DE68907155T2

DE68907155T2 - Reformierung von Wasserstoffbrennstoff in einer mit Nebel gekühlten Brennstoffzellenkraftanlage.

Info

Publication number: DE68907155T2
Application number: DE89115595T
Authority: DE
Inventors: Alexander Henry Levy; Ronald Jeffry Wertheim
Original assignee: International Fuel Cells Corp
Current assignee: UTC Power Corp
Priority date: 1988-08-24
Filing date: 1989-08-23
Publication date: 1994-01-27
Anticipated expiration: 2009-08-24
Also published as: US4865926A; DK416389A; DE68907155D1; EP0356906A1; JPH02119062A; ES2042908T3; DK416389D0; EP0356906B1; CA1309129C

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Phosphorsäurebrennstoffzellen-Energieanlage und insbesondere auf eine solche Energieanlage, die in dem Anodengas mitgeführtes Wasser zum Kühlen des Energiebereichs und Anodenabgas als eine Wasserquelle zum Reformieren von Kohlenwasserstoffbrennstof verwendet.

Stand der Technik

Der Energiebereich einer Brennstoffzellen-Energieanlage wird typischerweise mit einem Wasserumlaufstrom gekühlt. Das Wasser wird durch Kühlpassagen in dem Energiebereich geführt und es wird darin zu einer Zweiphasen-Wasser/Dampf-Mischung erwärmt. Die den Energiebereich verlassende Wasser/Dampf-Mischung wird dann zu einem Dampfabscheider geleitet, in dem das Wasser und der Dampf in der Mischung voneinander getrennt werden. Der somit wiedergewonnene Dampf wird dann zu dem Kohlenwasserstoffgas-Reformierungsbereich der Anlage geleitet, um als ein Reaktionsmittel für das katalytische Reformieren eines Roh-Kohlenwasserstoffbrennstoffs in ein wasserstoffreiches Brennstoffgas zu dienen, das zur Verwendung in den Brennstoffzellenanoden geeignet ist. Diese Art von Kühlsystem erfordert die Verwendung des vorgenannten Dampfabscheiders, und sie erfordert auch ein Wasserbehandlungs-Untersystem, weil das Wasser aus dem Dampfabscheider zurückzirkuliert wird durch das Kühlsystem. Es erfordert auch ein separates Netzwerk von Kühlmittelpassagen in dem Energiebereich.
Es wurde auch vorgeschlagen, Energiebereiche einer Brennstoffzellen- Energieanlage durch Verdampfen eines Wasserbestandteils, der in einem Gasstrom mitgeführt wurde, zu kühlen. Der Gasstrom könnte ein durch einen separaten Kühlpassagebereich geleiteter Luftstrom sein, oder er könnte einer der Reaktionsmittelgasströme sein. Das R.J. Wertheim am 7. Juli 1987 erteilte U.S. Patent Nr. 4,678,723 offenbart ein solches System. In dem in dem vorgenannten Patent beschriebenen System wird Wassernebel in das Kathodenabgas eingespritzt, das dann durch einen Kühlbereich in dem Energiebereich geleitet wird, in dem das Wasser verdampft wird. Das Abgas aus dem Kühlbereich, das Wasserdampf enthält, wird dann in einen autothermischen Reformer gespeist.
In der FR-A-2 301 106 wird ein Hochdruck-Phosphorsäurebrennstoffzellen-System offenbart, das durch eine Mischung aus in die Anodeneinrichtung einströmenden Wasserdampf und Brennstoff gekühlt wird. Das Anodenabgas wird zu dem Reformer und dem Reformerbrenner geleitet, um Wasser für die Reformierungsreaktion zu liefern bzw. um Wärme zum Betreiben des Reformers zu liefern.

Offenbarung der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Phosphorsäurebrennstoffzellen- Energieanlage, die einen herkömmlich befeuerten Reformer aufweist und in der die Energiebereich-Kühlung durch in die Anodenabgasstrom eingespritztes Wasser erfolgt, wo das Wasser verdampft wird. Das eingespritzte Wasser wird vorzugsweise die Form von Wassertröpfchen annehmen und wird im folgenden als ein "Nebel" bezeichnet. Das Wasserdampf tragende Anodenabgas wird dann geteilt, wobei einiges zu dem Brenner in dem Reformer geleitet wird, wo es verbrannt wird, um Wärme für die Reformierungsreaktion zu ergeben. Der Rest des Anodenabgases wird zu dem Reformereinlaß geleitet, wodurch es eine Wasserquelle für die Reformerreaktion schafft. Das System dieser Erfindung erfordert kein Netzwerk von separaten Kühlpassagen für den Energiebereich. Das System dieser Erfindung hat die gleichen Vorteile wie das in dem vorgenannten Patent 4,678,723 besprochene System, aber es erfordert nicht die Verwendung eines autothermischen Reformers. Da das in der Reformierungsreaktion verwendete Wasser nicht die Form von Dampf hat, kann der Energiebereich bei höheren Innendrücken betrieben werden mit sich ergebenden niedrigeren Wärmeraten und somit erhöhter Leistungsfähigkeit. Erhöhte Energiedichte zu verminderten Kosten ist ebenfalls gegeben. Eine etwas bessere Zellenleistung resultiert aus dem in dem Anodengasstrom aufgrund der Verwendung der in dem Reformierungsverfahren eingesetzten Wasserstoff-Wasserdampfmischung aufgefundenen zusätzlichen Wasserstoff. Der Energiebereich kann mit einem Turbokompressor, der mit einer Mischung aus dem Reformerbrennerabgas und dem Kathodenabgas betrieben wird, im Bereich von 137,8 bis 413,4 Ncm&supmin;² (200 psia bis 600 psia) gehalten werden.
Es ist deshalb ein Ziel dieser Erfindung, eine Brennstoffzellenen- Energieanlagen-Zusammenstellung zur Verfügung zu stellen, die mit höheren Innendrücken und niedrigeren Wärmeraten für erhöhte Leistungsfähigkeit betrieben werden kann.
Es ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung, eine Energieanlagen- Zusammenstellung der beschriebenen Art zur Verfügung zu stellen, die einen herkömmlich befeuerten Reformer aufweist.
Es ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung, eine Energieanlage der beschriebenen Art zur Verfügung zu steilen, die keinen Dampf als eine Wasserquelle für das Reformierungsverfahren verwendet.
Diese und andere Ziele und Vorteile der Erfindung werden deutlicher ersichflich aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, gesehen in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung, die eine schematische Darstellung einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Brennstoffzellen-Energieanlage ist.

Beste Art zur Ausführung der Erfindung

Der Energiebereich 2 oder Stapel der Energieanlage, wo die elektrochemische Reaktion stattfindet, hat eine Kathodenseite 4 und eine Anodenseite 6. Es ist zu würdigen, daß der Energiebereich 2 aus einer Vielzahl von übereinandergestapelten Brennstoffzellen gebildet ist und daß jede Zelle eine Kathode und eine Anode aufweisen wird. Kathoden- und Anodenreaktionsmittel werden typischerweise von Verteilerleitungen an den Seiten des Stapels in die Zellen gespeist, wobei Querströmung der Reaktionsmittel von einer Einlaß- Verteilerleitung auf einer Seite zu einer Auslaß-Sammelleitung auf einer gegenüberliegenden Seite stattfindet. Das Kathodenreaktionsmittel wird durch den Stapel in einer Richtung strömen, und das Anodenreaktionsmittel wird durch den Stapel in einer Richtung strömen, 90º versetzt von dem Kathodenströmungsweg. Zweckdienlicherweise ist der Stapel 2 typischerweise schematisch dargestellt, wie in der Zeichnung gezeigt. Luft, die das Sauerstoffreaktionsmittel für die Kathodenseite 4 liefert, strömt in die Energieanlage über eine Lufteinlaßleitung 8 ein und strömt von dieser durch einen Kompressor 10, der von einer Turbine 12 betrieben wird. Die Luft wird auf einen Druck im Bereich von etwa 137,8 Ncm&supmin;² (200 psi) bis etwa 413,4 Ncm&supmin;² (600 psi) verdichtet. Ein bevorzugter Betriebsdruck ist etwa 275,6 Ncm&supmin;² (400 psi). Die verdichtete Luft strömt in die Kathodenseite 4 über die Kathodeneinlaßleitung 14.
Ein Roh-Kohlenwasserstoffbrennstoff, wie Methan, strömt in das System durch die Leitung 16. Die Temperatur des einströmenden Brennstoffs wird auf etwa 316ºC (600ºF) in einem Wärmeaustauscher 18 erhöht, und der erwärmte Brennstoff strömt dann durch die Leitung 20 und in das Reformergefaß 22. Der reformierte wasserstoffreiche Anodenbrennstoff verläßt den Reformer 22 über die Leitung 24 bei einer Temperatur von etwa 563ºC (1045ºF) und strömt durch den Wärmeaustauscher 18, wo er Wärme abgibt, die zum Erwärmen des einströmenden Roh-Brennstoffs verwendet wird. Die Temperatur des wasserstoffreichen Brennstoffs in der Leitung 26 wird durch Wärmeaustauscher 18, 28 und 30 auf etwa 218,5ºC (425ºF) reduziert, wobei der Brennstoff durch einen Shift-Konverter 32 strömt, in dem die Kohlenmonoxidkonzentration auf 0,7 % auf Trockenbasis reduziert wird. Schließlich strömt das wasserstoffreiche Brennstoffgas in die Anodenseite 6 des Energiebereichs 2 durch die Anodeneinlaßleitung 34. Das Wassernebelkühlmittel wird in den Brennstoffflußstrom der Anodenseite 6 des Energiebereichs 2 durch die Leitung 36 eingespritzt. Der Wassergehalt des Nebelkühlmittels wird in der Anodenseite 6 verdampft, um den Energiebereich 2 zu kühlen und einen Anodenabgasstrom in der Auslaßleitung 38 zu ergeben, wobei der Anodenabgasstrom nicht-reagierten Wasserstoff und Wasserdampf enthält. Das Wasserstoff/Wasserdampf-Anodenabgas strömt durch den Wärmeaustauscher 28 und in die Leitung 40 bei einer Temperatur von etwa 384ºC (723ºF). An der Leitung 40 wird der Anodenabgasstrom durch ein Ventil 42 geteilt, so daß etwa 47 % desselben über die Leitung 44 in den Reformer 22 strömen und etwa 53 % desselben über die Leitung 46 in den Reformerbrenner 23 strömen, um darin verbrannt zu werden und Wärme zum Betreiben des Reformers 22 zu liefern. Der Wasserdampf in dem Strom in der Leitung 44 liefert das für die laufende Reformierungsreaation in dem Reformer 22 benötigte Wasser. Abgase von dem Reformerbrenner 23, die Wasserdampf enthalten, werden durch die Leitung 46 zu dem Ventil 48 geleitet, wo das Reformerbrennerabgas mit dem Kathodenabgas von der Leitung 50 gemischt wird. Das Kathodenabgas ist eine Mischung aus sauerstoffverarmter Luft und mitgeführtem Produktwasser, wobei die Mischung in einer Kathodenabgasleitung 52 abgenommen wird von der Kathodenseite 4 des Energiebereichs 2. Die feuchte, sauerstoffverarmte Luft wird auf eine Temperatur von etwa 242ºC (468ºF) in dem Wärmeaustauscher 30 erwärmt, bevor sie in die Leitung 50 einströmt. Die Mischung aus Reformerbrennerabgas und erwärmtem Kathodenabgas, die beide Wasserdampf aufweisen, deren Druck vorzugsweise 275,6 Ncm&supmin;² (400 psi) und deren Temperatur vorzugsweise etwa 492,5ºC (919ºF) beträgt, wird in die Turbine 12 über die Leitung 52 gespeist, um die Energie zum Betreiben der Turbine zu liefern. Wie vorher bemerkt, betreibt die Turbine 12 den Luftkompressor 10 und sie betreibt auch einen elektrischen Generator 54, der Strom erzeugt und damit zu der von der Energieanlage produzierten Gesamtelektrizitätsmenge beiträgt. Abgas von der Turbine 12, das Wasserdampf enthält, wird einem Kondensator 56 über die Leitung 58 zugeführt. Der Wassergehalt wird aus dem Turbinenabgas in dem Kondensator 56 herauskondensiert. Das kondensierte Wasser wird aus dem Kondensator 56 in der Leitung 36 als ein Wassernebel entnommen, wobei der Wassernebel von dem Kondensator 56 über die Leitung 36 zu dem Anodengasstrom in der Anodenseite 6 des Energiebereichs geleitet wird. Gase in dem Kondensator 56 werden von diesem über die Kondensatorauslaßleitung 58 abgeleitet.
Es ist zu würdigen, daß das System dieser Erfindung dadurch vereinfacht wird, daß eine mit dem Energiebereich verbundene separate Wasserkühlschleife, die im Stand der Technik Kühlwasser in dem Energiebereich auf seinen Siedepunkt erhitzt, um die Zellen zu kühlen, ausgeschlossen wird. Das System dieser Erfindung läßt sich aufgrund des Nichtvorhandenseins von Dampf darin mit höheren Drücken betreiben und wird folglich die größeren Energiedichten bei niedrigen Erwärmungsraten ergeben, wie in dem vorgenannten Patent 4,678,723 ausgeführt. Diese verbesserte Leistung wird erreicht unter Verwendung eines herkömmlich befeuerten Reformers und erfordert nicht die Verwendung eines autothermischen Reformers.

Claims

1. Hochdruck-Phosphorsäurebrennstoffzellenstapel-Zusammenstellung, aufweisend;

a) Einen Brennstoffzellenstapel (2) zum Erzeugen von Elektrizität, wobei zu dem Stapel eine Kathodeneinrichtung (4), eine Anodeneinrichtung (6) gehört, und der Stapel ohne ein separates Kühlsystem ausgebildet ist;

b) eine Einrichtung (14) zum Zuführen einer Druckluftversorgung zu der Kathodeneinrichtung (4); pc) eine Einrichtung (34) zum Zuführen eines wasserstoffreichen Brennstoffgases zu der Anodeneinrichtung (6) zum elektrochemisch Reagieren mit Sauerstoff in der Druckluft, um Elektrizität und Wasser zu erzeugen;

d) eine erste Ableitungseinrichtung (52) zum Entfernen einer Mischung von sauerstoffverarmter Luft und Produktwasser von der Kathodeneinrichtung (4);

e) eine Einrichtung (36) zum Zuführen eines Wassernebelstroms zu der Anodeneinrichtung (6) zur Mischung mit dem wasserstoffreichen Brennstoffgas, wobei der Wassernebelstrom, der in der Form von Wassertröpfchen ist, in der Anodeneinrichtung (6) verdampft wird, um den Stapel (2) zu kühlen;

f) eine Einrichtung (38) zum Ableiten einer Mischung aus wasserstoffverarmtem Gas und Wasserdampf von der Anodeneinrichtung (6);

g) eine Reformereinrichtung (22) zum Reformieren eines Roh- Kohlenwasserstoffbrennstoffs zu dem wasserstoffreichen Brennstoffgas; und

h) eine Einrichtung (40) zum Zuführen der Mischung aus wasserstoffverarmtem Ableitungsgas und Wasserdampf zu der Reformereinrichtung (22), um Wasser für die Reformierungsreaktion zu liefern.

2. Die Stapel-Zusammenstellung nach Anspruch 1, bei der die Einrichtung (40) zum Zuführen der Mischung aufweist eine erste Leitungseinrichtung (46) zum Zuführen eines Teils der Mischung zu einer Reformerbrennereinrichtung (23) zur Verbrennung, um Wärme zum Betreiben der Reformereinrichtung (22) zu liefern, und eine zweite Leitungseinrichtung (44) zum Zuführen des Restes der Mischung zu der Reformereinrichtung (22).

3. Stapel-Zusammenstellung nach Anspruch 2, weiterhin aufweisend einen Turbokompressor (12,10) zum Unter-Druck-Setzen der Luftversorgung und eine Leitungseinrichtung (46) zum Zuführen von Ableitung aus dem Reformerbrenner (23) und von Ableitung von der Kathodeneinrichtung (4) zu dem Turbokompressor (12,10), um den letzteren zu betreiben.

4. Stapel-Zusammenstellung nach Anspruch 3, weiterhin aufweisend eine Einrichtung (48) zum Mischen der Reformerbrenner-Ableitung und der Kathodeneinrichtung-Ableitung vor der Zuführung zu dem Turbokompressor (12,10).