WO2023245220A2 - Fuel cell system, fuel cell plant and process for production of synthesis gas - Google Patents

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WO2023245220A2
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system, a fuel cell system and a method for producing synthesis gas using a fuel cell system.
  • One way to reduce dependence on fossil raw materials and reduce CO2 emissions is to replace crude oil with synthetic hydrocarbons made from carbon dioxide (CO2) and water (H2O).
  • CO2 carbon dioxide
  • H2O water
  • SOE high-temperature electrolysis
  • the synthetic hydrocarbons are obtained from the synthesis gas.
  • a fuel cell system which is designed in particular as an electrolysis system, preferably for carrying out co-electrolysis.
  • the fuel cell system has a fuel cell stack with a cathode section, which has a cathode supply section and a cathode discharge section. section, and an anode section, which has an anode supply section and an anode discharge section.
  • the fuel cell system has an anode gas connection, which is fluidly coupled to the anode supply section by means of an anode supply connection, for supplying anode gas to the anode section.
  • the fuel cell system has an anode discharge connection, which is fluidly coupled to the anode discharge section by means of an anode discharge connection, for discharging anode exhaust gases generated by the fuel cell stack.
  • the fuel cell system has a cathode supply connection that is fluidly coupled to the cathode supply section by means of a cathode supply connection for supplying cathode gas to the cathode section.
  • the fuel cell system has a cathode discharge connection that is fluidly coupled to the cathode discharge section by means of a cathode discharge connection for discharging synthesis gas generated by the fuel cell stack.
  • the fuel cell system also has a residual gas supply connection for providing residual gas, which is separated from synthesis gas generated from the fuel cell stack in a synthesis process for producing synthetic hydrocarbons.
  • the fuel cell system further has a catalyst for the catalytic combustion of the residual gas, which is fluidly coupled to the residual gas connection by means of a residual gas supply connection, wherein a catalyst supply section and a catalyst discharge section of the catalyst are fluidly coupled to the anode discharge connection.
  • the fuel cell system has at least one heat exchanger which is arranged in the anode discharge connection in the flow direction (of the exhaust gases from the catalyst) behind the catalyst discharge section.
  • the efficiency of a fuel cell system is increased by using residual gas from the synthesis process to produce synthetic hydrocarbons for catalytic combustion within the fuel cell system.
  • the heat obtained during catalytic combustion is utilized within the fuel cell system by at least one heat exchanger.
  • the additional heat can be provided at various locations, in particular connections, very special supply connections, such as in particular the anode supply connection and / or cathode supply connection, in the fuel cell system and thus increase the efficiency of the high-temperature electrolysis, in particular high-temperature co-electrolysis, which is produced by the fuel cell stack is carried out to produce the synthetic gas or, in other words, synthesis gas.
  • this description is referred to as a fuel cell stack.
  • several fuel cell stacks are provided in the fuel cell system, which can be connected to one another in any way, for example can be connected to one another in series or in parallel.
  • Each cathode section and each anode section of each fuel cell stack is then fluidly coupled to the connections mentioned herein in the manner described herein.
  • the fuel cell stack can particularly be a solid oxide fuel cell stack.
  • the fuel cell system can therefore in particular be a solid oxide fuel cell system or solid oxide electrolyzer cell system (also SOFC system for “Solid Oxide Fuel Cell System”).
  • the fuel cell stack in the fuel cell system is in particular operable in an electrolysis mode or is operated in an electrolysis mode, in particular in a co-electrolysis mode, in order to achieve the electrolysis of water (H2O) and carbon dioxide (CO2).
  • the electrolytes in the fuel cell stack can produce hydrogen gas (H2), carbon monoxide (CO) and oxygen (02). It is advantageous if the fuel cell stack for generating the synthesis gas is connected to a power supply source for providing electricity from a renewable energy source. With such a power supply source, which is powered by renewable energy sources, high-temperature electrolysis operation can be made ecologically sustainable.
  • the fuel cell system is also understood to mean, in particular, an electrolysis system, preferably a co-electrolysis system, and/or a reversible fuel cell system.
  • an electrolysis system preferably a co-electrolysis system
  • a reversible fuel cell system it is possible to advantageously switch between fuel cell operation and electrolysis operation.
  • anode gas in particular air, especially fresh air, or oxygen
  • cathode gas is supplied to the cathode section.
  • cathode gas in particular carbon dioxide
  • the cathode supply connection can be connected to different carbon dioxide sources. It is possible, for example, to remove carbon dioxide from the air, from biogas processes, from industrial exhaust gases, etc.
  • Water can be supplied to the cathode supply section via a first additional supply connection for supplying water.
  • the first additional supply connection which can be fluidly coupled to the cathode supply connection or the cathode supply section by means of a first additional supply connection, can supply water, preferably in the form of water vapor, to the cathode supply section.
  • the water can be evaporated into water vapor in the fuel cell system.
  • the water vapor can be regarded as part of the cathode gas because it is supplied to the cathode supply section.
  • Any protective gas that is supplied to the cathode supply connection can also be regarded as part of the cathode gas because it is supplied to the cathode supply section.
  • the anode exhaust gases are discharged to the anode discharge connection by means of the anode discharge connection.
  • the anode exhaust gases removed in the anode discharge connection include, in particular, exhaust air or oxygen removed from the fuel cell system, especially air enriched with oxygen, as well as catalyst exhaust gases behind the catalyst, i.e. combustion products of the catalytic combustion of the residual gas mixed with the anode exhaust gas. These can be released into the environment, for example, from the anode discharge connection.
  • the generated cathode exhaust gas which is synthesis gas, which in particular mainly contains hydrogen gas and carbon monoxide, is fed to the cathode discharge connection.
  • This can be connected to a synthesis plant with a corresponding synthesis system in order to provide the synthetic gas for producing the synthetic hydrocarbons.
  • the synthesis gas can be converted in this synthesis process.
  • short-chain hydrocarbons are created during the synthesis process.
  • This separated gas portion is referred to herein as residual gas. It was surprisingly found that this residual gas has a high calorific value and can be used advantageously to provide heat in high-temperature electrolysis, which is particularly useful in the invention The efficiency of the fuel cell system can be increased in a proper manner.
  • first component second component
  • third component or elements
  • the compounds mentioned herein are fluid-carrying, in particular gas-carrying, connections.
  • the connections can be made via various paths or lines, such as pipes or hoses, which are each coupled to one another.
  • Various flow-influencing devices can be arranged in the connections, as mentioned herein, such as shut-off devices.
  • the heat exchanger exchanges the heat from two streams in the respective connections with each other, for example in countercurrent.
  • the heat exchanger is actually arranged in each of the two connections and the heat exchanger also thermally couples both connections to one another.
  • shut-off device As far as control or controlling is spoken of here, especially in connection with a shut-off device, this means controlling and/or regulating. stood. Even if this is not explicitly mentioned, appropriate control electronics and control devices that go beyond shut-off devices, such as flow meters, can be provided for monitoring.
  • shut-off devices mentioned here serve at least to stop or allow the flow of the respective fluid, in particular gas, flowing therein in the connections. It is also possible to control the flow rate depending on the type of shut-off device used. It is possible to design the shut-off device in a variety of ways, for example as a valve, gate valve, stopcock or butterfly valve.
  • At least two or at least three heat exchangers are arranged in the anode discharge connection in the flow direction behind the catalyst discharge section.
  • This allows the heat of the hot catalyst exhaust gases from the catalytic combustion of the residual gas to be used at several points, in particular feed connections, in the fuel cell system.
  • These multiple heat exchangers can be arranged in a series and/or parallel connection in the anode discharge connection. This not only allows the heat of the exhaust gases from the catalytic converter to be used several times and thus as efficiently as possible with heat exchangers connected in series, but also to control the amounts of heat in heat exchangers arranged in parallel in order to supply more or less heat to different points of the fuel cell system depending on the operation. This means that the amount of heat can be used individually tailored to the operation of the fuel cell stack.
  • a second heat exchanger of the at least one heat exchanger (which is arranged in the anode discharge connection in the flow direction behind the catalyst discharge section) is thermally coupled to the anode supply connection. This allows heat from the exhaust gases of the catalyst to be removed to the anode supply connection and thus to heat the anode gas arriving at the anode supply section to increase the efficiency of high-temperature electrolysis.
  • a third heat exchanger of the at least one heat exchanger (which is arranged in the anode discharge connection in the flow direction behind the catalyst discharge section) is thermally coupled to the cathode supply connection. This- allows to dissipate heat from the exhaust gases of the catalyst to the cathode supply connection and thus heat the cathode gas arriving at the cathode supply section to increase the efficiency of high-temperature electrolysis.
  • the second heat exchanger and the third heat exchanger are arranged in different partial paths of the anode discharge connection that are divided in the flow direction (of the catalyst exhaust gas) behind the catalyst discharge section. This allows the control of heat release as already mentioned above, namely between the anode and cathode supply connection.
  • the two partial paths can be reconnected to one another at a junction in the flow direction of the catalyst exhaust gas behind the heat exchanger and flow together to the anode discharge connection.
  • a shut-off device is advantageously arranged in at least one of the two partial paths.
  • a shut-off device is particularly advantageously arranged in both partial paths.
  • a butterfly valve can be used as a shut-off device. This allows simple yet precise control of the catalyst exhaust gas flow from the catalyst and the amount of heat carried by it.
  • the at least one shut-off element is arranged behind the second heat exchanger or the third heat exchanger in the flow direction (of the exhaust gas from the catalytic converter). If there are two shut-off devices, both shut-off devices can be arranged behind the respective heat exchanger. This makes it possible to use comparatively inexpensive and simple shut-off devices because they do not have to withstand extremely high temperatures, such as those of the exhaust gas behind the catalytic converter. In contrast, the exhaust gas behind the heat exchangers has already cooled down due to the heat exchange, so that the temperatures here are already lower, although this residual temperature in the exhaust gas can still be advantageously used for further heat exchange.
  • a fourth heat exchanger of the at least one heat exchanger (which is arranged in the anode discharge connection in the flow direction behind the catalyst discharge section) is thermally coupled to a first additional supply connection, which connects the cathode supply connection or the cathode supply section with a first additional supply connection for supplying water or water vapor to the cathode feed section.
  • This fourth heat exchanger can be particularly behind the second in the direction of flow Heat exchanger and / or third heat exchanger may be arranged.
  • the residual heat still contained in the exhaust gas in the anode discharge connection after the heat exchange in the second and/or third heat exchanger can be used to heat the water or the water vapor supplied at the first additional supply connection and thereby further increase the efficiency of the fuel cell system.
  • a fifth heat exchanger of the at least one heat exchanger (which is arranged in the anode discharge connection in the flow direction behind the catalyst discharge section) is arranged in the anode discharge connection and is thermally coupled to the anode supply connection.
  • This fifth heat exchanger can be arranged particularly behind the second heat exchanger and/or third heat exchanger in the direction of flow.
  • a first heat exchanger is arranged in the anode feed connection and is thermally coupled to the anode discharge connection in the flow direction upstream of the catalyst feed section.
  • the heat of the catalyst exhaust gases with the anode exhaust gas, in particular the discharged air, from the anode discharge section can be used to heat the anode gas, in particular the supplied air.
  • this has the advantage that the anode exhaust gases of the anode section are cooled by the heat transfer, whereby the self-ignition temperature of the residual gas-anode exhaust gas mixture is undershot, which is generated by mixing the residual gas and the anode exhaust gas in the flow direction behind the first heat exchanger.
  • anode exhaust gas is very oxygen-rich with approximately 30% oxygen, since oxygen diffuses from the cathode section to the anode section in the fuel cell stack.
  • the reduction below the self-ignition temperature is expedient in that high thermal stress on the components in the fuel cell system is prevented and controlled combustion is ensured via the subsequent catalyst.
  • a second bypass path connects the anode supply connection in the flow direction in front of the first heat exchanger with the anode supply connection in the flow direction behind the first heat exchanger, with a second shut-off element being arranged in the second bypass path surrounding the first heat exchanger and/or in the anode supply connection Flow direction behind a branch from the anode supply connection to the second bypass path and in front of the first heat exchanger a third shut-off device is arranged.
  • This allows the supplied air in the anode supply connection to easily bypass the first heat exchanger. Furthermore, this enables easy control of the temperature of the anode gas and the anode exhaust gas in the respective anode connection.
  • a first heating device can advantageously be arranged in the second bypass path.
  • the first heating device can in particular be an electric heater. In this way, the temperature of the supplied anode gas can be increased even further in order to operate the fuel cell stack in an optimized operating point.
  • the anode discharge connection is advantageously connected to the anode supply connection in the flow direction upstream of the catalyst supply section by means of a first bypass path.
  • a first bypass path In addition to the mixing that already occurs upstream of the catalytic converter, in which the oxygen-rich exhaust air of the anode exhaust gas from the anode discharge section is mixed with the residual gas, additional, cool air can be introduced into the catalytic converter for the catalytic combustion and thus also used for cooling.
  • a first shut-off element is advantageously arranged in the first bypass path. This allows the amount of additional air supplied to be controlled.
  • the catalyst is designed as an oxidation catalyst.
  • An oxidation catalyst can oxidize pollutants such as carbon monoxide and hydrocarbons, but cannot reduce nitrogen oxides. With the help of an oxidation catalyst, the energy contained in the residual gas can be used in the form of heat, whereby the hydrogen still present in the exhaust gas is also converted.
  • the fuel cell system also has a first additional supply connection for providing heated water vapor, which is used during cooling in the synthesis process of the fuel produced by the fuel cell stack. produced synthesis gas is heated. Accordingly, to optimize the efficiency of the fuel cell system, not only the residual gas from the synthesis process, but also the heated water vapor generated during cooling during the synthesis process is made usable, whereby a double and synergistic efficiency optimization of the high-temperature electrolysis is achieved.
  • the present invention also relates to a fuel cell system with a fuel cell system according to the invention and a synthesis system with a synthesis system.
  • the cathode discharge connection is fluidly coupled to the synthesis system by means of a synthesis gas supply connection.
  • the synthesis system is also set up to synthesize the synthesis gas generated by the fuel cell stack and supplied by means of the synthesis gas supply connection.
  • the synthesis system is fluidly coupled to the residual gas supply connection by means of a residual gas discharge connection for providing residual gas.
  • the fuel cell system is to be understood in particular as a complete system, which is preferably designed as a so-called “power-to-liquid system” or PtL system.
  • a fuel cell system according to the invention therefore brings with it the same advantages as have been explained in detail with reference to the fuel cell system according to the invention.
  • the present invention also relates to a method for producing synthesis gas by means of a fuel cell system, in particular the fuel cell system according to the invention and further in particular by means of the fuel cell system according to the invention, comprising the steps:
  • a method according to the invention therefore brings with it the same advantages as have been explained in detail with reference to the fuel cell system according to the invention.
  • the fuel cell system according to the invention and/or the fuel cell system according to the invention can be set up or designed to carry out the method according to the invention.
  • the anode gas is understood to mean the gas supplied to the anode section, i.e. in particular air or oxygen. This excludes the anode exhaust gas, i.e. the exhaust gas discharged from the anode section, in particular air and/or oxygen.
  • the cathode gas is understood to mean the gas supplied to the cathode section, in particular carbon dioxide, water vapor and/or a protective gas. This excludes the cathode exhaust gas, i.e. the synthetic gas removed from the cathode section.
  • the catalyst exhaust gas stream of the catalytic combustion is divided into two sub-paths and in a first sub-path of the two sub-paths heat is transferred from the at least one heat exchanger to the anode gas by means of a second heat exchanger and in a second sub-path of the two Partial paths by means of a third heat exchanger from which at least one heat exchanger heat is transferred to the cathode gas.
  • This allows the control of heat release as already mentioned above, namely between the anode and cathode supply connection.
  • the catalyst exhaust gas flow in the two partial paths is controlled by means of a shut-off device in each of the two partial paths behind the respective heat exchanger of the respective partial path.
  • catalyst exhaust gas stream is brought together again in the two partial paths after heat transfer to the anode gas and cathode gas becomes. This allows the catalyst exhaust gas stream to be discharged together at the anode discharge connection.
  • the combined catalyst exhaust gas stream flows for further heat transfer through a fourth heat exchanger for heating water or water vapor supplied to the fuel cell system and/or through a fifth heat exchanger for heating the anode gas. This makes it possible to use any remaining heat in the catalyst exhaust gas stream to further increase the efficiency of the fuel cell system.
  • the residual gas is mixed with anode exhaust gas of the fuel cell stack before the catalyst feed section to form a residual gas-anode exhaust gas mixture.
  • the oxygen-rich air of the anode exhaust gas can thus raise the temperature of the residual gas-anode exhaust gas mixture and be used for controlled catalytic combustion.
  • the anode exhaust gas transfers heat to the supplied anode gas by means of a first heat exchanger before it is mixed with the residual gas.
  • the supplied anode gas can be heated with the air and, on the other hand, the anode exhaust gas can be cooled with the air, in particular below the self-ignition temperature of the residual gas-anode exhaust gas mixture.
  • anode gas is added to the residual gas-anode exhaust gas mixture. This can be done through the first bypass path mentioned previously. The amount of air can thus be further increased by anode gas containing fresh air in the residual gas-anode exhaust gas mixture.
  • the residual gas-anode exhaust gas mixture has a temperature in the range from 300 to 550 °C, in particular in the range from 400 to 500 °C. This refers to the temperature at the catalyst supply section. The highest increase in efficiency when producing the synthesis gas was observed in this temperature range.
  • the catalyst exhaust gases from the catalytic combustion have a temperature in the range from 800 to 1,000 °C, in particular in the range from 850 °C to 950 °C. This refers to the temperature at the catalyst discharge section. The highest increase in efficiency when producing the synthesis gas was observed in this temperature range.
  • the synthesis gas produced is fed to the synthesis process, from which the residual gas is separated and fed to the catalyst.
  • the synthesis process is a Fischer-Tropsch process.
  • the coupling of high-temperature electrolysis, in particular high-temperature co-electrolysis, and Fischer-Tropsch synthesis (FTS for short) has proven to be a particularly promising variant for the production of different hydrocarbons.
  • FTS Fischer-Tropsch synthesis
  • synthesis gas resulting from high-temperature co-electrolysis is produced at comparatively moderate temperatures, particularly in the temperature range of 200 to 300 °C, and elevated pressures, particularly in the pressure range of 10 to 30 bar, using a catalyst, in particular Co- or Fe - based, converted into hydrocarbon molecules with different chain lengths.
  • the FTS process is highly exothermic.
  • cooling can be carried out along the length of a reactor in the synthesis plant. Cooling can be done with water evaporation at the specified pressure level. The water vapor can then be used for further process steps and, as mentioned above, for the high-temperature electrolysis itself by supplying the water vapor to the cathode gas.
  • the hydrocarbon chain length distribution resulting from FTS is described by a chain growth probability (with a high chain growth probability, large molecules and thus a shift towards liquid fuels). However, the synthesis gas is not completely converted. In addition, depending on the probability of chain growth, short-chain molecules are created that cannot be used as liquid fuel.
  • the unreacted synthesis gas and the resulting short-chain hydrocarbons can be separated out as the residual gas in product processing. While some of the residual gas can be recirculated into the FTS, some of it must be discharged. In particular, the discharged part of the residual gas is used in the process according to the invention.
  • 1 shows a first embodiment of a fuel cell system according to the invention
  • 2 shows a second embodiment of a fuel cell system according to the invention
  • FIG. 3 shows a third embodiment of a fuel cell system according to the invention.
  • Fig. 4 shows an embodiment of a method according to the invention.
  • FIG. 1 shows schematically a fuel cell system 30 comprising a fuel cell system 10 with a fuel cell stack 100 and a synthesis system 20 with a synthesis system 900.
  • the fuel cell system 10 and the synthesis system 20 are fluidly coupled to one another, as will be explained in more detail later.
  • the fuel cell stack 100 has a cathode section 110 with a cathode supply section 112 and a cathode discharge section 114. Furthermore, the fuel cell stack 100 has an anode section 120 with an anode supply section 122 and an anode discharge section 124.
  • a power supply source 130 which provides electricity from renewable energies, is connected to the fuel cell stack 100.
  • the fuel cell stack 100 is in the present case designed as a solid oxide fuel cell stack and is used in the electrolysis mode for high-temperature co-electrolysis.
  • Anode gas in the form of fresh air is provided in the fuel cell system 10 by means of an anode gas connection 202.
  • the anode gas is provided to the fuel cell stack 100 for electrolysis via an anode supply connection 200, which is fluidly coupled to the anode gas connection 202 and the anode supply section 122.
  • a filter device 204 in particular in the form of an air filter, for air filtering and a blower 206 for transporting the anode gas are arranged in the anode supply connection 200.
  • a first heat exchanger 220 is arranged in the flow direction of the anode gas from the anode gas connection 202 to the anode supply section 122 behind the filter insert. direction 204 and the fan 206.
  • the first heat exchanger 220 is used for heat exchange with a warm anode exhaust gas, in particular in the form of exhaust air removed from the anode section 120, from the fuel cell stack 100.
  • the first heat exchanger 220 is thermally coupled to an anode discharge connection 300 in front of a catalyst 404 in the form of an oxidation catalyst.
  • the anode discharge connection 300 fluidly connects the anode discharge section 124 to an anode discharge connection 316.
  • the catalyst 404 is arranged in the anode discharge connection 300 in the flow direction of the anode exhaust gas behind the first heat exchanger 220 and is fluidly coupled to a residual gas connection 402 by means of a residual gas supply connection 400.
  • the residual gas connection 402 receives residual gas from the synthesis system 900, as will be described in more detail later.
  • the residual gas supply connection 400 and the anode discharge connection 300 are fluidly connected to one another.
  • the residual gas provided for the catalyst 404 is therefore mixed with the anode exhaust gas in the anode discharge connection 300 to form a residual gas-anode exhaust gas mixture, in particular a residual gas-air mixture, before it reaches the catalyst feed section 406 and is then catalytically burned by the catalyst 404.
  • a first bypass path 208 with a first shut-off element 210 arranged therein connects the anode supply connection 200 in the flow direction of the anode gas in front of the first heat exchanger 220 with the anode discharge connection 300 in front of the catalyst supply section 406 and thus allows the air portion of the residual gas-anode exhaust gas mixture to be removed before entering the catalyst 404 to increase further.
  • a second bypass path 212 with a second shut-off element 214 is provided, which connects the anode supply connection 200 in the flow direction of the anode gas in front of the first heat exchanger 220 with the anode supply connection 200 in the flow direction of the anode gas behind the first heat exchanger 220 and thereby makes it possible to control the temperature of the residual gas anode exhaust gas -To control the mixture in front of the catalytic converter 404 by regulating the amount of anode gas flowing through the first heat exchanger 220. Furthermore, it is in the direction of flow A third shut-off element 218 is arranged in front of the second heat exchanger 220 and behind the second bypass path 212.
  • the hot catalyst exhaust gases flow in the anode discharge connection 300 through two individual partial paths 302, 308, into which the anode discharge connection 300 is divided in the flow direction of the catalyst exhaust gas behind the catalyst discharge section 408.
  • a second heat exchanger 304 which is thermally coupled to the anode supply connection 200. This allows the heat of the catalyst exhaust gas to be delivered to the anode gas before the anode supply section 122.
  • a fourth shut-off element 306 for controlling the catalyst exhaust gas flow in the first partial path 302.
  • the third heat exchanger 310 is thermally coupled to a cathode supply connection 500.
  • the cathode supply connection 500 fluidly connects a cathode supply connection 502 to the cathode supply section 112.
  • cathode gas in particular carbon dioxide
  • An ejector 504 is arranged in the cathode supply connection 500 in the direction of flow of the anode gas in front of the cathode section 110.
  • a second heating device 506 in the present case in the form of an electric heater, is arranged behind the ejector 504 in the flow direction of the anode gas.
  • the cathode gas can be heated with the heat from the catalyst exhaust gas.
  • cathode exhaust gas in the form of the synthesis gas generated by the high-temperature co-electrolysis, comprising hydrogen and carbon monoxide, is discharged to the synthesis system 20.
  • cathode discharge connection 600 for example, two heat exchangers 608, 610, namely a sixth heat exchanger 608 and a seventh heat exchanger 610, are thermally arranged and thermally coupled to the cathode supply connection 500 in order to transfer heat from the synthesis gas to the cathode gas and thus increase the efficiency of the Fuel cell system 10 to increase.
  • a second additional supply connection 800 fluidly connects a second additional supply connection 802 for supplying a protective gas to the cathode supply connection 500.
  • the second additional supply connection 800 is divided here, for example, into two sub-paths 804, 806, namely a third sub-path 806 and a fourth sub-path 806.
  • the third sub-path 804 leads to the anode supply connection 500 in the flow direction upstream of the ejector 504 and in particular in front of the heat exchangers 608, 610, while the fourth sub-path 806 leads to the ejector 504.
  • a third bypass path 602 leads from the cathode discharge section 600 to the fourth partial path 806 in front of the ejector 504.
  • a nozzle 604, in particular a Venturi nozzle, and a sixth shut-off element 606, in particular a valve, are arranged in the third bypass path 602.
  • the fuel cell stack 100 supplied in the manner described above with anode gas, comprising air, and cathode gas, comprising carbon dioxide, water vapor and protective gas, generates the cathode exhaust gas in the form of synthesis gas, comprising hydrogen and carbon monoxide, in the electrolysis mode by high-temperature co-electrolysis. and the anode exhaust gas, comprising exhaust air.
  • the anode exhaust gas is catalytically burned by the catalyst 404 together with residual gas, so that catalyst exhaust gases are separated from the fuel cell system 10 at the anode discharge port 316.
  • the synthesis gas is provided to the synthesis system 900 of the synthesis system 20 by a synthesis gas supply connection 906, which fluidly connects a synthesis supply section 902 of the synthesis system 900 to the cathode discharge connection 612.
  • a synthesis gas supply connection 906 which fluidly connects a synthesis supply section 902 of the synthesis system 900 to the cathode discharge connection 612.
  • a reactor there, not explicitly shown, it goes through a a synthesis process, in particular a Fischer-Tropsch synthesis process, and is converted into synthetic hydrocarbons.
  • the hydrocarbons are removed via a hydrocarbon removal connection 908 which is fluidly connected to a synthesis removal section 904.
  • synthesis gas and short-chain hydrocarbons that are not converted in the synthesis process remain, some of which can be fed back to the synthesis process and some of which can be discharged as residual gases by means of a residual gas discharge connection 910 to the residual gas supply connection 402, which are fluidly coupled to one another in this respect.
  • FIG. 2 shows a modification of the embodiment of the fuel cell system 30 of Figure 1.
  • the fourth heat exchanger 314 was omitted in FIG. Instead, a fifth heat exchanger 318 was used in the anode discharge connection 300 in the flow direction behind the two heat exchangers 304, 310, which is thermally coupled to the anode supply connection 200, in particular in the flow direction of the anode gas behind the blower 206 and in front of the first heat exchanger 220.
  • This allows the residual heat in the anode exhaust gas to be made available alternatively for the anode gas.
  • any configuration of the heat exchangers 220, 304, 310, 314, 320, 608, 610 shown is possible, which means that these heat exchangers can each be used alone or in any selection thereof in the fuel cell system 10, so it is not necessary to equip the fuel cell system 10 with all heat exchangers 220, 304, 310, 314, 320, 608, 610.
  • FIG 3 shows a variation of the fuel cell system 30 of the embodiment of Figure 1, in which changes in the synthesis system 20 are provided.
  • a cooling device 914 is shown in the synthesis plant 900, which in particular cools a corresponding reactor in the synthesis plant 900. Steam is used to cool the highly exothermic reaction of the synthesis process. The water vapor heated in this way is advantageously supplied to the first additional supply connection 702 by means of a corresponding fluid connection connected to the first supply.
  • Third additional feed connection 916 connected to set feed connection 702 is provided.
  • FIG. 4 shows the method 1000 for generating synthesis gas by means of the fuel cell system 10, which has already been explained with reference to FIGS , whereby further process steps not explicitly shown can be added.
  • a first method step 1002 of the method 1000 residual gas is separated from the synthesis process taking place in the synthesis system 900, in which the synthesis gas from the cathode discharge connection 612 is converted into hydrocarbons.
  • the residual gas is provided to the residual gas supply port 402 by means of the residual gas discharge connection 910 and is thus provided to the catalyst 404 of the fuel cell system 10.
  • the residual gas is burned catalytically by means of the catalyst 404.
  • Corresponding catalyst exhaust gases emerge from its catalyst discharge section 408.
  • the catalyst exhaust gases can have a temperature in the range of 800 to 1,000 °C. 1 to 3, the residual gas can have previously been mixed with the anode exhaust gas and also with the anode gas, i.e. fresh air, so that a residual gas-anode exhaust gas mixture enters the catalyst feed section 404.
  • the residual gas-anode exhaust gas mixture can have a temperature in the range from 300 to 550 °C.
  • heat from the catalyst exhaust gas stream of the catalytic combustion is transferred by means of one or more of the heat exchangers 304, 310, 314, 320 to the anode gas in the anode supply connection 200 and/or the cathode gas in the cathode supply connection 500, as can be seen in Figures 1 to 3.
  • the anode gases and cathode gases heated in this way are supplied to the fuel cell stack 100 of the fuel cell system 10 in a fourth method step 1008 of the method 1000 with the supply of electrical current.
  • the synthesis gas can be generated by means of the fuel cell stack 100 from the supplied anode gas, cathode gas and electrical current.
  • the method steps 1002 to 1010 of the method 1000 are carried out continuously, as indicated by the arrow from method step 1010 to method step 1002.

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Abstract

The present invention relates to a fuel cell system (10), a fuel cell plant (30) including a fuel cell system (10) and a synthesis system (20), and to a process (1000) for producing synthesis gas using the fuel cell system (10).

Description

Brennstoffzellensystem, Brennstoffzellenanlage und Verfahren zum Erzeugen von Synthesegas Fuel cell system, fuel cell system and method for producing synthesis gas
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, eine Brennstoffzellenanlage und ein Verfahren zum Erzeugen von Synthesegas mittels eines Brennstoffzellensystems. The present invention relates to a fuel cell system, a fuel cell system and a method for producing synthesis gas using a fuel cell system.
Eine Möglichkeit zur Verringerung der Abhängigkeit von fossilen Rohstoffvorkommen und zur Reduzierung von CO2-Emissionen ist die Substitution von Rohöl durch aus Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser (H2O) hergestellte synthetische Kohlenwasserstoffe. Unter Zuführung von elektrischem Strom kann dabei durch Hochtemperaturelektrolyse (kurz SOE für Engi. "Solid Oxide Electrolysis") ein Synthesegas erzeugt werden, welches Wasserstoff (H2) und Kohlenstoffmonoxid (CO) beinhaltet. In einem sich anschließenden Syntheseprozess werden aus dem Synthesegas die synthetischen Kohlenwasserstoffe erhalten. One way to reduce dependence on fossil raw materials and reduce CO2 emissions is to replace crude oil with synthetic hydrocarbons made from carbon dioxide (CO2) and water (H2O). By supplying electric current, a synthesis gas containing hydrogen (H2) and carbon monoxide (CO) can be produced using high-temperature electrolysis (SOE for short: “Solid Oxide Electrolysis”). In a subsequent synthesis process, the synthetic hydrocarbons are obtained from the synthesis gas.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Effizienz bei der vorstehend beschriebenen Hochtemperaturelektrolyse in kostengünstiger und einfacher Weise zu steigern. It is the object of the present invention to increase the efficiency of the high-temperature electrolysis described above in a cost-effective and simple manner.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , eine Brennstoffzellenanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 16 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 17. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanlage sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bzgl. der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird oder werden kann. The above object is achieved by a fuel cell system with the features of claim 1, a fuel cell system with the features of claim 16 and a method with the features of claim 17. Further features and details of the invention emerge from the subclaims, the description and the drawings . Features and details that are described in connection with the fuel cell system according to the invention naturally also apply in connection with the fuel cell system according to the invention and the method according to the invention and vice versa, so that reference is or can always be made to each other with regard to the disclosure of the individual aspects of the invention.
Erfindungsgemäß ist ein Brennstoffzellensystem vorgesehen, welches insbesondere als Elektrolysesystem, bevorzugt zur Durchführung einer Co-Elektrolyse ausgebildet ist. Das Brennstoffzellensystem weist einen Brennstoffzellenstapel mit einem Katho- denabschnitt, welcher einen Kathodenzuführabschnitt und einen Kathodenabführab- schnitt aufweist, und einem Anodenabschnitt, welcher einen Anodenzuführabschnitt und einen Anodenabführabschnitt aufweist, auf. Ferner weist das Brennstoffzellensystem einen mittels einer Anodenzuführverbindung fluidtechnisch mit dem Anodenzuführabschnitt gekoppelten Anodengasanschluss zum Zuführen von Anodengas zum Anodenabschnitt auf. Außerdem weist das Brennstoffzellensystem einen mittels einer Anodenabführverbindung fluidtechnisch mit dem Anodenabführabschnitt gekoppelten Anodenabführanschluss zum Abführen von durch den Brennstoffzellenstapel erzeugten Anodenabgasen auf. Weiterhin weist das Brennstoffzellensystem einen mittels einer Kathodenzuführverbindung fluidtechnisch mit dem Kathodenzu- führabschnitt gekoppelten Kathodenzuführanschluss zum Zuführen von Kathodengas zum Kathodenabschnitt auf. Darüber hinaus weist das Brennstoffzellensystem einen mittels einer Kathodenabführverbindung fluidtechnisch mit dem Kathodenabführab- schnitt gekoppelten Kathodenabführanschluss zum Abführen von durch den Brennstoffzellenstapel erzeugtem Synthesegas auf. Das Brennstoffzellensystem weist außerdem einen Restgaszuführanschluss zum Bereitstellen von Restgas auf, welches bei einem Syntheseprozess zur Herstellung von synthetischen Kohlenwasserstoffen aus dem Brennstoffzellenstapel erzeugten Synthesegases abgeschieden wird. Das Brennstoffzellensystem weist ferner einen mittels einer Restgaszuführverbindung fluidtechnisch mit dem Restgasanschluss gekoppelten Katalysator zur katalytischen Verbrennung des Restgases auf, wobei ein Katalysatorzuführabschnitt und ein Katalysatorabführabschnitt des Katalysators fluidtechnisch mit der Anodenabführverbindung gekoppelt sind. Schließlich weist das Brennstoffzellensystem zumindest einen Wärmetauscher auf, der in der Anodenabführverbindung in Strömungsrichtung (der Abgase des Katalysators) hinter dem Katalysatorabführabschnitt angeordnet ist. According to the invention, a fuel cell system is provided, which is designed in particular as an electrolysis system, preferably for carrying out co-electrolysis. The fuel cell system has a fuel cell stack with a cathode section, which has a cathode supply section and a cathode discharge section. section, and an anode section, which has an anode supply section and an anode discharge section. Furthermore, the fuel cell system has an anode gas connection, which is fluidly coupled to the anode supply section by means of an anode supply connection, for supplying anode gas to the anode section. In addition, the fuel cell system has an anode discharge connection, which is fluidly coupled to the anode discharge section by means of an anode discharge connection, for discharging anode exhaust gases generated by the fuel cell stack. Furthermore, the fuel cell system has a cathode supply connection that is fluidly coupled to the cathode supply section by means of a cathode supply connection for supplying cathode gas to the cathode section. In addition, the fuel cell system has a cathode discharge connection that is fluidly coupled to the cathode discharge section by means of a cathode discharge connection for discharging synthesis gas generated by the fuel cell stack. The fuel cell system also has a residual gas supply connection for providing residual gas, which is separated from synthesis gas generated from the fuel cell stack in a synthesis process for producing synthetic hydrocarbons. The fuel cell system further has a catalyst for the catalytic combustion of the residual gas, which is fluidly coupled to the residual gas connection by means of a residual gas supply connection, wherein a catalyst supply section and a catalyst discharge section of the catalyst are fluidly coupled to the anode discharge connection. Finally, the fuel cell system has at least one heat exchanger which is arranged in the anode discharge connection in the flow direction (of the exhaust gases from the catalyst) behind the catalyst discharge section.
Erfindungsgemäß wird damit die Effizienz eines Brennstoffzellensystems gesteigert, indem Restgas aus dem Syntheseprozess zur Herstellung von synthetischen Kohlenwasserstoffen zur katalytischen Verbrennung innerhalb des Brennstoffzellensystems genutzt wird. Die bei der katalytischen Verbrennung gewonnene Wärme wird sich innerhalb des Brennstoffzellensystems durch zumindest einen Wärmetauscher zunutze gemacht. Die zusätzliche Wärme kann an verschiedenen Orten, insbesondere Verbindungen, ganz besondere Zuführverbindungen, wie insbesondere der Anodenzuführverbindung und/oder Kathodenzuführverbindung, in dem Brennstoffzellensystem bereitgestellt werden und so die Effizienz der Hochtemperaturelektrolyse, insbesondere Hochtemperatur-Co-Elektrolyse, die von dem Brennstoffzellenstapel ausgeführt wird, um das synthetische Gas oder, mit anderen Worten, Synthesegas zu erzeugen, erhöhen. According to the invention, the efficiency of a fuel cell system is increased by using residual gas from the synthesis process to produce synthetic hydrocarbons for catalytic combustion within the fuel cell system. The heat obtained during catalytic combustion is utilized within the fuel cell system by at least one heat exchanger. The additional heat can be provided at various locations, in particular connections, very special supply connections, such as in particular the anode supply connection and / or cathode supply connection, in the fuel cell system and thus increase the efficiency of the high-temperature electrolysis, in particular high-temperature co-electrolysis, which is produced by the fuel cell stack is carried out to produce the synthetic gas or, in other words, synthesis gas.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird der Einfachheit halber von einem Brennstoffzellenstapel gesprochen. Damit ist zumindest ein Brennstoffzellenstapel gemeint. Denn selbstverständlich kann vorgesehen sein, dass mehrere Brennstoffzellenstapel in dem Brennstoffzellensystem vorgesehen sind, die in beliebiger Weise miteinander verschaltet sein können, z.B. in Reihe oder parallel miteinander verschaltet sein können. Dabei ist dann jeder Kathodenabschnitt und jeder Anodenabschnitt jedes Brennstoffzellenstapels in der hierin beschriebenen Art und Weise fluidtechnisch mit den hierin erwähnten Anschlüssen gekoppelt. For the sake of simplicity, this description is referred to as a fuel cell stack. This means at least one fuel cell stack. Of course, it can be provided that several fuel cell stacks are provided in the fuel cell system, which can be connected to one another in any way, for example can be connected to one another in series or in parallel. Each cathode section and each anode section of each fuel cell stack is then fluidly coupled to the connections mentioned herein in the manner described herein.
Der Brennstoffzellenstapel kann ganz besonders ein Festoxid-Brennstoffzellenstapel sein. Damit kann das Brennstoffzellensystem insbesondere ein Festoxid- Brennstoffzellensystem oder Festoxid-Elektrolyseurzellensystem (auch SOFC- System für engl. „Solid Oxide Fuel Cell System“) sein. Der Brennstoffzellenstapel in dem Brennstoffzellensystem ist insbesondere in einem Elektrolysemodus betreibbar oder wird im Elektrolysemodus betrieben, insbesondere in einem Co- Elektrolysemodus, um die Elektrolyse von Wasser (H2O) und Kohlenstoffdioxid (CO2) zu erreichen. Durch die Elektrolyten in dem Brennstoffzellenstapel können so Wasserstoffgas (H2), Kohlenstoffmonoxid (CO) und Sauerstoff (02) produziert werden. Vorteilhaft ist dabei, wenn der Brennstoffzellenstapel zum Erzeugen des Synthesegases mit einer Stromversorgungsquelle zur Bereitstellung von Strom aus einer erneuerbaren Energiequelle verbunden ist. Mit einer solchen Stromversorgungsquelle, die aus erneuerbaren Energiequellen gespeist wird, lässt sich der Hochtemperaturelektrolysebetrieb ökologisch nachhaltig gestalten. The fuel cell stack can particularly be a solid oxide fuel cell stack. The fuel cell system can therefore in particular be a solid oxide fuel cell system or solid oxide electrolyzer cell system (also SOFC system for “Solid Oxide Fuel Cell System”). The fuel cell stack in the fuel cell system is in particular operable in an electrolysis mode or is operated in an electrolysis mode, in particular in a co-electrolysis mode, in order to achieve the electrolysis of water (H2O) and carbon dioxide (CO2). The electrolytes in the fuel cell stack can produce hydrogen gas (H2), carbon monoxide (CO) and oxygen (02). It is advantageous if the fuel cell stack for generating the synthesis gas is connected to a power supply source for providing electricity from a renewable energy source. With such a power supply source, which is powered by renewable energy sources, high-temperature electrolysis operation can be made ecologically sustainable.
Im Rahmen der Erfindung wird unter dem Brennstoffzellensystem insbesondere auch ein Elektrolysesystem, bevorzugt ein Co-Elektrolysesystem, und/oder ein reversibles Brennstoffzellensystem verstanden. Bei einem reversiblen Brennstoffzellensystem kann vorteilhaft zwischen einem Brennstoffzellenbetrieb und einem Elektrolysebetrieb umgeschalten werden. In the context of the invention, the fuel cell system is also understood to mean, in particular, an electrolysis system, preferably a co-electrolysis system, and/or a reversible fuel cell system. In a reversible fuel cell system, it is possible to advantageously switch between fuel cell operation and electrolysis operation.
Für die vorstehend beschriebene Reaktion im Elektrolysebetrieb wird dem Anodenabschnitt durch die Anodenzuführverbindung Anodengas, insbesondere Luft, ganz besonders Frischluft, oder Sauerstoff, zugeführt. Mittels der Kathodenzuführverbin- dung wird dem Kathodenabschnitt Kathodengas, insbesondere Kohlenstoffdioxid, zugeführt. Der Kathodenzuführanschluss kann dabei mit unterschiedlichen Kohlen- stoffdioxid-Quellen verbunden sein. Möglich ist beispielsweise das Entnehmen von Kohlenstoffdioxid aus der Luft, aus Biogas-Prozessen, aus Industrieabgasen usw. Wasser kann dem Kathodenzuführabschnitt über einen ersten Zusatzzuführanschluss zum Zuführen von Wasser zugeführt werden. Dazu kann der erste Zusatzzuführanschluss, der mittels einer ersten Zusatzzuführverbindung mit der Kathodenzu- führverbindung oder dem Kathodenzuführabschnitt fluidtechnisch gekoppelt sein kann, dem Kathodenzuführabschnitt Wasser, vorzugsweise in Form von Wasserdampf, zuführen. Alternativ oder zusätzlich kann das Wasser in dem Brennstoffzellensystem zu Wasserdampf verdampft werden. Der Wasserdampf kann als Teil des Kathodengases angesehen werden, weil es dem Kathodenzuführabschnitt zugeführt wird. Auch ein eventuelles Schutzgas, das der Kathodenzuführverbindung zugeführt wird, kann als Teil des Kathodengases angesehen werden, weil es dem Kathodenzuführabschnitt zugeführt wird. Vom Anodenabführabschnitt werden die Anodenabgase mittels der Anodenabführverbindung zum Anodenabführanschluss abgeführt. Die in der Anodenabführverbindung abgeführten Anodenabgase umfassen insbesondere von dem Brennstoffzellensystem abgeführte Abluft oder abgeführten Sauerstoff, ganz besonders mit Sauerstoff angereicherte Luft, sowie hinter dem Katalysator Katalysator-Abgase, also Verbrennungsprodukte der katalytischen Verbrennung des Restgases gemischt mit dem Anodenabgas. Vom Anodenabführanschluss aus können diese beispielsweise in die Umgebung freigesetzt werden. Vom Kathodenab- führabschnitt wird das erzeugte Kathodenabgas, welches Synthesegas ist, welches insbesondere hauptsächlich Wasserstoffgas und Kohlenstoffmonoxid enthält, zum Kathodenabführanschluss zugeführt. Dieser kann mit einem entsprechenden Synthesesystem mit einer Syntheseanlage verbunden sein, um dort das synthetische Gas zur Herstellung der synthetische Kohlenwasserstoffe bereitzustellen. Bei diesem Syntheseprozess kann typischerweise nicht das gesamte Synthesegas umgesetzt werden. Außerdem entstehen beim Syntheseprozess neben den langkettigen Produkten kurzkettige Kohlenwasserstoffe. Der nicht umgesetzte Anteil des Synthesegases bildet gemeinsam mit den kurzkettigen Kohlenwasserstoffen ein Gasgemisch, das insbesondere zum Teil in die Syntheseanlage rezykliert und zum Teil abgeschieden wird. Dieser abgeschiedene Gasanteil wird hierein als Restgas bezeichnet. Es wurde nämlich überraschenderweise herausgefunden, dass dieses Restgas einen hohen Heizwert birgt und sich vorteilhafterweise zur Wärmebereitstellung in der Hochtemperaturelektrolyse einsetzen lässt, womit sich insbesondere in der erfin- dungsgemäßen Art und Weise die Effizienz des Brennstoffzellensystems erhöhen lässt. For the above-described reaction in electrolysis operation, anode gas, in particular air, especially fresh air, or oxygen, is supplied to the anode section through the anode supply connection. By means of the cathode supply connection, cathode gas, in particular carbon dioxide, is supplied to the cathode section. supplied. The cathode supply connection can be connected to different carbon dioxide sources. It is possible, for example, to remove carbon dioxide from the air, from biogas processes, from industrial exhaust gases, etc. Water can be supplied to the cathode supply section via a first additional supply connection for supplying water. For this purpose, the first additional supply connection, which can be fluidly coupled to the cathode supply connection or the cathode supply section by means of a first additional supply connection, can supply water, preferably in the form of water vapor, to the cathode supply section. Alternatively or additionally, the water can be evaporated into water vapor in the fuel cell system. The water vapor can be regarded as part of the cathode gas because it is supplied to the cathode supply section. Any protective gas that is supplied to the cathode supply connection can also be regarded as part of the cathode gas because it is supplied to the cathode supply section. From the anode discharge section, the anode exhaust gases are discharged to the anode discharge connection by means of the anode discharge connection. The anode exhaust gases removed in the anode discharge connection include, in particular, exhaust air or oxygen removed from the fuel cell system, especially air enriched with oxygen, as well as catalyst exhaust gases behind the catalyst, i.e. combustion products of the catalytic combustion of the residual gas mixed with the anode exhaust gas. These can be released into the environment, for example, from the anode discharge connection. From the cathode discharge section, the generated cathode exhaust gas, which is synthesis gas, which in particular mainly contains hydrogen gas and carbon monoxide, is fed to the cathode discharge connection. This can be connected to a synthesis plant with a corresponding synthesis system in order to provide the synthetic gas for producing the synthetic hydrocarbons. Typically, not all of the synthesis gas can be converted in this synthesis process. In addition to the long-chain products, short-chain hydrocarbons are created during the synthesis process. The unreacted portion of the synthesis gas, together with the short-chain hydrocarbons, forms a gas mixture, some of which is recycled into the synthesis plant and some of which is separated. This separated gas portion is referred to herein as residual gas. It was surprisingly found that this residual gas has a high calorific value and can be used advantageously to provide heat in high-temperature electrolysis, which is particularly useful in the invention The efficiency of the fuel cell system can be increased in a proper manner.
Zur Unterscheidung von Komponenten oder Elementen gleicher Art oder gleichen Typs voneinander, wie beispielsweise von Wärmetauschern, Absperrorganen, Teilpfaden oder Bypasspfaden, sind die in der vorliegenden Beschreibung erwähnten Komponenten oder Elemente gleicher Art oder gleichen Typs durchnummeriert und werden als erste Komponente, zweite Komponente, dritte Komponente (oder Elemente) usw. bezeichnet, also beispielsweise erster Wärmetauscher, zweiter Wärmetauscher usw. Diese Bezeichnung anhand der Nummerierung dient einzig und allein der Unterscheidung der hierin erwähnten Komponenten oder Elemente gleicher Art oder gleichen Typs und stellt in keiner Weise eine Einschränkung des Schutzbereichs dar. Wenn beispielsweise in einem Anspruch von einer vierten Komponente einer Art oder eines Typs gesprochen wird, dann setzt dies nicht notwendigerweise eine erste, zweite und dritte Komponente dieser Art oder diesen Typs voraus; es sei denn, dass die erste, zweite und dritte Komponente dieser Art oder diesen Typs in einem Anspruch erwähnt werden, auf den sich der betreffende Anspruch zurückbezieht. To distinguish components or elements of the same type or type from one another, such as heat exchangers, shut-off devices, partial paths or bypass paths, the components or elements of the same type or type mentioned in the present description are numbered consecutively and are referred to as first component, second component, third component (or elements), etc., for example first heat exchanger, second heat exchanger, etc. This designation based on the numbering serves solely to distinguish the components or elements of the same type or type mentioned herein and in no way represents a limitation of the scope of protection For example, when a claim speaks of a fourth component of a kind or type, this does not necessarily presuppose a first, second and third component of that kind or type; unless the first, second and third components of that kind or type are mentioned in a claim to which the relevant claim relates.
Die hierin erwähnten Verbindungen sind fluidführende, insbesondere gasführende, Verbindungen. Die Verbindungen können über verschiedene Pfade oder Leitungen, wie beispielsweise Rohre oder Schläuche, die jeweils miteinander gekoppelt sind, hergestellt sein. In den Verbindungen können verschiedene strömungsbeeinflussende Vorrichtungen angeordnet sein, wie sie hierin erwähnt werden, so beispielsweise Absperrorgane. The compounds mentioned herein are fluid-carrying, in particular gas-carrying, connections. The connections can be made via various paths or lines, such as pipes or hoses, which are each coupled to one another. Various flow-influencing devices can be arranged in the connections, as mentioned herein, such as shut-off devices.
Soweit hierin von einer Anordnung eines Wärmetauschers in einer Verbindung und einer wärmetechnischen Kopplung des Wärmetauschers mit einer anderen Verbindung gesprochen wird, so sind diese Merkmale wegen der Funktion des Wärmetauschers synonym zu verstehen. Denn durch den Wärmetauscher wird die Wärme von zwei Strömen in den jeweiligen Verbindungen miteinander ausgetauscht, beispielsweise im Gegenstrom. Insoweit ist der Wärmetauscher tatsächlich in jeder der beiden Verbindungen angeordnet und der Wärmetauscher koppelt auch beide Verbindungen wärmetechnisch miteinander. As far as an arrangement of a heat exchanger in one connection and a thermal coupling of the heat exchanger with another connection are spoken of, these features are to be understood as synonymous because of the function of the heat exchanger. The heat exchanger exchanges the heat from two streams in the respective connections with each other, for example in countercurrent. In this respect, the heat exchanger is actually arranged in each of the two connections and the heat exchanger also thermally couples both connections to one another.
Soweit hierin von Kontrolle oder Kontrollieren, insbesondere im Zusammenhang mit einem Absperrorgan, gesprochen wird, wird damit ein Steuern und/oder Regeln ver- standen. Auch wenn dies nicht explizit erwähnt ist, können entsprechende Kontrollelektronik und über Absperrorgane hinausgehende Kontrollvorrichtungen, beispielsweise Durchflussmesser, für das Kontrollieren vorgesehen sein. As far as control or controlling is spoken of here, especially in connection with a shut-off device, this means controlling and/or regulating. stood. Even if this is not explicitly mentioned, appropriate control electronics and control devices that go beyond shut-off devices, such as flow meters, can be provided for monitoring.
Die hierin erwähnten Absperrorgane dienen zumindest dazu, in den Verbindungen den Strom des jeweiligen, darin strömenden Fluids, insbesondere Gases, anzuhalten oder durchzulassen. Auch ein Kontrollieren der Durchflussmenge ist je nach Ausführungstyp des eingesetzten Absperrorgans möglich. Dabei ist es möglich, das Absperrorgan in unterschiedlichster Weise auszuführen, beispielsweise als Ventil, Absperrschieber, Absperrhahn oder Absperrklappe. The shut-off devices mentioned here serve at least to stop or allow the flow of the respective fluid, in particular gas, flowing therein in the connections. It is also possible to control the flow rate depending on the type of shut-off device used. It is possible to design the shut-off device in a variety of ways, for example as a valve, gate valve, stopcock or butterfly valve.
Vorteilhafterweise sind in der Anodenabführverbindung in Strömungsrichtung hinter dem Katalysatorabführabschnitt zumindest zwei oder zumindest drei Wärmetauscher angeordnet. Dies erlaubt es, die Wärme der heißen Katalysator-Abgase aus der katalytischen Verbrennung des Restgases gleich an mehreren Stellen, insbesondere Zuführverbindungen, in dem Brennstoffzellensystem zu nutzen. Dabei können diese mehreren Wärmetauscher in einer Reihen- und/oder Parallelschaltung in der Anodenabführverbindung angeordnet sein. Dies erlaubt es nicht nur, die Wärme der Abgase des Katalysators mehrmals und somit möglichst effizient bei in Reihe geschalteten Wärmetauschern zu nutzen, sondern auch die Wärmemengen bei parallel angeordneten Wärmetauscher zu kontrollieren, um so betriebsabhängig an unterschiedlichen Stellen des Brennstoffzellensystems mehr oder weniger Wärme zuzuführen. So kann die Wärmemenge individuell auf den Betrieb des Brennstoffzellenstapels abgestimmt verwendet werden. Advantageously, at least two or at least three heat exchangers are arranged in the anode discharge connection in the flow direction behind the catalyst discharge section. This allows the heat of the hot catalyst exhaust gases from the catalytic combustion of the residual gas to be used at several points, in particular feed connections, in the fuel cell system. These multiple heat exchangers can be arranged in a series and/or parallel connection in the anode discharge connection. This not only allows the heat of the exhaust gases from the catalytic converter to be used several times and thus as efficiently as possible with heat exchangers connected in series, but also to control the amounts of heat in heat exchangers arranged in parallel in order to supply more or less heat to different points of the fuel cell system depending on the operation. This means that the amount of heat can be used individually tailored to the operation of the fuel cell stack.
Ebenfalls ist es vorteilhaft, wenn ein zweiter Wärmetauscher von dem zumindest einen Wärmetauscher (der in der Anodenabführverbindung in Strömungsrichtung hinter dem Katalysatorabführabschnitt angeordnet ist) wärmetechnisch mit der Anodenzuführverbindung gekoppelt ist. Dies erlaubt es, Wärme aus den Abgasen des Katalysators an die Anodenzuführverbindung abzuführen und so das Anodengas zu erwärmen, welches am Anodenzuführabschnitt ankommt, um die Effizienz der Hochtemperaturelektrolyse zu erhöhen. It is also advantageous if a second heat exchanger of the at least one heat exchanger (which is arranged in the anode discharge connection in the flow direction behind the catalyst discharge section) is thermally coupled to the anode supply connection. This allows heat from the exhaust gases of the catalyst to be removed to the anode supply connection and thus to heat the anode gas arriving at the anode supply section to increase the efficiency of high-temperature electrolysis.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein und ist es vorteilhaft, wenn ein dritter Wärmetauscher von dem zumindest einen Wärmetauscher (der in der Anodenabführverbindung in Strömungsrichtung hinter dem Katalysatorabführabschnitt angeordnet ist) wärmetechnisch mit der Kathodenzuführverbindung gekoppelt ist. Dies er- laubt es, Wärme aus den Abgasen des Katalysators an die Kathodenzuführverbin- dung abzuführen und so das Kathodengas zu erwärmen, welches am Kathodenzu- führabschnitt ankommt, um die Effizienz der Hochtemperaturelektrolyse zu erhöhen.Alternatively or additionally, it can be provided and is advantageous if a third heat exchanger of the at least one heat exchanger (which is arranged in the anode discharge connection in the flow direction behind the catalyst discharge section) is thermally coupled to the cathode supply connection. This- allows to dissipate heat from the exhaust gases of the catalyst to the cathode supply connection and thus heat the cathode gas arriving at the cathode supply section to increase the efficiency of high-temperature electrolysis.
Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn der zweite Wärmetauscher und der dritte Wärmetauscher in unterschiedlichen, sich in Strömungsrichtung (des Katalysator- Abgases) hinter dem Katalysatorabführabschnitt aufteilenden Teilpfaden der Anodenabführverbindung angeordnet sind. Dies erlaubt das bereits oben angesprochene Kontrollieren von Wärmemengenabgaben, nämlich zwischen der Anoden- und Ka- thodenzuführverbindung. Die beiden Teilpfade können in Strömungsrichtung des Katalysator-Abgases hinter dem Wärmetauscher an einem Knotenpunkt wieder miteinander verbunden werden und gemeinsam zum Anodenabführanschluss strömen.It is particularly advantageous if the second heat exchanger and the third heat exchanger are arranged in different partial paths of the anode discharge connection that are divided in the flow direction (of the catalyst exhaust gas) behind the catalyst discharge section. This allows the control of heat release as already mentioned above, namely between the anode and cathode supply connection. The two partial paths can be reconnected to one another at a junction in the flow direction of the catalyst exhaust gas behind the heat exchanger and flow together to the anode discharge connection.
Vorteilhafterweise ist in zumindest einem der beiden Teilpfade ein Absperrorgan angeordnet. Besonders vorteilhaft ist in beiden Teilpfaden jeweils ein Absperrorgan angeordnet. Insbesondere kann eine Absperrklappe als Absperrorgan genutzt werden. Dies erlaubt ein einfaches und dennoch präzises Kontrollieren des Katalysator- Abgasstroms aus dem Katalysator und der von ihm mitgeführten Wärmemenge.A shut-off device is advantageously arranged in at least one of the two partial paths. A shut-off device is particularly advantageously arranged in both partial paths. In particular, a butterfly valve can be used as a shut-off device. This allows simple yet precise control of the catalyst exhaust gas flow from the catalyst and the amount of heat carried by it.
Auch ist vorteilhaft, wenn das zumindest eine Absperrorgan in Strömungsrichtung (des Abgases aus dem Katalysator) hinter dem zweiten Wärmetauscher oder dem dritten Wärmetauscher angeordnet ist. Bei zwei Absperrorganen können beide Absperrorgane hinter dem jeweiligen Wärmetauscher angeordnet sein. Dies erlaubt es, vergleichsweise kostengünstige und einfache Absperrorgane einzusetzen, weil sie keinen extrem hohen Temperaturen, wie denen des Abgases hinter dem Katalysator, standhalten müssen. Dagegen ist das Abgas hinter den Wärmetauschern durch den Wärmeaustausch bereits abgekühlt, sodass hier die Temperaturen bereits niedriger ausfallen, wenn auch noch diese Resttemperatur in dem Abgas vorteilhafterweise für einen weiteren Wärmetausch genutzt werden kann. It is also advantageous if the at least one shut-off element is arranged behind the second heat exchanger or the third heat exchanger in the flow direction (of the exhaust gas from the catalytic converter). If there are two shut-off devices, both shut-off devices can be arranged behind the respective heat exchanger. This makes it possible to use comparatively inexpensive and simple shut-off devices because they do not have to withstand extremely high temperatures, such as those of the exhaust gas behind the catalytic converter. In contrast, the exhaust gas behind the heat exchangers has already cooled down due to the heat exchange, so that the temperatures here are already lower, although this residual temperature in the exhaust gas can still be advantageously used for further heat exchange.
Außerdem ist vorteilhaft, wenn ein vierter Wärmetauscher von dem zumindest einen Wärmetauscher (der in der Anodenabführverbindung in Strömungsrichtung hinter dem Katalysatorabführabschnitt angeordnet ist) wärmetechnisch mit einer ersten Zusatzzuführverbindung gekoppelt ist, welche die Kathodenzuführverbindung oder den Kathodenzuführabschnitt mit einem ersten Zusatzzuführanschluss zum Zuführen von Wasser oder Wasserdampf zum Kathodenzuführabschnitt verbindet. Dieser vierte Wärmetauscher kann in Strömungsrichtung ganz besonders hinter dem zweiten Wärmetauscher und/oder dritten Wärmetauscher angeordnet sein. Dadurch kann die nach dem Wärmetausch im zweiten und/oder dritten Wärmetauscher noch enthaltene Restwärme im Abgas in der Anodenabführverbindung genutzt werden, um das am ersten Zusatzzuführanschluss zugeführte Wasser oder den zugeführten Wasserdampf zu erhitzen und dadurch die Effizienz des Brennstoffzellensystems weiter zu steigern. It is also advantageous if a fourth heat exchanger of the at least one heat exchanger (which is arranged in the anode discharge connection in the flow direction behind the catalyst discharge section) is thermally coupled to a first additional supply connection, which connects the cathode supply connection or the cathode supply section with a first additional supply connection for supplying water or water vapor to the cathode feed section. This fourth heat exchanger can be particularly behind the second in the direction of flow Heat exchanger and / or third heat exchanger may be arranged. As a result, the residual heat still contained in the exhaust gas in the anode discharge connection after the heat exchange in the second and/or third heat exchanger can be used to heat the water or the water vapor supplied at the first additional supply connection and thereby further increase the efficiency of the fuel cell system.
Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein und ist vorteilhaft, wenn ein fünfter Wärmetauscher von dem zumindest einen Wärmetauscher (der in der Anodenabführverbindung in Strömungsrichtung hinter dem Katalysatorabführabschnitt angeordnet ist) in der Anodenabführverbindung angeordnet ist und wärmetechnisch mit der Anodenzuführverbindung gekoppelt ist. Dieser fünfte Wärmetauscher kann in Strömungsrichtung ganz besonders hinter dem zweiten Wärmetauscher und/oder dritten Wärmetauscher angeordnet sein. Dadurch kann die nach dem Wärmetausch im zweiten und/oder dritten Wärmetauscher noch enthaltene Restwärme im Abgas in der Anodenabführverbindung genutzt werden, um die in der Anodenzuführverbindung transportierte Luft zu erhitzen und dadurch die Effizienz des Brennstoffzellensystems weiter zu steigern. Additionally or alternatively, it can be provided and is advantageous if a fifth heat exchanger of the at least one heat exchanger (which is arranged in the anode discharge connection in the flow direction behind the catalyst discharge section) is arranged in the anode discharge connection and is thermally coupled to the anode supply connection. This fifth heat exchanger can be arranged particularly behind the second heat exchanger and/or third heat exchanger in the direction of flow. As a result, the residual heat still contained in the exhaust gas in the anode discharge connection after the heat exchange in the second and/or third heat exchanger can be used to heat the air transported in the anode supply connection and thereby further increase the efficiency of the fuel cell system.
Darüber hinaus ist vorteilhaft, wenn ein erster Wärmetauscher in der Anodenzuführverbindung angeordnet ist und in Strömungsrichtung vor dem Katalysatorzuführabschnitt wärmetechnisch mit der Anodenabführverbindung gekoppelt ist. Dadurch kann insbesondere in einem ersten Schritt die Wärme der Katalysator-Abgase mit dem Anodenabgas, insbesondere der abgeführten Luft, aus dem Anodenabführabschnitt genutzt werden, um das Anodengas, insbesondere die zugeführte Luft, zu erwärmen. Dies hat neben dem Erwärmen des Anodengases den Vorteil, dass die Anodenabgase des Anodenabschnitts durch die Wärmeübertragung gekühlt werden, wodurch die Selbstzündungstemperatur des Restgas-Anodenabgas-Gemisches unterschritten wird, welches durch Mischung des Restgases und des Anodenabgases in Strömungsrichtung hinter dem ersten Wärmetauscher erzeugt wird. Denn das Anodenabgas ist sehr sauerstoffreich mit ca. 30% Sauerstoff, da im Brennstoffzellenstapel Sauerstoff von dem Kathodenabschnitt zum Anodenabschnitt diffundiert. Die Absenkung unter die Selbstzündungstemperatur ist insofern zielführend, als dass eine hohe thermische Beanspruchung der Komponenten in dem Brennstoffzellensystem verhindert wird und eine kontrollierte Verbrennung über den anschließend folgenden Katalysator sichergestellt wird. Dabei ist es vorteilhaft, wenn ein zweiter Bypasspfad die Anodenzuführverbindung in Strömungsrichtung vor dem ersten Wärmetauscher mit der Anodenzuführverbindung in Strömungsrichtung hinter dem ersten Wärmetauscher miteinander verbindet, wobei in dem den ersten Wärmetauscher umgehenden zweiten Bypasspfad ein zweites Absperrorgan angeordnet ist und/oder in der Anodenzuführverbindung in Strömungsrichtung hinter einer Abzweigung von der Anodenzuführverbindung zum zweiten Bypasspfad und vor dem ersten Wärmetauscher ein drittes Absperrorgan angeordnet ist. Dadurch wird es der zugeführten Luft in der Anodenzuführverbindung auf einfache Art und Weise ermöglicht, den ersten Wärmetauscher zu umgehen. Ferner ermöglicht dies eine einfache Kontrolle der Temperatur des Anodengases und des Anodenabgases in der jeweiligen Anodenverbindung. In addition, it is advantageous if a first heat exchanger is arranged in the anode feed connection and is thermally coupled to the anode discharge connection in the flow direction upstream of the catalyst feed section. As a result, in particular in a first step, the heat of the catalyst exhaust gases with the anode exhaust gas, in particular the discharged air, from the anode discharge section can be used to heat the anode gas, in particular the supplied air. In addition to heating the anode gas, this has the advantage that the anode exhaust gases of the anode section are cooled by the heat transfer, whereby the self-ignition temperature of the residual gas-anode exhaust gas mixture is undershot, which is generated by mixing the residual gas and the anode exhaust gas in the flow direction behind the first heat exchanger. This is because the anode exhaust gas is very oxygen-rich with approximately 30% oxygen, since oxygen diffuses from the cathode section to the anode section in the fuel cell stack. The reduction below the self-ignition temperature is expedient in that high thermal stress on the components in the fuel cell system is prevented and controlled combustion is ensured via the subsequent catalyst. It is advantageous if a second bypass path connects the anode supply connection in the flow direction in front of the first heat exchanger with the anode supply connection in the flow direction behind the first heat exchanger, with a second shut-off element being arranged in the second bypass path surrounding the first heat exchanger and/or in the anode supply connection Flow direction behind a branch from the anode supply connection to the second bypass path and in front of the first heat exchanger a third shut-off device is arranged. This allows the supplied air in the anode supply connection to easily bypass the first heat exchanger. Furthermore, this enables easy control of the temperature of the anode gas and the anode exhaust gas in the respective anode connection.
Dabei kann vorteilhafterweise in dem zweiten Bypasspfad eine erste Heizeinrichtung angeordnet werden. Die erste Heizeinrichtung kann insbesondere ein elektrischer Heizer sein. So lässt sich die Temperatur des zugeführte Anodengases noch weiter steigern, um den Brennstoffzellenstapel betriebspunktoptimiert zu betreiben. A first heating device can advantageously be arranged in the second bypass path. The first heating device can in particular be an electric heater. In this way, the temperature of the supplied anode gas can be increased even further in order to operate the fuel cell stack in an optimized operating point.
Außerdem ist vorteilhafterweise die Anodenabführverbindung in Strömungsrichtung vor dem Katalysatorzuführabschnitt mittels eines ersten Bypasspfads mit der Anodenzuführverbindung verbunden. So lässt sich zusätzlich zu der bereits erfolgenden Mischung vor dem Katalysator, bei der die sauerstoffreiche Abluft des Anodenabgases aus dem Anodenabführabschnitt mit dem Restgas vermischt wird, zusätzliche, kühle Luft für die katalytische Verbrennung in den Katalysator einbringen und damit auch zur Kühlung nutzen. Dabei ist vorteilhafterweise in dem ersten Bypasspfad ein erstes Absperrorgan angeordnet. Dies ermöglicht das Kontrollieren der Menge der zugeführten zusätzlichen Luft. In addition, the anode discharge connection is advantageously connected to the anode supply connection in the flow direction upstream of the catalyst supply section by means of a first bypass path. In addition to the mixing that already occurs upstream of the catalytic converter, in which the oxygen-rich exhaust air of the anode exhaust gas from the anode discharge section is mixed with the residual gas, additional, cool air can be introduced into the catalytic converter for the catalytic combustion and thus also used for cooling. A first shut-off element is advantageously arranged in the first bypass path. This allows the amount of additional air supplied to be controlled.
Vorteilhaft ist ferner, wenn der Katalysator als ein Oxidationskatalysator ausgebildet ist. Ein Oxidationskatalysator kann eine Oxidation von Schadstoffen wie Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen vornehmen, er kann aber keine Reduktion von Stickoxiden vornehmen. Mithilfe eines Oxidationskatalysators lässt sich die im Restgas enthaltene Energie in Form von Wärme nutzen, wobei auch der noch im Abgas vorhandene Wasserstoff umgewandelt wird. It is also advantageous if the catalyst is designed as an oxidation catalyst. An oxidation catalyst can oxidize pollutants such as carbon monoxide and hydrocarbons, but cannot reduce nitrogen oxides. With the help of an oxidation catalyst, the energy contained in the residual gas can be used in the form of heat, whereby the hydrogen still present in the exhaust gas is also converted.
Schließlich ist es vorteilhaft, wenn das Brennstoffzellensystem ferner einen ersten Zusatzzuführanschluss zum Bereitstellen von erhitztem Wasserdampf aufweist, welches bei der Kühlung im Syntheseprozess des von dem Brennstoffzellenstapel er- zeugten Synthesegases erhitzt wird. Entsprechend wird für eine Effizienzoptimierung des Brennstoffzellensystems nicht nur das Restgas aus dem Syntheseprozess, sondern auch beim Kühlen während des Syntheseprozesses anfallender erhitzter Wasserdampf nutzbar gemacht, wodurch eine doppelte und synergetische Effizienzoptimierung der Hochtemperaturelektrolyse erzielt wird. Finally, it is advantageous if the fuel cell system also has a first additional supply connection for providing heated water vapor, which is used during cooling in the synthesis process of the fuel produced by the fuel cell stack. produced synthesis gas is heated. Accordingly, to optimize the efficiency of the fuel cell system, not only the residual gas from the synthesis process, but also the heated water vapor generated during cooling during the synthesis process is made usable, whereby a double and synergistic efficiency optimization of the high-temperature electrolysis is achieved.
Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzellenanlage mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und einem Synthesesystem mit einer Syntheseanlage. Dabei ist der Kathodenabführanschluss mittels einer Synthesegaszuführverbindung fluidtechnisch mit der Syntheseanlage gekoppelt. Auch ist die Syntheseanlage zur Synthese des von dem Brennstoffzellenstapel erzeugten und mittels der Synthesegaszuführverbindung zugeführten Synthesegases eingerichtet. Schließlich ist die Syntheseanlage mittels einer Restgasabführverbindung zum Bereitstellen von Restgas fluidtechnisch mit dem Restgaszuführanschluss gekoppelt.The present invention also relates to a fuel cell system with a fuel cell system according to the invention and a synthesis system with a synthesis system. The cathode discharge connection is fluidly coupled to the synthesis system by means of a synthesis gas supply connection. The synthesis system is also set up to synthesize the synthesis gas generated by the fuel cell stack and supplied by means of the synthesis gas supply connection. Finally, the synthesis system is fluidly coupled to the residual gas supply connection by means of a residual gas discharge connection for providing residual gas.
Die Brennstoffzellenanlage ist im Rahmen der Erfindung insbesondere als Gesamtanlage zu verstehen, welche bevorzugt als sogenannte „Power-to-Liquid-Anlage“ oder PtL-Anlage ausgebildet ist. Within the scope of the invention, the fuel cell system is to be understood in particular as a complete system, which is preferably designed as a so-called “power-to-liquid system” or PtL system.
Damit bringt eine erfindungsgemäßes Brennstoffzellenanlage die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem erläutert worden sind. A fuel cell system according to the invention therefore brings with it the same advantages as have been explained in detail with reference to the fuel cell system according to the invention.
Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Erzeugen von Synthesegas mittels eines Brennstoffzellensystems, insbesondere des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems und ferner ganz besonders mittels der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanlage, aufweisend die Schritte: The present invention also relates to a method for producing synthesis gas by means of a fuel cell system, in particular the fuel cell system according to the invention and further in particular by means of the fuel cell system according to the invention, comprising the steps:
- Zuführen von aus einem Syntheseprozess, bei dem Synthesegas in Kohlenwasserstoffe umgesetzt wird, abgeschiedenen Restgases zu einem Katalysator eines Brennstoffzellensystems, - supplying residual gas separated from a synthesis process in which synthesis gas is converted into hydrocarbons to a catalyst of a fuel cell system,
- katalytisches Verbrennen des Restgases mittels eines Katalysators des Brennstoffzellensystems, - catalytic combustion of the residual gas using a catalyst of the fuel cell system,
- Übertragen von Wärme eines Katalysator-Abgasstroms der katalytischen Verbrennung mittels zumindest eines Wärmetauschers an ein Anodengas und/oder ein Kathodengas, - Zuführen des Anodengases, des Kathodengases und von elektrischem Strom zu einem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems, und - transferring heat from a catalyst exhaust gas stream of the catalytic combustion to an anode gas and/or a cathode gas by means of at least one heat exchanger, - supplying the anode gas, the cathode gas and electric current to a fuel cell stack of the fuel cell system, and
- Erzeugen des Synthesegases mittels des Brennstoffzellenstapels aus dem zugeführten Anodengas, Kathodengas und elektrischem Strom. - Generating the synthesis gas using the fuel cell stack from the supplied anode gas, cathode gas and electric current.
Damit bringt ein erfindungsgemäßes Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem erläutert worden sind. A method according to the invention therefore brings with it the same advantages as have been explained in detail with reference to the fuel cell system according to the invention.
Insbesondere kann das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem und/oder die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanlage zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet bzw. ausgebildet sein. In particular, the fuel cell system according to the invention and/or the fuel cell system according to the invention can be set up or designed to carry out the method according to the invention.
Unter dem Anodengas wird das zum Anodenabschnitt zugeführte Gas, also insbesondere Luft oder Sauerstoff, verstanden. Dies schließt das Anodenabgas, also das vom Anodenabschnitt abgeführte Abgas, insbesondere Luft und/oder Sauerstoff, aus. Unter dem Kathodengas wird das zum Kathodenabschnitt zugeführte Gas, insbesondere Kohlenstoffdioxid, Wasserdampf und/oder ein Schutzgas, verstanden. Dies schließt das Kathodenabgas, also das vom Kathodenabschnitt abgeführte synthetische Gas, aus. The anode gas is understood to mean the gas supplied to the anode section, i.e. in particular air or oxygen. This excludes the anode exhaust gas, i.e. the exhaust gas discharged from the anode section, in particular air and/or oxygen. The cathode gas is understood to mean the gas supplied to the cathode section, in particular carbon dioxide, water vapor and/or a protective gas. This excludes the cathode exhaust gas, i.e. the synthetic gas removed from the cathode section.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Katalysator-Abgasstrom der katalytischen Verbrennung in zwei Teilpfade aufgeteilt wird und in einem ersten Teilpfad der beiden Teilpfade mittels eines zweiten Wärmetauschers von dem zumindest einen Wärmetauscher Wärme an das Anodengas übertragen wird und in einem zweiten Teilpfad der beiden Teilpfade mittels eines dritten Wärmetauschers von dem zumindest einen Wärmetauscher Wärme an das Kathodengas übertragen wird. Dies erlaubt das bereits oben angesprochene Kontrollieren von Wärmemengenabgaben, nämlich zwischen der Anoden- und Kathodenzuführverbindung. It has proven to be advantageous if the catalyst exhaust gas stream of the catalytic combustion is divided into two sub-paths and in a first sub-path of the two sub-paths heat is transferred from the at least one heat exchanger to the anode gas by means of a second heat exchanger and in a second sub-path of the two Partial paths by means of a third heat exchanger from which at least one heat exchanger heat is transferred to the cathode gas. This allows the control of heat release as already mentioned above, namely between the anode and cathode supply connection.
Dabei ist vorteilhaft, wenn der Katalysator-Abgasstrom in den beiden Teilpfäden jeweils mittels eines Absperrorgans in jedem der beiden Teilpfade hinter dem jeweiligen Wärmetauscher des jeweiligen Teilpfades kontrolliert wird. It is advantageous if the catalyst exhaust gas flow in the two partial paths is controlled by means of a shut-off device in each of the two partial paths behind the respective heat exchanger of the respective partial path.
Auch ist vorteilhaft, wenn der Katalysator-Abgasstrom in den beiden Teilpfaden nach Wärmeübertragung an das Anodengas und Kathodengas wieder zusammengeführt wird. Dies erlaubt es, den Katalysator-Abgasstrom gemeinsam am Anodenabführanschluss abzuführen. It is also advantageous if the catalyst exhaust gas stream is brought together again in the two partial paths after heat transfer to the anode gas and cathode gas becomes. This allows the catalyst exhaust gas stream to be discharged together at the anode discharge connection.
Schließlich ist es bevorzugt, dass der zusammengeführte Katalysator-Abgasstrom für eine weitere Wärmeübertragung durch einen vierten Wärmetauscher zum Erwärmen von dem Brennstoffzellensystem zugeführten Wasser oder Wasserdampfs und/oder durch einen fünften Wärmetauscher zum Erwärmen des Anodengases strömt. Dies ermöglicht es, eine noch verbleibende Restwärme in dem Katalysator-Abgasstrom zu nutzen, um den Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems noch weiter zu steigern.Finally, it is preferred that the combined catalyst exhaust gas stream flows for further heat transfer through a fourth heat exchanger for heating water or water vapor supplied to the fuel cell system and/or through a fifth heat exchanger for heating the anode gas. This makes it possible to use any remaining heat in the catalyst exhaust gas stream to further increase the efficiency of the fuel cell system.
Vorteilhaft ist ferner, wenn das Restgas vor dem Katalysatorzuführabschnitt mit Anodenabgas des Brennstoffzellenstapels zu einem Restgas-Anodenabgas-Gemisch vermischt wird. Die sauerstoffreichte Luft des Anodenabgases kann so die Temperatur des Restgas-Anodenabgas-Gemisches anheben und zur kontrollierten katalytischen Verbrennung genutzt werden. It is also advantageous if the residual gas is mixed with anode exhaust gas of the fuel cell stack before the catalyst feed section to form a residual gas-anode exhaust gas mixture. The oxygen-rich air of the anode exhaust gas can thus raise the temperature of the residual gas-anode exhaust gas mixture and be used for controlled catalytic combustion.
Dabei ist vorteilhaft, wenn das Anodenabgas vor dem Vermischen mit dem Restgas mittels eines ersten Wärmetauschers Wärme an das zugeführte Anodengas überträgt. Dadurch kann einerseits das zugeführte Anodengas mit der Luft erwärmt werden und andererseits das Anodenabgas mit der Luft abgekühlt werden, insbesondere unter die Selbstzündungstemperatur des Restgas-Anodenabgas-Gemisches. It is advantageous if the anode exhaust gas transfers heat to the supplied anode gas by means of a first heat exchanger before it is mixed with the residual gas. As a result, on the one hand, the supplied anode gas can be heated with the air and, on the other hand, the anode exhaust gas can be cooled with the air, in particular below the self-ignition temperature of the residual gas-anode exhaust gas mixture.
Ferner ist vorteilhaft, wenn dem Restgas-Anodenabgas-Gemisch Anodengas beigemischt wird. Dies kann durch den zuvor erwähnten ersten Bypasspfad erfolgen. So kann die Luftmenge durch Anodengas enthaltend Frischluft in dem Restgas- Anodenabgas-Gemisch weiter erhöht werden. It is also advantageous if anode gas is added to the residual gas-anode exhaust gas mixture. This can be done through the first bypass path mentioned previously. The amount of air can thus be further increased by anode gas containing fresh air in the residual gas-anode exhaust gas mixture.
Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn das Restgas-Anodenabgas-Gemisch eine Temperatur im Bereich von 300 bis 550 °C, insbesondere im Bereich von 400 bis 500 °C, aufweist. Dies bezieht sich auf die Temperatur am Katalysatorzuführabschnitt. In diesem Temperaturbereich hat sich die höchste Effizienzsteigerung beim Erzeugen des Synthesegases beobachten lassen. It has proven to be advantageous if the residual gas-anode exhaust gas mixture has a temperature in the range from 300 to 550 °C, in particular in the range from 400 to 500 °C. This refers to the temperature at the catalyst supply section. The highest increase in efficiency when producing the synthesis gas was observed in this temperature range.
Vorteilhaft ist, wenn die Katalysator-Abgase der katalytischen Verbrennung eine Temperatur im Bereich von 800 bis 1.000 °C, insbesondere im Bereich von 850 °C bis 950 °C, aufweisen. Dies bezieht sich auf die Temperatur am Katalysatorabführabschnitt. In diesem Temperaturbereich hat sich die höchste Effizienzsteigerung beim Erzeugen des Synthesegases beobachten lassen. Vorteilhafterweise wird das erzeugte Synthesegas dem Syntheseprozess zugeführt, aus dem das Restgas abgeschieden und dem Katalysator zugeführt wird. It is advantageous if the catalyst exhaust gases from the catalytic combustion have a temperature in the range from 800 to 1,000 °C, in particular in the range from 850 °C to 950 °C. This refers to the temperature at the catalyst discharge section. The highest increase in efficiency when producing the synthesis gas was observed in this temperature range. Advantageously, the synthesis gas produced is fed to the synthesis process, from which the residual gas is separated and fed to the catalyst.
Vorteilhaft ist außerdem, wenn der Syntheseprozess ein Fischer-Tropsch-Prozess ist. Die Kopplung von Hochtemperaturelektrolyse, insbesondere Hochtemperatur-Co- Elektrolyse, und Fischer-Tropsch-Synthese (kurz FTS) hat sich als besonders vielversprechende Variante für die Herstellung unterschiedlicher Kohlenwasserstoffe gezeigt. Bei der FTS wird aus der Hochtemperatur-Co-Elektrolyse entstandenes Synthesegas bei vergleichsweise moderateren Temperaturen, insbesondere im Temperaturbereich von 200 bis 300 °C, und erhöhten Drücken, insbesondere im Druckbereich von 10 bis 30 bar, mithilfe eines Katalysators, insbesondere Co- oder Fe- basiert, zu Kohlenwasserstoffmolekülen mit verschiedenen Kettenlängen umgesetzt. Der FTS-Prozess ist stark exotherm. Um die Temperatur in dem angegebenen Temperaturbereich halten zu können, kann über die Länge eines Reaktors in der Syntheseanlage gekühlt werden. Die Kühlung kann dabei mit Wasserverdampfung beim angegebenen Druckniveau erfolgen. Der Wasserdampf kann im Anschluss für weitere Prozessschritte sowie, wie zuvor erwähnt, für die Hochtemperaturelektrolyse selbst durch Zuführen des Wasserdampfes zum Kathodengas genutzt werden. Die bei FTS entstehende Kohlenwasserstoff-Kettenlängenverteilung wird über eine Kettenwachstumswahrscheinlichkeit beschrieben (bei hoher Kettenwachstumswahrscheinlichkeit große Moleküle und damit Verschiebung in Richtung Flüssigkraftstoffe). Das Synthesegas wird dabei jedoch nicht zur Gänze umgesetzt. Außerdem entstehen je nach Kettenwachstumswahrscheinlichkeit kurzkettige Moleküle, die nicht als Flüssigkraftstoff genutzt werden können. Das nicht umgesetzte Synthesegas und die entstehenden kurzkettigen Kohlenwasserstoffe können in der Produktaufbereitung als das Restgas abgeschieden werden. Während das Restgas zum Teil in die FTS rezirkuliert werden kann, muss teilweise ausgetragen werden. Insbesondere der ausgetragene Teil des Restgases wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren genutzt. It is also advantageous if the synthesis process is a Fischer-Tropsch process. The coupling of high-temperature electrolysis, in particular high-temperature co-electrolysis, and Fischer-Tropsch synthesis (FTS for short) has proven to be a particularly promising variant for the production of different hydrocarbons. In FTS, synthesis gas resulting from high-temperature co-electrolysis is produced at comparatively moderate temperatures, particularly in the temperature range of 200 to 300 °C, and elevated pressures, particularly in the pressure range of 10 to 30 bar, using a catalyst, in particular Co- or Fe - based, converted into hydrocarbon molecules with different chain lengths. The FTS process is highly exothermic. In order to be able to maintain the temperature in the specified temperature range, cooling can be carried out along the length of a reactor in the synthesis plant. Cooling can be done with water evaporation at the specified pressure level. The water vapor can then be used for further process steps and, as mentioned above, for the high-temperature electrolysis itself by supplying the water vapor to the cathode gas. The hydrocarbon chain length distribution resulting from FTS is described by a chain growth probability (with a high chain growth probability, large molecules and thus a shift towards liquid fuels). However, the synthesis gas is not completely converted. In addition, depending on the probability of chain growth, short-chain molecules are created that cannot be used as liquid fuel. The unreacted synthesis gas and the resulting short-chain hydrocarbons can be separated out as the residual gas in product processing. While some of the residual gas can be recirculated into the FTS, some of it must be discharged. In particular, the discharged part of the residual gas is used in the process according to the invention.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschreiben sind. Es zeigen schematisch: Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description, in which exemplary embodiments are described in detail with reference to the drawings. It shows schematically:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanlage, Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanlage, 1 shows a first embodiment of a fuel cell system according to the invention, 2 shows a second embodiment of a fuel cell system according to the invention,
Fig. 3 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanlage, und 3 shows a third embodiment of a fuel cell system according to the invention, and
Fig. 4 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Fig. 4 shows an embodiment of a method according to the invention.
Identische oder funktionsgleiche Elemente sind in den Figuren 1 bis 4 jeweils mit demselben Bezugszeichen bezeichnet. Identical or functionally identical elements are each designated with the same reference numeral in Figures 1 to 4.
Figur 1 zeigt schematisch eine Brennstoffzellenanlage 30 umfassend ein Brennstoffzellensystem 10 mit einem Brennstoffzellenstapel 100 sowie ein Synthesesystem 20 mit einer Syntheseanlage 900. Das Brennstoffzellensystem 10 und das Synthesesystem 20 sind fluidtechnisch miteinander gekoppelt, wie später näher erläutert wird. Figure 1 shows schematically a fuel cell system 30 comprising a fuel cell system 10 with a fuel cell stack 100 and a synthesis system 20 with a synthesis system 900. The fuel cell system 10 and the synthesis system 20 are fluidly coupled to one another, as will be explained in more detail later.
Beispielhaft ist in der Fig. 1 nur ein Brennstoffzellenstapel 100 gezeigt. Gleichwohl ist es möglich, mehrere Brennstoffzellenstapel 100 vorzusehen. Der Brennstoffzellenstapel 100 weist einen Kathodenabschnitt 110 mit einem Kathodenzuführabschnitt 112 und einem Kathodenabführabschnitt 114 auf. Ferner weist der Brennstoffzellenstapel 100 einen Anodenabschnitt 120 mit einem Anodenzuführabschnitt 122 und einem Anodenabführabschnitt 124 auf. An dem Brennstoffzellenstapel 100 ist eine Stromversorgungsquelle 130 angeschlossen, die Strom aus erneuerbaren Energien bereitstellt. Der Brennstoffzellenstapel 100 ist vorliegend als ein Festoxid- Brennstoffzellenstapel ausgebildet und wird im Elektrolysemodus zur Hochtempera- tur-Co-Elektrolyse verwendet. As an example, only one fuel cell stack 100 is shown in FIG. Nevertheless, it is possible to provide several fuel cell stacks 100. The fuel cell stack 100 has a cathode section 110 with a cathode supply section 112 and a cathode discharge section 114. Furthermore, the fuel cell stack 100 has an anode section 120 with an anode supply section 122 and an anode discharge section 124. A power supply source 130, which provides electricity from renewable energies, is connected to the fuel cell stack 100. The fuel cell stack 100 is in the present case designed as a solid oxide fuel cell stack and is used in the electrolysis mode for high-temperature co-electrolysis.
Mittels eines Anodengasanschlusses 202 wird dabei Anodengas in Form von Frischluft in dem Brennstoffzellensystem 10 bereitgestellt. Das Anodengas wird über eine Anodenzuführverbindung 200, die mit dem Anodengasanschluss 202 und dem Anodenzuführabschnitt 122 fluidtechnisch gekoppelt ist, an dem Brennstoffzellenstapel 100 zur Elektrolyse bereitgestellt. In der Anodenzuführverbindung 200 sind dabei eine Filtereinrichtung 204, insbesondere in Form eines Luftfilters, zur Luftfilterung sowie ein Gebläse 206 für den Transport des Anodengases angeordnet. Anode gas in the form of fresh air is provided in the fuel cell system 10 by means of an anode gas connection 202. The anode gas is provided to the fuel cell stack 100 for electrolysis via an anode supply connection 200, which is fluidly coupled to the anode gas connection 202 and the anode supply section 122. A filter device 204, in particular in the form of an air filter, for air filtering and a blower 206 for transporting the anode gas are arranged in the anode supply connection 200.
In der Anodenzuführverbindung 200 ist in Strömungsrichtung des Anodengases von dem Anodengasanschluss 202 zum Anodenzuführabschnitt 122 hinter der Filterein- richtung 204 und dem Gebläse 206 ein erster Wärmetauscher 220 angeordnet. Der erste Wärmetauscher 220 wird zum Wärmeaustausch mit einem warmen Anodenabgas, insbesondere in Form von vom Anodenabschnitt 120 abgeführter Abluft, aus dem Brennstoffzellenstapel 100 genutzt. Dazu ist der erste Wärmetauscher 220 mit einer Anodenabführverbindung 300 wärmetechnisch vor einem Katalysator 404 in Form eines Oxidationskatalysators gekoppelt. Die Anodenabführverbindung 300 verbindet den Anodenabführabschnitt 124 fluidtechnisch mit einem Anodenabführanschluss 316. In the anode supply connection 200, in the flow direction of the anode gas from the anode gas connection 202 to the anode supply section 122 behind the filter insert. direction 204 and the fan 206, a first heat exchanger 220 is arranged. The first heat exchanger 220 is used for heat exchange with a warm anode exhaust gas, in particular in the form of exhaust air removed from the anode section 120, from the fuel cell stack 100. For this purpose, the first heat exchanger 220 is thermally coupled to an anode discharge connection 300 in front of a catalyst 404 in the form of an oxidation catalyst. The anode discharge connection 300 fluidly connects the anode discharge section 124 to an anode discharge connection 316.
Der Katalysator 404 ist in der Anodenabführverbindung 300 in Strömungsrichtung des Anodenabgases hinter dem ersten Wärmetauscher 220 angeordnet und mittels einer Restgaszuführverbindung 400 fluidtechnisch mit einem Restgasanschluss 402 gekoppelt. Der Restgasanschluss 402 bezieht Restgas aus der Syntheseanlage 900, wie später näher beschrieben wird. Vor einem Katalysatorzuführabschnitt 406 sind die Restgaszuführverbindung 400 und die Anodenabführverbindung 300 fluidtechnisch miteinander verbunden. Das für den Katalysator 404 bereitgestellte Restgas wird demnach mit dem Anodenabgas in der Anodenabführverbindung 300 zu einem Restgas-Anodenabgas-Gemisch, insbesondere Restgas-Luft-Gemisch, vermischt, bevor es zum Katalysatorzuführabschnitt 406 gelangt und wird dann von dem Katalysator 404 katalytisch verbrannt. Aus dem Katalysatorabführabschnitt 408 treten heiße Katalysator-Abgase mit einer Temperatur im Bereich von 800 bis 1000 °C, insbesondere um ca. 950 °C, aus. The catalyst 404 is arranged in the anode discharge connection 300 in the flow direction of the anode exhaust gas behind the first heat exchanger 220 and is fluidly coupled to a residual gas connection 402 by means of a residual gas supply connection 400. The residual gas connection 402 receives residual gas from the synthesis system 900, as will be described in more detail later. In front of a catalyst supply section 406, the residual gas supply connection 400 and the anode discharge connection 300 are fluidly connected to one another. The residual gas provided for the catalyst 404 is therefore mixed with the anode exhaust gas in the anode discharge connection 300 to form a residual gas-anode exhaust gas mixture, in particular a residual gas-air mixture, before it reaches the catalyst feed section 406 and is then catalytically burned by the catalyst 404. Hot catalyst exhaust gases with a temperature in the range from 800 to 1000 ° C, in particular around 950 ° C, emerge from the catalyst discharge section 408.
Ein erster Bypasspfad 208 mit darin angeordnetem ersten Absperrorgan 210 verbindet die Anodenzuführverbindung 200 in Strömungsrichtung des Anodengases vor dem ersten Wärmetauscher 220 mit der Anodenabführverbindung 300 vor dem Katalysatorzuführabschnitt 406 und erlaubt es somit, den Luftanteil des Restgas- Anodenabgas-Gemisches vor dem Eintritt in den Katalysator 404 weiter zu erhöhen.A first bypass path 208 with a first shut-off element 210 arranged therein connects the anode supply connection 200 in the flow direction of the anode gas in front of the first heat exchanger 220 with the anode discharge connection 300 in front of the catalyst supply section 406 and thus allows the air portion of the residual gas-anode exhaust gas mixture to be removed before entering the catalyst 404 to increase further.
Hierneben ist ein zweiter Bypasspfad 212 mit zweitem Absperrorgan 214 vorgesehen, der die Anodenzuführverbindung 200 in Strömungsrichtung des Anodengases vor dem ersten Wärmetauscher 220 mit der Anodenzuführverbindung 200 in Strömungsrichtung des Anodengases hinter dem ersten Wärmetauscher 220 verbindet und es dadurch ermöglicht, die Temperatur des Restgas-Anodenabgas-Gemisches vor dem Katalysator 404 mittels Regulierung der den ersten Wärmetauscher 220 durchströmenden Anodengasmenge zu kontrollieren. Ferner ist in Strömungsrichtung vor dem zweiten Wärmetauscher 220 und hinter dem zweiten Bypasspfad 212 ein drittes Absperrorgan 218 angeordnet. In addition, a second bypass path 212 with a second shut-off element 214 is provided, which connects the anode supply connection 200 in the flow direction of the anode gas in front of the first heat exchanger 220 with the anode supply connection 200 in the flow direction of the anode gas behind the first heat exchanger 220 and thereby makes it possible to control the temperature of the residual gas anode exhaust gas -To control the mixture in front of the catalytic converter 404 by regulating the amount of anode gas flowing through the first heat exchanger 220. Furthermore, it is in the direction of flow A third shut-off element 218 is arranged in front of the second heat exchanger 220 and behind the second bypass path 212.
Die heißen Katalysator-Abgase strömen in der Anodenabführverbindung 300 durch zwei einzelne Teilpfade 302, 308, in die sich die Anodenabführverbindung 300 in Strömungsrichtung des Katalysator-Abgases hinter dem Katalysatorabführabschnitt 408 aufteilt. In dem ersten Teilpfad 302 befindet sich ein zweiter Wärmetauscher 304, der wärmetechnisch mit der Anodenzuführverbindung 200 gekoppelt ist. Dies erlaubt es, die Wärme des Katalysator-Abgases an das Anodengas vor dem Anodenzuführabschnitt 122 abzugeben. Hinter dem zweiten Wärmetauscher 304 befindet sich ein viertes Absperrorgan 306 zur Kontrolle des Katalysator-Abgasstroms in dem ersten Teilpfad 302. The hot catalyst exhaust gases flow in the anode discharge connection 300 through two individual partial paths 302, 308, into which the anode discharge connection 300 is divided in the flow direction of the catalyst exhaust gas behind the catalyst discharge section 408. In the first partial path 302 there is a second heat exchanger 304, which is thermally coupled to the anode supply connection 200. This allows the heat of the catalyst exhaust gas to be delivered to the anode gas before the anode supply section 122. Behind the second heat exchanger 304 there is a fourth shut-off element 306 for controlling the catalyst exhaust gas flow in the first partial path 302.
In dem zweiten Teilpfad 308 befindet sich ein dritter Wärmetauscher 310 mit einem in Strömungsrichtung des Katalysator-Abgases dahinter angeordneten fünften Absperrorgan 312. Der dritte Wärmetauscher 310 ist wärmetechnisch mit einer Katho- denzuführverbindung 500 gekoppelt. Die Kathodenzuführverbindung 500 verbindet einen Kathodenzuführanschluss 502 fluidtechnisch mit dem Kathodenzuführabschnitt 112. In der Kathodenzuführverbindung 500 wird Kathodengas, insbesondere Kohlenstoffdioxid, aus dem Kathodenzuführanschluss 502 zum Kathodenzuführabschnitt 112 zugeführt. In Strömungsrichtung des Anodengases vor dem Kathodenabschnitt 110 ist in der Kathodenzuführverbindung 500 ein Ejektor 504 angeordnet. Ferner ist in Strömungsrichtung des Anodengases hinter dem Ejektor 504 eine zweite Heizeinrichtung 506, vorliegend in Form eines elektrischen Heizers, angeordnet. Durch den dritten Wärmetauscher 310 lässt sich das Kathodengas mit der Wärme aus dem Katalysator-Abgas erwärmen. In the second partial path 308 there is a third heat exchanger 310 with a fifth shut-off element 312 arranged behind it in the flow direction of the catalyst exhaust gas. The third heat exchanger 310 is thermally coupled to a cathode supply connection 500. The cathode supply connection 500 fluidly connects a cathode supply connection 502 to the cathode supply section 112. In the cathode supply connection 500, cathode gas, in particular carbon dioxide, is supplied from the cathode supply connection 502 to the cathode supply section 112. An ejector 504 is arranged in the cathode supply connection 500 in the direction of flow of the anode gas in front of the cathode section 110. Furthermore, a second heating device 506, in the present case in the form of an electric heater, is arranged behind the ejector 504 in the flow direction of the anode gas. Through the third heat exchanger 310, the cathode gas can be heated with the heat from the catalyst exhaust gas.
In Strömungsrichtung des Katalysator-Abgases hinter dem zweiten Wärmetauscher 304 und dem dritten Wärmetauscher 310 befindet sich in der Ausführungsform der Fig. 1 in der Anodenabführverbindung 300 ein vierter Wärmetauscher 314. Der vierte Wärmetauscher 314 ist wärmetechnisch mit einer ersten Zusatzzuführverbindung 700 gekoppelt, die einen ersten Zusatzzuführanschluss 702 mit der Kathodenzuführverbindung 500 fluidtechnisch verbindet. Von dem ersten Zusatzzuführanschluss 702 wird für die Hochtemperatur-Co-Elektrolyse Wasser oder Wasserdampf bereitgestellt, welches durch den vierten Wärmetauscher 314 erwärmt wird und zur Kathodenzuführverbindung 500 strömt. Mittels einer Kathodenabführverbindung 600, die fluidtechnisch den Kathodenab- führabschnitt 114 mit einem Kathodenabführanschluss 612 verbindet, wird Katho- denabgas in Form des durch die Hochtemperatur-Co-Elektrolyse erzeugten Synthesegases, aufweisend Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid, zum Synthesesystem 20 abgeführt. In der Kathodenabführverbindung 600 sind dabei beispielhaft zwei Wärmetauscher 608, 610, nämlich ein sechster Wärmetauscher 608 und ein siebter Wärmetauscher 610 wärmetechnisch angeordnet und wärmetechnisch mit der Ka- thodenzuführverbindung 500 gekoppelt, um Wärme von dem Synthesegas auf das Kathodengas zu übertragen und so die Effizienz des Brennstoffzellensystems 10 zu erhöhen. In the flow direction of the catalyst exhaust gas behind the second heat exchanger 304 and the third heat exchanger 310 there is a fourth heat exchanger 314 in the anode discharge connection 300 in the embodiment of FIG Additional feed connection 702 fluidly connects to the cathode feed connection 500. From the first additional supply connection 702, water or water vapor is provided for the high-temperature co-electrolysis, which is heated by the fourth heat exchanger 314 and flows to the cathode supply connection 500. By means of a cathode discharge connection 600, which fluidly connects the cathode discharge section 114 to a cathode discharge connection 612, cathode exhaust gas in the form of the synthesis gas generated by the high-temperature co-electrolysis, comprising hydrogen and carbon monoxide, is discharged to the synthesis system 20. In the cathode discharge connection 600, for example, two heat exchangers 608, 610, namely a sixth heat exchanger 608 and a seventh heat exchanger 610, are thermally arranged and thermally coupled to the cathode supply connection 500 in order to transfer heat from the synthesis gas to the cathode gas and thus increase the efficiency of the Fuel cell system 10 to increase.
Eine zweite Zusatzzuführverbindung 800 verbindet einen zweiten Zusatzzuführanschluss 802 zum Zuführen eines Schutzgases fluidtechnisch mit der Kathodenzu- führverbindung 500. Dabei teilt sich die zweite Zusatzzuführverbindung 800 hier beispielhaft in zwei Teilpfade 804, 806, nämlich einen dritten Teilpfad 806 und einen vierten Teilpfad 806, auf. Der dritte Teilpfad 804 führt zur Anodenzuführverbindung 500 in Strömungsrichtung vor dem Ejektor 504 und insbesondere vor den Wärmetauschern 608, 610, während der vierte Teilpfad 806 zum Ejektor 504 führt. Ein dritter Bypasspfad 602 führt von dem Kathodenabführabschnitt 600 zum vierten Teilpfad 806 vor dem Ejektor 504. In dem dritten Bypasspfad 602 sind eine Düse 604, insbesondere eine Venturidüse, und ein sechstes Absperrorgan 606, insbesondere ein Ventil, angeordnet. A second additional supply connection 800 fluidly connects a second additional supply connection 802 for supplying a protective gas to the cathode supply connection 500. Here, the second additional supply connection 800 is divided here, for example, into two sub-paths 804, 806, namely a third sub-path 806 and a fourth sub-path 806. The third sub-path 804 leads to the anode supply connection 500 in the flow direction upstream of the ejector 504 and in particular in front of the heat exchangers 608, 610, while the fourth sub-path 806 leads to the ejector 504. A third bypass path 602 leads from the cathode discharge section 600 to the fourth partial path 806 in front of the ejector 504. A nozzle 604, in particular a Venturi nozzle, and a sixth shut-off element 606, in particular a valve, are arranged in the third bypass path 602.
Der gemäß der vorstehend beschriebenen Art und Weise mit Anodengas, umfassend Luft, und Kathodengas, umfassend Kohlenstoffdioxid, Wasserdampf und Schutzgas, versorgte Brennstoffzellenstapel 100 erzeugt im Elektrolysemodus durch Hochtem- peratur-Co-Elektrolyse das Kathodenabgas in Form von Synthesegas, umfassend Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid, und das Anodenabgas, umfassend Abluft. Das Anodenabgas wird durch den Katalysator 404 zusammen mit Restgas katalytisch verbrannt, sodass vom Brennstoffzellensystem 10 an dem Anodenabführanschluss 316 Katalysator-Abgase abgeschieden werden. The fuel cell stack 100, supplied in the manner described above with anode gas, comprising air, and cathode gas, comprising carbon dioxide, water vapor and protective gas, generates the cathode exhaust gas in the form of synthesis gas, comprising hydrogen and carbon monoxide, in the electrolysis mode by high-temperature co-electrolysis. and the anode exhaust gas, comprising exhaust air. The anode exhaust gas is catalytically burned by the catalyst 404 together with residual gas, so that catalyst exhaust gases are separated from the fuel cell system 10 at the anode discharge port 316.
Das Synthesegas wird durch eine Synthesegaszuführverbindung 906, die einen Synthesezuführabschnitt 902 der Syntheseanlage 900 fluidtechnisch mit dem Kathodenabführanschluss 612 verbindet, an der Syntheseanlage 900 des Synthesesystems 20 bereitgestellt. In einem dortigen, nicht explizit gezeigten Reaktor durchläuft es ei- nen Syntheseprozess, insbesondere einen Fischer-Tropsch-Syntheseprozess, und wird zur synthetischen Kohlenwasserstoffen umgesetzt. Die Kohlenwasserstoffe werden über eine mit einem Syntheseabführabschnitt 904 fluidtechnisch verbundene Kohlenwasserstoffabführverbindung 908 abgeführt. Es verbleiben jedoch nicht beim Syntheseprozess umgesetztes Synthesegas sowie kurzkettige Kohlenwasserstoffe, welche teilweise dem Syntheseprozess zurück zugeführt werden können und teilweise als Restgase mittels einer Restgasabführverbindung 910 an den Restgaszuführanschluss 402 abgeführt werden können, die insoweit fluidtechnisch miteinander gekoppelt sind. The synthesis gas is provided to the synthesis system 900 of the synthesis system 20 by a synthesis gas supply connection 906, which fluidly connects a synthesis supply section 902 of the synthesis system 900 to the cathode discharge connection 612. In a reactor there, not explicitly shown, it goes through a a synthesis process, in particular a Fischer-Tropsch synthesis process, and is converted into synthetic hydrocarbons. The hydrocarbons are removed via a hydrocarbon removal connection 908 which is fluidly connected to a synthesis removal section 904. However, synthesis gas and short-chain hydrocarbons that are not converted in the synthesis process remain, some of which can be fed back to the synthesis process and some of which can be discharged as residual gases by means of a residual gas discharge connection 910 to the residual gas supply connection 402, which are fluidly coupled to one another in this respect.
Figur 2 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform der Brennstoffzellenanlage 30 der Fig. 1 . Und zwar wurde in der Fig. 2 auf den vierten Wärmetauscher 314 verzichtet. Stattdessen wurde ein fünfter Wärmetauscher 318 in der Anodenabführverbindung 300 in Strömungsrichtung hinter den beiden Wärmetauschern 304, 310 eingesetzt, der wärmetechnisch mit der Anodenzuführverbindung 200, insbesondere in Strömungsrichtung des Anodengases hinter dem Gebläse 206 und vor dem ersten Wärmetauscher 220, gekoppelt ist. Dies erlaubt es, die Restwärme in dem Anodenabgas alternativ für das Anodengas bereitzustellen. Gleichwohl ist natürlich auch möglich, sowohl den vierten Wärmetauscher 314 als auch den fünften Wärmetauscher 318 vorzusehen, entweder in Reihenschaltung oder in Parallelschaltung mit entsprechenden Absperrorganen und Bypasspfaden. Vorteilhaft kann es auch sein, wenn der fünfte Wärmetauscher stromabwärts der Ventile angeordnet ist. Figure 2 shows a modification of the embodiment of the fuel cell system 30 of Figure 1. The fourth heat exchanger 314 was omitted in FIG. Instead, a fifth heat exchanger 318 was used in the anode discharge connection 300 in the flow direction behind the two heat exchangers 304, 310, which is thermally coupled to the anode supply connection 200, in particular in the flow direction of the anode gas behind the blower 206 and in front of the first heat exchanger 220. This allows the residual heat in the anode exhaust gas to be made available alternatively for the anode gas. Nevertheless, it is of course also possible to provide both the fourth heat exchanger 314 and the fifth heat exchanger 318, either in series connection or in parallel connection with corresponding shut-off devices and bypass paths. It can also be advantageous if the fifth heat exchanger is arranged downstream of the valves.
Darüber hinaus ist eine beliebige Konfiguration der gezeigten Wärmetauscher 220, 304, 310, 314, 320, 608, 610 möglich, was bedeutet, dass diese Wärmetauscher jeweils alleine oder in beliebiger Auswahl daraus in dem Brennstoffzellensystem 10 eingesetzt werden können, sodass es nicht notwendig ist, das Brennstoffzellensystem 10 mit allen Wärmetauschern 220, 304, 310, 314, 320, 608, 610 auszustatten. In addition, any configuration of the heat exchangers 220, 304, 310, 314, 320, 608, 610 shown is possible, which means that these heat exchangers can each be used alone or in any selection thereof in the fuel cell system 10, so it is not necessary to equip the fuel cell system 10 with all heat exchangers 220, 304, 310, 314, 320, 608, 610.
Figur 3 zeigt eine Variation der Brennstoffzellenanlage 30 der Ausführungsform der Fig. 1 , bei der Änderungen in dem Synthesesystem 20 vorgesehen sind. Dabei ist eine Kühleinrichtung 914 in der Syntheseanlage 900 gezeigt, die insbesondere einen entsprechenden Reaktor in der Syntheseanlage 900 kühlt. Dabei wird Wasserdampf eingesetzt, um die stark exotherm ablaufende Reaktion des Syntheseprozesses zu kühlen. Der so erhitzte Wasserdampf wird vorteilhafterweise dem ersten Zusatzzuführanschluss 702 mittels einer entsprechenden, fluidtechnisch mit dem ersten Zu- satzzuführanschluss 702 verbundenen dritten Zusatzzuführverbindung 916 bereitgestellt. Figure 3 shows a variation of the fuel cell system 30 of the embodiment of Figure 1, in which changes in the synthesis system 20 are provided. A cooling device 914 is shown in the synthesis plant 900, which in particular cools a corresponding reactor in the synthesis plant 900. Steam is used to cool the highly exothermic reaction of the synthesis process. The water vapor heated in this way is advantageously supplied to the first additional supply connection 702 by means of a corresponding fluid connection connected to the first supply. Third additional feed connection 916 connected to set feed connection 702 is provided.
Figur 4 zeigt das bereits in Bezug auf die Fig. 1 bis 3 anhand der Brennstoffzellenanlage 30 erläuterte Verfahren 1000 zum Erzeugen von Synthesegas mittels des Brennstoffzellensystems 10. Das Verfahren 1000 ist dabei rein schematisch anhand seiner Verfahrensschritte 1002, 1004, 1006, 1008, 1010 gezeigt, wobei weitere, nicht explizit gezeigte Verfahrensschritte hinzukommen können. 4 shows the method 1000 for generating synthesis gas by means of the fuel cell system 10, which has already been explained with reference to FIGS , whereby further process steps not explicitly shown can be added.
In einem ersten Verfahrensschritt 1002 des Verfahrens 1000 wird aus dem in der Syntheseanlage 900 ablaufenden Syntheseprozess, bei dem das Synthesegas aus dem Kathodenabführanschluss 612 in Kohlenwasserstoffe umgesetzt wird, Restgas abgeschieden. Das Restgas wird mittels der Restgasabführverbindung 910 an dem Restgaszuführanschluss 402 bereitgestellt und so dem Katalysator 404 des Brennstoffzellensystems 10 bereitgestellt. In a first method step 1002 of the method 1000, residual gas is separated from the synthesis process taking place in the synthesis system 900, in which the synthesis gas from the cathode discharge connection 612 is converted into hydrocarbons. The residual gas is provided to the residual gas supply port 402 by means of the residual gas discharge connection 910 and is thus provided to the catalyst 404 of the fuel cell system 10.
In dem zweiten Verfahrensschritt 1004 des Verfahrens 1000 erfolgt ein katalytisches Verbrennen des Restgases mittels des Katalysators 404. Aus seinem Katalysatorabführabschnitt 408 treten entsprechende Katalysator-Abgase aus. Die Katalysator- Abgase können eine Temperatur im Bereich von 800 bis 1.000 °C aufweisen. Das Restgas kann, wie in den Fig. 1 bis 3 ersichtlich ist, zuvor mit dem Anodenabgas und auch mit dem Anodengas, also Frischluft, vermischt worden sein, sodass in den Katalysatorzuführabschnitt 404 ein Restgas-Anodenabgas-Gemisch eintritt. Das Rest- gas-Anodenabgas-Gemisch kann eine Temperatur im Bereich von 300 bis 550 °C aufweisen. In the second process step 1004 of the process 1000, the residual gas is burned catalytically by means of the catalyst 404. Corresponding catalyst exhaust gases emerge from its catalyst discharge section 408. The catalyst exhaust gases can have a temperature in the range of 800 to 1,000 °C. 1 to 3, the residual gas can have previously been mixed with the anode exhaust gas and also with the anode gas, i.e. fresh air, so that a residual gas-anode exhaust gas mixture enters the catalyst feed section 404. The residual gas-anode exhaust gas mixture can have a temperature in the range from 300 to 550 °C.
In dem dritten Verfahrensschritt 1006 des Verfahrens 1000 erfolgt ein Übertragen von Wärme des Katalysator-Abgasstroms der katalytischen Verbrennung mittels eines oder mehrerer der Wärmetauscher 304, 310, 314, 320 an das Anodengas in der Anodenzuführverbindung 200 und/oder das Kathodengas in der Kathodenzuführver- bindung 500, wie in den Fig. 1 bis 3 zu sehen ist. In the third method step 1006 of the method 1000, heat from the catalyst exhaust gas stream of the catalytic combustion is transferred by means of one or more of the heat exchangers 304, 310, 314, 320 to the anode gas in the anode supply connection 200 and/or the cathode gas in the cathode supply connection 500, as can be seen in Figures 1 to 3.
Die derart erwärmten Anodengase und Kathodengase werden in einem vierten Verfahrensschritt 1008 des Verfahrens 1000 unter Zuführung von elektrischem Strom dem Brennstoffzellenstapel 100 des Brennstoffzellensystems 10 zugeführt. Schließlich kann in dem fünften Verfahrensschritt 1010 das Erzeugen des Synthesegases mittels des Brennstoffzellenstapels 100 aus dem zugeführten Anodengas, Kathoden- gas und elektrischem Strom erfolgen. The anode gases and cathode gases heated in this way are supplied to the fuel cell stack 100 of the fuel cell system 10 in a fourth method step 1008 of the method 1000 with the supply of electrical current. Finally, in the fifth method step 1010, the synthesis gas can be generated by means of the fuel cell stack 100 from the supplied anode gas, cathode gas and electrical current.
Die Verfahrensschritte 1002 bis 1010 des Verfahrens 1000 werden dabei kontinuierlich ausgeführt, wie durch den Pfeil von Verfahrensschritt 1010 auf Verfahrensschritt 1002 angedeutet ist. The method steps 1002 to 1010 of the method 1000 are carried out continuously, as indicated by the arrow from method step 1010 to method step 1002.
Die voranstehenden Erläuterungen der Ausführungsformen beschreiben die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. The above explanations of the embodiments describe the present invention solely in terms of examples.
Bezugszeichenliste Reference symbol list
10 Brennstoffzellensystem10 fuel cell system
20 Synthesesystem 20 synthesis system
30 Brennstoffzellenanlage30 fuel cell system
100 Brennstoffzellenstapel100 fuel cell stacks
110 Kathodenabschnitt 110 cathode section
112 Kathodenzuführabschnitt112 cathode supply section
114 Kathodenabführabschnitt114 cathode removal section
120 Anodenabschnitt 120 anode section
122 Anodenzuführabschnitt122 anode feed section
124 Anodenabführabschnitt124 anode discharge section
130 Stromversorgungsquelle130 power source
200 Anodenzuführverbindung200 anode feed connection
202 Anodenzuführanschluss202 anode feed port
204 Filtereinrichtung 204 filter device
206 Gebläse 206 blowers
208 erster Bypasspfad 208 first bypass path
210 erstes Absperrorgan210 first shut-off device
212 zweiter Bypasspfad212 second bypass path
214 zweites Absperrorgan214 second shut-off device
216 erste Heizeinrichtung216 first heating device
218 drittes Absperrorgan218 third shut-off device
220 erster Wärmetauscher220 first heat exchanger
300 Anodenabführverbindung300 anode discharge connection
302 erster Teilpfad 302 first partial path
304 zweiter Wärmetauscher304 second heat exchanger
306 viertes Absperrorgan306 fourth shut-off device
308 zweiter Teilpfad 308 second partial path
310 dritter Wärmetauscher310 third heat exchanger
312 fünftes Absperrorgan312 fifth shut-off device
314 vierter Wärmetauscher314 fourth heat exchanger
316 Anodenabführanschluss316 anode discharge connection
318 fünfter Wärmetauscher318 fifth heat exchanger
400 Restgaszuführverbindung400 residual gas supply connection
402 Restgaszuführanschluss 04 Katalysator 06 Katalysatorzuführabschnitt 08 Katalysatorabführabschnitt 00 Kathodenzuführverbindung 02 Kathodenzuführanschluss 04 Ejektor 06 zweite Heizeinrichtung 00 Kathodenabführverbindung 02 dritter Bypasspfad 04 Düse 06 sechstes Absperrorgan 08 sechster Wärmetauscher 10 siebter Wärmetauscher 12 Kathodenabführanschluss 00 erste Zusatzzuführverbindung 02 erster Zusatzzuführanschluss 00 zweite Zusatzzuführverbindung402 Residual gas supply connection 04 catalyst 06 catalyst feed section 08 catalyst discharge section 00 cathode feed connection 02 cathode feed connection 04 ejector 06 second heater 00 cathode discharge connection 02 third bypass path 04 nozzle 06 sixth shut-off element 08 sixth heat exchanger 10 seventh heat exchanger 12 cathode discharge connection 00 first additional feed connection 02 first additional feed connection 00 second addition feed connection
802 zweiter Zusatzzuführanschluss802 second auxiliary feed port
804 dritter Teilpfad 804 third subpath
806 vierter Teilpfad 806 fourth subpath
900 Syntheseanlage 900 synthesis plant
902 Synthesezuführabschnitt 902 synthesis feed section
904 Syntheseabführabschnitt 904 synthesis discharge section
906 Synthesegaszuführverbindung906 Syngas feed compound
908 Kohlenwasserstoffabführverbindung908 hydrocarbon removal compound
910 Restgasabführverbindung 910 Residual gas removal connection
914 Kühleinrichtung 914 cooling device
916 dritte Zusatzzuführverbindung916 third additional feed connection
1000 Verfahren 1000 procedures
1002 erster Verfahrensschritt 1002 first procedural step
1004 zweiter Verfahrensschritt 1004 second process step
1006 dritter Verfahrensschritt 1006 third procedural step
1008 vierter Verfahrensschritt 1008 fourth procedural step
1010 fünfter Verfahrensschritt 1010 fifth procedural step

Claims

Patentansprüche Brennstoffzellensystem (10), aufweisend: Claims fuel cell system (10), comprising:
- einen Brennstoffzellenstapel (100) mit einem Kathodenabschnitt (110), welcher einen Kathodenzuführabschnitt (112) und einen Kathodenabführabschnitt (114) aufweist, und einem Anodenabschnitt (120), welcher einen Anodenzuführabschnitt (122) und einen Anodenabführabschnitt (124) aufweist, - a fuel cell stack (100) with a cathode section (110), which has a cathode supply section (112) and a cathode discharge section (114), and an anode section (120), which has an anode supply section (122) and an anode discharge section (124),
- einen mittels einer Anodenzuführverbindung (200) fluidtechnisch mit dem Anodenzuführabschnitt (112) gekoppelten Anodengasanschluss (202) zum Zuführen von Anodengas zum Anodenabschnitt (120), - an anode gas connection (202) which is fluidly coupled to the anode supply section (112) by means of an anode supply connection (200) for supplying anode gas to the anode section (120),
- einen mittels einer Anodenabführverbindung (300) fluidtechnisch mit dem Anodenabführabschnitt (124) gekoppelten Anodenabführanschluss (316) zum Abführen von durch den Brennstoffzellenstapel (20) erzeugten Anodenabgasen, - an anode discharge connection (316) which is fluidly coupled to the anode discharge section (124) by means of an anode discharge connection (300) for discharging anode exhaust gases generated by the fuel cell stack (20),
- einen mittels einer Kathodenzuführverbindung (500) fluidtechnisch mit dem Kathodenzuführabschnitt (112) gekoppelten Kathodenzuführanschluss (502) zum Zuführen von Kathodengas zum Kathodenabschnitt (110), und - a cathode supply connection (502) fluidly coupled to the cathode supply section (112) by means of a cathode supply connection (500) for supplying cathode gas to the cathode section (110), and
- einen mittels einer Kathodenabführverbindung (600) fluidtechnisch mit dem Kathodenabführabschnitt (114) gekoppelten Kathodenabführanschluss (612) zum Abführen von durch den Brennstoffzellenstapel (20) erzeugtem Synthesegas, - a cathode discharge connection (612) fluidly coupled to the cathode discharge section (114) by means of a cathode discharge connection (600) for discharging synthesis gas generated by the fuel cell stack (20),
- dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (10) ferner aufweist: - characterized in that the fuel cell system (10) further comprises:
- einen Restgaszuführanschluss (402) zum Bereitstellen von Restgas, welches bei einem Syntheseprozess zur Herstellung von synthetischen Kohlenwasserstoffen aus dem Brennstoffzellenstapel (100) erzeugten Synthesegases abgeschieden wird, - a residual gas supply connection (402) for providing residual gas, which is separated from synthesis gas generated in the fuel cell stack (100) in a synthesis process for producing synthetic hydrocarbons,
- einen mittels einer Restgaszuführverbindung (400) fluidtechnisch mit dem Restgaszuführanschluss (402) gekoppelten Katalysator (404) zur katalytischen Verbrennung des Restgases, wobei ein Katalysatorzuführabschnitt (406) und ein Katalysatorabführabschnitt (408) des Katalysators (404) fluidtechnisch mit der Anodenabführverbindung (300) gekoppelt sind, und - a catalyst (404) which is fluidly coupled to the residual gas supply connection (402) by means of a residual gas supply connection (400) for the catalytic combustion of the residual gas, wherein a catalyst supply section (406) and a catalyst discharge section (408) of the catalyst (404) are fluidly coupled to the anode discharge connection (300), and
- zumindest einen Wärmetauscher (304, 310, 314, 320), der in der Anodenabführverbindung (300) in Strömungsrichtung hinter dem Katalysatorabführabschnitt (408) angeordnet ist. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Anodenabführverbindung (300) in Strömungsrichtung hinter dem Katalysatorabführabschnitt (408) zumindest zwei oder zumindest drei Wärmetauscher (304, 310, 314, 320) angeordnet sind. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Wärmetauscher (304) von dem zumindest einen Wärmetauscher (304, 310, 314, 320) wärmetechnisch mit der Anodenzuführverbindung (200) gekoppelt ist. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Wärmetauscher (310) von dem zumindest einen Wärmetauscher (304, 310, 314, 320) wärmetechnisch mit der Ka- thodenzuführverbindung (500) gekoppelt ist. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher (304) und der dritte Wärmetauscher (310) in unterschiedlichen, sich in Strömungsrichtung hinter dem Katalysatorabführabschnitt (408) aufteilenden Teilpfaden (302, 308) der Anodenabführverbindung (300) angeordnet sind. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem der beiden Teilpfade (302, 308) ein Absperrorgan (306, 312) angeordnet ist. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Absperrorgan (306, 312) in Strömungsrichtung hinter dem zweiten Wärmetauscher (304) oder dem dritten Wärmetauscher (310) angeordnet ist. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein vierter Wärmetauscher (314) von dem zumindest einen Wärmetauscher (304, 310, 314, 320) wärmetechnisch mit einer ersten Zusatzzuführverbindung (700) gekoppelt ist, welche die Kathodenzuführ- verbindung (500) oder den Kathodenzuführabschnitt (112) mit einem ersten Zusatzzuführanschluss (702) zum Zuführen von Wasser oder Wasserdampf zum Kathodenzuführabschnitt (112) verbindet. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein fünfter Wärmetauscher (318) von dem zumindest einen Wärmetauscher (304, 310, 314, 320) in der Anodenabführverbindung (300) angeordnet ist und wärmetechnisch mit der Anodenzuführverbindung (200) gekoppelt ist. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Wärmetauscher (220) in der Anodenzuführverbindung (200) angeordnet ist und in Strömungsrichtung vor dem Katalysatorzuführabschnitt (406) wärmetechnisch mit der Anodenabführverbindung (300) gekoppelt ist. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Bypasspfad (212) die Anodenzuführverbindung (200) in Strömungsrichtung vor dem ersten Wärmetauscher (220) mit der Anodenzuführverbindung (200) in Strömungsrichtung hinter dem ersten Wärmetauscher (220) miteinander verbindet, wobei in dem den ersten Wärmetauscher (220) umgehenden zweiten Bypasspfad (212) ein zweites Absperrorgan (214) angeordnet ist und/oder in der Anodenzuführverbindung (200) in Strömungsrichtung hinter einer Abzweigung von der Anodenzuführverbindung (200) zum zweiten Bypasspfad (212) und vor dem ersten Wärmetauscher (220) ein drittes Absperrorgan (218) angeordnet ist. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Bypasspfad (212) eine erste Heizeinrichtung (216) angeordnet ist. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenabführverbindung (300) in Strömungsrichtung vor dem Katalysatorzuführabschnitt (406) mittels eines ersten Bypasspfads (208) mit der Anodenzuführverbindung (200) verbunden ist. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (404) als ein Oxidationskatalysator ausgebildet ist. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (10) ferner einen ersten Zusatzzuführanschluss (702) zum Bereitstellen von erhitztem Wasserdampf aufweist, welches bei der Kühlung im Syntheseprozess des von dem Brennstoffzellenstapel (100) erzeugten Synthesegases erhitzt wird. Brennstoffzellenanlage (30) mit einem Brennstoffzellensystem (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche und einem Synthesesystem (20) mit einer Syntheseanlage (900), wobei - At least one heat exchanger (304, 310, 314, 320) which is arranged in the anode discharge connection (300) behind the catalyst discharge section (408) in the flow direction. Fuel cell system (10) according to claim 1, characterized in that at least two or at least three heat exchangers (304, 310, 314, 320) are arranged in the anode discharge connection (300) in the flow direction behind the catalyst discharge section (408). Fuel cell system (10) according to claim 1 or 2, characterized in that a second heat exchanger (304) of the at least one heat exchanger (304, 310, 314, 320) is thermally coupled to the anode supply connection (200). Fuel cell system (10) according to one of the preceding claims, characterized in that a third heat exchanger (310) of the at least one heat exchanger (304, 310, 314, 320) is thermally coupled to the cathode supply connection (500). Fuel cell system (10) according to claims 3 and 4, characterized in that the second heat exchanger (304) and the third heat exchanger (310) are in different partial paths (302, 308) of the anode discharge connection (300) which are divided in the flow direction behind the catalyst discharge section (408). ) are arranged. Fuel cell system (10) according to claim 5, characterized in that a shut-off element (306, 312) is arranged in at least one of the two partial paths (302, 308). Fuel cell system (10) according to claim 6, characterized in that the at least one shut-off element (306, 312) is arranged behind the second heat exchanger (304) or the third heat exchanger (310) in the flow direction. Fuel cell system (10) according to one of the preceding claims, characterized in that a fourth heat exchanger (314) of the at least one heat exchanger (304, 310, 314, 320) is thermally coupled to a first additional supply connection (700), which is the cathode supply connection (500) or connects the cathode supply section (112) to a first additional supply connection (702) for supplying water or water vapor to the cathode supply section (112). Fuel cell system (10) according to one of the preceding claims, characterized in that a fifth heat exchanger (318) of the at least one heat exchanger (304, 310, 314, 320) is arranged in the anode discharge connection (300) and is thermally connected to the anode supply connection (200). is coupled. Fuel cell system (10) according to one of the preceding claims, characterized in that a first heat exchanger (220) is arranged in the anode supply connection (200) and is thermally coupled to the anode discharge connection (300) in the flow direction upstream of the catalyst supply section (406). Fuel cell system (10) according to claim 10, characterized in that a second bypass path (212) connects the anode supply connection (200) in the flow direction in front of the first heat exchanger (220) with the anode supply connection (200) in the flow direction behind the first heat exchanger (220), wherein a second shut-off element (214) is arranged in the second bypass path (212) surrounding the first heat exchanger (220) and/or in the anode supply connection (200) in the flow direction behind a branch from the anode supply connection (200) to the second bypass path (212) and A third shut-off element (218) is arranged in front of the first heat exchanger (220). Fuel cell system (10) according to claim 11, characterized in that a first heating device (216) is arranged in the second bypass path (212). Fuel cell system (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the anode discharge connection (300) is connected to the anode supply connection (200) in the flow direction upstream of the catalyst supply section (406) by means of a first bypass path (208). Fuel cell system (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the catalyst (404) is designed as an oxidation catalyst. Fuel cell system (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell system (10) further has a first additional supply connection (702) for providing heated water vapor, which is heated during cooling in the synthesis process of the synthesis gas generated by the fuel cell stack (100). . Fuel cell system (30) with a fuel cell system (10) according to one of the preceding claims and a synthesis system (20) with a synthesis system (900), wherein
- der Kathodenabführanschluss (612) mittels einer Synthesegaszuführverbindung (906) fluidtechnisch mit der Syntheseanlage (900) gekoppelt ist, - the cathode discharge connection (612) is fluidly coupled to the synthesis system (900) by means of a synthesis gas supply connection (906),
- die Syntheseanlage (900) zur Synthese des von dem Brennstoffzellenstapel (100) erzeugten und mittels der Synthesegaszuführverbindung (906) zugeführten Synthesegases eingerichtet ist, und - the synthesis system (900) is set up to synthesize the synthesis gas generated by the fuel cell stack (100) and supplied by means of the synthesis gas supply connection (906), and
- die Syntheseanlage (900) mittels einer Restgasabführverbindung (910) zum Bereitstellen von Restgas fluidtechnisch mit dem Restgaszuführanschluss (402) gekoppelt ist. Verfahren (1000) zum Erzeugen von Synthesegas mittels eines Brennstoffzellensystems (10) aufweisend die Schritte: - The synthesis system (900) is fluidly coupled to the residual gas supply connection (402) by means of a residual gas discharge connection (910) for providing residual gas. Method (1000) for generating synthesis gas using a fuel cell system (10), comprising the steps:
- Zuführen von aus einem Syntheseprozess, bei dem Synthesegas in Kohlenwasserstoffe umgesetzt wird, abgeschiedenen Restgases zu einem Katalysator (404) eines Brennstoffzellensystems (10), - supplying residual gas separated from a synthesis process in which synthesis gas is converted into hydrocarbons to a catalyst (404) of a fuel cell system (10),
- katalytisches Verbrennen des Restgases mittels eines Katalysators (404) des Brennstoffzellensystems (10), - catalytic combustion of the residual gas using a catalyst (404) of the fuel cell system (10),
Übertragen von Wärme eines Katalysator-Abgasstroms der katalytischen Verbrennung mittels zumindest eines Wärmetauschers (304, 310, 314, 320) an ein Anodengas und/oder ein Kathodengas, - Zuführen des Anodengases, des Kathodengases und von elektrischem Strom zu einem Brennstoffzellenstapel (100) des Brennstoffzellensystems (10), und Transferring heat from a catalyst exhaust gas stream of the catalytic combustion to an anode gas and/or a cathode gas by means of at least one heat exchanger (304, 310, 314, 320), - Supplying the anode gas, the cathode gas and electrical current to a fuel cell stack (100) of the fuel cell system (10), and
- Erzeugen des Synthesegases mittels des Brennstoffzellenstapels (100) aus dem zugeführten Anodengas, Kathodengas und elektrischem Strom. Verfahren (1000) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator-Abgasstrom der katalytischen Verbrennung in zwei Teilpfade (302, 308) aufgeteilt wird und in einem ersten Teilpfad (302) der beiden Teilpfade (302, 308) mittels eines zweiten Wärmetauschers (304) von dem zumindest einen Wärmetauscher (304, 310, 314, 320) Wärme an das Anodengas übertragen wird und in einem zweiten Teilpfad (308) der beiden Teilpfade (302, 308) mittels eines dritten Wärmetauschers (310) von dem zumindest einen Wärmetauscher (304, 310, 314, 320) Wärme an das Kathodengas übertragen wird. Verfahren (1000) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator-Abgasstrom in den beiden Teilpfäden (302, 308) jeweils mittels eines Absperrorgans (306, 312) in jedem der beiden Teilpfade (302, 308) hinter dem jeweiligen Wärmetauscher (304, 310) des jeweiligen Teilpfades (302, 308) kontrolliert wird. Verfahren (1000) nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator-Abgasstrom in den beiden Teilpfaden (302, 308) nach Wärmeübertragung an das Anodengas und Kathodengas wieder zusammengeführt wird. Verfahren (1000) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der zusammengeführte Katalysator-Abgasstrom für eine weitere Wärmeübertragung durch einen vierten Wärmetauscher (314) zum Erwärmen von dem Brennstoffzellensystem (10) zugeführten Wasser oder Wasserdampfs und/oder durch einen fünften Wärmetauscher (320) zum Erwärmen des Anodengases strömt. Verfahren (1000) nach einem der Ansprüche 17 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass das Restgas vor dem Katalysatorzuführabschnitt (406) mit Anodenabgas des Brennstoffzellenstapels (100) zu einem Restgas-Anodenabgas-Gemisch vermischt wird. Verfahren (1000) nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Anodenabgas vor dem Vermischen mit dem Restgas mittels eines ersten Wärmetauschers (220) Wärme an das zugeführte Anodengas überträgt. Verfahren (1000) nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass dem Restgas-Anodenabgas-Gemisch Anodengas beigemischt wird. Verfahren (1000) nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Restgas-Anodenabgas-Gemisch eine Temperatur im Bereich von 300 bis 550 °C aufweist. Verfahren (1000) nach einem der Ansprüche 17 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysator-Abgase der katalytischen Verbrennung eine Temperatur im Bereich von 800 bis 1.000 °C aufweisen. Verfahren (1000) nach einem der Ansprüche 17 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das erzeugte Synthesegas dem Syntheseprozess zugeführt wird, aus dem das Restgas abgeschieden und dem Katalysator (404) zugeführt wird. Verfahren (1000) nach einem der Ansprüche 17 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Syntheseprozess ein Fischer-Tropsch-Prozess ist. - Generating the synthesis gas using the fuel cell stack (100) from the supplied anode gas, cathode gas and electrical current. Method (1000) according to claim 17, characterized in that the catalyst exhaust gas stream of the catalytic combustion is divided into two sub-paths (302, 308) and in a first sub-path (302) of the two sub-paths (302, 308) by means of a second heat exchanger ( 304) heat is transferred from the at least one heat exchanger (304, 310, 314, 320) to the anode gas and in a second partial path (308) of the two partial paths (302, 308) by means of a third heat exchanger (310) from the at least one heat exchanger (304, 310, 314, 320) heat is transferred to the cathode gas. Method (1000) according to claim 18, characterized in that the catalyst exhaust gas flow in the two partial paths (302, 308) is in each case by means of a shut-off element (306, 312) in each of the two partial paths (302, 308) behind the respective heat exchanger (304 , 310) of the respective partial path (302, 308) is checked. Method (1000) according to claim 18 or 19, characterized in that the catalyst exhaust gas stream is brought together again in the two partial paths (302, 308) after heat transfer to the anode gas and cathode gas. Method (1000) according to claim 20, characterized in that the combined catalyst exhaust gas stream for further heat transfer through a fourth heat exchanger (314) for heating water or water vapor supplied to the fuel cell system (10) and / or through a fifth heat exchanger (320) to heat the anode gas flows. Method (1000) according to one of claims 17 to 21, characterized in that the residual gas is mixed with anode exhaust gas of the fuel cell stack (100) before the catalyst supply section (406) to form a residual gas-anode exhaust gas mixture. Method (1000) according to claim 22, characterized in that the anode exhaust gas transfers heat to the supplied anode gas by means of a first heat exchanger (220) before mixing with the residual gas. Method (1000) according to claim 22 or 23, characterized in that anode gas is added to the residual gas-anode exhaust gas mixture. Method (1000) according to one of claims 22 to 24, characterized in that the residual gas-anode exhaust gas mixture has a temperature in the range from 300 to 550 °C. Method (1000) according to one of claims 17 to 25, characterized in that the catalyst exhaust gases from the catalytic combustion have a temperature in the range of 800 to 1,000 °C. Method (1000) according to one of claims 17 to 26, characterized in that the synthesis gas produced is fed to the synthesis process, from which the residual gas is separated and fed to the catalyst (404). Method (1000) according to one of claims 17 to 27, characterized in that the synthesis process is a Fischer-Tropsch process.
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EP3415661A1 (en) * 2017-06-12 2018-12-19 SunFire GmbH Generation of synthesis gas from co2 and h2o in a co-electrolysis
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