WO1997036336A1 - Hochtemperatur-brennstoffzellen-anlage - Google Patents

Hochtemperatur-brennstoffzellen-anlage Download PDF

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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • a high-temperature fuel cell converts the energy contained in fuel gases (natural gas, hydrogen, coal gas, synthesis gas) directly into electrical energy in an electrochemical oxidation process.
  • fuel gases natural gas, hydrogen, coal gas, synthesis gas
  • ⁇ 50% to 60%
  • the high-grade thermal energy (approx. 1000 ° C) contained in the flue gas and exhaust air stream is expediently used further.
  • a gas turbine process or steam turbine process can convert this waste heat into further electrical energy. It is advantageous if the gas inlet temperature of the gas turbine (i.e. the gas outlet temperature and thus the working temperature of the SOFC) is as high as possible
  • the maximum temperature spread is linked to the material and construction properties of the SOFC module, it cannot be increased at will. For a volkeramic SOFC, for example, it is around 100 ° C.
  • the object of the invention is to create a fuel cell system with the highest possible temperature spread between the cooling air inlet and the cooling air outlet and between the fuel gas inlet and the fuel gas outlet.
  • the object of the invention is to gasify two or more SOFC modules of different types one after the other in such a way that, on the one hand, as large a temperature spread as possible is effective, and on the other hand the respective SOFC modules can work optimally in their preferred working temperature range .
  • disadvantageous properties can be avoided for a system constructed from only one SOFC type, such as:
  • the combination of two SOFC types is described as an example: the SOFC-1 with metallic bipolar plates and the SOFC-2 with ceramic bipolar plates.
  • the SOFC-1 can cover the operating range at low temperatures. This is particularly the case when low-temperature ion conductors in development prove to be usable. However, the range of use is limited in the direction of high temperatures, since there the increasing corrosion of the bipolar plate becomes the determining factor in the service life.
  • the SOFC-2 with ceramic bipolar plate does not have these disadvantageous corrosion properties.
  • the operating temperature range can therefore be extended with this type to the limit of the usability of metallic or ceramic gas guide tubes and ceramic or metallic heat exchangers.
  • the electrical conductivity of the all-ceramic SOFC decreases sharply towards low temperatures, so that operation there becomes inefficient.
  • FIG. 1 shows a basic connection of two fuel cells and FIG. 2 shows the connection of FIG. 1 with details of fuel gas concentrations.
  • the fuel gas with 10% steam content is heated in a heat exchanger WT-1 by the hot flue gas flow to the inlet temperature of the SOFC-1 module (e.g. 800 ° C).
  • the SOFC-1 module e.g. 800 ° C.
  • the cooling air at room temperature is preheated in the WT-2 heat exchanger in the same way to the inlet temperature of the SOFC-1.
  • the SOFC-1 should now produce a temperature spread of 100 ° C. in both gas spaces.
  • the SOFC-2 sees these temperatures (900 ° C.) at its entrance.
  • the further conversion of the fuel gas to the usual 10% residual fuel gas concentration also produces a temperature spread of 100 ° C. there, that is to say outlet temperatures of 1000 ° C.

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Abstract

Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Anlage (System) bestehend aus mindestens zwei Brennstoffzellen, die abgasseitig miteinander verbunden sind.

Description

Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Anlage
Eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SOFC) wandelt die in Brenngasen (Erdgas, Wasserstoff, Kohlegas, Synthesegas) enthaltene Energie in einem elektrochemischen Oxidationsprozeß direkt in elektrische Energie um. Dabei wird ein gegenüber normalen Verbrennungsprozessen höherer Wirkungs¬ grad (η = 50% bis 60%) erreicht. Die nun zwar geringere, aber nachwievor entstehende Wärme in der SOFC wird im wesentlichen mit einem Kühlluft¬ strom (sauerstoffhaltiges Gas) aus dem SOFC-Modul herausgeführt.
Die im Rauchgas- und im Abluftstrom enthaltene hochgradige Wärmeenergie (ca 1000°C) wird zweckmaßigerweise weiter genutzt In großen Einheiten kann ein Gasturbinenprozeß oder Dampfturbinenprozeß diese Abwarme in weitere elektrische Energie umwandeln Hierbei ist es von Vorteil, wenn die Gaseintrittstemperatur der Gasturbine (also die Gasaustrittstemperatur und damit die Arbeitstemperatur der SOFC) so hoch wie möglich hegt
Andererseits ist es möglich, die kalten Eintrittsgase in rekuperativen Wärme¬ tauschern mit den heißen Austrittsgasen auf die notwendige SOFC-Gasein- tπttstemperatur anzuheben Bei einer vorgegebenen Gasmenge bestimmt damit die Temperaturspreizung (= Differenz zwischen Gasaustrittstemperatur und Gaseintrittstemperatur) entscheidend die Größe und auch die Kosten der peripheren Wärmetauscher. Da die maximale Temperaturspreizung aber an Material- und Konstruktionseigenschaften des SOFC-Moduls gekoppelt ist, kann diese nicht beliebig vergrößert werden. Bei einer volikeramischen SOFC liegt sie z.B. bei ca. 100°C.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennstoffzellen-Anlage mit möglichst ho¬ her Temperaturspreizung zwischen Kühllufteintritt und Kühlluftaustritt sowie zwischen Brenngaseintritt und Brenngasaustritt zu schaffen. Je höher diese Werte werden, umso kleiner und kostengünstiger können z.B. die Wärme¬ tauscherkomponenten ausgeführt werden.
Die Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst.
Gegenstand der Erfindung ist es, zwei oder mehr SOFC-Module unterschied¬ licher Bauart so gasmäßig hintereinanderzuschaiten, daß einerseits bezogen auf den peripheren Wärmetauscheraufwand eine möglichst große Tempera¬ turspreizung wirksam wird, und andererseits die jeweiligen SOFC-Module in ihrem bevorzugten Arbeitstemperaturbereich optimal arbeiten können. Damit lassen sich nachteilige Eigenschaften für ein nur aus einem SOFC-Typ aufge¬ bauten System vermeiden wie:
- geringe Temperaturspreizung und damit großer Wärmetauscheraufwand
- höhere Degradation wegen zu hoher Maximaltemperaturen (Gasaustπtts- temperaturen)
- ineffektive Nutzung der Zellflächen wegen zu niedrigen Gaseintritts¬ temperaturen (geringe elektrische Leitfähigkeit). Mit der Kombination verschiedener SOFC-Typen, das heißt Summierung der einzelnen Temperaturspreizungen, erreicht man vorteilhafterweise, daß der Aufwand an peripheren Wärmetauschern pro Kilowatt elektrischer Ausgangs¬ leistung verringert werden kann und gleichzeitig die jeweiligen SOFC-Typen in ihrem aus der Konstruktion vorgegebenen Arbeitstemperaturbereich opti¬ mal arbeiten können.
Beispielhaft wird die Kombination aus zwei SOFC-Typen beschrieben: die SOFC-1 mit metallischen Bipolarplatten und die SOFC-2 mit keramischen Bipolarplatten.
Die SOFC-1 kann aufgrund der guten elektrischen Leitfähigkeit der metalli¬ schen Bipolarplatte den Betriebsbereich bei niedrigen Temperaturen ab¬ decken. Dieses insbesondere dann, wenn sich in Entwicklung befindliche Niedertemperatur-Ionenleiter als einsetzbar erweisen. In Richtung hoher Temperaturen ist der Einsatzbereich jedoch beschränkt, da dort die zuneh¬ mende Korrosion der Bipolarplatte lebensdauerbestimmend wird.
Die SOFC-2 mit keramischer Bipolarplatte besitzt diese nachteiligen Korro- sionseigenschaften nicht. Daher kann mit diesem Typ der Betriebstemperatur¬ bereich ausgedehnt werden bis zur Grenze der Einsetzbarkeit metallischer oder keramischer Gasführungsrohre und kermischem oder metallischem Wärmetauscher. Andererseits nimmt die elektrische Leitfähigkeit der voll¬ keramischen SOFC zu niedrigen Temperaturen hin stark ab, sodaß dort der Betrieb ineffizient wird.
Die Aufzählung dieser Eigenschaften zeigt, wie aus der Kombination dieser beiden SOFC-Typen ihre jeweiligen speziellen Vorteile genutzt und ihre Nachteile vermieden werden können. Daraus ergibt sich ein wirtschaftlicher Vorteil des Kombinationssystems.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Fig. naher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine prinzipielle Verschaltung von zwei Brennstoffzellen und Fig. 2 die Verschaltung von Fig. 1 mit Angabe von Brenngas- konzentrationen.
Das Brenngas mit 10% Dampfanteil wird in einem Wärmetauscher WT-1 vom heißen Rauchgasstrom auf die Eintrittstemperatur des SOFC-1 -Moduls auf¬ geheizt (z.B. 800°C). In dieser SOFC-1 wird nun etwa die Hälfte des Brenn- gases elektrochemisch umgesetzt, sodaß sich die Brenngaskonzentration von eingangs 90% auf ca. 50% verringert. Die Kühlluft mit Raumtemperatur wird im Wärmetauscher WT-2 in gleicher Weise auf die Eintrittstemperatur der SOFC-1 vorgewärmt. Die SOFC-1 soll nun unter diesen Betriebsbedin¬ gungen eine Temperaturspreizung in beiden Gasräumen von 100°C erzeu- gen. Die SOFC-2 sieht diese Temperaturen (900°C) an ihrem Eingang. Der weitere Umsatz des Brenngases auf übliche 10% Restbrenngaskonzentration erzeugt dort ebenfalls 100°C Temperaturspreizung, das heißt Austritts¬ temperaturen von 1000°C

Claims

Patentansprüche:
1. Hochtemperatur-Breπnstoffzellen-Anlage (System) bestehend aus mindestens zwei Brennstoffzellen, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Brennstoffzelle eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle
(SOFC-1) ist, die abgasseitig mit der zweiten Hochtemperatur-Brenn¬ stoffzelle (SOFC-2) verbunden ist.
2. Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Anlage (System) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die erste Brennstoffzelle eine Hoch¬ temperatur-Brennstoffzelle mit metallischen Bipolarplatten (SOFC-1) ist, die abgasseitig mit der zweiten Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit keramischen Bipolarplatten (SOFC-2) verbunden ist.
3. Verfahren zum Betrieb einer Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Brenn¬ gas in einem Wärmetauscher (WT-1) vom heißen Rauchgasstrom auf die Eintrittstemperatur der ersten Brennstoffzelle (SOFC-1) aufgeheizt wird, daß die Kühlluft mit Raumtemperatur in einem zweiten Wärme- tauscher (WT-2) auf die Eintrittstemperatur der SOFC-1 vorgewärmt wird, daß in der SOFC-1 unter Betriebsbedingungen eine Temperatur¬ spreizung in beiden Gasräumen von 100°C erzeugt wird und daß die zweite Brennstoffzelle (SOFC-2) mit den Abgasen der SOFC-1 betrie¬ ben wird, und der weitere Umsatz des Brenngases bei 100°C Tempe- raturspreizung und Austrittstemperatur 1000°C erfolgt.
4. Verfahren zum Betrieb einer Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Brenngas mit 10 % Dampfanteil in einem Wärmetauscher (WT-1 ) vom heißen Rauchgasstrom auf die Eintrittstemperatur der ersten Brennstoffzelle (SOFC-1 ) aufgeheizt wird, daß in der SOFC-1 die Hälfte des Brenn- gases elektrochemisch umgesetzt wird, sodaß sich die Brenngas¬ konzentration von eingangs 90 % auf ca. 50 % verringert, daß die Kühlluft mit Raumtemperatur in einem zweiten Wärmetauscher (WT-2) auf die Eintrittstemperatur der SOFC-1 vorgewärmt wird, daß in der SOFC-1 unter Betriebsbedingungen eine Temperaturspreizung in beiden Gasräumen von 100°C erzeugt und daß die zweite Brennstoff¬ zelle (SOFC-2) mit den Abgasen der SOFC-1 betrieben wird, und der weitere Umsatz des Brenngases auf 10 % Restbrenngaskonzentration bei 100°C Temperaturspreizung und Austrittstemperatur 1000°C er¬ folgt.
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