DE19812155C2 - Arrangement for energy conversion, comprising at least two fuel cell stacks and at least one reformer unit, and a use of the arrangement - Google Patents
Arrangement for energy conversion, comprising at least two fuel cell stacks and at least one reformer unit, and a use of the arrangementInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Energieumwandlung, umfassend mindestens zwei Brennstoffzellenstapel und mindestens eine Reformereinheit, wobei die Reformereinheit zur zumindest teilweisen Reformierung eines Ausgangsbrennstoffs für die Bereitstellung eines Brenngases oder Brenngasgemisches dient, jeder Brennstoffzellenstapel zur Erzeugung elektri scher Energie mittels einer exothermen Umsetzung des Brenngases bzw. Brenngasgemisches mit einem Oxidationsgas dient, die bei der exothermen Umsetzung erzeugte Wärme zur Erwärmung der Reformereinheit genutzt ist und die Brennstoffzellenstapel und die Reformereinheit gemeinsam innerhalb eines wärmeisolierten Behälters angeordnet sind, sowie eine Verwendung der Anordnung.The invention relates to an arrangement for energy conversion, comprising at least two Fuel cell stack and at least one reformer unit, the reformer unit for at least partially reforming a source fuel to provide one Fuel gas or fuel gas mixture is used to generate electri each fuel cell stack shear energy by means of an exothermic conversion of the fuel gas or fuel gas mixture an oxidizing gas, the heat generated during the exothermic reaction for heating the reformer unit is used and the fuel cell stack and the reformer unit are arranged together within a heat-insulated container, as well as a use the arrangement.
Eine Anordnung der eingangs genannten Art wird regelmäßig eingesetzt, wenn mit Hilfe der Brennstoffzellentechnik elektrische Energie aus kohlenstofthaltigen Ausgangsbrennstoffen, wie z. B. Erdgas oder Methanol, gewonnen werden soll. Der eigentlichen elektrochemischen Reak tion wird dann eine sogenannte Reformierungsreaktion zwischen dem Ausgangsbrennstoff und Wasserdampf vorgeschaltet, bei der das im wesentlichen aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid sowie diversen Restgasen bestehende Brenngasgemisch entsteht, das dann auf der Anodenseite der Brennstoffzelle für die elektrochemische Reaktion zur Verfügung gestellt wird. Bei Hochtemperaturbrennstoffzellen kann der Reformierungsprozeß zumindest zum Teil als innere Reformierung innerhalb der Brennstoffzellen stattfinden. Jedoch läuft die Reformierung dort in der Regel nicht vollständig ab, so daß die Reformereinheit zumindest für eine Vorreformierung benötigt wird. Die Reformierungsreaktion ist endotherm, weshalb der Reformereinheit von au ßen Wärme zugeführt werden muß. Bei Hochtemperaturbrennstoffzellen, die bei Temperaturen von mehreren 100 Grad betrieben werden, wird hierzu die Abwärme der Brennstoffzellenstapel genutzt, die aufgrund der Reaktionswärme der exothermen elektrochemischen Reaktion entsteht. Für die beschriebene Brennstoffzellentechnik sind SOFC's (Solid Oxide Fuel Cells) und MCFC's (Molten Carbonate Fuel Cells) geeignet. An arrangement of the type mentioned is used regularly if with the help of Fuel cell technology electrical energy from carbonaceous starting fuels, such as z. B. natural gas or methanol. The real electrochemical reak tion is then a so-called reforming reaction between the starting fuel and Upstream of water vapor, which consists essentially of hydrogen and carbon monoxide as well as various residual gases existing fuel gas mixture, which then on the anode side the fuel cell is made available for the electrochemical reaction. at The reforming process can be at least partially internal to high-temperature fuel cells Reforming take place within the fuel cells. However, the reform is in progress there generally not completely, so the reformer unit at least for pre-reform is needed. The reforming reaction is endothermic, which is why the reformer unit from au external heat must be supplied. With high-temperature fuel cells operating at temperatures operated by several 100 degrees, this is the waste heat of the fuel cell stack used, which arises due to the heat of reaction of the exothermic electrochemical reaction. For the fuel cell technology described, SOFCs (Solid Oxide Fuel Cells) and MCFC's (Molten Carbonate Fuel Cells) suitable.
Es ist eine Anordnung bekannt (U. Birnbaum, E. Riensche, U. Stimming; Optimization of small SOFC Plants with flexible Power/Heat Ratios and their future Application; Proc. 5th Int. Symp. Solid Oxide Fuel Cells, Eds.: U. Stimming, S. C. Singhal, H. Tagawa, W. Lehnert, The Electrochem. Soc. Inc., Pennington, NJ, USA, Vol. 97-40, 1997), bei der die Abgase der Brennstoffzellenstapel einem Nachbrenner zugeführt und anschließend der Reformereinheit zugeleitet werden, wo über einen Wärmetauscher ein Teil des Wärmeinhalts des Abgasgemisches dem Reformierungsprozeß zugeführt wird. Ein anderer Teil wird zur Aufhei zung des Oxidationsgases genutzt. Ein weiterer Teil wird zur Verdampfung von Wasser genutzt, das anschließend dem Reformierungsprozeß zugeführt wird. Der hiernach noch ggf. im Abgas gemisch verbliebene Wärmeinhalt kann noch als Nutzwärme außerhalb der Anordnung einge setzt werden.An arrangement is known (U. Birnbaum, E. Riensche, U. Stimming; Optimization of small SOFC Plants with flexible Power / Heat Ratios and their future Application; Proc. 5 th Int. Symp. Solid Oxide Fuel Cells, Eds .: U. Stimming, SC Singhal, H. Tagawa, W. Lehnert, The Electrochem. Soc. Inc., Pennington, NJ, USA, Vol. 97-40, 1997), in which the exhaust gases from the fuel cell stack are fed to an afterburner and then the Reformer unit are supplied, where a part of the heat content of the exhaust gas mixture is fed to the reforming process via a heat exchanger. Another part is used to heat the oxidizing gas. Another part is used for the evaporation of water, which is then fed into the reforming process. The heat content that may still remain in the exhaust gas mixture can then be used as useful heat outside the arrangement.
Bei der bekannten Anordnung ist es nachteilig, daß aufwendige Maßnahmen getroffen werden müssen, um einerseits die einzelnen Brennstoffzellenstapel, die Reformereinheit und die dazwi schen verlaufenden Gasleitungen gegen Wärmeverluste zu isolieren und andererseits geeignete Wärmeübergänge zu gewährleisten.In the known arrangement, it is disadvantageous that complex measures are taken must, on the one hand, the individual fuel cell stacks, the reformer unit and the dazwi insulating gas pipes running against heat loss and on the other hand suitable To ensure heat transfer.
Es ist des weiteren eine aus einem einzelnen Brennstoffzellenstapel und einer integrierten Refor mereinheit bestehende Einheit bekannt (Status of the sulzer hexis solid oxid fuel cell (SOFC) system development; Diethelm et. al. Electrochemical proceedings Vol. 97-40, S. 79 bis S. 87). Auch bei dieser Kombination werden die Brennstoffzellenabgase über einen Nachbrenner per Rohrleitungen der Reformereinheit zu dessen Aufwärmung zugeführt. Diese Konstruktion hat insbesondere den Nachteil, daß eine Reformereinheit für einen einzigen Brennstoffzellenstapel eingesetzt wird, weshalb der Einsatz der Reformereinheit hier relativ ineffektiv ist. Die Effekti vität einer Reformereinheit steigt einerseits mit seiner Größe. Diese Größe muß andererseits aber an die Größe und Anzahl der Brennstoffzellenstapel angepaßt sein, so daß die Reformereinheit beim zuletzt genannten Stand der Technik auf eine relativ ineffektive Größe beschränkt ist.It is also one of a single fuel cell stack and an integrated refor mer unit existing unit known (Status of the sulzer hexis solid oxide fuel cell (SOFC) system development; Diethelm et. al. Electrochemical proceedings Vol. 97-40, p. 79 to p. 87). With this combination, too, the fuel cell emissions are via an afterburner Pipelines supplied to the reformer unit to warm it up. This construction has in particular the disadvantage that a reformer unit for a single fuel cell stack is used, which is why the use of the reformer unit is relatively ineffective here. The effects The size of a reformer unit increases on the one hand. On the other hand, this size must be adapted to the size and number of fuel cell stacks, so that the reformer unit is limited to a relatively ineffective size in the latter prior art.
Aus der DE 44 46 841 A1 ist eine Anordnung der eingangs genannten Art bekannt. Durch die Anordnung einer oder mehrerer Brennstoffzellenstapel sowie einer Reformereinheit innerhalb eines thermisch isolierenden Schutzgehäuses wird es vermieden, aufwendige Isoliermaßnahmen für die einzelnen Komponenten des Moduls vorsehen zu müssen. Gemäß diesem Stand der Technik erfolgt die eigentliche Wärmeübertragung von den Brennstoffzellenstapeln zu der Reformereinheit über die Brenngasströme und eine Wärmetauschereinheit. Zudem ist offenbart, zusätzlich noch eine katalytische Verbrennungseinrichtung zwischen den Brennstoffzellenstapeln einerseits und der Reformereinheit andererseits zu platzieren. Somit sieht auch dieser Stand der Technik relativ aufwendige Maßnahmen zur Übertragung von Wärme von den Brennstoffzellenstapeln zur Reformereinheit vor.From DE 44 46 841 A1 an arrangement of the type mentioned is known. Through the Arrangement of one or more fuel cell stacks and a reformer unit within a thermally insulating protective housing it is avoided, expensive insulation measures must be provided for the individual components of the module. According to this state of the The actual heat transfer takes place from the fuel cell stacks to the technology Reformer unit on the fuel gas streams and a heat exchanger unit. It is also revealed additionally a catalytic combustion device between the To place fuel cell stacks on the one hand and the reformer unit on the other. Consequently this prior art also sees relatively complex measures for the transmission of Heat from the fuel cell stacks to the reformer unit.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, bei der eine gegenüber dem Stand der Technik vereinfachte effektive Wärmekopplung zwischen den Brennstoffzellenstapeln einerseits und der Reformereinheit andererseits gegeben ist.The present invention is based on the object, an arrangement of the beginning to provide the type mentioned, one compared to the prior art simplified effective heat coupling between the fuel cell stacks on the one hand and the Reformer unit is given on the other hand.
Bei einer Anordnung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Reformereinheit zwischen mindestens zwei der Brennstoffzellenstapel angeordnet ist und über die Oberflächen der Brennstoffzellenstapel und der Reformereinheit eine Wärmekopplung zwischen den Brennstoffzellenstapel einerseits und der Reformereinheit andererseits gegeben ist.With an arrangement of the type mentioned, this object is achieved in that the Reformer unit is arranged between at least two of the fuel cell stacks and over the surfaces of the fuel cell stack and the reformer unit heat coupling between the fuel cell stack on the one hand and the reformer unit on the other.
Mit der Positionierung der Reformereinheit zwischen mindestens zwei der Brennstoffzellenstapel wird eine verbesserte Wärmekopplung zwischen den Oberflächen der Brennstoffzellenstapel einerseits und den Oberflächen der Reformereinheit andererseits erreicht, da die Oberflächen der Brennstoffzellenstapel die Reformereinheit von mindestens zwei Seiten erwärmen. Hierdurch können andere aufwendigere Mittel zur Wärmeübertragung reduziert oder gar gänzlich weggelassen werden. Bereits die Konvektion innerhalb der Behälteratmosphäre und/oder die Wärmestrahlung können eine für den Reformierungsprozess hinreichende Wärmekopplung zwischen den Brennstoffzellenstapel und der Reformereinheit bewirken. Somit kann die Zuleitung der heißen Abgase aus den Brennstoffzellenstapel zu der Reformereinheit entfallen. Die Abgase können dann unmittelbar anderen Anwendungen, wie z. B. der Erwärmung des Oxidationsgases, der Wasserverdampfung etc. zugeführt werden.With the positioning of the reformer unit between at least two of the Fuel cell stacks will have improved heat coupling between the surfaces of the Reached fuel cell stack on the one hand and the surfaces of the reformer unit on the other, since the surfaces of the fuel cell stacks the reformer unit from at least two sides heat. As a result, other more complex means of heat transfer can be reduced or to be left out entirely. Even convection within the container atmosphere and / or the heat radiation can be sufficient for the reforming process Cause heat coupling between the fuel cell stack and the reformer unit. Consequently can supply the hot exhaust gases from the fuel cell stack to the reformer unit omitted. The exhaust gases can then immediately other applications, such as. B. the warming of the oxidizing gas, water evaporation, etc.
Die erfindungsgemäße Anordnung kann auch so ausgebildet sein, daß zumindest ein Teil der Brennstoffzellenstapel einen unmittelbaren körperlichen Kontakt zur Reformereinheit aufweist. In diesem Fall trägt auch eine unmittelbare Wärmeleitung zur Wärmeübertragung auf die Re formereinheit bei. The arrangement according to the invention can also be designed such that at least part of the Fuel cell stack has direct physical contact with the reformer unit. In this case, direct heat conduction for heat transfer to the Re also contributes former unit at.
Die erfindungsgemäße Anordnung kann vorteilhaft auch so ausgebildet sein, daß die Refor mereinheit entlang ihres äußeren Umfangs zylinderförmig ist und zumindest ein Teil der Brennstoffzellenstapeln im wesentlichen auf einem zur Reformereinheit koaxialen Kreis um die Reformereinheit herum angeordnet ist.The arrangement according to the invention can advantageously also be designed so that the refor mer unit is cylindrical along its outer circumference and at least part of the Fuel cell stacks essentially on a coaxial circle around the reformer unit Reformer unit is arranged around.
Weiterhin kann die erfindungsgemäße Anordnung so ausgebildet sein, daß die Reformereinheit zylinderschalenförmig ist.Furthermore, the arrangement according to the invention can be designed such that the reformer unit is cylindrical in shape.
Die erfindungsgemäße Anordnung kann auch so ausgebildet sein, daß die Reformereinheit plat tenförmig ist.The arrangement according to the invention can also be designed so that the reformer unit plat is ten-shaped.
Hierdurch hat die Reformereinheit eine verhältnismäßig große Oberfläche bei gegebenem Volu men, so daß eine hinreichende Wärmekopplung leicht erreicht werden kann.As a result, the reformer unit has a relatively large surface area for a given volume men, so that adequate heat coupling can be easily achieved.
Die erfindungsgemäße Anordnung kann auch so ausgebildet sein, daß innerhalb des Behälters mindestens zwei Reformereinheiten vorgesehen und jeder Reformereinheit zur Bildung eines Kraftwerksmoduls mindestens zwei Brennstoffzellenstapel zugeordnet sind.The arrangement according to the invention can also be designed such that within the container Provided at least two reformer units and each reformer unit to form one Power plant module are assigned to at least two fuel cell stacks.
Mit der Anzahl der einzelnen Reformereinheiten erhöht sich die Effizienz der erfindungsgemäßen Anordnung.The efficiency of the increases with the number of individual reformer units arrangement according to the invention.
Besonders vorteilhaft ist es, die erfindungsgemäße Anordnung für ein Brennstoffzellenkraftwerk zu verwenden.It is particularly advantageous for the arrangement according to the invention for a fuel cell power plant to use.
Im folgenden werden bevorzugte Ausbildungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung an hand von Figuren dargestellt.Preferred embodiments of the arrangement according to the invention are described below hand represented by figures.
Es zeigt schematischIt shows schematically
Fig. 1 in Aufsicht eine wabenförmige Anordnung aus sechs Brennstoffzellenstapel und einer Reformereinheit, Fig. 1 in top view a honeycomb arrangement of six fuel cell stack, and a reformer unit,
Fig. 2 in Aufsicht eine quaderförmige Anordnung von zehn Brennstoffzellenstapel und einer plattenförmigen Reformereinheit, Fig. 2 in top view a rectangular array of ten fuel cell stack and a plate-shaped reformer unit,
Fig. 3 in schräger Aufsicht eine Anordnung aus mehreren Modulen, jeweils bestehend aus Brennstoffzellenstapel und einer Reformereinheit. Fig. 3 in an oblique view an arrangement of several modules, each consisting of a fuel cell stack and a reformer unit.
Fig. 1 zeigt schematisch in Aufsicht eine wabenförmige Anordnung von Brennstoffzellenstapel 1 und einer Reformereinheit 2 in einem wärmeisolierten Behälter 3. Die Brennstoffzellenstapel 1 haben unmittelbaren körperlichen Kontakt zur Reformereinheit 2, so daß die Wärmeübertragung von den Brennstoffzellenstapel 1 zur Reformereinheit 2 zum Teil mittels direkter Wärmeleitung über die Grenzflächen 4 erfolgen kann. Fig. 1 shows schematically in plan view a honeycomb arrangement of fuel cell stack 1 and a reformer unit 2 in a heat-insulated container 3. The fuel cell stacks 1 have direct physical contact with the reformer unit 2 , so that the heat transfer from the fuel cell stacks 1 to the reformer unit 2 can take place in part by means of direct heat conduction via the interfaces 4 .
Eine alternative Anordnung zeigt Fig. 2. Hier ist die Reformereinheit 5 plattenförmig. Die Brennstoffzellenstapel 6 haben unmittelbaren körperlichen Kontakt zu den großflächigeren Plattenseiten der Reformereinheit 6. Die Brennstoffzellenstapel 6 und die Reformereinheit 5 befinden sich auch hier in einem wärmeisolierten Behälter 7. Bei dieser Ausbildungsform ist das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen bei der Reformereinheit 5 größer als im Beispiel von Fig. 1, so daß hier dementsprechend eine größere Wärmeleistung übertragen werden kann.An alternative arrangement is shown in FIG. 2. Here, the reformer unit 5 is plate-shaped. The fuel cell stacks 6 are in direct physical contact with the larger-area plate sides of the reformer unit 6 . The fuel cell stack 6 and the reformer unit 5 are also located in a thermally insulated container 7 . In this embodiment, the ratio of surface area to volume in the reformer unit 5 is larger than in the example in FIG. 1, so that a greater heat output can accordingly be transmitted here.
Fig. 3 zeigt in schräger Aufsicht einen wärmeisolierten Behälter 8, in dem mehrere Module 9 angeordnet sind. Jedes Modul 9 besteht aus einer Anzahl von Brennstoffzellenstapel 10 und ei ner Reformereinheit 11. In diesem Beispiel sind die Reformereinheiten 11 zylinderschalenför mig. Um die Reformereinheiten 11 herum sind annähernd koaxial zur Reformereinheit 11 die zu demselben Modul gehörenden Brennstoffzellenstapel 10 gruppiert. Hier ist die Wärmekopplung zwischen den Brennstoffzellenstapel 10 und der zugehörigen Reformereinheit 11 allein über Wärmestrahlung und Konvektion der Behälteratmosphäre gegeben. Fig. 3 shows an oblique view of a thermally insulated container 8 , in which several modules 9 are arranged. Each module 9 consists of a number of fuel cell stacks 10 and a reformer unit 11 . In this example, the reformer units 11 are cylindrical-shaped. The fuel cell stacks 10 belonging to the same module are grouped around the reformer units 11 approximately coaxially with the reformer unit 11 . Here, the heat coupling between the fuel cell stack 10 and the associated reformer unit 11 is given solely by heat radiation and convection of the container atmosphere.
11
Brennstoffzellenstapel
fuel cell stack
22
Reformereinheit
reformer unit
33
Behälter
container
44
Grenzfläche
interface
55
Reformereinheit
reformer unit
66
Brennstoffzellenstapel
fuel cell stack
77
Behälter
container
88th
Behälter
container
99
Kraftwerkmodul
Power plant module
1010
Brennstoffzellenstapel
fuel cell stack
1111
Reformereinheit
reformer unit
Claims (7)
- a) die Reformereinheit (2, 5, 11) zur zumindest teilweisen Reformierung eines Ausgangsbrenn stoffs für die Bereitstellung eines Brenngases oder Brenngasgemisches dient,
- b) jeder Brennstoffzellenstapel (1, 6, 10) zur Erzeugung elektrischer Energie mittels einer exo thermen Umsetzung des Brenngases oder Brenngasgemisches mit einem Oxidationsgas dient,
- c) die bei der exothermen Umsetzung erzeugte Wärme zur Erwärmung der Reformereinheit (2, 5, 11) genutzt ist, und
- d) die Brennstoffzellenstapel (1, 6, 10) und die Reformereinheit (2, 5, 11) gemeinsam innerhalb eines wärmeisolierten Behälters (3, 7, 8) angeordnet sind
- a) die Reformereinheit (2, 5, 11) zwischen mindestens zwei der Brennstoffzellenstapel (1, 6, 10) angeordnet ist und
- b) über die Oberflächen der Brennstoffzellenstapel (1, 6, 10) und der Reformereinheit (2, 5, 11) eine Wärmekopplung zwischen den Brennstoffzellenstapeln (1) einerseits und der Refor mereinheit (2, 5, 11) andererseits gegeben ist.
- a) the reformer unit ( 2 , 5 , 11 ) is used for at least partially reforming an initial fuel for the provision of a fuel gas or fuel gas mixture,
- b) each fuel cell stack ( 1 , 6 , 10 ) is used to generate electrical energy by means of an exothermic conversion of the fuel gas or fuel gas mixture with an oxidizing gas,
- c) the heat generated in the exothermic conversion is used to heat the reformer unit ( 2 , 5 , 11 ), and
- d) the fuel cell stacks ( 1 , 6 , 10 ) and the reformer unit ( 2 , 5 , 11 ) are arranged together within a heat-insulated container ( 3 , 7 , 8 )
- a) the reformer unit ( 2 , 5 , 11 ) is arranged between at least two of the fuel cell stacks ( 1 , 6 , 10 ) and
- b) on the surfaces of the fuel cell stack ( 1 , 6 , 10 ) and the reformer unit ( 2 , 5 , 11 ), a heat coupling between the fuel cell stack ( 1 ) on the one hand and the refor mer unit ( 2 , 5 , 11 ) is given on the other.
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