NL1014585C2

NL1014585C2 - Brandstofcel met een verbeterd rendement voor het opwekken van elektrische energie.

Info

Publication number: NL1014585C2
Application number: NL1014585A
Authority: NL
Inventors: Rudolf Hunik
Original assignee: Kema Nv
Priority date: 2000-03-08
Filing date: 2000-03-08
Publication date: 2001-09-21
Also published as: WO2001067530A3; EP1266418A2; AU2001241293A1; US20030143449A1; WO2001067530A2

Description

5

BRANDSTOFCEL HET EEN VERBETERD RENDEMENT VOOR HET OPWEKKEN VAN ELEKTRISCHE ENERGIE

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het opwekken van elektrische energie door middel van een brandstofcel, omvattende: - een brandstoftoevoeraansluiting voor het aan 10 de brandstofcel toevoeren van hoofdzakelijk gasvormige brandstof; - een luchttoevoeraansluiting voor het aan de brandstofcel toevoeren van een gas dat tenminste gedeeltelijk door zuurstof wordt gevormd; 15 - een luchtafvoeraansluiting voor het van de brandstofcel afvoeren van het in de brandstofcel niet gebruikte deel van het via de luchttoevoeraansluiting toegevoerde gas,* en - een uitlaataansluiting voor het van de brand-20 stofcel afvoeren van de reactieprodukten van de brandstofcel .

Een dergelijke inrichting is bekend uit de internationale octrooiaanvrage met publicatienummer WO-A-99/10945.

25 Deze, tot de stand van de techniek behorende inrichting voor het opwekken van electrische energie omvat een brandstofcel, waarbij op de luchtafvoeraansluiting van de brandstofcel en de uitlaataansluiting van de brandstofcel een reactiekamer is aangesloten. Deze 30 reactiekamer omvat twee verschillende ruimten, welke worden gescheiden door een keramisch materiaal met een daarop aangebrachte electrolyt. Met deze electrolyt kan men bewerkstelligen dat door zuurstoftransport door de elektrolyt een exotherme reactie plaatsvindt tussen de 35 brandbare reactieprodukten van de brandstofcel en het niet-gebruikte deel van de lucht. Door deze kamer wordt dan een groter deel van de chemische energie, welke nog 1014585 2 in de brandstofgassen is opgeslagen, gebruikt voor het opwekken van warmte.

Hierbij wordt er op gewezen dat door de eigenschappen van een brandstofcel het economisch niet aan-5 trekkelijk is binnen een brandstofcel zelf deze gassen nuttig te gebruiken; om goed te kunnen werken zijn minimale concentraties van brandstofgassen, respectievelijk zuurstof in de betreffende delen van de brandstofcel noodzakelijk. Wanneer, gezien in de stromingsrichting van 10 de brandstofcel, deze concentraties niet meer worden gehaald, werkt een brandstofcel niet meer economisch efficiënt.

Volgens de stand van de techniek wordt door het in de reactiekamer laten uitvoeren van andere reacties, 15 waarbij geen elektriciteit wordt opgewekt, toch de chemische energie van de brandstoffen gebruikt. Hierbij wordt warmte opgewekt.

In het algemeen is het doel van een dergelijke inrichting het met het grootst mogelijke rendement op-20 wekken van elektrische energie. Alhoewel de opwekking van warmte het rendement wel verhoogt, is de verhoging van het rendement groter, wanneer de omzetting naar elektrische energie direct in de brandstofcel plaatsvindt; bij omzetting naar warmte moet immers nog een 25 volgende omzetting naar elektrische energie plaatsvinden die het rendement weer verkleint.

Het doel van de onderhavige uitvinding is dan ook het verbeteren van deze, tot de stand van de techniek behorende brandstofcel, waarbij een hoger elektrisch 30 rendement wordt nagestreefd.

Dit doel wordt bereikt, doordat de inrichting omvat: - een op de uitlaataansluiting van de brandstofcel aangesloten scheidingsinrichting voor het van de 35 via de uitlaataansluiting toegevoerde gassen afscheiden van de brandbare gassen; en 1014585 3 - een toevoerinrichting voor het aan de brandstof toevoeraansluiting toevoeren van de van de scheidingsinrichting afkomstige brandbare gassen.

Deze maatregelen leiden ertoe dat in het bij -5 zonder de brandbare gassen, welke aan het einde van de brandstofcel in een lage concentratie aanwezig zijn, worden "opgewerkt" tot gassen met een hogere concentratie van dergelijke brandbare gassen, zodat deze weer aan het begin van de brandstofcel kunnen worden toegevoerd 10 tezamen met "verse" brandstof.

Hiermee wordt het aldus mogelijk deze gassen effectiever te gebruiken; bij gebruik in een brandstofcel is hun rendement immers hoger dan bij gebruik als warmtebron, waarna bijvoorbeeld een Brayton- of een Carnot-15 cyclus moet volgen voor het uit de opgewekte warmte opwekken van elektriciteit.

Volgens een eerste uitvoeringsvorm omvat de scheidingsinrichting een op de uitlaataansluiting van de brandstofcel aangesloten eerste scheider voor het uit de 20 van de afvoeraansluiting afkomstige gassen afscheiden van water.

Deze maatregel heeft tot gevolg dat het water kan worden teruggewonnen. Over de gehele wereld bestaat immers een tekort aan zuiver water. Uiteraard zijn de 25 teruggewonnen hoeveelheden niet bijzonder groot, maar het water kan van een hoge kwaliteit zijn, zodat het als ketelvoedingswater of iets dergelijks kan worden gebruikt .

Volgens een verdere voorkeursuitvoeringsvorm 30 omvat de eerste scheider een condensor voor het door condensatie uit de van de brandstofcel afkomstige gassen afscheiden van water.

Deze configuratie maakt gebruik van op zich bekende techniek, zodat een betrouwbare inrichting voor 35 het afscheiden van water wordt verkregen.

Volgens een alternatieve uitvoeringsvorm omvat de eerste scheider een membraan voor het uit de van de brandstofcel afkomstige gassen afscheiden van water.

1014585 4

Deze configuratie maakt gebruik van een alternatieve uitvoeringsvorm, waarbij een modernere, en wellicht goedkopere en effectieve technologie wordt verkregen. Bovendien wordt hiermee ook water van een hoge 5 reinheid verkregen, zodat het bijvoorbeeld kan worden gebruikt als voedingswater voor inlaatluchtkoelers of voor ketels.

Volgens een verdere voorkeursuitvoeringsvorm omvat de scheidingsinrichting een na de eerste scheider 10 geschakelde tweede scheider voor het uit de van de eerste scheider afkomstige gassen scheiden van brandbare gassen.

Na het verwijderen van water resteert een mengsel van brandbare gassen, zoals CO, H2 en wellicht nog een kleine rest met de oorspronkelijke brandstof, zoals 15 CH4 en een hoeveelheid onbrandbare gassen, zoals C02, eventueel in de brandstof aanwezige edelgassen en rest-gassen.

In de tweede scheider vindt dan ook het eigenlijke verrijkingsproces plaats om de brandbare gassen 20 weer op te werken naar een voor de brandstofcel geschikte concentratie.

Alhoewel andere configuraties niet worden uitgesloten, wordt de tweede scheider bij voorkeur door een membraanscheider gevormd. Een membraanscheider leidt 25 tot een goede, effectieve scheiding.

Volgens weer een andere voorkeursuitvoeringsvorm is tussen de tweede scheider en de brandstoftoe-voeraansluiting van de brandstofcel een compressor geschakeld.

30 De compressor dient voor het compenseren van de drukverliezen, welke zijn opgetreden in de brandstofcel en de eventuele scheidingsinrichtingen.

Volgens een andere voorkeursuitvoeringsvorm is de uitgangsaansluiting voor de restgassen van de tweede 35 scheider verbonden met een opslagreservoir. Het is overigens tevens mogelijk dat de restgassen op een andere wijze nuttig worden gebruikt, bijvoorbeeld voor de 014585 5 produktie van chemische grondstoffen. Overigens is het in een dergelijke situatie denkbaar dat een dergelijke gebruiksinrichting geïntegreerd is in de schelder. In een dergelijke scheider vindt dan alleen een reactie plaats 5 met de restgassen; de brandbare gassen verlaten de scheider zonder een verandering te hebben ondergaan.

Zoals hierboven vermeld is, bestaan de niet-brandbare gassen, welke van de tweede scheider afkomstig zijn, hoofdzakelijk uit C02 en eventueel een beperkte 10 hoeveelheid edelgassen en restgassen. Om de C02-uitstoot te verminderen is het aantrekkelijk de betreffende gassen toe te voeren aan een opslagreservoir.

Om de gassen aan het opslagreservoir toe te kunnen voeren, wordt bij voorkeur gebruik gemaakt van een 15 tussen de uitgangsaansluiting van de tweede scheider en het opslagreservoir geplaatste compressor. Om het transport van C02 naar het opslagreservoir economisch aantrekkelijk te maken, gaat de voorkeur uit naar transport van C02 in vloeibare vorm. De compressor zal dus bij 20 voorkeur comprimeren tot drukken, waarbij door condensatie C02 vloeibaar wordt. Om de arbeid, die geleverd moet worden door de compressor, zo laag mogelijk te houden, is voortdurende afkoeling van het C02-gas bij dit proces gewenst.

25 De niet-brandbare restgassen bestaan, zoals hierboven is aangegeven, uit C02 een aantal edelgassen en restgassen zoals N2. Gezien de hoge prijs van edelgassen, kan het economisch aantrekkelijk zijn deze af te scheiden uit de uit de brandstofcel tredende gasstroom. Hiervoor 30 is bij voorkeur in het circuit tussen de uitgangsaansluiting van de brandstofcel en het opslagreservoir een derde scheider geplaatst voor het afscheiden van eventuele restgassen, zoals edelgassen uit het in het circuit stromende gas.

35 Deze derde scheider kan in principe op elke plaats in het circuit worden ondergebracht.

Het heeft echter de voorkeur de derde scheider te plaatsen tussen de C02-compressor nabij de C02- 1 Π 1 4585 6 condensor, in de vorm van de warmtewisselaar 7 en het opslagreservoir, omdat de concentratie van edelgassen daar het grootst is en aldus de gemakkelijkste afscheiding kan plaatsvinden.

5 Om het thermisch rendement van de totale in richting verder te vergroten zijn in het circuit warmtewisselaars opgenomen voor het overdragen van warmte naar andere, in de inrichting circulerende gasstromen voor het aldus vergroten van het elektrisch of het thermisch 10 rendement van de inrichting.

Bij voorkeur is tussen de C02-compressor en het opslagreservoir een warmtewisselaar geplaatst, waarvan de andere zijde verbonden is met de aanvoerleiding van brandstof aan de brandstofcel. Dit blijkt een bijzonder 15 effectieve wijze te zijn om het rendement van de totale inrichting te vergroten.

Vervolgens zal de onderhavige uitvinding worden toegelicht aan de hand van bijgaande tekening die een schema weergeeft van een inrichting volgens de uit-20 vinding.

De inrichting volgens de uitvinding omvat een in zijn geheel met "1" aangegeven brandstofcel. De brandstofcel is voorzien van een brandstoftoevoeraansluiting 2 voor het aan de brandstofcel toevoeren van hoofdzakelijk 25 gasvormige brandstof, een luchttoevoeraansluiting 3 voor het aan de brandstofcel toevoeren van een gas dat tenminste gedeeltelijk door zuurstof wordt gevormd, een luchtafvoeraansluiting 4 voor het van de brandstofcel afvoeren van het in de brandstofcel niet-gebruikte deel 30 van het via de luchttoevoeraansluiting toegevoerde gas en een uitlaataansluiting 5 voor het van de brandstofcel af-voeren van de reactieproducten van de brandstofcel.

Verder omvat de inrichting een gasbron 6, welke bijvoorbeeld door een aansluiting op het gasnet kan 35 worden gevormd. De gasbron 6 is via een warmtewisselaar 7 verbonden met de brandstoftoevoeraansluiting 2.

1014585 7

De luchttoevoeraansluiting 3 is verbonden met een in de tekening niet weergegeven aanzuiginrichting voor lucht, bijvoorbeeld in de vorm van een compressor.

De luchtafvoeraansluiting 4 is onder tussen-5 voeging van een eventuele, niet in de tekening weergegeven reinigingsinrichting verbonden met de omgeving, eventueel via een turbine.

Op de uitlaataansluiting 5 van de brandstofcel 1 is een eerste scheider 8 aangesloten. De eerste 10 scheider 8 is ingericht voor het uit de uitlaatgassen van de brandstofcel afscheiden van water. De eerste scheider kan de vorm hebben van een membraanafscheider of een condensor.

Op de eerste scheider 8 is een tweede scheider 15 9 aangesloten. De tweede scheider 9 is ingericht voor het maken van een scheiding tussen de brandbare bestanddelen van het uitlaatgas en de niet-brandbare bestanddelen. De brandbare bestanddelen worden via een compressor 10 toegevoerd aan de brandstoftoevoeraansluiting 2 van de 20 brandstofcel 1. Dit betreft de kenmerkende maatregel van de onderhavige uitvinding; door het verhogen van de concentratie van brandbare gasbestanddelen en het toevoeren aan de brandstofcel hiervan kan een groter deel van de brandstof gebruikt worden voor het direkt opwekken 25 van elektriciteit. Hiermee wordt het rendement voor de omzetting van chemische energie naar elektrische energie sterk vergroot.

De tweede scheider 9 wordt bijvoorbeeld gevormd door een membraanscheider.

30 Vervolgens worden de niet-brandbare gassen van de tweede scheider 9 toegevoerd naar een derde scheider 11. De derde scheider 11 maakt een scheiding tussen C02 en veelal in de gassen aanwezige edelgassen. De edelgassen kunnen hierbij worden gewonnen. Dit is in veel gevallen 35 economisch aantrekkelijk. Het resterende gas, dat voornamelijk wordt gevormd door C02, wordt na compressie door compressor 13 toegevoerd aan de vierde scheider 12. De vierde scheider verwijdert een laatste hoeveelheid water, 1014585 8 welke in de eerste scheider 8 niet volledig verwijderd is uit het hoofdzakelijk uit C02 bestaande gas, en verhoogt daarmee de kwaliteit van het in vloeibare vorm te transporteren C02.

5 Vervolgens wordt het uit de vierde scheider 12 tredende, hoofdzakelijk uit C02 bestaande gas, na koeling in onder meer warmtewisselaar 7, waardoor condensatie van C02 ontstaat, via een transportmiddel toegevoerd aan een opslagvat dat bijvoorbeeld wordt gevormd door een onder-10 aardse gasopslagruimte. Veelal worden hier ruimten voor gebruikt, welke zijn vrijgekomen door het aan een dergelijke ruimte onttrekken van brandbaar aardgas.

Ten slotte wordt opgemerkt dat het mogelijk is diverse veranderingen aan te brengen op het hier weer-15 gegeven schema,· zo is het bijvoorbeeld mogelijk de derde scheider 11 voor het afscheiden van edelgassen tussen de uitlaataansluiting 5 en de eerste scheider 8 voor water te plaatsen of tussen de eerste scheider 8 en de tweede scheider 9 te plaatsen. Het betreft voornamelijk een 20 temperatuurs- of dimensioneringskwestie, waar de betreffende derde scheider ll het best kan worden geplaatst.

Een soortgelijke overweging geldt voor de tweede scheider 9. Deze kan ook op een andere plaats 25 tussen de uitlaataansluiting 5 en het opslagvat 14 worden geplaatst.

Het is verder mogelijk direct bij de uitlaat van de brandstofcel onder eventueel gebruik van katalysatoren, die CO met H20 omzetten in C02 met H2, een 30 omzettingseenheid toe te passen voor het zodanig verlagen van het CO-gehalte, dat alleen afscheiding van H2 nog nodig is.

Overigens is het voor de onderhavige uitvinding geenszins noodzakelijk dat het resterende C02 wordt op-35 geslagen. Dit betreft slechts een extra aantrekkelijke uitvoeringsvorm, welke bedoeld is voor het terugdringen van de C02-uitstoot.

1014585 9

Verder is het mogelijk op diverse andere plaatsen compressoren, pompen en warmtewisselaars in de betreffende schema toe te passen.

1014585

Claims

1. Inrichting voor het opwekken van elektrische 5 energie door middel van een brandstofcel, omvattende: - een brandstoftoevoeraansluiting voor het aan de brandstofcel toevoeren van hoofdzakelijk gasvormige brandstof; - een luchttoevoeraansluiting voor het aan de 10 brandstofcel toevoeren van een gas dat tenminste gedeeltelijk door zuurstof wordt gevormd; - een luchtafvoeraansluiting voor het van de brandstofcel afvoeren van het in de brandstofcel niet gebruikte deel van het via de luchttoevoeraansluiting 15 toegevoerde gas; en - een uitlaataansluiting voor het van de brandstofcel afvoeren van de reactieprodukten van de brandstofcel , met het kenmerk, dat de inrichting omvat: 20. een op de uitlaataansluiting van de brand stofcel aangesloten scheidingsinrichting voor het uit de via de uitlaataansluiting toegevoerde gassen afscheiden van de brandbare gassen; en - een toevoerinrichting voor het aan de brand-25 stoftoevoeraansluiting toevoeren van de van de scheidingsinrichting afkomstige brandbare gassen.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de scheidingsinrichting een op de uitlaataansluiting van de brandstofcel aansluitende eerste 30 scheider omvat voor het uit de van de uitlaataansluiting afkomstige gassen afscheiden van water.

3. Inrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de eerste scheider een condensor omvat voor het door condensatie uit de van de brandstofcel af- 35 komstige gassen afscheiden van water.

4. Inrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de eerste scheider een membraan omvat voor het uit de van de brandstofcel afkomstige gassen af- 1014585 fc scheiden van water.

5. Inrichting volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de scheidingsinrichting een tweede scheider omvat voor het uit de van de brand- 5 stofcel afkomstige gassen afscheiden van brandbare gassen.

6. Inrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de tweede scheider een membraanscheider is.

7. Inrichting volgens conclusie 6, met het 10 kenmerk, dat stroomopwaarts van de membraanscheider katalysatoren voor het bevorderen van de omzetting van CO en H20 in H2 en C02 zijn aangebracht.

8. Inrichting volgens conclusie 5, 6 of 7, met het kenmerk, dat tussen de tweede scheider en de brand- 15 stoftoevoeraansluiting van de brandstofcel een compressor is geschakeld.

9. Inrichting volgens conclusies 5, 6, 7 of 8, met het kenmerk, dat de uitgangsaansluiting voor de niet-brandbare gassen van de tweede scheider is verbonden met 20 een opslagreservoir.

10. Inrichting volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat tussen de uitgangsaansluiting van de tweede scheider en het opslagreservoir een compressor is geplaatst .

11. Inrichting volgens conclusie 9 of 10, met het kenmerk, dat in het circuit tussen de uitgangsaansluiting van de brandstofcel en het opslagreservoir een derde scheider is geplaatst voor het afscheiden van een eventuele restgassen, zoals edelgassen uit het in het 30 circuit stromende gas.

12. Inrichting volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat de derde scheider is geplaatst tussen de tweede scheider en het opslagreservoir.

13. Inrichting volgens een van de conclusies 35 8-12, met het kenmerk, dat tussen de uitgangsaansluiting van de tweede scheider en de compressor een vierde scheider is geplaatst voor het afscheiden van waterresten uit de aan de opslagruimte toe te voeren gassen. 1 0 1 4585 I »

14. Inrichting volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat in het circuit warmtewisselaars zijn opgenomen voor het overdragen van warmte naar in de inrichting circulerende gasstromen voor het 5 aldus vergroten van het elektrische of het thermische rendement van de inrichting.

15. Inrichting volgens een van de conclusies 8-14, met het kenmerk, dat tussen de uitgangsaansluiting van de tweede scheider en het opslagreservoir een warmte- 10 wisselaar is geplaatst, waarvan de andere zijde verbonden is met de aanvoerleiding van brandstof aan de brandstofcel . 1014585