation, the rest is available to other heat users WN available. Part of the exhaust air cooled in the evaporator is mixed with a part of the steam generated from the recirculated process water, and is available to the reformer 3 as humidified air.
  • the electric power of the air compressor represents a considerable amount of the total electrical demand of the system. This requirement can be reduced if the residual heat from the hot exhaust air for driving compressors can be used. This can take place via steam generation. The generated steam can be used to drive the air and / or fuel compressor. With an additional Draft through a chimney can increase the air intake.
  • the fresh air can be heated in several stages in the invention before it is supplied to the cathode side of the fuel cell 1. This can be achieved with the exhaust gas from the afterburner 2 in the heat exchanger 6, an integrated into the afterburner 2, received therein or connected to the afterburner heat exchanger 4, a heat exchanger 10 (example of Figure 2) and the high-temperature heat exchanger 5.
  • Table 1 shows gas temperatures and gas compositions at characteristic points in a methane-powered system for natural gas operation.
  • Point A is the inlet for fuel, point B, the output of the reformer 3 to the fuel cell 1, point C, the anode-side output from the fuel cells 1 for exhaust gas and point D, the output of the heat exchanger 7 to the reformer. 3

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Abstract

The invention relates to a method and a system for operating a high-temperature fuel cell. The system comprises at least one fuel cell, a reformer, an afterburner and a heat exchanger. The aim of the invention is to increase the overall efficiency of high-temperature fuel cells. For this purpose, fresh air supplied to the fuel cell(s) on the cathode side is heated in several steps by means of a high-temperature heat exchanger with heat from post-combustion and from the heated air carried away from the fuel cell on the cathode side.

Description

Verfahren und System zum Betreiben einer HochtemperaturbrennstoffzelleMethod and system for operating a high temperature fuel cell
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.The invention relates to a method and a system for operating a high-temperature fuel cell with a hydrocarbon compounds containing fuel, in particular biogas and / or natural gas with high overall efficiency. In this case, a gas treatment unit, a reformer, a single fuel cell or more in the form of a fuel cell stack (SOFC module) and an afterburner may be present.
Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC) wurden, schon als Demonstrationsanlagen mit einer elektrischenHigh-temperature fuel cells (SOFC) were already used as demonstration systems with an electric
Leistung von 100 kW (Siemens-Westinghouse) und 1 kWPower of 100 kW (Siemens Westinghouse) and 1 kW
(Sulzer-Hexis) in Betrieb genommen. Der elektrische(Sulzer-Hexis) put into operation. The electric
Wirkungsgrad der Hochtemperaturbrennstoffzelle liegt regelmäßig bei >50%. Der Gesamtwirkungsgrad mit der Berücksichtigung der Wärmenutzung kann bei dezentra- len Systemen 85% überschreiten.Efficiency of the high-temperature fuel cell is regularly> 50%. The overall efficiency, taking into account the use of heat, can be applied to decentralized exceed 85%.
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.Especially at low electrical power ≤2 kW, the fuel cell systems have a lower electrical efficiency than the fuel cell itself, due to the energy consumption by compressors and other peripheral devices. For this reason, there is a need for the optimal design of such systems for efficient operation. The aim is to substantially reduce the electrical loads in the system and to effectively utilize the heat generated in the system in the system.
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 .For example, it is known from DE 101 49 014 A1 to operate a fuel cell stack in combination with an afterburner and to preheat the waste heat of both technical elements for the preheating of fresh air, which is supplied to the fuel cells on the cathode side. In this case, fresh air flows along a chamber wall through which the heat exchange from the fuel cell stack and afterburner can be achieved.
Die kathodenseitig aus den Brennstoffzellen austre- tende Abluft wird dem Nachbrenner unmittelbar zugeführt .The exhaust air exiting the fuel cells on the cathode side is supplied directly to the afterburner.
Mit einer solchen Lösung kann aber der Gesamtwirkungsgrad nicht in ausreichend großem Maß erhöht wer- den .With such a solution, however, the overall efficiency can not be increased to a sufficiently great extent.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung den Gesamtwirkungsgrad von Hochtemperaturbrennstoffzellen zu erhöhen.It is therefore an object of the invention to increase the overall efficiency of high-temperature fuel cells.
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.According to the invention, this object is achieved by a method ren, which solved the features of claim 1 and a system according to claim 13. Advantageous embodiments and further developments can be achieved with the features described in the subordinate claims.
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.In the invention, at least one high-temperature fuel cell, preferably a plurality of stacked high-temperature fuel cells whose fuel input is connected to a reformer and the exhaust outlet opens into an afterburner. The fresh air for the fuel cell (s) is preheated by exhaust gas from the / the fuel cell (s), possibly additionally by heat from a heat insulation, heat from the afterburner multi-stage. In this case, the heat of the exhaust gas of the afterburner can be exploited.
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.Since the high gas utilization in fuel cells (60%), the heat of the afterburner for the required air preheating is not sufficient (so heated fresh air reaches a temperature of 500-600 0 C instead of the required 750 0 C), before entering the fuel cell (n) the fresh air additionally supplied heat from the exhaust air of fuel cells via a further heat exchanger, so that a multi-stage heating of the cathode side supplied fresh air is performed. This high-temperature heat exchanger has a temperature gradient of 300 0 C (500-800 0 C) and can be designed as a compact component, since the temperature levels of the heat-exchanging media (fresh air and exhaust air) are not very different. Because this is an air / air heat exchanger, any small leaks will negatively affect the operation of the system, if at all. Reformer and afterburner should be designed so that they are capable of short-term hen (up to 5h) temperature loads of up to 1000 0 C to überste-. It can thereby be ensured that fuel cells can be preheated to the operating temperature by the complete combustion of the fuel containing hydrocarbon compounds in the reformer and afterburner with the residual gases from the pre-reformer and the fresh air which is preheated by the afterburner.
Die Temperaturregelung im Reformer und im Nachbrenner kann durch die Steuerung oder Regelung des zugeführ- ten Frischluftvolumenstromes erfolgen.The temperature control in the reformer and in the afterburner can be done by controlling or regulating the supplied fresh air volume flow.
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.The operating point of a catalytic reformer is defined by the injection of the gas mixture, which is formed from the fuel and humidified air, and controlled by a lambda probe. The reformer supplied air can be humidified in a water tank by evaporation of water by means of exhaust air from / the fuel cell (s) and introduced via a metering valve in the reformer.
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.The post-combustion of the exhaust gas from the / the fuel cell (s) in the afterburner can be carried out temperature controlled. Before afterburning, the temperature of the flammable exhaust gas should be lowered to avoid the spontaneous combustion of the premix with the air. This heat can also be used for the multi-stage heating of the fuel cell fresh air supplied.
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.The elements of the system that have an operating temperature of> 600 0 C, should be arranged in a thermally insulated housing, and preferably reflected from the housing inner wall heat radiation can also be used to increase the efficiency.
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.This concerns the elements fuel cell (s), high temperature heat exchanger, afterburner and reformer. As a result, the heat removal from fuel cell (s) (lower fresh air consumption) and the heat supply to the reformer (higher water vapor concentration, lower nitrogen concentration) can be improved. These elements are isolated from other elements by thermal insulation to minimize heat losses from the system.
Die restlichen Komponenten, wie z.B. eine Brennstoff- reinigung, Luftbefeuchtung, Steuerung usw. können in einem „kalten" Bereich (<200°C) untergebracht werden.The remaining components, such as Fuel cleaning, air humidification, control etc. can be accommodated in a "cold" area (<200 ° C).
Im Abgas vorhandenes Wasser kann am Gasausgang aus- kondensiert, im System zurückgeführt und ggf. für die Befeuchtung von dem Reformer zugeführter Luft eingesetzt werden.Water present in the exhaust gas can be condensed out at the gas outlet, returned to the system and, if necessary, used to humidify the air supplied by the reformer.
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.To reduce the electrical power consumption of the system, valves should be pneumatically operated. Also, the compressors for fresh air and fuel may be advantageously powered by water vapor resulting from the evaporation of water by the system's hot exhaust gases.
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.The fuel cell (s) should be fuel bottom side at a temperature of at least 600 0 C and a composition having 0 to 50 mol% of nitrogen, 0 to 18 mol% of at least one hydrocarbon compound, 10 to 90 mol% hydrogen, 5 to 35 mol% Carbon monoxide, 2.5 to 35 mol% of water vapor and 0.5 to 50 mol% of carbon dioxide are fed. The particular composition depends on the fuel used.
Zusätzlich können Abluft- bzw. Abgasleitungen in ei¬ nen Kamin münden, was ebenfalls den zugeführten Energiebedarf, insbesondere für den Antrieb von Verdichtern reduzieren kann.In addition, exhaust air or exhaust pipes can open in ei ¬ nen chimney, which can also reduce the supplied energy requirements, in particular for the drive of compressors.
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.With the invention, systems can be made available which can achieve an electrical power in the range 300 W to 20 kW and an electrical efficiency greater than 30%. The consumption of energy, in particular electrical energy for the actual operation of a system can be reduced.
Ebenfalls können Abwärmeverluste reduziert werden.Likewise, waste heat losses can be reduced.
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.A significant advantage consists in the preheating of the fresh air via heat exchange with also air as the hot medium, so that the safety can be increased and leakage losses are not critical.
Mit einem geschlossenen Wasserkreislauf kann auf Zufuhr von Frischwasser verzichtet werden.With a closed water cycle can be dispensed with supply of fresh water.
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.By a possible operational regime an inventive system may operate without additional elements', which applies in particular to the start-up operation. Thus, a heating to operating temperature with the afterburner, which should preferably be designed as a pore burner, take place.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft naher er- läutert werden.In the following, the invention will be described by way of example to be purified.
Dabei zeigen:Showing:
Figur 1 einen schematischen Aufbau eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Systems und Figur 2 eine Anordnung von Wärmetauschern an einem Nachbrenner .Figure 1 shows a schematic structure of an example of a system according to the invention and Figure 2 shows an arrangement of heat exchangers on an afterburner.
So zeigt Figur 1 einen schematischen Aufbau eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Systems.Thus, FIG. 1 shows a schematic structure of an example of a system according to the invention.
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,Here, fuel (biogenic gas, natural gas, coal gas, propane, butane, methanol and / or ethanol) is brought to a certain overpressure with a compressor, not shown, and then in a composite filter (also not shown) cleaned and desulfurized. If necessary, oxygen, which may be present in the gas, can be eliminated. In an autothermal reformer 3, the fuel is mixed with moist air. Under the influence of catalysts, reformate gas is generated, which is introduced into the fuel cell 1 forming a stack. The conversion of hydrocarbons (CH4) which may still be contained in the reformate gas into gas components (H2, CO) which can be converted by electrochemical oxidation takes place by internal reforming in fuel cells 1. Likewise, the electrochemical reactions take place there, which lead to the generation of electricity. An inverter converts the direct current into the grid (alternating current 50Hz,
230V) eingespeist. Das anodenseitige Abgas aus den Brennstoffzellen 1 wird zu einem Nachbrenner 2 geführt .230V). The anode-side exhaust gas from the fuel cells 1 is led to an afterburner 2.
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 .FIG. 2 is intended to illustrate how, in a first stage, the exhaust gas from the fuel cells 1 can be cooled in a heat exchanger 10 to a temperature by the counterflowing already preheated fresh air, which prevents the self-ignition when mixed with sucked air from the environment in front of the pore burner 2 below.
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.The intake of the fresh air 12 for the pore burner 2 can be carried out independently of the intake of the fresh air for the fuel cell 1. In the pore burner 2, the complete oxidation of the exhaust gas from the fuel cells 1 is performed. The fresh air absorbs part of the heat of oxidation, whereby the pore burner 2 is cooled and kept at a constant temperature. The exhaust gas from the pore burner, as an afterburner 2 is cooled in the following heat exchanger 9, which is designed as a countercurrent heat exchanger with fresh air. The residual cooling of the exhaust gases can be carried out in an external heat user (not shown) .The water and heat of condensation are recovered in a condensate separator 8. A portion of the condensed water is returned as process water to the system and fed to an evaporator to produce steam via a circulation pump ,
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.In order to minimize the electrical consumption of a fuel compressor, the fresh air may suck in a portion of the exhaust gases through a venturi (not shown). As a result, a part is diverted from the exhaust stream and mixed with the fresh air. The venturi nozzle generates a negative pressure from the fresh air flow on the fuel exhaust gas side and thus has an amplifying effect on the fuel flow through the fuel cells 1. Fresh ambient air is delivered to the system by an air compressor (not shown) and cleaned in a particulate filter (not shown). Part of the afterburner exhaust gases can be added to this fresh air by means of a Venturi nozzle and subsequently heated in the afterburner 2. Since the heat supplied is not sufficient to heat the air to the temperature of at least 700 0 C, the system is followed by another air heating with the aid of a high-temperature heat exchanger 5, which can be designed as a plate heat exchanger (recuperator), through the hot exhaust gas discharged from the cathode side of the fuel cells 1. The fresh air heated in this way is supplied from the high-temperature heat exchanger 5 on the cathode side to the fuel cells 1, where the exhaust gas contained therein. Oxygen involved in the electrochemical reactions. The remaining heat of the exhaust air after the high-temperature heat exchanger 5 is partly used as a heat source for evaporation, the rest is available to other heat users WN available. Part of the exhaust air cooled in the evaporator is mixed with a part of the steam generated from the recirculated process water, and is available to the reformer 3 as humidified air.
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.Since a considerable amount of air is needed for the cooling of the fuel cells 1, the electric power of the air compressor represents a considerable amount of the total electrical demand of the system. This requirement can be reduced if the residual heat from the hot exhaust air for driving compressors can be used. This can take place via steam generation. The generated steam can be used to drive the air and / or fuel compressor. With an additional Draft through a chimney can increase the air intake.
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.As can be seen with Figures 1 and 2, the fresh air can be heated in several stages in the invention before it is supplied to the cathode side of the fuel cell 1. This can be achieved with the exhaust gas from the afterburner 2 in the heat exchanger 6, an integrated into the afterburner 2, received therein or connected to the afterburner heat exchanger 4, a heat exchanger 10 (example of Figure 2) and the high-temperature heat exchanger 5.
Tabelle 1 zeigt Gastemperaturen und GasZusammensetzungen an charakteristischen Punkten bei einem Methanbetriebenen System für Erdgas-Betrieb .Table 1 shows gas temperatures and gas compositions at characteristic points in a methane-powered system for natural gas operation.
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. Point A is the inlet for fuel, point B, the output of the reformer 3 to the fuel cell 1, point C, the anode-side output from the fuel cells 1 for exhaust gas and point D, the output of the heat exchanger 7 to the reformer. 3

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Betreiben einer Hochtemperaturbrennstoffzelle mit einem Kohlenwasserstoffver- bindungen enthaltendem Brennstoff, der mindestens einer Brennstoffzelle über einen Reformer zugeführt wird; außerdem Frischluft kathodenseitig der/den Brennstoffzelle (n) zugeführt und anodenseitiges Abgas der/den Brennstoffzelle (n) einer Nachverbrennung in einem Nachbrenner unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass in die Brennstoffzelle (n) (1) kathodenseitig zugeführte Frischluft mehrstufig mit Wärme aus der Nach- Verbrennung und der kathodenseitig aus der/denClaims 1. A method for operating a high temperature fuel cell having a hydrocarbon compound containing fuel supplied to at least one fuel cell via a reformer; also fresh air cathode side of the / the fuel cell (s) supplied and anode side exhaust gas / the fuel cell (s) is subjected to afterburning in an afterburner, characterized in that in the fuel cell (s) (1) cathode side fresh air supplied in several stages with heat from the Post-combustion and the cathode side of the / the
Brennstoffzelle (n) (1) abgeführten erwärmten Luft vorgewärmt wird.Fuel cell (s) (1) is heated preheated heated air.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frischluft durch mindestens einen Bereich des Nachbrenners (2) , der als Wärmetauscher (4) ausgebildet ist, und einen weiteren Hochtemperaturwärmetauscher (5) , durch den heiße kathodenseitig aus der/den Brennstoffzelle (n)2. The method according to claim 1, characterized in that the fresh air through at least a portion of the afterburner (2), which is designed as a heat exchanger (4), and a further high-temperature heat exchanger (5), by the hot cathode side of the / the fuel cell ( n)
(1) abgeführte Abluft geführt wird, in die Brennstoffzelle (n) (1) strömt.(1) discharged exhaust air is passed into the fuel cell (s) (1) flows.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Frischluft mit Abgas aus dem Nachbrenner (2) und der Wärme des Nachbrenners3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that fresh air with exhaust gas from the afterburner (2) and the heat of the afterburner
(2) in zwei Stufen erwärmt wird.(2) is heated in two stages.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Frischluft zusätzlich mit anodenseitig aus der/den Brennstoffzelle (n) (1) austretendem Abgas erwärmt wird. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that fresh air is additionally heated with the anode side of the / the fuel cell (s) (1) exiting exhaust gas.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Hochtemperaturwärmetauscher (5) austretende erwärmte Abluft aus der/den Brennstoffzelle (n) (1) einem dem Reformer (3) vorgeschalteten Wärmetauscher5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that from the high-temperature heat exchanger (5) exiting heated exhaust air from the / the fuel cell (s) (1) a reformer (3) upstream heat exchanger
(7) zugeführt wird.(7) is supplied.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, mit dem Wärmetauscher (7) erwärmte und befeuchtete Luft dem Reformer (3) zugeführt wird.6. The method according to claim 5, characterized in that with the heat exchanger (7) heated and humidified air is supplied to the reformer (3).
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperaturregelung durch Regelung des Volumenstroms der zugeführten Frischluft durchgeführt wird.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a temperature control is performed by controlling the volume flow of fresh air supplied.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass Abgas aus dem8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the exhaust gas from the
Nachbrenner (2) einem Kondensatabscheider (8) und ein Teil des darin abgeschiedenen Wassers,, als Prozesswasser zur Befeuchtung der dem Reformer (3) zugeführten und erwärmten Luft zugeführt werden.Afterburner (2) a condensate (8) and a part of the water deposited therein, as process water for humidification of the reformer (3) supplied and heated air are supplied.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Reformer (3) , Brennstoffzelle (n) (1), Nachbrenner (2)und Wärmetauscher (4, 5, 6, 7) gemeinsam in einem wär- meisolierten Gehäuse untergebracht sind und mit von der Gehäuseinnenwand reflektierter Wärmestrahlung beaufschlagt werden.9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that reformer (3), fuel cell (s) (1), afterburner (2) and heat exchangers (4, 5, 6, 7) are housed together in a heat-insulated housing and be acted upon by the housing inner wall reflected heat radiation.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff Erdgas, biogenes Gas, Propan, Butan, Methanol, und/oder Ethanol eingesetzt werden. 10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that are used as fuel natural gas, biogenic gas, propane, butane, methanol, and / or ethanol.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der/den Brennstoffzelle (n) (1) anodenseitig ein Brennstoff 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-% Kohlendi- oxid zugeführt wird.11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the / the fuel cell (s) (1) on the anode side, a fuel having a temperature of at least 600 0 C and a composition having 0 to 50 mol% of nitrogen, 0 to 18 mol % of at least one hydrocarbon compound, 10 to 90 mol% hydrogen, 5 to 35 mol% carbon monoxide, 2.5 to 35 mol% steam and 0.5 to 50 mol% carbon dioxide oxide is supplied.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Verdichter für Frischluft und/oder Brennstoff mit intern erzeugtem Wasserdampf angetrieben werden.12. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that compressors for fresh air and / or fuel are driven by internally generated steam.
13. System zum Betrieb einer Hochtemperaturbrennstoffzelle mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Frischluft zu einem Nachbrenner (2) zur Erwärmung unter Nutzung von Abwärme und nachfolgend zu einem Hochtemperaturwärmetauscher (5) geführt ist, wobei an dem Hochtemperaturwärmetauscher (5) ein Anschluss für heiße kathodenseitig aus der/den Brennstoffzelle (n) (1) abgeführte Abluft vorhanden ist; und erwärmte Frischluft aus dem Hochtemperaturwärmetauscher (5) der/den Brennstoffzelle (n) (1) kathodenseitig zuführbar ist.13. A system for operating a high temperature fuel cell by a method according to any one of claims 1 to 12, characterized in that fresh air to an afterburner (2) for heating using waste heat and subsequently to a high temperature heat exchanger (5) is guided, wherein at the high temperature heat exchanger (5) there is a port for hot cathode-side exhaust air discharged from the fuel cell (s) (1); and heated fresh air from the high-temperature heat exchanger (5) of the / the fuel cell (s) (1) can be supplied on the cathode side.
14. System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass heiße Abluft aus dem Hochtemperaturwärme- tauscher (5) einem weiteren an den Reformer (3) angeschlossenen Wärmetauscher (7) zur Erwärmung und Befeuchtung von dem Reformer (3) über diesen Wärmetauscher (7) zugeführter Frischluft zuführbar ist. 14. System according to claim 13, characterized in that hot exhaust air from the high-temperature heat exchanger (5) to another connected to the reformer (3) heat exchanger (7) for heating and humidification of the reformer (3) via this heat exchanger (7) supplied fresh air can be supplied.
15. System nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass Reformer (3), Brennstoffzelle (n) (1), Nachbrenner (2) und die Wärmetauscher (4, 5, 6, 7) innerhalb eines wärme- isolierten Gehäuses angeordnet sind.15. System according to any one of claims 13 or 14, characterized in that the reformer (3), fuel cell (s) (1), afterburner (2) and the heat exchanger (4, 5, 6, 7) within a heat-insulated housing are arranged.
16. System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand des Gehäuses für Wärmestrahlung reflektierend ist.16. System according to claim 15, characterized in that the inner wall of the housing for heat radiation is reflective.
17. System nach einem der Ansprüche 13 bis 16, da- durch gekennzeichnet, dass der Nachbrenner (2) als Porenbrenner ausgeführt ist.17. System according to any one of claims 13 to 16, character- ized in that the afterburner (2) is designed as a pore burner.
18. System nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer (3) als katalytischer Reformer realisiert ist .18. System according to any one of claims 13 to 17, characterized in that the reformer (3) is realized as a catalytic reformer.
19. System nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung von Ventilen pneumatisch erfolgt.19. System according to any one of claims 13 to 18, characterized in that the control of valves is pneumatic.
20. System nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass Leitungen für Abluft und Abgas in einen Kamin münden. 20. System according to any one of claims 13 to 19, characterized in that lines for exhaust air and exhaust gas discharge into a chimney.
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