WO2013087428A1 - System and method for operating solid oxide fuel cells - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a system and a method for operating solid oxide fuel cells.
- This type of fuel cell achieved because of the high operating temperatures at which the waste heat can be used in addition, a high efficiency. They can therefore be operated on the principle of combined heat and power (CHP) and preferably used in isolated applications.
- CHP combined heat and power
- SOFC solid oxide fuel cells
- fuel and / or reformate is fed via an anode side reformer to a stack of solid oxide fuel cells.
- the reformer is heated with hot exhaust gas from the solid oxide fuel cells.
- at least one heat exchanger is provided for external use of the waste heat of the solid oxide fuel cells in the exhaust gas system.
- the reformer is supplied via a line in addition to the supplied fuel, an oxidizing agent, preferably air, in controlled form. Due to the respective proportions of supplied fuel and oxidizing agent, as a result of the exothermic oxidation reaction which can take place in the reformer in addition to the reforming, a share of up to 100% of the heat demand for the endothermic reforming reaction can be covered directly in the reformer.
- the heat flow supplied from outside is reduced, as a result of which an increased energy content remains in the SOFC waste gas.
- an autothermal operation of the reformer With 100% coverage of the heat demand for the reforming reaction by the exothermic partial oxidation of fuel in the reformer is called an autothermal operation of the reformer.
- the largest possible amount of waste heat from the SOFC waste gas can be used in the form of useful heat.
- the heat requirement for the reforming and, if appropriate, evaporation can thereby be at least partially covered by this oxidation of the supplied fuel in the reformer.
- the upper limit of the supplied oxidant volume flow should be kept at the air ratio ( ⁇ value) at which an autothermal operation of the reformer occurs.
- a variable distribution of supplied fuel which is optionally supplied to the reformer and / or directly to the anodes of solid oxide fuel cells via a mixing point, allow an internal reforming in controlled form.
- the temperature-dependent chemical equilibrium can be established before entry into the anodes of the SOFCs.
- the internal reforming can be carried out in a controlled manner.
- the electrical efficiency can be increased because a smaller power for a
- Blower which serves the cooling air promotion, is required.
- the fuel should be supplied in gaseous form, so that a liquid fuel should be vaporized beforehand.
- the proportion of methane in the mixture fed to the anodes can be in the range from 8% by volume to 33% by volume.
- the proportion of methane in the mixture fed to the anodes can be in the range from 8% by volume to 33% by volume.
- an influence of the reforming temperature can be achieved by an admixture of cooling air into the line, is removed with the hot exhaust gas from the SOFC and thereby used for heating the reformer.
- a heat exchanger can be performed by the hot exhaust gas either alone or mixed with cooling air.
- the change in the tapped electrical power can be achieved by the correspondingly changed volume flow of fuel.
- the net electrical power and the heat which can be used on a heat exchanger are in an at least approximately constant relationship to one another.
- the power code is correspondingly constant.
- this line should preferably be formed as a bypass line to the reformer.
- the temperature within the SOFCs and, accordingly, the cooling air requirement can be additionally influenced. It can be done in the SOFC an endothermic internal reforming, which in turn can affect the respective electrical power and electrical efficiency.
- a required shutdown of a system according to the invention may be required during the cooling of the SOFC's of the respective stack
- the reformer can be kept small in size. This allows a controlled cooling of the entire system with low energy consumption up to a low temperature level.
- the reformer may be made smaller in relation to the rated load of the system. It can be designed so that the maximum amount of fuel that can be converted in the reformer is smaller than the fuel quantity required for electrical power generation at the rated load point, for which the active area of the SOFCs is dimensioned.
- the reformer may be designed for 50% of the amount of fuel required in nominal load operation. The remaining amount of fuel required can then be fed directly to the SOFCs, for example via a bypass line bypassing the reformer. Fuel and reformate can be passed through a mixing point to the anodes of the SOFCs.
- further elements may be present which are at least partly also used in the prior art. These may include a starting burner, an afterburner, a heat exchanger for preheating oxidant, a heat exchanger for preheating and / or evaporation of water fed to the reformer, a control valve for the supply of fuel to the reformer and the anodes of the solid oxide fuel cells, a control valve for the direct cathode side Supply and indirect supply of oxidant via the heat exchanger, a control element for controlling the volume flow of oxidant, a control element for controlling the volume flow of fuel, a control element for controlling the volume flow of oxidant to the reformer, a Re- gel element for controlling the volume flow of oxidizing agent to be present in / on the reformer heat exchanger and / or a control element for controlling the volume flow of the fuel can be supplied to the starting burner.
- Figure 1 in schematic form the structure of an example of a system according to the invention.
- the system is formed with a stack 1 of electrically series-connected SOFC, preceded by a reformer 2.
- the reformer 2 is supplied with fuel via the line 18.
- a control element 14 with which the volume flow can be changed, and a control valve 11 are present.
- the control valve 11 of the reformer 2 and the anodes of the SOFC via the line 5 supplied volume flow of fuel can be changed to the tappable electrical power, which is indicated by the arrow marked "electricity", and the heat exchanger 3 removable and to be able to influence usable heat within limits.
- the anodes of the solid oxide fuel cells of the stack 1 can be supplied from the reformer 2 via the line 23 reformate and optionally the reformer 2 supplied non-oxidized fuel.
- the reformer 2 can be additionally supplied via the line 19 water.
- the control valve 20 the flow rate can be influenced.
- it can also be the volume flow of water, which is supplied to the heat exchanger 10 and from this the reformer 2, are regulated.
- water can be supplied to the reformer 2 exclusively directly, ie cold or exclusively via the detour in the heat exchanger 9 in the form of hot water or steam. In the latter case, additional heat is extracted from the exhaust gas in the heat exchanger 10, so that the heat ultimately used on the heat exchanger 3 is thereby reduced.
- In the example shown can also be air as the oxidant by means of the control device 13 and the control valve 12 to the cathode of the SOFC directly so cold, fed via the lines 21 and 21.1.
- a volumetric flow of air, as an oxidizing agent can also be supplied directly to the reformer 2 in a controlled manner.
- an oxidative steam reforming with the supplied fuel in the reformer 2 can be carried out.
- the resulting heat can also be used for heating the stack 1 of the SOFC to the required operating temperature.
- only exhaust gas can be supplied to the heat exchanger of the reformer 2 in order to shorten this phase of the heating.
- a start burner 8 is present, which is supplied with fuel and air as the oxidant via line 22.
- the following table illustrates how a partial oxidation in the reformer affects the electrical power, the usable waste heat and the power factor.
- a constant amount of methane is supplied as fuel to the reformer and a water to fuel ratio (S / C) of 3 to 2 are maintained.
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Abstract
The invention relates to a system and to a method for operating solid oxide fuel cells. The aim of the invention is to specify possibilities for a variable operation of solid oxide fuel cells, by means of which the respective current demand for electrical power and/or usable waste heat can be taken into account with simple means and low additional overheads. In the system according to the invention, fuel and/or reformate is supplied to a stack of solid oxide fuel cells on the anode side via a reformer. The reformer can be heated by means of hot exhaust gas from the solid oxide fuel cells. Moreover, at least one heat exchanger is present in the exhaust gas line for external use of the waste heat of the solid oxide fuel cells. In addition to the supplied fuel, an oxidant, preferably air, is supplied in a regulated form via a line to the reformer.
Description
System und Verfahren zum Betreiben von Festoxidbrennstoffzellen System and method for operating solid oxide fuel cells
Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum Betreiben von Fest- oxidbrennstoffzellen. Diese Art von Brennstoffzellen erreicht, wegen der hohen Betriebstemperaturen, bei denen die Abwärme zusätzlich genutzt werden kann, einen hohen Wirkungsgrad. Sie können daher nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) betrieben und bevorzugt in Insellösungen eingesetzt werden. The invention relates to a system and a method for operating solid oxide fuel cells. This type of fuel cell achieved because of the high operating temperatures at which the waste heat can be used in addition, a high efficiency. They can therefore be operated on the principle of combined heat and power (CHP) and preferably used in isolated applications.
Beim Einsatz solcher Systeme müssen aber während des Betriebs zeitlich gesehen, häufig entweder ein erhöhter Anteil an nutzbarer elektrischer Leistung oder ein erhöhter Anteil an nutzbarer Wärme berücksichtigt werden, so dass für den jeweiligen momentanen Bedarf ein Anpassung der Betriebsparameter der Festoxidbrennstoffzellen, die nachfolgend auch als SOFC bezeichnet werden, erforderlich ist. Dabei muss aber beachtet werden, dass eine bestimmte Betriebstemperatur erforderlich ist, um von den SOFC eine elektrische Leistung abgreifen zu können.
Bei SOFC mit spezieller Konfiguration, wie beispielsweise Anoden-getragene- Brennstoffzellen (Anode-Supported-Cells, ASC), bereitet deren begrenzte RedOx-Stabilität Probleme. Es muss daher eine inerte oder reduzierende Atmosphäre während des Aufheizens und des Abkühlens bei Temperaturen oberhalb von ca. 300 °C an den Anoden eingehalten werden. Bisher ist es üblich, dafür zusätzliches Inert- oder Formiergas zuzuführen, was einen erhöhten Aufwand und zusätzliche Quellen, wie entsprechende Tanks oder Behälter erfordert. When using such systems, however, in terms of time, frequently either an increased proportion of usable electrical power or an increased proportion of usable heat must be taken into account, so that for the respective current requirement an adaptation of the operating parameters of the solid oxide fuel cells, hereinafter also referred to as SOFC be called required. However, it must be noted that a certain operating temperature is required in order to be able to tap an electric power from the SOFC. In SOFCs with special configurations, such as anode-supported fuel cells (anode-supported cells, ASC), their limited RedOx stability causes problems. Therefore, an inert or reducing atmosphere must be maintained during heating and cooling at temperatures above about 300 ° C at the anodes. So far, it is customary to supply additional inert or forming gas, which requires increased effort and additional sources, such as corresponding tanks or containers.
Desweiteren ist es bekannt, zur Erhöhung des elektrischen Wirkungsgrades eine endotherme Reformierung gasförmiger Kohlenwasserstoffe innerhalb eines Stapels von SOFC durchzuführen, die auch als interne Reformierung bezeichnet wird. Dabei treten aber ungünstige Verschiebungen innerhalb des Temperaturprofils innerhalb der Brennstoffzellen auf, die zu elektrischen Leistungsverlusten und hohen mechanischen Beanspruchungen führen. Für die Einstellung günstiger Prozessbedingungen während aller in Frage kommenden Betriebszustände ist die Realisierung einer kontrollierbaren internen Reformierung erforderlich. Furthermore, it is known to carry out an endothermic reforming of gaseous hydrocarbons within a stack of SOFC to increase the electrical efficiency, which is also referred to as internal reforming. However, unfavorable shifts occur within the temperature profile within the fuel cells, which lead to electrical power losses and high mechanical stresses. For the setting of favorable process conditions during all possible operating conditions, the realization of a controllable internal reforming is required.
Wegen der zeitweilig gegebenen Asynchronität des jeweils zu verschiedenen Zeitpunkten abzudeckenden Bedarfs an elektrischer Leistung und Wärme wird die Wirtschaftlichkeit besonders von der Möglichkeit des Betriebes unter Teillastbedingungen bestimmt. Bei herkömmlichen Ausführungen solcher SOFC- Systeme kann das Verhältnis von elektrischer Nettoleistung zu bereitgestellter Nutzwärme, das auch als Stromkennziffer bezeichnet wird, nicht beliebig verändert werden. Daher ist nur eine Betriebsweise, die entweder die elektrische Leistung oder den Wärmebedarf berücksichtigt, möglich. Für eine Deckung des jeweils bei dem ausgewählten Betrieb nicht abzudeckenden Bedarf, sind zusätzliche Systemkomponenten erforderlich. Dies können beispielsweise Spitzenlastkessel für heißes Wasser, Pufferbatterien oder eine zusätzliche An- bindung an ein öffentliches Strom- bzw. Wärmeversorgungsnetz sein. Because of the temporarily given asynchrony of each need to be covered at different times needs of electrical power and heat efficiency is particularly determined by the possibility of operation under partial load conditions. In conventional embodiments of such SOFC systems, the ratio of net electrical power to useful heat provided, also referred to as a power factor, can not be changed arbitrarily. Therefore, only one mode of operation, which takes into account either the electric power or the heat demand, is possible. To cover the needs not covered by the selected operation, additional system components are required. These can be, for example, hot water peak load boilers, backup batteries or an additional connection to a public power grid.
So ist es aus EP 1 770 812 AI bekannt, für eine interne Reformierung eine Rezirkulation von Abgas aus den Anoden zur Bereitstellung von Wasserdampf bei der Reformierungsreaktion vorzusehen. Die Zusammensetzung und die
Temperatur des Abgases aus den Anoden sind aber bei den verschiedenen Betriebszuständen und zu verschiedenen Zeiten nicht konstant, so dass die tatsächlich zu dem jeweiligen Zeitpunkt entsprechenden Verhältnisse des Abgases entweder sehr aufwendig berücksichtigt werden müssen oder unbe- rücksichtigt bleiben. Beides ist natürlich nachteilig. Thus, it is known from EP 1 770 812 A1 to provide for an internal reforming a recirculation of exhaust gas from the anodes to provide water vapor in the reforming reaction. The composition and the However, the temperature of the exhaust gas from the anodes are not constant in the various operating states and at different times, so that the actual exhaust gas conditions that are actually relevant at the respective time point either have to be taken into account with great effort or are disregarded. Both are of course disadvantageous.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für einen variablen Betrieb von Festoxidbrennstoffzellen anzugeben, bei denen der jeweilige momentane Bedarf an elektrischer Leistung und/oder nutzbarer Abwärme, mit einfachen Mitteln und geringem zusätzlichen Aufwand, berücksichtigt werden kann. It is therefore an object of the invention to provide options for a variable operation of solid oxide fuel cells, in which the respective current need for electrical power and / or usable waste heat, with simple means and little additional effort, can be considered.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem System, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Das System kann mit einem Verfahren gemäß Anspruch 5 betrieben werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiter- bildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten technischen Merkmalen realisiert werden. According to the invention, this object is achieved with a system having the features of claim 1. The system can be operated by a method according to claim 5. Advantageous embodiments and further developments of the invention can be realized with technical features described in the subordinate claims.
Bei einem erfindungsgemäßen System zum Betreiben von Festoxidbrennstoffzellen wird Brennstoff und/oder Reformat über einen Reformer anodenseitig einem Stapel von Festoxidbrennstoffzellen zugeführt. Der Reformer wird mit heißem Abgas der Festoxidbrennstoffzellen erwärmt. Außerdem ist für eine externe Nutzung der Abwärme der Festoxidbrennstoffzellen im Abgasstrang mindestens ein Wärmetauscher vorhanden. Dem Reformer wird über eine Leitung zusätzlich zum zugeführten Brennstoff ein Oxidationsmittel, bevorzugt Luft, in geregelter Form zugeführt. Durch die jeweiligen Anteile an zugeführtem Brennstoff und Oxidationsmittel kann, in Folge der exothermen Oxidati- onsreaktion, die im Reformer neben der Reformierung ablaufen kann, ein Anteil von bis zu 100 % des Wärmebedarfs für die endotherme Reformierungs- reaktion direkt im Reformer abgedeckt werden. Dadurch verringert sich der von außen (z.B. über separate Wärmeübertragungs-flächen) zugeführte Wärmestrom, wodurch ein erhöhter Energiegehalt im SOFC-Abgas verbleibt. Bei 100 %-iger Abdeckung des Wärmebedarfs für die Reformierungsreaktion durch die exotherme partielle Oxidation von Brennstoff im Reformer spricht man von einem autothermen Betrieb des Reformers. In diesem Fall kann der größtmögliche Anteil an Abwärme aus dem SOFC-Abgas in Form von Nutzwärme genutzt werden.
Der Wärmebedarf für die Reformierung und ggf. einer Verdampfung kann dadurch zumindest teilweise durch diese Oxidation des zugeführtem Brennstoffs im Reformer abgedeckt werden. Für die Erwärmung des Reformers ist dann zumindest weniger Energie aus dem Abgas der SOFC erforderlich, so dass das Abgas, das letztendlich als Wärme extern genutzt werden kann, eine höhere Temperatur aufweist und demzufolge die abnehmbare nutzbare Wärmemenge erhöht ist. Die Obergrenze des zugeführten Oxidationsmittelvo- lumenstroms sollte dabei bei der Luftzahl (λ-Wert) gehalten sein, bei der sich ein autothermer Betrieb des Reformers einstellt. In a system according to the invention for operating solid oxide fuel cells, fuel and / or reformate is fed via an anode side reformer to a stack of solid oxide fuel cells. The reformer is heated with hot exhaust gas from the solid oxide fuel cells. In addition, at least one heat exchanger is provided for external use of the waste heat of the solid oxide fuel cells in the exhaust gas system. The reformer is supplied via a line in addition to the supplied fuel, an oxidizing agent, preferably air, in controlled form. Due to the respective proportions of supplied fuel and oxidizing agent, as a result of the exothermic oxidation reaction which can take place in the reformer in addition to the reforming, a share of up to 100% of the heat demand for the endothermic reforming reaction can be covered directly in the reformer. As a result, the heat flow supplied from outside (eg via separate heat transfer surfaces) is reduced, as a result of which an increased energy content remains in the SOFC waste gas. With 100% coverage of the heat demand for the reforming reaction by the exothermic partial oxidation of fuel in the reformer is called an autothermal operation of the reformer. In this case, the largest possible amount of waste heat from the SOFC waste gas can be used in the form of useful heat. The heat requirement for the reforming and, if appropriate, evaporation can thereby be at least partially covered by this oxidation of the supplied fuel in the reformer. For the heating of the reformer then at least less energy from the exhaust gas of the SOFC is required, so that the exhaust gas, which can be used externally as heat, has a higher temperature and consequently the removable usable amount of heat is increased. The upper limit of the supplied oxidant volume flow should be kept at the air ratio (λ value) at which an autothermal operation of the reformer occurs.
Dadurch ist eine Anpassung an den momentanen Bedarf an elektrischer Leistung und/oder der nutzbaren Abwärme bzw. den jeweiligen Wirkungsgraden möglich. As a result, an adaptation to the current demand for electrical power and / or the usable waste heat or the respective efficiencies is possible.
In Ergänzung kann bei einem erfindungsgemäßen System durch eine variable Aufteilung an zugeführtem Brennstoff, der dem Reformer und/oder direkt zu den Anoden von Festoxidbrennstoffzellen ggf. über eine Mischstelle zugeführt wird, eine interne Reformierung in geregelter Form ermöglichen. Das tempe- raturabhängige chemische Gleichgewicht kann sich vor Eintritt in die Anoden der SOFC's einstellen. In addition, in a system according to the invention by a variable distribution of supplied fuel, which is optionally supplied to the reformer and / or directly to the anodes of solid oxide fuel cells via a mixing point, allow an internal reforming in controlled form. The temperature-dependent chemical equilibrium can be established before entry into the anodes of the SOFCs.
Durch die direkte Zufuhr von Brennstoff zu den Anoden der SOFC's kann die interne Reformierung in geregelter Form durchgeführt werden. Dabei kann der elektrische Wirkungsgrad erhöht werden, da eine kleinere Leistung für einBy directly supplying fuel to the anodes of the SOFCs, the internal reforming can be carried out in a controlled manner. In this case, the electrical efficiency can be increased because a smaller power for a
Gebläse, das der Kühlluftförderung dient, erforderlich ist. Blower, which serves the cooling air promotion, is required.
Der Brennstoff soll dabei gasförmig zugeführt werden, so dass ein eigentlich flüssiger Brennstoff vorher verdampft werden sollte. The fuel should be supplied in gaseous form, so that a liquid fuel should be vaporized beforehand.
Bei einer Zufuhr von Methan als Brennstoff und einer Reformierungstempera- tur von 650 °C kann der Anteil an Methan im den Anoden zugeführten Gemisch im Bereich 8 Vol.-% bis 33 Vol.-% liegen. Durch die Beeinflussung dieses Anteils ist eine Regelung der internen Reformierung in den Anoden der SOFC möglich. So wird bei einer Erhöhung des Anteils an Brennstoff, der den Anoden der SOFC's direkt zugeführt wird der elektrische Wirkungsgrad erhöht.
Der Gesamtwirkungsgrad erhöht sich noch deutlicher als die elektrische Leistung. With a supply of methane as fuel and a reforming temperature of 650 ° C., the proportion of methane in the mixture fed to the anodes can be in the range from 8% by volume to 33% by volume. By influencing this proportion, it is possible to regulate the internal reforming in the anodes of the SOFC. Thus, with an increase in the proportion of fuel directly supplied to the anodes of the SOFCs, the electrical efficiency is increased. The overall efficiency increases even more than the electric power.
Gleichzeitig kann eine Beeinflussung der Reformierungstemperatur durch eine Zumischung von Kühlluft in die Leitung, mit der heißes Abgas aus den SOFC abgeführt und dabei für eine Erwärmung des Reformers genutzt wird, erreicht werden. Im/am Reformer kann dabei ein Wärmetauscher dafür vorgesehen sein, durch den das heiße Abgas entweder allein oder mit Kühlluft gemischt geführt werden kann. At the same time an influence of the reforming temperature can be achieved by an admixture of cooling air into the line, is removed with the hot exhaust gas from the SOFC and thereby used for heating the reformer. In / on the reformer can be provided for a heat exchanger can be performed by the hot exhaust gas either alone or mixed with cooling air.
Die Veränderung der abgreifbaren elektrischen Leistung kann durch den entsprechend veränderten Volumenstrom an Brennstoff erreicht werden. Bei konstantem Volumenstrom und konstanter Ausnutzung des Brennstoffs in den SOFC stehen die elektrische Nettoleistung und die an einem Wärmetauscher nutzbare Wärme in einem zumindest annähernd konstanten Verhältnis zueinander. Die Stromkennziffer ist dabei entsprechend konstant. The change in the tapped electrical power can be achieved by the correspondingly changed volume flow of fuel. At a constant volumetric flow rate and constant utilization of the fuel in the SOFC, the net electrical power and the heat which can be used on a heat exchanger are in an at least approximately constant relationship to one another. The power code is correspondingly constant.
Außerdem besteht bei der Erfindung die Möglichkeit, zusätzlich anodenseitig über eine weitere Leitung unter Umgehung des Reformers den Festoxidbrennstoffzellen Brennstoff in geregelter Form zuzuführen. Dabei sollte diese Leitung bevorzugt als Bypassleitung um den Reformer ausgebildet sein. Dadurch können zusätzlich die Temperatur innerhalb der SOFC's und dementsprechend auch der Kühlluftbedarf beeinflusst werden. Es kann in den SOFC eine endotherme interne Reformierung erfolgen, die wiederum auch die jeweilige elektrische Leistung und den elektrischen Wirkungsgrad beeinflussen kann. In addition, there is the possibility in the invention, in addition to supply the solid oxide fuel cells fuel in a controlled manner on the anode side via another line, bypassing the reformer. In this case, this line should preferably be formed as a bypass line to the reformer. As a result, the temperature within the SOFCs and, accordingly, the cooling air requirement can be additionally influenced. It can be done in the SOFC an endothermic internal reforming, which in turn can affect the respective electrical power and electrical efficiency.
Durch eine zusätzliche geregelte Zuführung von flüssigem Wasser in den Reformer kann ein sehr großer bis hin zum größtmöglichen aus dem Abgas entnehmbarer und nutzbarer Wärmestrom erreicht werden. Durch die vorab erwähnte geregelte Zugabe von Oxidationsmittel in den Reformer ist eine Veränderung der Stromkennziffer des Systems bei einer geringfügigen Verschlechterung des elektrischen Wirkungsgrades der SOFC erreichbar. So kann beispielsweise bei einem System, das für eine elektrische Leistung von ca. 1 kW ausgelegt ist, die elektrische Leistung in einem Bereich zwischen 100 % und 35 % verändert werden. Das Verhältnis von elektrischer Leistung zu
Nutzwärme (Stromkennziffer) kann unabhängig davon zwischen 2 und 1 verändert werden. By an additional controlled supply of liquid water in the reformer, a very large can be achieved up to the largest possible from the exhaust gas removable and usable heat flow. By the aforementioned controlled addition of oxidizing agent into the reformer, a change in the power factor of the system can be achieved with a slight deterioration in the electrical efficiency of the SOFC. Thus, for example, in a system designed for an electrical power of about 1 kW, the electrical power can be changed in a range between 100% and 35%. The ratio of electrical power to Useful heat (power code) can be changed independently between 2 and 1.
Bei einer erforderlichen Abschaltung eines erfindungsgemäßen Systems kann während der zur Abkühlung der SOFC's des jeweiligen Stacks erforderlichenIn a required shutdown of a system according to the invention may be required during the cooling of the SOFC's of the respective stack
Zeit den Anoden ein kleiner Volumenstrom an Brennstoff zugeführt werden, so dass an den Anoden reduzierende Bedingungen eingehalten werden können, um deren RedOx-bedingte Leistungsdegradation zu vermeiden. Bei einem erfindungsgemäßen System kann der Reformer klein dimensioniert gehalten werden. Dadurch ist eine kontrollierte Abkühlung des gesamten Systems mit geringem Energieaufwand bis zu einem niedrigen Temperaturniveau möglich. Bei der Erfindung kann der Reformer in Bezug zur Nennlast des Systems kleiner dimensioniert sein. Er kann dabei so ausgelegt sein, dass die im Reformer maximal umsetzbare Brennstoff menge kleiner ist, als die zu elektrischen Stromerzeugung im Nennlastpunkt erforderliche Brennstoffmenge, für die die aktive Fläche der SOFC's dimensioniert ist. Der Reformer kann beispielsweise für 50 % der im Nennlastbetrieb erforderlichen Brenn Stoff menge ausgelegt sein. Die restliche erforderliche Brennstoffmenge kann dann den SOFC's direkt, beispielsweise über eine den Reformer umgehende Bypassleitung, zugeführt werden. Brennstoff und Reformat können über eine Mischstelle zu den Anoden der SOFC's geführt werden. Time the anodes a small volume flow of fuel are supplied, so that at the anodes reducing conditions can be met in order to avoid their RedOx-related performance degradation. In a system according to the invention, the reformer can be kept small in size. This allows a controlled cooling of the entire system with low energy consumption up to a low temperature level. In the invention, the reformer may be made smaller in relation to the rated load of the system. It can be designed so that the maximum amount of fuel that can be converted in the reformer is smaller than the fuel quantity required for electrical power generation at the rated load point, for which the active area of the SOFCs is dimensioned. For example, the reformer may be designed for 50% of the amount of fuel required in nominal load operation. The remaining amount of fuel required can then be fed directly to the SOFCs, for example via a bypass line bypassing the reformer. Fuel and reformate can be passed through a mixing point to the anodes of the SOFCs.
Bei dem erfindungsgemäßen System können weitere Elemente vorhanden sein, die zumindest teilweise auch beim Stand der Technik zum Einsatz kommen. Dies können ein Startbrenner, ein Nachbrenner, ein Wärmetauscher zur Vorwärmung von Oxidationsmittel, ein Wärmetauscher zur Vorwärmung und/oder Verdampfung von dem Reformer zuführbaren Wasser, ein Regelventil für die Zufuhr von Brennstoff zum Reformer und den Anoden der Festoxidbrennstoffzellen, ein Regelventil für die direkte kathodenseitige Zufuhr und eine indirekte Zufuhr von Oxidationsmittel über den Wärmetauscher, ein Regelelement zur Regelung des Volumenstroms an Oxidationsmittel, ein Re- gelelement zur Regelung des Volumenstroms an Brennstoff, ein Regelelement zur Regelung des Volumenstroms an Oxidationsmittel zum Reformer, ein Re-
gelelement zur Regelung des Volumenstroms an Oxidationsmittel zu einem im/am Reformer vorhandenen Wärmetauscher und/oder ein Regelelement zur Regelung des Volumenstroms des dem Startbrenner zuführbaren Brennstoffs sein. In the system according to the invention, further elements may be present which are at least partly also used in the prior art. These may include a starting burner, an afterburner, a heat exchanger for preheating oxidant, a heat exchanger for preheating and / or evaporation of water fed to the reformer, a control valve for the supply of fuel to the reformer and the anodes of the solid oxide fuel cells, a control valve for the direct cathode side Supply and indirect supply of oxidant via the heat exchanger, a control element for controlling the volume flow of oxidant, a control element for controlling the volume flow of fuel, a control element for controlling the volume flow of oxidant to the reformer, a Re- gel element for controlling the volume flow of oxidizing agent to be present in / on the reformer heat exchanger and / or a control element for controlling the volume flow of the fuel can be supplied to the starting burner.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden. Dabei zeigt: The invention will be explained in more detail by way of example in the following. Showing:
Figur 1 in schematischer Form den Aufbau eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Systems. Figure 1 in schematic form the structure of an example of a system according to the invention.
Bei dem in Figur 1 gezeigten Beispiel ist das System mit einem Stapel 1 von elektrisch in Reihe geschalteten SOFC, dem ein Reformer 2 vorgeschaltet ist, gebildet. Dem Reformer 2 wird Brennstoff über die Leitung 18 zugeführt. In der Leitung 18 sind ein Regelelement 14, mit dem der Volumenstrom verändert werden kann, und ein Regelventil 11 vorhanden. Mit dem Regelventil 11 kann der dem Reformer 2 und den Anoden der SOFC über die Leitung 5 zugeführte Volumenstrom an Brennstoff verändert werden, um die abgreifbare elektrische Leistung, was mit dem mit„Elektrizität" gekennzeichneten Pfeil angedeutet ist, und die am Wärmetauscher 3 entnehmbare und nutzbare Wärme innerhalb von Grenzen beeinflussen zu können. In the example shown in FIG. 1, the system is formed with a stack 1 of electrically series-connected SOFC, preceded by a reformer 2. The reformer 2 is supplied with fuel via the line 18. In line 18, a control element 14, with which the volume flow can be changed, and a control valve 11 are present. With the control valve 11 of the reformer 2 and the anodes of the SOFC via the line 5 supplied volume flow of fuel can be changed to the tappable electrical power, which is indicated by the arrow marked "electricity", and the heat exchanger 3 removable and to be able to influence usable heat within limits.
Den Anoden der Festoxidbrennstoffzellen des Stapels 1 kann vom Reformer 2 über die Leitung 23 Reformat und ggf. dem Reformer 2 zugeführter nicht oxi- dierter Brennstoff zugeführt werden. The anodes of the solid oxide fuel cells of the stack 1 can be supplied from the reformer 2 via the line 23 reformate and optionally the reformer 2 supplied non-oxidized fuel.
Dem Reformer 2 kann zusätzlich Wasser über die Leitung 19 zugeführt werden. Mit dem Regelventil 20 kann der Volumenstrom beeinflusst werden. Außerdem kann damit auch der Volumenstrom an Wasser, der dem Wärmetauscher 10 und von diesem dem Reformer 2 zugeführt wird, geregelt werden. In Extremfällen kann Wasser dem Reformer 2 ausschließlich direkt, also kalt oder ausschließlich über den Umweg im Wärmetauscher 9 in Form von Heißwasser oder Dampf zugeführt werden. Im letztgenannten Fall wird aus dem Abgas im Wärmetauscher 10 zusätzlich Wärme entnommen, so dass die letztendlich am Wärmetauscher 3 nutzbare Wärme dadurch reduziert wird.
Bei dem gezeigten Beispiel kann außerdem Luft als Oxidationsmittel mittels der Regeleinrichtung 13 und dem Regelventil 12 den Kathoden der SOFC direkt also kalt, über die Leitungen 21 und 21.1 zugeführt werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit zumindest einen Teil des Luftvolumenstroms über die Leitung 21.2 dem Wärmetauscher 9 zuzuführen und dann die erwärmte Luft zu den Anoden zu führen. Mit dem Regelventil 12 kann auch eine Mischung von kalter und erwärmter Luft den Kathoden der SOFC mit unterschiedlichen, entsprechend den momentanen Anforderungen angepassten Anteilen den Anoden zugeführt werden. The reformer 2 can be additionally supplied via the line 19 water. With the control valve 20, the flow rate can be influenced. In addition, it can also be the volume flow of water, which is supplied to the heat exchanger 10 and from this the reformer 2, are regulated. In extreme cases, water can be supplied to the reformer 2 exclusively directly, ie cold or exclusively via the detour in the heat exchanger 9 in the form of hot water or steam. In the latter case, additional heat is extracted from the exhaust gas in the heat exchanger 10, so that the heat ultimately used on the heat exchanger 3 is thereby reduced. In the example shown can also be air as the oxidant by means of the control device 13 and the control valve 12 to the cathode of the SOFC directly so cold, fed via the lines 21 and 21.1. However, it is also possible to supply at least part of the air volume flow via the line 21.2 to the heat exchanger 9 and then to lead the heated air to the anodes. With the control valve 12, a mixture of cold and heated air, the cathodes of the SOFC with different, according to the current requirements adapted proportions are supplied to the anodes.
Über die Leitung 4 und mittels des Regelelements 15 kann ein Volumenstrom von Luft, als Oxidationsmittel auch direkt in geregelter Form dem Reformer 2 zugeführt werden. Dadurch kann eine oxidative Dampfreformierung mit dem zugeführten Brennstoff im Reformer 2 durchgeführt werden. Via the line 4 and by means of the control element 15, a volumetric flow of air, as an oxidizing agent can also be supplied directly to the reformer 2 in a controlled manner. As a result, an oxidative steam reforming with the supplied fuel in the reformer 2 can be carried out.
Durch eine Oxidation des Brennstoffs kann die dabei entstehende Wärme auch für eine Aufheizung des Stapels 1 der SOFC bis zur erforderlichen Betriebstemperatur genutzt werden. Während dieser Betriebsphase kann nur Abgas dem Wärmetauscher des Reformers 2 zugeführt werden, um diese Phase der Aufheizung zu verkürzen. By oxidation of the fuel, the resulting heat can also be used for heating the stack 1 of the SOFC to the required operating temperature. During this phase of operation, only exhaust gas can be supplied to the heat exchanger of the reformer 2 in order to shorten this phase of the heating.
Hierfür ist auch ein Startbrenner 8 vorhanden, der mit Brennstoff und Luft als Oxidationsmittel über die Leitung 22 versorgt wird. For this purpose, a start burner 8 is present, which is supplied with fuel and air as the oxidant via line 22.
Mit dem Nachbrenner 7 über den das gesamte Abgas der SOFC geführt wird, kann eine vollständige Oxidation der noch nicht oxidierten Bestandteile des Abgases erreicht werden. Das so behandelte Abgas kann an die Umwelt abgegeben werden und es weist wegen der exothermen Oxidationsreaktion eine weiter erhöhte Temperatur auf, was zu einer erhöhten nutzbaren Wärme beiträgt. With the afterburner 7 through which the entire exhaust gas of the SOFC is guided, a complete oxidation of the not yet oxidized constituents of the exhaust gas can be achieved. The thus treated exhaust gas can be released to the environment and it has because of the exothermic oxidation reaction to a further elevated temperature, which contributes to an increased usable heat.
Mit nachfolgender Tabelle soll verdeutlicht werden, wie sich eine partielle Oxidation im Reformer auf die elektrische Leistung, die nutzbare Abwärme und die Stromkennziffer auswirkt.
Dabei soll eine konstante Menge an Methan als Brennstoff dem Reformer zugeführt und ein Wasser zu Brennstoff-Verhältnis (S/C) von 3 zu 2 eingehalten werden. The following table illustrates how a partial oxidation in the reformer affects the electrical power, the usable waste heat and the power factor. In this case, a constant amount of methane is supplied as fuel to the reformer and a water to fuel ratio (S / C) of 3 to 2 are maintained.
BrennBrenn-stoff- ReformerElektr. Nutzwärme Stromkennstoffzufuhr zum luftzahl λ Strom ziffer zufuhr Reformer FuelBurning ReformerElectr. Useful heat Fuel supply to air ratio λ Electricity supply feeder Reformer
direkt zu direct to
SOFC SOFC
50 % 50 % 0 45,6 % 20,5 % 2,22 50% 50% 0 45.6% 20.5% 2.22
50 % 50 % 0 40,0 % 30,0 % 1,3350% 50% 0 40.0% 30.0% 1.33
50 % 50 % 0,5 36,1 % 37,1 % 0,98
50% 50% 0.5 36.1% 37.1% 0.98
Claims
System zum Betreiben von Festoxidbrennstoffzellen, bei dem Brennstoff und/oder Reformat über einen Reformer (2) anodenseitig einem Stapel (1) von Festoxidbrennstoffzellen zuführbar ist und der Reformer (2) mit heißem Abgas der Festoxidbrennstoffzellen erwärmbar ist; außerdem für eine externe Nutzung der Abwärme der Festoxidbrennstoffzellen im Abgasstrang (6) mindestens ein Wärmetauscher (3) vorhanden ist; System for operating solid oxide fuel cells, wherein the fuel and / or reformate via a reformer (2) on the anode side a stack (1) of solid oxide fuel cells can be fed and the reformer (2) is heated with hot exhaust gas of the solid oxide fuel cells; in addition, at least one heat exchanger (3) is provided for external use of the waste heat of the solid oxide fuel cells in the exhaust gas line (6);
dadurch gekennzeichnet, dass dem Reformer (2) über eine Leitung (4) zusätzlich zum zugeführten Brennstoff ein Oxidationsmittel, bevorzugt Luft, in geregelter Form zuführbar ist. characterized in that the reformer (2) via a line (4) in addition to the supplied fuel, an oxidizing agent, preferably air, can be supplied in controlled form.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anodenseitig über eine weitere Leitung (5) unter Umgehung des Reformers (2) den Festoxidbrennstoffzellen Brennstoff in geregelter Form zuführbar ist; wobei die Leitung (5) bevorzugt als Bypassleitung um den Reformer (2) ausgebildet ist. System according to claim 1, characterized in that on the anode side via a further line (5) bypassing the reformer (2) the solid oxide fuel cells fuel is supplied in controlled form; wherein the conduit (5) is preferably formed as a bypass line to the reformer (2).
System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer (2) in Bezug zur Nennlast des Systems kleiner dimensioniert ist. System according to claim 1 or 2, characterized in that the reformer (2) is smaller in relation to the nominal load of the system.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der folgenden Elemente Bestandteil des Systems ist: System according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the following elements is part of the system:
- ein Startbrenner (8) - a starting burner (8)
- ein Nachbrenner (7) - an afterburner (7)
- ein Wärmetauscher (9) zur Vorwärmung von Oxidationsmittel - A heat exchanger (9) for preheating oxidant
- ein Wärmetauscher (10) zur Vorwärmung von dem Reformer (2) zuführbaren Wasser - A heat exchanger (10) for preheating of the reformer (2) feedable water
- ein Regelventil (ll)für die Zufuhr von Brennstoff zum Reformer (2) und den Anoden der Festoxidbrennstoffzellen - ein Regelventil (12) für die direkte kathodenseitige Zufuhr und eine indirekte Zufuhr von Oxidatiuonsmittel über den Wärmetauscher (9)- A control valve (ll) for the supply of fuel to the reformer (2) and the anodes of the solid oxide fuel cells - A control valve (12) for the direct cathode-side supply and an indirect supply of Oxidatiuonsmittel via the heat exchanger (9)
- ein Regelelement (13) zur Regelung des Volumenstroms an Oxidati- onsmittel - A control element (13) for controlling the volume flow of Oxidati- onsmittel
- ein Regelelement (14) zur Regelung des Volumenstroms an Brennstoff - A control element (14) for controlling the volume flow of fuel
- ein Regelelement (15) zur Regelung des Volumenstroms an Oxidati- onsmittel zum Reformer (2) - A control element (15) for controlling the volume flow of oxidizing onsmittel to the reformer (2)
- ein Regelelement (16) zur Regelung des Volumenstroms an Oxidati- onsmittel zu einem im/am Reformer (2) vorhandenen Wärmetauscher und - A control element (16) for controlling the volume flow of Oxidati- onsmittel to a in / on the reformer (2) existing heat exchanger and
- ein Regelelement (17) zur Regelung des Volumenstroms von dem Startbrenner (8) zuführbarem Brennstoff. - A control element (17) for controlling the volume flow of the starting burner (8) Zuführbarem fuel.
Verfahren zum Betreiben eines Systems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Anoden der Fest- oxidbrennstoffzellen Brennstoff in geregelter Form direkt unter Umgehung des Reformers (2) zugeführt wird, so dass eine Anpassung an den momentanen Bedarf an elektrischer Leistung und/oder der nutzbaren Abwärme erreicht wird. Method for operating a system according to one of the preceding claims, characterized in that the anodes of the solid oxide fuel cell fuel in controlled form directly bypassing the reformer (2) is supplied, so that an adaptation to the current need for electrical power and / or the usable waste heat is achieved.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass den Anoden der Festoxidbrennstoffzellen Brennstoff unter Umgehung des Reformers (2) und Reformat aus dem Reformer (2) in einem variablen Verhältnis zugeführt werden, wodurch der Anteil des Brennstoffs, der durch interne Reformierung in den Festoxidbrennstoffzellen gebildet wird, beeinflusst wird. A method according to claim 5, characterized in that the anodes of the solid oxide fuel cells fuel in bypassing the reformer (2) and reformate from the reformer (2) are supplied in a variable ratio, whereby the proportion of the fuel formed by internal reforming in the solid oxide fuel cells is being influenced.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass für eine gezielte Beeinflussung der Stromkennziffer dem Reformer (2) Oxidationsmittel in geregelter Form zugeführt wird. A method according to claim 5 or 6, characterized in that the reformer (2) oxidant is supplied in controlled form for a targeted influencing of the power code.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem Reformer (2) Wasser in geregelter Form zugeführt wird. Method according to one of claims 5 to 7, characterized in that the reformer (2) water is supplied in controlled form.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer (2) mit Abgas der Festoxidbrennstoffzellen erwärmt wird. 9. The method according to any one of claims 5 to 8, characterized in that the reformer (2) is heated with exhaust gas of the solid oxide fuel cells.
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