DE3532835C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine kombinierte Brennstoffzellen­ anlage, in der ein Brennstoffzellengenerator mit einer Argongas-Gewinnungsanlage zusammengefaßt ist.

Ein konventioneller Generator aus Brennstoffzellen, bei­ spielsweise eines Phosphorsäure-Brennstoffzellentypus, wird anhand eines Ausführungsbeispiels anhand Fig. 3 erläutert.

Dort besteht eine Brennstoffzelle 1 aus einem Brennstoff­ pol (Anode) 1 a, einem Luftpol (Kathode) 1 b und einem Elektrolyten (Phosphorsäure) 1 c zwischen beiden Polen. Ein Brennstoffgas und Sauerstoffgas (oder Luft) werden aus einer Brenngas-Produktionsanlage 2 bzw. einem Sauer­ stoffgastank 3 zu einem Umformer 4 geleitet, wo eine Reak­ tion zur Bildung eines wasserstoffreichen Gases mit einem Wasserstoffgehalt von etwa 70% stattfindet. Das so gebildete wasserstoffreiche Gas wird dann dem genannten Brennstoff­ pol 1 a durch ein Ventil 5 zugeführt.

Auf der anderen Seite wird der genannte Luftpol 1 b mit Luft versorgt, die mittels eines Luftfilters 6 entstaubt wurde und der durch einen Luftkompressor 7 ein erhöhter Druck verliehen wurde.

In der so aufgebauten Brennstoffzelle 1 selbst liegt der Wandlungswirkungsgrad von chemischer in elektrische Energie bei etwa 50%, wobei der Rest chemischer Energie in Wärme umgewandelt wird, die in den Kühlteil 1 d strahlt.

Die Luft, die als Kühlmittel agiert, wird vom genannten Luftkompressor 7 als Kühlteil 1 d durch ein Ventil 8 ge­ leitet und nach erfolgter Kühlung mittels eines Wärme­ tauschers 9 durch einen Zirkulator 10 umgewälzt.

Ein Teil der vom Kompressor 7 stammenden Luft wird zudem für den Antriebsstart und -ausgleich herangezogen.

Die entsprechenden Anteile des wasserstoffreichen Gases und der Luft werden in der Brennstoffzelle 1 bei der Reaktion verbraucht. Die unverbrauchten Gasanteile, die von dem Brennstoffpol 1 a über ein Ventil 11 und vom Luft­ pol 1 b ausströmen, werden als Brennstoff für eine Gas­ turbine 12 bzw. als Luft für die Verbrennung verwendet.

Schließlich strömen die Gase aus dem System hinaus, nachdem sie die Gasturbine 12 angetrieben haben. Wenn die Anlage ruht, werden die Ventile 5 und 11 so eingestellt, daß Stickstoff aus einem Stickstoffspeicher 13 über ein Ventil 14 zum Brennstoffpol 1 a strömt, damit der Stickstoff das darin enthaltene wasserstoffreiche Gas verdrängt.

In diesem beschriebenen Phosphorsäuretyp einer Brennstoff­ zelle wird Luft zum Luftpol (Kathode) 1 b geleitet, deren Sauerstoffgehalt bei 20% liegt, so daß die Ausbeute des Gases gering bleibt. Aus diesem Grunde ist es schwierig, die Zellspannung zu erhöhen und verwendete Vorrichtungen zu kompaktieren. Da die verwendete Luft des weiteren nur bei ihrem Durchgang durch den Luftfilter 6 gereinigt wird, ist ihre Reinheit gering, weswegen die Lebensdauer der Zelle verkürzt wird. Falls die Reinheit der Luft erhöht werden sollte, würden die Anlagekosten steigen und eine zusätzliche Antriebskraft im Luft- und Kühlsystem er­ forderlich werden, wodurch die Betriebskosten steigen würden.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die genannten Nachteile zu vermeiden und eine Kombination eines Brennstoffzellengenerators mit einer Argongewinnungs­ anlage hervorzubringen, um hauptsächlich das Luftsystem eines konventionellen Brennstoffgenerators dahingehend zu verbessern, daß die Leistungsfähigkeit des Generators erhöht wird, die Kosten beider Anlagen hingegen reduziert werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anlage gelöst, die sich dadurch auszeichnet, daß sie aus einer Brenn­ stoffzelle, einer Vorrichtung zur Versorgung einer Anode der Brennstoffzelle mit Brenngas, einem Gasabscheider zur Versorgung einer Kathode der Brennstoffzelle mit hoch­ reinem, argonhaltigem Sauerstoffgas, aus einem Brenner zur Verbrennung der unverbrauchten Gase von der Anode und der Kathode und aus einer Kühlvorrichtung besteht, die zum Kondensieren und Entfernen von Wasser aus dem verbrannten Gas zur Gewinnung von Argongas dient.

Dementsprechend ist das argonhaltige Sauerstoffgas, welches aus dem Gasabscheider herrührt, hochkonzentriert und von hoher Reinheit, so daß eine hohe Zellspannung erzielbar ist, weswegen die verwendeten Vorrichtungen kompaktiert werden können und wegen der Reinheit die Lebensdauer der Zelle erhöht wird. Da die Einrichtungen und die für den Gasabscheider erforderlichen Betriebskosten anstelle eines Luftsystems einer konventionellen Brennstoffzelle einge­ setzt werden können und da ein Teil des Gastrennungs­ betriebes unter Anwendung von Einrichtungen der Brenn­ stoffzelle vonstatten gehen kann, kann die Elektrizitäts­ erzeugung und die Gewinnung von Argongas mit niedrigen Kosten erfolgen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt

Fig. 1 einen schematischen Arbeitsplan einer Ausführungs­ form einer Brennstoffzellenanlage gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen schematischen Arbeitsplan eines DAA-Gas­ abscheiders zur Anwendung in der Anlage gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 einen schematischen Arbeitsplan eines herkömm­ lichen Brennstoffzellengenerators.

Nach Fig. 1 besteht die Brennstoffzelle 21 aus einem Brennstoffpol (Anode) 21 a, einem Luftpol (Kathode) 21 b und einem Elektrolyten (z. B. Phosphorsäure) 21 c zwischen beiden Polen. Im Kühlteil 21 d der Brennstoffzelle 21 wird die Wärmestrahlung aufgenommen. Das Brenngas und der Sauerstoff (oder Luft) werden von einem Brenngas-Produk­ tionssystem 22 bzw. von einem Sauerstoffgastank 23 bereitgestellt und zu einem Umformer 24 geleitet. Dort reagieren die Gase miteinander und ergeben ein wasserstoff­ reiches Gas, das zum Brennstoffpol 21 a geführt wird. Auf der anderen Seite wird hochreines, argonhaltiges Sauer­ stoffgas, von dem Staub mittels eines Luftfilters 25 ent­ fernt worden ist, das einen durch einen Luftkompressor 26 erhöhten Druck hat und das durch einen Druckausschlag­ adsorptions(DAA)-Gasabscheider 27 geleitet wurde, dem Luftpol 21 b zugeführt.

Dieser DAA-Gasabscheider 27 ist mit einer Vakuumpumpe 28 verbunden. Die detaillierte Beschreibung des DAA-Gasab­ scheiders 27 erfolgt unten unter Bezugnahme auf Fig. 2.

Das wasserstoffreiche Gas, das dem genannten Brennstoffpol 21 a zugeführt wird, wird teilweise mit dem hochreinen, argon­ haltigen Sauerstoffgas, das dem Luftpol 21 b zugeleitet wird, zur Reaktion gebracht, so daß eine Leistungsgenerierung stattfindet. Die unverbrauchten Gase, die von dem Brenn­ stoffpol 21 a und dem Luftpol 21 b durch deren Auslässe ab­ strömen, werden in geeigneter Weise vermischt und dem Brenner 29 zugeführt, in dem aller Wasserstoff und Sauer­ stoff zu Wasser umgewandelt wird. In diesem Fall wird das inreaktive Argongas völlig abgetrennt und seine Konzentra­ tion erlangt Werte um 100%. In einer Kühlvorrichtung 30 kondensiert Wasser und wird dann einem Gas/Flüssigkeits­ abscheider 31 zugeführt, in dem das Wasser abgezogen wird. Das Argongas gelangt dann in einen Argontank 32.

Der erwähnte DAA-Gasabscheider wird anhand der Fig. 2 erläutert. Dort wird der Druck der Luft, die vorher mit Hilfe des Luftfilters 25 von Staub gereinigt worden ist, mit Hilfe des Luftkompressors 26 auf etwa 49 N/m² erhöht. Die Kompressionswärme wird der komprimierten Luft in einer Kühleinrichtung 33 anschließend entzogen. Des wei­ teren wird ihr Wasser in einem Wasserabscheider 34 entzo­ gen. Die Luft wird dann zu Adsorptionstürmen 36 a, 36 b, 36 c, 36 d durch entsprechende Lufteinlaßventile 35 a, 35 b, 35 c, 35 d geleitet.

Diese Adsorptionstürme 36 a, 36 b, 36 c, 36 d sind mit einem Adsorptionsmittel 37 gefüllt, das aus Zeolith o. dgl., das unter sogenannten Molekularsieben geführt wird, besteht. Nur Sauerstoff und Argon strömen durch das Adsorptions­ mittel 37 und werden einem Produktgastank 39 über Ventile 38 a, 38 b, 38 c, 38 d zugeführt. In diesem Aufbau sind die genannten Adsorptionstürme auf der Seite ihrer Luftein­ lässe mit Auslaßventilen 40 a, 40 b, 40 c, 40 d für Abluft versehen, wobei diese Auslaßventile mit einer Vakuumpumpe 28 verbunden sind.

Weiterhin sind Druckausgleichsventile 41 a, 41 b, 41 c, 41 d an den Adsorptionstürmen an ihren Luftauslaßseiten vorge­ sehen. Dem genannten Adsorptionsmittel 37 wie Zeolith wird aufgrund seiner Adsorptionskapazität eine beträcht­ liche Menge Luft zugeführt. Für die Regenerierung der Ad­ sorptionskapazität ist es daher unerläßlich, daß in den Adsorptionstürmen eine Druckabsenkung stattfindet, die Adsorption der Luft dort vonstatten geht und die ver­ brauchte Luft aus dem System durch die Abluftauslaß­ ventile 40 a, 40 b, 40 c, 40 d und die Vakuumpumpe 28 aus­ strömt. Um eine stetige Versorgung mit dem Produktgas (dem argonhaltigen, hoch-reinen Sauerstoffgas) zu ge­ währleisten, sind eine periodisch aufzuführende Adsorption bei hohem Druck und Desorption bei niedrigem Druck sowie wenigstens zwei Adsorptionstürme vonnöten. In Fig. 2 sind zwei Paare derartiger Türme angedeutet. Zum Zwecke von gleichmäßig ablaufenden Adsorptions- und Desorptionsprozessen sind die Lufteinlaßventile 35 a bis 35 d, die Ventile 38 a bis 38 d für das Produktgas, die Abluftaus­ laßventile 40 a bis 40 d und die Druckausgleichsventile 41 a bis 41 d mittels Signale einer Steuerung 42 steuerbar.

In dem beschriebenen Aufbau sind der Brennstoffzellen­ generator und die Argongewinnungsanlage organisch mit­ einander kombiniert.

Dieser Anlagenkombination entsprechend kann die Ver­ wertung des zum Luftpol (Kathode) 21 b geleiteten Gases aufgrund der Tatsache erhöht werden, daß es nicht wie üblich Luft, sondern ein Gas ist, welches durch den DAA- Gasabscheider 27 geströmt ist und dessen Sauerstoff­ gehalt bei etwa 95% (Argonkonzentration etwa 5%) liegt, wodurch eine hohe Zell-Spannung erzielbar ist. Mit den genannten Maßnahmen kann die Leistungsfähigkeit der Anlage gesteigert werden, ihre Vorrichtungen können aufgrund des reduzierten Gesamtgasvolumens kompaktiert werden und ein Druckverlust kann verkleinert werden. Zusätzlich wird die Lebensdauer der Zelle verlängert, da die Reinheit des argonhaltigen Sauerstoffgases nach dem Durchgang durch den Luftfilter 25 und das Adsorptionsmittel 37 enorm hoch ist.

Weiterhin ist das dem Luftpol (Kathode) 21 b des Brennstoff­ generators in der erfindungsgemäßen Anlage zuzuführende Gas aus für die Argongewinnungsanlage nötigen Einrichtungen verfügbar und, auf der anderen Seite, ist ein Teil des Gasabscheidungsbetriebes durch Einrichtungen (Brenner 29 usw.) des Brennstoffzellengenerators durchführbar.

Das Kühlteil 21 d in der Brennstoffzelle 21 kann mit Wasser, Luft, organischen Medien u. dgl. als Kühlmittel betrieben werden.

Beispielsweise für Brennstoffgase zur Anwendung in der Anlage sind Kohlenwasserstoffgase (Methan u. dgl.), Gruben­ gase, Methanol, Abgase aus Eisenwalzwerken (Hochofengas, Kokereigas, Konvertergas und Elektroofengas) u. dgl. Falls notwendig, kann jedes der genannten Gase modifiziert werden und einer Gasabscheidungs- und Reinigungsbehandlung unterworfen werden und dann als das wasserstoffreiche Gas dem Brennstoffpol (Achse) zugeführt werden.

Das dem Brenngaspol zuzuführende Gas kann merkliche Mengen von CO₂ und CO zusätzlich zum Wasserstoff enthalten. Wenn ein derartiges Brenngas zur Anwendung kommt, kann der DAA- Gasabscheider auch auf der strömungsabwärts gelegenen Seite des Gas/Flüssigkeitsabscheiders nach Fig. 1 vor­ gesehen werden. Dies heißt dann, daß das unverbrauchte Gas vom Brennstoffpol (Anode) 21 a und dem Luftpol (Kathode) 21 b miteinander zur Reaktion gebracht werden können, um Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser umzuwandeln, wonach sie dann durch die Kühlvorrichtung 30 und den Gas/Flüssig­ keitsabscheider 31 geleitet werden, so daß das argon­ haltige Brenngas, CO₂ und CO daraus ausströmen können. Danach geht das Gas durch den DAA-Gasabscheider (nicht dargestellt), um das CO₂ und CO zu entfernen, wonach das Argongas hoher Reinheit zum Argontank 32 geleitet wird.

Die vorliegende Beschreibung ging aus von dem Fall, daß ein Phosphorsäuretyp einer Brennstoffzelle zur Anwendung kommt. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, denn es ist auch der Einsatz von Brennstoffzellen alka­ lischen Typs und anderer Typen möglich.

Die erfindungsgemäße Anlagenkombination gestattet mithin eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit des Brennstoff­ zellengenerators, dessen Lebensdauerverlängerung und eine Kostensenkung in der Elektrizitätserzeugung und der Argon­ gasgewinnung.

Claims (2)

1. Kombinierte Brennstoffzellenanlage, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie aus einer Brennstoffzelle (21), einer Vorrichtung (22) zur Versorgung einer Anode (21 a) der Brennstoffzelle (21) mit Brenngas, einem Gasab­ scheider (27) zur Versorgung einer Kathode (21 b) der Brennstoffzelle (21) mit hoch-reinem, argonhaltigem Sauerstoffgas, aus einem Brenner (29) zur Verbrennung der unverbrauchten Gase von der Anode (21 a) und der Kathode (21 b), und aus einer Kühlvorrichtung (30) besteht, die zum Kondensieren und Entfernen von Wasser aus dem verbrannten Gas zur Gewinnung von Argongas dient.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasabscheider (27) aus einem Druckausschlag­ adsorptions-Gasabscheider besteht.