DE19956220B4 - Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung mit einer mit einer Anode und einer Kathode versehenen Brennstoffzelle (1), wobei die Anode und die Kathode in durch eine Membrane (5) getrennten Räumen (4, 6) der Brennstoffzelle (1) angeordnet sind und der die Anode aufweisende Raum (4) mit wasserstoffreichem Gas und der die Kathode aufweisende Raum (6) mit Luft beaufschlagbar sind, wobei die beiden Kammern (4, 6) der Brennstoffzelle (1) mit separaten Ableitungen (7, 8) versehen sind, die in einen katalytischen Nachbrenner (9) münden, wobei dem Nachbrenner (9) ein Wärmetauscher (11) nachgeschaltet ist und der dem katalytischen Nachbrenner (9) nachgeschaltete Wärmetauscher (11) als Kondensations-Wärmetauscher (11) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die im Nachbrenner (9) erzeugte Wärme aus den heißen Abgasen in dem direkt nachgeschalteten Wärmetauscher (11) mittels eines Heizkreises (12) ausgekoppelt wird.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Bei einer solchen Brennstoffzellenanordnung strömt in der Regel mehr Luft an der Kathode vorbei, als benötigt wird, wobei meist ein Luftüberschuss von 50% gegeben ist. Die Wasserstoffatome des an der Anode vorbeiströmenden wasserstoffreichen Brenngases diffundieren durch die Membrane und reagieren mit dem Luftsauerstoff. Dabei wird einerseits elektrischer Strom und Wärme erzeugt.
  • Die überschüssige Luft und das Abgas wird bei den herkömmlichen Lösungen über eine gemeinsame Ableitung in die Umgebung abgeführt.
  • Dadurch ergibt sich der Nachteil, dass energiereiches Gas ohne energetische Nutzung in die Umgebung abgeführt wird.
  • EP 476 610 B1 zeigt eine Brennstoffzelle, deren Kathodenabgas teilweise zu einem Nachbrenner und teilweise zu einem Gebläse zur Rückführung sowie teilweise über einen Wärmetauscher zur Luftvorwärmung in die Umgebung geleitet wird. Ferner werden die Abgase des Nachbrenners in die Verbrennungskammer eines Reformers geleitet. Die Abgase der Brennstoffzelle werden energetisch zur Aufrechterhaltung des Brennstoffzellenprozesses (Reformerprozess, Luftvorwärmung, Kathodenabgasrückführung) verwendet.
  • DE 40 37 970 A1 zeigt eine Brennstoffzelle, deren Abgase in einem konventionellen, nicht-katalytischen Brenner mit Piezozündung verbrannt werden. Das Abgas der Brennstoffzelle wird energetisch zur Aufrechterhaltung des Brennstoffzellenprozesses (Luftvorwärmung, Brennstoffvorwärmung) verwendet.
  • WO 98/22991 A1 zeigt ebenfalls eine Anlage, bei der die energetische Nutzung der Abgase eines Nachbrenners der Aufrechterhaltung des Prozesses an sich dient.
  • WO 99/10945 A1 beschreibt eine Brennstoffzellenanlage mit einem Nachbrenner mit Hochtemperatur-Oxydkeramik-Membran. Das Abgas wird gesondert über zwei Leitungen abgeführt.
  • US 4 683 177 A zeigt eine Brennstoffzelle, bei der die Luft für die Brennstoffzelle über einen Nachbrenner zugeführt wird. Die im Nachbrenner freiwerdende Wärme wird zur Luftvorwärmung für die der Brennstoffzelle zugeführte Luft verwendet.
  • EP 267 137 B1 offenbart eine Brennstoffzelle mit Nachbrenner, bei der drei Wärmetauscher dazu dienen, Stoffströme der Brennstoffzellenanlage auf die benötigte Reaktionstemperatur zu erwärmen oder abzukühlen.
  • Der Stand der Technik lehrt somit, dass die thermische Energie des Nachbrennerabgases zur Aufrechterhaltung des Brennstoffzellenprozesses genutzt wird. Diese Prozesse laufen bei relativ hohen Temperaturen ab, so dass ein erheblicher Teil der thermischen Energie des Abgases ungenutzt bleibt.
  • Ziel der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu vermeiden und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, das eine sehr weitgehende Ausnutzung der eingesetzten Primärenergie ermöglicht.
  • Erfindungsgemäß wird dies bei einem Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung der eingangs erwähnten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches erreicht.
  • Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen ist sichergestellt, dass einerseits die Brennstoffzelle mit den üblichen Luftüberschüssen betrieben werden kann und die energiereichen Abgase der beiden Kammern der Brennstoffzelle in dem katalytischen Nachbrenner energetisch genutzt werden können. Dabei kann die im Nachbrenner erzeugte Wärme sehr einfach über den nachgeordneten Wärmetauscher ausgekoppelt werden. Es ergibt sich der Vorteil einer besonders weitgehenden Ausnutzung der in den Abgasen der Brennstoffzelle enthaltenen Energie.
  • Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert, die schematisch eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung zeigt.
  • Die dargestellte Brennstoffzellenanordnung weist eine Brennstoffzelle 1 auf, die durch eine Membrane 5 in zwei Räume 4, 6 geteilt ist, wobei in dem Raum 4 eine Anode und im Raum 6 eine Kathode angeordnet sind.
  • Dabei ist der Raum 4 über eine Leitung 3 mit wasserstoffreichem Brenngas, wie z. B. eine Mischung aus H2, CO2, N2, H2O, geringe Mengen CmHn, CO und der Raum 6 über eine Leitung 2 mit Luft versorgbar.
  • Weiters sind die Räume 4 und 6 über Ableitungen 8, bzw. 7 mit einem nachgeordneten katalytischen Nachbrenner 9 verbunden, so daß dieser mit den Abgasen dieser Räume 4, 6 beaufschlagt wird.
  • Dieser Nachbrenner 9 ist mit einer Abgasleitung 10 mit einem kondensierenden Wärmetauscher 11 verbunden, so daß dieser mit den heißen Abgasen des Nachbrenners 9 beaufschlagt wird. Mit diesem Wärmetauscher 11 wird mittels eines Heizkreises 12 Wärme ausgekoppelt. Dabei ist der Wärmetauscher 11 mit einer Abgasleitung 13 und einer Kondensatleitung 14 versehen, über die das weitgehend abgekühlte Abgas und das Kondensat abströmen kann.
  • Beim Betrieb strömt wasserstoffreiches Brenngas über die Leitung 3 und über die Leitung 2 Luft in die Räume 4 und 6 der Brennstoffzelle 1 ein. Dabei kommt es zu einem Durchdiffundieren von Wasserstoffionen H+ durch die Membrane 5, und es kommt zur Reaktion dieser Wasserstoffionen mit dem Luftsauerstoff im Raum 6, in dem sich die Kathode befindet.
  • Dadurch wird elektrischer Strom erzeugt, wobei auch Wärme entsteht.
  • Das entstehende Kathodenabgas gelangt über die Ableitung 7 und das Anodenabgas über die Ableitung 8 in den katalytischen Nachbrenner 9 und verbrennt dort.
  • Die dabei entstehenden heißen Abgase gelangen über die Abgasleitung 10 zum Wärmetauscher 11 und geben dort ihre Wärme an den Heizkreis 12 ab, wobei die Abgase auskondensieren und so auch ihre Kondensationswärme abgeben.
  • Die entsprechend weit abgekühlten Abgase strömen über die Abgasleitung 13 und das anfallende Kondensat über die Kondensatleitung 14 ab.
  • Durch die vorgeschlagene Anordnung kann die eingesetzte Primärenergie sehr weitgehend genutzt werden.

Claims (1)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung mit einer mit einer Anode und einer Kathode versehenen Brennstoffzelle (1), wobei die Anode und die Kathode in durch eine Membrane (5) getrennten Räumen (4, 6) der Brennstoffzelle (1) angeordnet sind und der die Anode aufweisende Raum (4) mit wasserstoffreichem Gas und der die Kathode aufweisende Raum (6) mit Luft beaufschlagbar sind, wobei die beiden Kammern (4, 6) der Brennstoffzelle (1) mit separaten Ableitungen (7, 8) versehen sind, die in einen katalytischen Nachbrenner (9) münden, wobei dem Nachbrenner (9) ein Wärmetauscher (11) nachgeschaltet ist und der dem katalytischen Nachbrenner (9) nachgeschaltete Wärmetauscher (11) als Kondensations-Wärmetauscher (11) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die im Nachbrenner (9) erzeugte Wärme aus den heißen Abgasen in dem direkt nachgeschalteten Wärmetauscher (11) mittels eines Heizkreises (12) ausgekoppelt wird.
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