DE4021097A1 - Brennstoffzellen-kraftwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellen-Kraftwerk mit mindestens einem Stapel Brennstoffzellen, mit einer ersten Anlage zur Versorgung der Anoden der Brennstoffzellen mit einem Brenngas und mit einer zweiten Anlage zur Versorgung der Katho­ den der Brennstoffzellen mit einem komprimierten, heißen, sauer­ stoffhaltigen Gas.

Es ist bereits ein Brennstoffzellen-Kraftwerk vorbekannt, bei dem die Anoden von einem Brenngas durchströmt werden, das aus Erdgas durch Hydrierung und Anreicherung mit Wasserdampf gewon­ nen wird. Dieses Brenngas strömt beispielsweise mit einem Druck von ca. 8 bar und einer Temperatur von etwa 875°C in die Ano­ den ein. Das die Anoden verlassende Abgas gibt seine fühlbare Wärme bei einer Temperatur von etwa 950°C an das den Anoden zuströmenden Brenngas ab. Sodann wird es getrocknet, verbrannt und zur Dampferzeugung herangezogen. Bei diesem Brennstoffzel­ len-Kraftwerk wird außerdem ein sauerstoffhaltiges Gas bei bei­ spielsweise ca. 8 bar und einer Temperatur von ca. 875°C in die Kathoden gedrückt. Das die Kathoden verlassende, an Sauer­ stoff verarmte, ca. 950°C heiße Kathodenabgas rezirkuliert zu einem Teil, zu einem Teil wird es über eine Entspannungsturbine entspannt und anschließend in einer Wärmetauscheranlage zur Er­ zeugung von Prozeßdampf herangezogen. Um den Druckverlust im Kathodenkreislauf zu überwinden, ist ein Gasverdichter in der Rezirkulationsleitung für das Kathodenabgas eingebaut. Weil solche Gasverdichter jedoch kaum bei Temperaturen über 650°C einsetzbar sind, muß das Kathoden-Kreislaufgas zunächst über einen Rekuperativ-Wärmetauscher abgekühlt, sodann verdichtet und dann im Rekuperativ-Wärmetauscher erneut wieder aufgeheizt werden (siehe auch Fig. 1).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dieses vorbekannte Brennstoffzellenkraftwerk weiter zu vereinfachen und zu er­ tüchtigen. Insbesondere soll das aufwendige Abkühlen und Wie­ deraufheizen des Kathoden-Kreislaufgases vermieden werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den An­ sprüchen 2 bis 8 zu entnehmen.

Dadurch, daß bei einem Brennstoffzellen-Kraftwerk der eingangs genannten Art das die Kathoden verlassende heiße Abgas zu ei­ nem Teil über eine einen Frischluftverdichter antreibende Ent­ spannungsturbine und eine Wärmetauscheranlage ins Freie entlas­ sen wird und zu einem anderen Teil als Kreislaufgas über einen von der komprimierten Frischluft betriebenen Luftstrahlverdich­ ter auf den Einlaßdruck der Kathode komprimiert und in die Katho­ den zurückgeleitet wird, wird die Voraussetzung dafür geschaf­ fen, um auf eine Abkühlung des Kreislaufgases vor dem Verdich­ ter und eine Wiederaufheizung nach dem Verdichter verzichten zu können. Im Gegensatz zu üblichen Gasverdichtern kommt ein Luft­ strahlverdichter ohne bewegliche Teile aus und kann daher auch bei den hohen Temperaturen von über 950°C eingesetzt werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Entspannungs­ turbine für den Antrieb des Luftverdichters mit einem zusätzli­ chen motorischen Antrieb gekuppelt sein. Durch diese Maßnahme kann die für den Betrieb des Luftstrahlverdichters benötigte höhere Verdichterleistung beigesteuert werden. Auch lassen sich so Laständerungen leichter abfangen.

Eine bessere Anpassung der Betriebsweise an die jeweiligen Lastverhältnisse wird auch erreicht, wenn in besonders vorteil­ hafter Weiterbildung der Erfindung die Leitung für die kompri­ mierte Frischluft über einen Leitungszweig mit dem Eingang der Entspannungsturbine verbunden ist. Hierdurch wird es möglich, überschüssige, verdichtete Frischluft wieder in der Entspannungs­ turbine zu entspannen und so einen Teil der zuvor geleisteten Verdichterarbeit zurückzugewinnen und zum anderen zugleich auch die Gaseintrittstemperatur der Entspannungsturbine zu verringern.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung kann die komprimier­ te Frischluft vor der Einspeisung in die Kathode durch einen von den Abgasen einer Brennkammer durchströmten Wärmetauscher geleitet werden. Diese Maßnahme erlaubt es, die komprimierten und durch die Kompressionsarbeit bereits vorgewärmte Frischluft mit den heißen Rauchgasen der Brennkammer weiter aufzuheizen, um nach Zumischung zu dem heißen Kreislaufgas die Gaseintritts­ temperatur der Kathoden zu erreichen.

In Ausgestaltung der Erfindung kann die Brennkammer mit dem Anodenabgas betrieben werden. Auf diese Weise wird ein im Brenn­ stoffzellen-Kraftwerk anfallender Brennstoff verbrannt und wird der Bezug eines fremden Brennstoffs vermieden.

Entsprechend einer alternativen Weiterbildung der Erfindung könnte die komprimierte Frischluft auch vor der Einspeisung in die Kathoden durch einen vom heißen Kathodenabgas durchström­ ten Wärmetauscher geleitet werden. Hierdurch könnte die Brenn­ kammer eingespart und das Anodenabgas als Brenngas anderweitig verwertet werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Brennstoffzellen-Kraftwerk gemäß dem vorgenannten Stand der Technik und

Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellenkraftwerk.

Die Fig. 1 zeigt das eingangs erwähnte, vorbekannte Brennstoff­ zellen-Kraftwerk 1. In der schematischen Darstellung erkennt man einen Stapel 2 Brennstoffzellen, bei dem die Anoden 4 an eine Anlage 6 zur Versorgung mit Brenngas und die Kathoden 8 an eine Anlage 10 zur Versorgung mit einem sauerstoffhaltigen Gas angeschlossen sind. Die Anlage 6 zur Versorgung der Anoden 4 der Brennstoffzellen mit einem Brenngas ist an eine Erdgas­ leitung 12 angeschlossen und enthält in hier nicht weiter dar­ gestellter Weise eine Einrichtung zur Hydrierung des Erdgases, einen Dampferzeuger und eine Einrichtung zur Einspeisung von Dampf in das hydrierte Erdgas. Die Anoden 4 der Brennstoffzel­ len sind über eine Abgasleitung 14 an die Anlage 6 angeschlos­ sen, wobei das Anodenabgas seine fühlbare Wärme in hier nicht weiter dargestellte Wärmetauscher an das frische Brenngas ab­ gibt und über eine Druckwechsel-Adsorptionsanlage auch den Was­ serstoffgehalt an das frische Brenngas weitergibt, bevor es als im wesentlichen kohlenmonoxid- und wasserdampfhaltiges Abgas über die Abgasleitung 16 an die Anlage 10 zur Versorgung der Kathoden 8 der Brennstoffzellen mit einem sauerstoffhaltigen Gas abgegeben wird.

Die Anlage 10 zur Versorgung der Kathoden 8 der Brennstoffzellen mit einem sauerstoffhaltigen Gas enthält eine Entspannungstur­ bine 18, die abgasseitig an den Kathoden der Brennstoffzellen angeschlossen ist. Die Entspannungsturbine 18 ist an einen Frischluftverdichter 20 und an einen Generator 22 angekuppelt. Von der Abgasleitung 24 der Kathoden der Brennstoffzellen 2 zweigt eine Rezirkulationsleitung 26 für das sauerstoffverarmte Kathodenabgas ab, die wieder zum Eingang der Kathoden 8 zurück­ führt. In dieser Rezirkulationsleitung 26 befinden sich ein Re­ kuperativwärmetauscher 28, ein Lufterhitzer 30 für die verdich­ tete Frischluft und ein Kreislaufverdichter 32 für das Katho­ denabgas. Der Frischluftverdichter 20 ist ausgangsseitig mit einer Frischluftleitung 21 über einen Rauchgaslufterhitzer 34, den vom Kreislaufgas durchströmten Lufterhitzer 30 und einem weiteren Rauchgaslufterhitzer 36 an die Rezirkulationsleitung 26 für das Kreislaufgas unmittelbar vor deren Einmündung in die Kathoden 8 der Brennstoffzellen angeschlossen. Ein weiterer Zweig 38 der Frischluftleitung zweigt unmittelbar hinter dem Frischluftverdichter 20 ab und mündet in die zur Entspannungs­ turbine 18 führende Leitung 24 für das sauerstoffverarmte Katho­ denabgas. Die Abgasleitung 16 aus der ersten Anlage 6 zur Ver­ sorgung der Anoden 4 der Brennstoffzellen mit einem Brenngas ist an eine Brennkammer 40 angeschlossen, deren Abgase durch die beiden Rauchgaslufterhitzer 34, 36 in die Abgasleitung 42 der Entspannungsturbine 18 führt. Die Abgasleitung der Entspan­ nungsturbine führt über einen Abhitzedampferzeuger 44 ins Freie.

Beim Betrieb des vorbekannten Brennstoffzellen-Kraftwerks 1 ge­ mäß der Fig. 1 wird von der ersten Anlage 6 zur Versorgung der Anoden 4 der Brennstoffzellen 2 mit einem Brenngas ein Brenngas erzeugt, das in die Anoden 4 eingespeist wird. Das Anodenabgas wird nach Rückgewinnung der fühlbaren Wärme und des in ihm ent­ haltenen Wasserstoffanteils in der ersten Anlage 6 als ein im wesentlichen nur noch Kohlenmonoxid, Stickstoff und Wasserdampf enthaltenes, niedercaloriges Brenngas in die Brennkammer 40 der Anlage 10 zur Versorgung der Kathoden 8 der Brennstoffzellen mit einem sauerstoffhaltigen Gas eingespeist. Dort wird es mit weiterer über einen weiteren Luftverdichter 46 zugeführter Frischluft verbrannt. Die heißen Abgase dieser Brennkammer 40 werden über die beiden Rauchgaslufterhitzer 34, 36 in die Ab­ gasleitung der Entspannungsturbine 18 eingeleitet. Die in die­ sen Abgasen noch enthaltene fühlbare Wärme wird in dem an der Abgasleitung 42 angeschlossenen Abhitzedampferzeuger 44 zur Dampferzeugung herangezogen.

Bei diesem vorbekannten Brennstoffzellen-Kraftwerk 1 wird somit ein großer Teil des sauerstoffverarmten Kathodenabgases als Re­ zirkulationsgas in die Kathode zurückgeleitet, nachdem ihm vor­ her über die beiden Rauchgaslufterhitzer 34, 36 und dem Lufter­ hitzer 30 vorgewärmte Frischluft zugeführt wurde. Diese Frisch­ luft substituiert einen Teil des sauerstoffverarmten Kathoden­ abgases, welches über die Entspannungsturbine und den Abhitze­ dampferzeuger ins Freie entlassen wird. Die Druckdifferenz zwi­ schen dem Ein- und Ausgang der Kathoden wird durch den Kreis­ laufverdichter 32 überwunden. Weil solche Kreislaufverdichter jedoch nur bis maximal 650°C eingesetzt werden können, ist eine vorherige Kühlung und spätere Wiederaufheizung des rezir­ kulierenden sauerstoffverarmten Kathodenabgases nötig.

Das in der Fig. 2 dargestellte erfindungsgemäße Brennstoff­ zellen-Kraftwerk 50 unterscheidet sich nur in der zweiten An­ lage 52 zur Versorgung der Kathoden 54 der Brennstoffzellen 56 mit einem sauerstoffhaltigen Gas vom Brennstoffzellen-Kraft­ werk 1 gemäß der Fig. 1. Auch beim erfindungsgemäßen Brenn­ stoffzellen-Kraftwerk 50 ist den Anoden 58 der Brennstoffzel­ len 56 eine erste Anlage 60 zur Versorgung mit einem Brenngas auf Basis von Erdgas 62 und ist den Kathoden 54 eine zweite Anlage 52 zur Versorgung mit einem komprimierten, heißen, sauer­ stoffhaltigen Gas zugeordnet. Auch hier führt die Abgasleitung 64 der Anode 58 in die erste Anlage 60 zurück, um dessen fühl­ bare Wärme und dessen Wasserstoffanteile zurückzugewinnen. Die­ se erste Anlage 60 ist mit ihrer Abgasleitung 66 an die zweite Anlage 52 zur Versorgung der Kathoden 54 mit einem sauerstoff­ haltigen Gas angeschlossen.

Die Kathoden 54 der Brennstoffzellen 56 sind bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel über eine Abgasleitung 68 an eine Entspannungs­ turbine 70 angeschlossen, die im Ausführungsbeispiel mit zwei in Serie geschalteten Frischluftverdichtern 72, 73 gekuppelt ist. Von der Abgasleitung 68 der Kathoden 54 zweigt eine Rezir­ kulationsleitung 74 für das sauerstoffverarmte Kathodenabgas ab, die einen Luftstrahlkathodenabgasverdichter 76 enthält. Die beiden in Serie geschalteten und an der Entspannungstur­ bine 70 angekuppelten Frischluftverdichter 72, 73 sind über einen Rauchgaslufterhitzer 78 an den luftseitigen Eingang des Luftstrahlkathoden-Abgasverdichters 76 angeschlossen. Die Ab­ gasleitung 66 der ersten Anlage 6 zur Versorgung der Anoden 58 der Brennstoffzellen 56 mit einem Brenngas ist an eine Brenn­ kammer 80 angeschlossen, die über einen weiteren Luftverdich­ ter 82 mit Frischluft versorgt wird. In der Abgasleitung 84 dieser Brennkammer ist der Rauchgaslufterhitzer 78 geschaltet. Hinter dem Rauchgaslufterhitzer mündet die Abgasleitung 84 der Brennkammer 80 in die Abgasleitung 86 der Entspannungsturbine 70 und führt mit dieser wiederum über einen Abhitzedampferzeu­ ger 88 ins Freie. Die Entspannungsturbine 70 ist wegen der hö­ heren Verdichterleistung mit einem zusätzlichen Getriebemotor 90 ausgestattet.

Beim Betrieb des erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Kraftwerks 50 wird - ähnlich wie beim Brennstoffzellen-Kraftwerk 1 des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 - in der ersten Anlage 60 zur Versorgung der Anoden 58 der Brennstoffzellen mit einem Brenn­ gas Erdgas hydriert, mit Dampf angereichert und mit einem Druck von etwa 8 bar und einer Temperatur von etwa 875°C in die Ano­ den 58 eingespeist. Das Abgas der Anoden wird in diese erste Anlage 60 zurückgeführt, gibt dort seine fühlbare Wärme und seinen überschüssigen Wasserstoffgehalt an das frische Brenngas ab und strömt dann über die Abgasleitung 66 in die Brennkammer 80 der zweiten Anlage 52 zur Versorgung der Kathoden 54 der Brennstoffzellen mit sauerstoffhaltigem Gas ein. Dort wird es mit der vom Luftverdichter 82 zuströmenden Frischluft verbrannt und gelangt durch den Rauchgaslufterhitzer 78 in die Abgaslei­ tung der Entspannungsturbine 70 und zusammen mit dem entspann­ ten Abgas dieser Entspannungsturbine in den Abhitzedampferzeu­ ger 88 des Brennstoffzellen-Kraftwerks 50. Die beiden von der Entspannungsturbine 70 angetriebenen und in Serie geschalteten Luftverdichter 72, 73 drücken die Frischluft durch den Rauchgas­ lufterhitzer 78 in den Eingang des Luftstrahlkathodenabgasver­ dichters 76 und zusammen mit dem im Kreislauf geführten Teil des Kathodenabgases in die Kathoden 54 der Brennstoffzellen 56. Der durch die aufgeheizte Frischluft substituierte Teil des Kathodenabgases wird über die Entspannungsturbine 70 via Abgas­ leitung 86 in den Abhitzedampferzeuger 88 geleitet. Zur Anpas­ sung an unterschiedliche Lastzustände kann auch hier ein Teil der verdichteten Frischluft über einen Zweig 94 der Frisch­ luftleitung 92 direkt in den Eingang der Entspannungsturbine 70 geleitet werden.

Es ist ein großer Vorteil dieses Brennstoffzellen-Kraftwerks 50, daß der Luftstrahlkathodenabgasverdichter 76 keine beweglichen Teile hat und daher auch bei deutlich höheren Temperaturen be­ trieben werden kann als ein rotierender Gasverdichter. Das führt dazu, daß das ca. 950°C heiße rezirkulierende Kathodenabgas nicht erst abgekühlt werden muß, sondern mit seiner überschüssi­ gen Wärme direkt in den Luftstrahlkathodenabgasverdichter 76 eingespeist werden kann und dort die zuströmende vorerwärmte Frischluft weiter auf die Kathodeneingangstemperatur von ca. 850°C aufheizt, um dann zusammen mit dieser in die Kathoden 54 einzuströmen. Die sonst erforderliche Abkühlung und Wieder­ aufheizung des Kathodenkreislaufgases kann so vermieden werden, und die entsprechenden Wärmetauscherheizflächen können einge­ spart werden. Trotz der wegen der erhöhten Verdichtung der Frischluft erforderlichen höheren Antriebsleistung für die Frischluftverdichter 72, 73, die einen zusätzlichen motorischen Antrieb erfordert - der hier im Ausführungsbeispiel als Getrie­ bemotor 90 an die Entspannungsturbine 70 angeflanscht ist - ist der technische Aufwand für diese Art der Rezirkulation des Katho­ denabgases geringer als bei dem in der Fig. 1 dargestellten Brennstoffzellen-Kraftwerk gemäß dem Stand der Technik. Auch der gesamte thermodynamische Wirkungsgrad des Brennstoffzellen- Kraftwerks wird durch diese Maßnahmen in positiver Weise beein­ flußt. Ebensogut könnte aber der zweite in Serie geschaltete Frischluftverdichter 73 direkt von einem separaten Motor ange­ trieben und dafür der Getriebemotor eingespart werden.

Es wäre auch denkbar, die dem Luftstrahlkathodenabgasverdichter zuströmende Verdichterluft statt mit dem Rauchgaslufterhitzer 78 über einen in der Kathodenabgasleitung 68 geschalteten Katho­ denabgas-Frischluft-Wärmetauscher aufzuheizen und dafür die Brennkammer 80 und den Rauchgaslufterhitzer 78 einzusparen. In diesem Fall würde jedoch etwas weniger Frischdampf erzeugt wer­ den. Dafür stünde jedoch noch das Abgas aus der ersten Anlage 60 als Rohstoff zur Verfügung.

Claims (8)

1. Brennstoffzellen-Kraftwerk (50) mit mindestens einem Stapel Brennstoffzellen (56) mit einer ersten Anlage (60) zur Versor­ gung der Anoden (58) der Brennstoffzellen mit einem Brenngas, mit einer zweiten Anlage (52) zur Versorgung der Kathoden (54) der Brennstoffzellen mit einem komprimierten, heißen, sauerstoff­ haltigen Gas, wobei das die Kathoden verlassende heiße Abgas zu einem Teil über eine einen Frischluftverdichter (72, 73) antrei­ bende Entspannungsturbine (70) und eine Wärmetauscheranlage (88) ins Freie entlassen wird und zu einem anderen Teil als Kreis­ laufgas über einen von der komprimierten Frischluft betriebenen Luftstrahlverdichter (76) auf den Einlaßdruck der Kathoden kompri­ miert und in die Kathoden zurückgeleitet wird.

2. Brennstoffzellen-Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ent­ spannungsturbine (70) zum Antrieb des Luftverdichters (72, 73) mit einem zusätzlichen motorischen Antrieb (90) gekuppelt ist.

3. Brennstoffzellen-Kraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätz­ licher, motorisch betriebener Luftverdichter zur Versorgung des Luftstrahlverdichters mit komprimierter Frischluft vorgesehen ist.

4. Brennstoffzellen-Kraftwerk nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (92) für die komprimierte Frischluft über einen weiteren Leitungszweig (94) mit dem Eingang der Entspannungs­ turbine (70) verbunden ist.

5. Brennstoffzellen-Kraftwerk nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die komprimierte Frischluft vor der Einspeisung in den Luft­ strahlverdichter (76) durch einen von den Abgasen einer Brenn­ kammer (80) durchströmten Wärmetauscher (78) geleitet wird.

6. Brennstoffzellen-Kraftwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (80) mit Anodenabgas betrieben wird.

7. Brennstoffzellen-Kraftwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die komprimierte Frischluft vor der Einspeisung in den Luftstrahlverdichter (76) durch einen von dem heißen Kathodenabgas durchströmten Wärmetauscher geleitet wird.

8. Brennstoffzellen-Kraftwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die komprimierte Frischluft vor der Einspeisung in den Luftstrahlverdichter (76) durch einen von dem heißen Anoden­ abgas durchströmten Wärmetauscher geleitet wird.