WO1997002613A1 - Hochtemperatur-brennstoffzellenanlage mit elektrischer beheizung der prozessgase sowie verfahren zu ihrem betrieb - Google Patents

Hochtemperatur-brennstoffzellenanlage mit elektrischer beheizung der prozessgase sowie verfahren zu ihrem betrieb Download PDF

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WO1997002613A1
WO1997002613A1 PCT/DE1996/001062 DE9601062W WO9702613A1 WO 1997002613 A1 WO1997002613 A1 WO 1997002613A1 DE 9601062 W DE9601062 W DE 9601062W WO 9702613 A1 WO9702613 A1 WO 9702613A1
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Kurt Reiter
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Definitions

  • the invention relates to a high-temperature fuel cell system and a method for its operation.
  • a fuel cell block which is also called “stack" in the specialist literature, is generally composed of a large number of fuel cells that are planar and stacked one on top of the other.
  • a fuel cell system which comprises at least one fuel cell block, with a high, constant operating temperature of, for example, over 900 ° C.
  • this must be supplied with heat in order to reach the operating temperature before operation or to maintain the necessary operating temperature during short breaks in operation become.
  • the fuel cell blocks currently being realized have relatively small outputs and have dimensions on a laboratory scale. They are brought to the operating temperature of approx. 600 ° C. for the MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) or approx. 950 ° C. for the high-temperature fuel cell in an oven and operated in the oven. This solution is not practical for fuel cell blocks with larger outputs and dimensions.
  • the invention is based on the object of specifying a high-temperature fuel cell system in which the high-temperature fuel cells are not contaminated or damaged when heated.
  • a method for operating such a high-temperature fuel cell system is to be specified.
  • This high-temperature fuel cell system comprises at least one high-temperature fuel cell block with an anode part and a cathode part, wherein according to the invention at least one heat source is provided for electrically heating a process gas before it is fed into the high-temperature fuel cell block.
  • a cathode path is connected upstream of the cathode part with a first heat source for electrical heating.
  • a second heat source for electrical heating is connected upstream of the anode part in a path of an anode path.
  • the high-temperature fuel cell block is electrically heated before being fed into the high-temperature fuel cell block.
  • the high-temperature fuel cell block can be heated independently of the heat produced in the reaction process.
  • a gas without soot ie no Rauchga ⁇
  • the high-temperature fuel cell block is heated by the heated process gas.
  • the high-temperature fuel cell block does not have to be heated in a special oven, ie the method can be applied to any configuration of high-temperature fuel cell blocks. The method is therefore independent of the performance and the dimensions of the high-temperature fuel cell blocks and thus equally independent of the dimensions of the high-temperature fuel cell systems.
  • the process gas is preferably electrically heated in order to achieve the necessary: operating temperature; H. the heat is supplied to reach the required operating temperature.
  • the process gas is heated electrically to maintain the necessary operating temperature, i. H. the heat is supplied to maintain the necessary operating temperature. Power fluctuations due to fluctuations in the operating temperature are compensated for or avoided.
  • the high-temperature fuel cell system does not have to be started up again to the high operating temperature. This saves costs for process gases to be expended and time during the start-up of the high-temperature fuel cell system. A saving of time also manifests itself in a reduction in costs.
  • a high-temperature fuel cell system 2 comprises a high-temperature fuel cell block 4, which is divided into an anode part 6 with anode gas chambers (not shown) and a cathode part 8 with cathode gas chambers (not shown).
  • the high-temperature fuel cell block 4 is preferably composed of a large number of planarly constructed high-temperature fuel cells, not shown, as are known, for example, from German Patent P 39 35 722.8.
  • An inverter 46 is connected to the high-temperature fuel cell block 4 and converts the direct current generated by the high-temperature fuel cell block 4 into alternating current for a power network (not shown further here).
  • the cathode part 8 is assigned a cathode path 10 for its supply with a process gas, for example oxygen O2, which includes a path 12 and a path 14.
  • the process gas for the cathode part 8 is fed via the inlet 12 into the high-temperature fuel cell block 4.
  • the process gas before feeding into the cathode part 8 is referred to as process gas for the cathode part 8 and after leaving the cathode part 8 as process exhaust gas from the cathode part 8.
  • a first heat source 24 for electrical heating is connected upstream of the cathode part 8 in the access path 12.
  • the anode part 6 is assigned an anode path 30 for its supply with a process gas, for example hydrogen H 2 or a mixture of fuel gas and reaction steam, which comprises a path 32 and a path 34.
  • a process gas for example hydrogen H 2 or a mixture of fuel gas and reaction steam, which comprises a path 32 and a path 34.
  • the process gas for the anode part 8 is fed via feed lines 36 and 37 and a mixer 38 into the inlet 32 and via the inlet 32 into the high-temperature fuel cell block 4.
  • the process gas is, before being fed into the anode part 6, as a process gas for the anode part 6 and after leaving the odteils 6 referred to as process exhaust gas of the anode part 6.
  • a second heat source 44 for electrical heating is connected upstream of the anode part 6.
  • the heat sources 24, 44 can be designed, for example, as electrical heating jackets or as electrical heating elements.
  • the electrical heating jackets are arranged from the outside around the access paths 12, 32 and are not in direct contact with the process gases. This offers the advantage that the electric heating jackets can be individually positioned on the paths 12, 32.
  • Electrical heating elements which are arranged directly in the paths 12, 32, can be flowed around directly by the process gases. This measure ensures good temperature controllability.
  • process gases are gases without soot components, i.e. no flue gases used.
  • the high-temperature fuel cell block 4 is heated by the heated process gases.
  • the high-temperature fuel cell block 4 does not have to be heated in a special furnace, i.e. that the method can be applied to any configuration of high-temperature fuel cell blocks.
  • the method is therefore independent of the performance and the dimensions of the high-temperature fuel cell blocks and thus equally independent of the dimensions of the high-temperature fuel cell systems.
  • a first heat exchanger 22 and a compressor 20 are connected upstream of the first electrical heating element 24.
  • the process exhaust gas heats up in the first heat exchanger 22 of the cathode part 8 via the path 14 the process gas for the cathode part 8.
  • the process output of the cathode part 8 is fed via the path 14 to a device 50 for processing the residual gases from the high-temperature fuel cell system 2 and is led out of this device 50 via a discharge line 52 for further use.
  • a second heat exchanger 42 is connected upstream of the second electrical heating element 44, in which the process gas from the anode part 6 heats the process gas for the anode part 6 via the outlet 34.
  • the path 34 opens into the device 50 for processing the remaining gas.
  • the first 22 and the second heat exchanger 42 thus also contribute to the heating of the high-temperature fuel cell block 4 in addition to the first 24 and the second electrical heat source 44.

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Abstract

Eine Brennstoffzellenanlage, insbesondere eine Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage (2), enthält gemäß der Erfindung mindestens eine Wärmequelle (24, 44) zum elektrischen Erwärmen eines Prozeßgases vor dem Einspeisen in einen Brennstoffzellenblock (4).

Description

Beschreibung
HOCHTEMPERATUR-BRENNSTOFFZELLENANLAGE MIT ELEKTRISCHER BEHEIZUNG DER PROZESS¬ GASE SOWIE VERFAHREN ZU IHREM BETRIEB
Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochtemperatur-Brenn¬ stoffzellenanlage und ein Verfahren zu ihrem Betrieb.
Es iεt bekannt, daß bei der Elektrolyse von Wasser die Was- εermoleküle durch elektrischen Strom in Wasserstoff und Sau¬ erstoff zerlegt werden. In der Brennstoffzelle läuft dieser Vorgang in umgekehrter Richtung ab. Bei der elektrochemischen Verbindung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser entsteht elektrischer Strom mit hohem Wirkungsgrad und, wenn als Brenngas reiner Wasserstoff eingesetzt wird, ohne Emission von Schadstoffen und Kohlendioxid. Auch mit technischen Brenngasen, beispielsweise Erdgas oder Kohlegas, und mit Luft oder mit mit 02 angereicherter Luft anstelle von reinem Sau¬ erstoff erzeugt eine Brennstoffzelle deutlich weniger Schad- Stoffe und weniger C02 alε andere Energieerzeuger, die mit fossilen Energieträgern arbeiten. Die technische Umsetzung des Prinzips der Brennstoffzelle hat zu εehr unterschiedli¬ chen Lösungen, und zwar mit verschiedenartigen Elektrolyter. und mit Betriebstemperaturen zwischen 80° C und 1000° C, ge- führt. In Abhängigkeit von ihrer Betriebstemperatur werden die Brennstoffzellen in Nieder-, Mittel- und Hochtemperatur- Brennstoffzellen eingeteilt, die sich wiederum durch ver¬ schiedene technische Ausführungsformen unterscheiden.
Bei der Hochtemperatur-Brennstoffzelle (Solid Oxid Fuel Cell, SOFC) beispielεweise dient Erdgaε alε primäre Energiequelle. Der εehr kompakte Aufbau ermöglicht eine Leistungεdichte ven
1 MW/m3. Es ergeben sich Betriebstemperaturen von über 90G ° C. Ein Brennstoffzellenblock, der in der Fachliteratur auch "Stack" genannt wird, setzt sich in der Regel auε einer Viel¬ zahl von planar aufgebauten und aufeinander gestapelten Brennstoffzellen zusammen.
Um eine Brennstoffzellenanlage, die mindeεtens einen Brenn¬ stoffzellenblock umfaßt, mit einer hohen, konstanten Betrieb¬ stemperatur von beispielsweise über 900 °C zu betreiben, muß dieser zum Erreichen der Betriebstemperatur vor dem Betrieb bzw. zum Halten der notwendigen Betriebstemperatur während kurzer Betriebspauεen Wärme zugeführt werden. Die zur Zeit realisierten Brennεtoffzellenblöcke haben relativ kleine Lei¬ stungen und weisen Abmeεεungen im Labormaßεtab auf. Sie wer- den in einem Ofen auf die Betriebεtemperatur von ca. 600 °C bei der MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) oder ca. 950 °C bei der Hochtemperatur-Brennεtoffzelle gebracht und im Ofen be¬ trieben. Diese Lösung ist für Brennstoffzellenblöcke mit grö¬ ßeren Leistungen und Abmessungen nicht praktikabel.
Aus "A Study for a 200 kWe-System for Power and Heat" von M. R. Taylor, D. S. Beishon, Tagungεbericht "Firεt European Solid Oxid Fuel Cell Forum", Luzern 1994, Seiten 849 biε 864, iεt ein Verfahren bekannt, daε zum Erwärmen des Brennstoff- zellenblockes Rauchgas durch diesen leitet. Dieses Verfahren ist unvorteilhaft, da durch das Rauchgas die Brennεtoffzel¬ len, auε denen εich der Brennεtoffzellenblock zusammensetzt, verschmutzt oder beεchädigt werden.
Ein weiteres Problem iεt daε Erwärmen aller anderen Komponen¬ ten außer dem Brennstoffzellenblock auε dem εich die Brenn¬ εtoffzellenanlage zusammensetzt, beispielsweise die Erwärmung der Leitungen und der Wärmetauscher. Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Hochtempe¬ ratur-Brennstoffzellenanlage anzugeben, bei der die Hochtem¬ peratur-Brennstoffzellen beim Erwärmen nicht verschmutzt oder beschädigt werden. Außerdem soll ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage angegeben werden.
Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen deε Patentanεprucheε 1. Die zweitgenannte Aufgabe wird gelöεt mit den Merkmalen des Patentanspruches 4.
Diese Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage umfaßt mindestens einen Hochtemperatur-Brennstoffzellenblock mit einem Anoden¬ teil und einem Kathodenteil, wobei gemäß der Erfindung minde- εtenε eine Wärmequelle zum elektrischen Erwärmen eineε Pro¬ zeßgases vor dem Einspeiεen in den Hochtemperatur-Brennεtoff- zellenblock vorgeεehen ist.
Vorzugεweiεe iεt in einem Zuweg eineε Kathodenwegeε dem Ka- thodenteil eine erste Wärmequelle zum elektriεchen Erwärmen vorgeεchaltet .
Insbeεondere iεt in einem Zuweg eineε Anodenwegeε dem Anoden¬ teil eine zweite Wärmequelle zum elektrischen Erwärmen vorge- εchaltet.
Bei dem Verfahren zum Betreiben einer Hochtemperatur-Brenn¬ stoffzellenanlage, die mindeεtenε einen Hochtemperatur-Brenn¬ εtoffzellenblock mit einem Anodenteil und einem Kathodenteil umfaßt, wird gemäß der Erfindung ein Prozeßgas für den
Hochtemperatur-Brennstoffzellenblock vor dem Einεpeiεen in den Hochtemperatur-Brennεtoffzellenblock elektriεch erwärmt. Durch eine εolche zuεätzliche Wärmequelle kann der Hochtempe¬ ratur-Brennεtoffzellenblock unabhängig von der beim Reakti- onεprozeß produzierten Wärme erwärmt werden. Alε Prozeßgaε wird ein Gas ohne Rußanteile, d.h. kein Rauchgaε, verwendet. Demzufolge kommt es nicht zu Verschmutzung oder Beschädigung der Hochtemperatur-Brennstoffzellen aufgrund von Rauchgasein¬ wirkung. Zum Betreiben der Hochtemperatur-Brennstoffzellenan- läge wird der Hochtemperatur-Brennstoffzellenblock durch das erwärmte Prozeßgas erwärmt. Dadurch muß der Hochtemperatur- Brennstoffzellenblock nicht in einem speziellen Ofen erwärmt werden, d.h. daß das Verfahren auf jede beliebige Konfigura¬ tion von Hochtemperatur-Brennstoffzellenblocken anwendbar ist. Das Verfahren ist damit unabhängig von den Leistungen und den Abmeεεungen der Hochtemperatur-Brennεtoffzellenblocks und damit ebenεo unabhängig von den Abmeεsungen der Hochtem¬ peratur-Brennstoffzellenanlagen.
Vorzugεweiεe wird das Prozeßgaε zum Erreichen der notwendige: Betriebεtemperatur elektriεch erwärmt, d. h. die Warme wird zum Erreichen der notwendigen Betriebεtemperatur zugeführt .
Insbeεondere wird das Prozeßgas zum Halten der notwendigen Betriebεtemperatur elektriεch erwärmt, d. h. die Warme wird zum Halten der notwendigen Betriebstemperatur zugeführt . Es werden Leistungεεchwankungen aufgrund von Schwankungen der Betriebstemperatur ausgeglichen oder vermieden. Nach kurzen Betriebspauεen muß die Hochtemperatur-Brennεtoffzellenanlage nicht erst wieder auf die hohe Betriebstemperatur hochgefah¬ ren werden. Dadurch werden Koεten für aufzuwendende Prozeß- gaεe wahrend deε Hochfahrenε der Hochtemperatur-Brennεtoff- zellenanlage und Zeit eingeεpart . Eine Einsparung von Zeit äußert sich auch m einer Reduzierung der Koεten.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf daε Auεfuh- rungεbeiεpiel der Zeichnung verwieεen, in deren einziger Figur daε Anlagenεchema einer Hochtemperatur-Brennstoffzel¬ lenanlage dargestellt ist. Entεprechend der Figur umfaßt eine Hochtemperatur-Brennstoff- zellenanlage 2 einen Hochtemperatur-Brennstoffzellenblock 4, der in einen Anodenteil 6 mit nicht weiter dargestellten Ano- dengaεräumen und einen Kathodenteil 8 mit nicht weiter darge¬ εtellten Kathodengaεräumen aufgeteilt iεt. Der Hochtempera¬ tur-Brennstoffzellenblock 4 ist vorzugsweiεe aus einer Viel¬ zahl von planar aufgebauten nicht weiter dargestellten Hochtemperatur-Brennstoffzellen zusammengesetzt, wie sie z.B. aus dem deutschen Patent P 39 35 722.8 bekannt sind. An dem Hochtemperatur-Brennstoffzellenblock 4 ist ein Wechselrichter 46 angeschlosεen, der den von dem Hochtemperatur-Brennεtoff- zellenblock 4 erzeugten Gleichεtrom in Wechselstrom für ein hier nicht weiter dargestellteε Stromnetz umwandelt.
Dem Kathodenteil 8 ist ein Kathodenweg 10 für desεen Versor¬ gung mit einem Prozeßgaε, beispielsweise Sauerstoff O2 , zuge¬ ordnet, der einen Zuweg 12 und einen Abweg 14 umfaßt. Das Prozeßgas für den Kathodenteil 8 wird über den Zuweg 12 in den Hochtemperatur-Brennstoffzellenblock 4 eingespeist. Daε Prozeßgas wird vor dem Einspeisen in den Kathodenteil 8 als Prozeßgaε für den Kathodenteil 8 und nach dem Verlaεεen des Kathodenteilε 8 alε Prozeßabgas deε Kathoάenteilε 8 bezeich¬ net. In dem Zuweg 12 ist eine erste Wärmequelle 24 zum elek- trischen Erwärmen dem Kathodenteil 8 vorgeschaltet.
Dem Anodenteil 6 iεt ein Anodenweg 30 für dessen Versorgung mit einem Prozeßgaε, beispielεweiεe Waεεerstoff H2 oder ein Gemiεch auε Brenngaε und Reaktionεdampf, zugeordnet, der ei- nen Zuweg 32 und einen Abweg 34 umfaßt. Das Prozeßgaε für den Anodenteil 8 wird über Zuführungεleitungen 36 und 37 und ei¬ nen Miεcher 38 in den Zuweg 32 und über den Zuweg 32 in den Hochtemperatur-Brennstoffzellenblock 4 eingespeist. Das Pro¬ zeßgaε wird vor dem Einspeiεen in den Anodenteil 6 alε Pro- zeßgaε für den Anodenteil 6 und nach dem Verlaεεen deε An- odenteils 6 als Prozeßabgas des Anodenteils 6 bezeichnet. In dem Zuweg 32 ist eine zweite Wärmequelle 44 zum elektrischen Erwärmen dem Anodenteil 6 vorgeschaltet.
Die Wärmequellen 24, 44 können beispielsweise als elektrische Heizmanschetten oder alε elektrische Heizelemente ausgeführt sein. Die elektrischen Heizmanschetten sind von außen um die Zuwege 12, 32 angeordnet und befinden sich nicht in unmittel¬ barem Kontakt mit den Prozeßgaεen. Dieε bietet den Vorteil, daß die elektrischen Heizmanschetten auf den Zuwegen 12, 32 individuell poεitionierbar εind.
Elektriεche Heizelemente, welche unmittelbar in den Zuwegen 12, 32 angeordnet sind können von den Prozeßgasen unmittelbar umströmt werden. Durch diese Maßnahme ist eine gute Regelbar¬ keit der Temperatur gewährleistet.
Alε Prozeßgase werden Gase ohne Rußanteile, d.h. keine Rauch¬ gase, verwendet. Demzufolge kommt es nicht zu Verschmutzung oder Beschädigung der Hochtemperatur-Brennstoffzellen auf¬ grund von Rauchgaseinwirkung. Zum Betreiben der Hochtempera¬ tur-Brennstoffzellenanlage 2 wird der Hochtemperatur-Brenn¬ stoffzellenblock 4 durch die erwärmten Prozeßgaεe erwärmt. Dadurch muß der Hochtemperatur-Brennstoffzellenblock 4 nicht in einem εpeziellen Ofen erwärmt werden, d.h. daß daε Verfah¬ ren auf jede beliebige Konfiguration von Hochtemperatur- Brennstoffzellenblöcken anwendbar iεt. Daε Verfahren ist da¬ mit unabhängig von den Leistungen und den Abmeεεungen der Hochtemperatur-Brennεtoffzellenblöcke und damit ebenεo unab- hängig von den Abmessungen der Hochtemperatur-Brennεtoffzel- lenanlagen.
Im Zuweg 12 iεt dem erεten elektrischen Heizelement 24 ein erster Wärmetauscher 22 und ein Verdichter 20 vorgeschal- tet.In dem ersten Wärmetauscher 22 erwärmt das Prozeßabgas des Kathodenteilε 8 über den Abweg 14 das Prozeßgas für den Kathodenteil 8 . Nach Verlassen des ersten Wärmetauschers 22 wird das Prozeßabgaε des Kathodenteilε 8 über den Abweg 14 einer Einrichtung 50 zum Aufbereiten der Restgase aus der Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage 2 zugeführt und aus dieser Einrichtung 50 über eine Abführungsleitung 52 zur Wei¬ ternutzung auεgeleitet.
In dem Zuweg 32 iεt ein zweiter Wärmetauscher 42 dem zweiten elektrischen Heizelement 44 vorgeschaltet, in dem daε Proze߬ abgas des Anodenteils 6 über den Abweg 34 das Prozeßgas für den Anodenteil 6 erwärmt. Der Abweg 34 mündet in die Einrich¬ tung 50 zum Aufbereiten der Restgaεe.
Der erεte 22 und der zweite Wärmetauεcher 42 tragen εomit ne¬ ben der erεten 24 und der zweiten elektriεchen Wärmequelle 44 auch zum Erwärmen des Hochtemperatur-Brennεtoffzellenblockε 4 bei.

Claims

Patentanεprüche
1. Hochtemperatur-Brennεtoffzellenanlage (2), die mindeεtenε einen Hochtemperatur-Brennεtoffzellenblock (4) mit einem Ano- denteil (6) und einem Kathodenteil (8) umfaßt, bei der minde¬ εtens eine Wärmequelle (24, 44) zum elektrischen Erwärmen ei¬ nes Prozeßgases vor dem Einspeisen in den Hochtemperatur- Brennstoffzellenblock (4) vorgesehen ist.
2. Hochtemperatur-Brennεtoffzellenanlage nach Anεpruch 1, bei der in einem Zuweg (12) eineε Kathodenwegeε (10) dem Katho¬ denteil (8) eine erεte Wärmequelle (24) vorgeεchaltet iεt.
3. Hochtemperatur-Brennεtoffzellenanlage nach Anεpruch 1, bei der in einem Zuweg (32) eineε Anodenwegeε (30) dem Anodenteil
(6) eine zweite Wärmequelle (44) vorgeεchaltet ist.
4. Verfahren zum Betreiben einer Hochtemperatur-Brennstoff- zellenanlaσe (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die mindestens einen Hochtemperatur-Brennstoffzellenblock (4) mit einem Anodenteil (6) und einem Kathodenteil (8) umfaßt, bei dem ein Prozeßgas für den Hochtemperatur-Brennεtoffzellen¬ block (4) vor dem Einspeisen in den Hochtemperatur-Brenn¬ stoffzellenblock (4) elektriεch erwärmt wird.
5. Verfahren nach Anεpruch 4, bei dem daε Prozeßgaε zum Er¬ reichen der notwendigen Betriebstemperatur elektrisch erwärmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Prozeßgas zum Hal¬ ten der notwendigen Betriebεtemperatur elektriεch erwärmt wird.
PCT/DE1996/001062 1995-06-30 1996-06-17 Hochtemperatur-brennstoffzellenanlage mit elektrischer beheizung der prozessgase sowie verfahren zu ihrem betrieb WO1997002613A1 (de)

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