Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Stromversorgungsanlage mit einer Brennstoffzelleneinheit, welche eine Anzahl Brennstoffzellen, welche elektrisch über eine Belastung verbunden sind, aufweist, wobei jede Zelle eine Kathode. eine Anode, einen zwischen den Elektroden liegenden Elektrolyten, eine Oxydationsmittelkammer auf der dem Elektrolyten abgewandten Seite der Kathode und eine Brennstoffkammer auf der dem Elektrolyten abgewandten Seite der Anode umfasst sowie ein Verfahren zu deren Betrieb.
Es wurde schon seit längerer Zeit versucht, die Brennstoffzellenleistung zu verbessern.
Zur Verbesserung der Zellenleistung wurde vorgeschlagen, die Betriebstemperatur der Brennstoffzellen zu erhöhen. Die damit erzielten Erfolge sind jedoch beschränkt, da bei erhöhten Temperaturen eine stärkere Materialkorrosion und, in mit Säureelektrolyten betriebenen Zellen, eine Säureverdampfung auftritt. Es wurde auch vorgeschlagen, die Katalysatormenge pro cm2 auf den Elektrodenoberflächen zu erhöhen. Eine grössere Katalysatormenge auf den Elektrodenoberflächen bedingt jedoch einen höheren Kostenpunkt, auch ist die Katalysatormenge, welche auf eine gegebene Oberfläche aufgebracht werden kann, beschränkt. Durch einen weiteren Vorschlag sollte die Zellenleistung durch eine Erhöhung des Drukkes der Reaktionsmittel in der Brennstoffzelle gesteigert werden. Es ist bekannt, dass eine bessere Zellenleistung mit unter Druck stehenden Reaktionsmitteln erhalten wird.
Das Verdichten der Reaktionsmittel kann jedoch nur unter hohem Energieverbrauch erhalten werden. Es wurde vorgeschlagen, den Verdichter zur Verdichtung der Reaktionsmittel mit elektrischer Energie aus der Brennstoffzelle zu betreiben. Hierbei geht jedoch 30% der Energieleistung der Brennstoffzelle für den Betrieb des Verdichters verloren. Dies bedingt, dass die Brennstoffzelle um ungefähr 50% vergrössert werden müsste, um den Energieverlust auszugleichen. Da die Brennstoffzellen den kostspieligsten Bestandteil einer Brennstoffzellenstromversorgungsanlage bilden, wird die erhaltene Verbesserung der Zellenleistung durch die Vergrösserung der Brennstoffzellen unwirtschaftlich. Da die elektrische Energieleistung der Brennstoffzelle vergrössert wird, müssen auch weitere Bestandteile der Stromversorgungsanlage, wie z.
B. die Kondensatoren, die Anlage zur Behandlung des Brennstoffes (Dampfumformungsreaktor) vergrössert werden. Hierdurch wird der Umfang und der Kostenpunkt der Stromversorgungsanlage erhöht. Hinzu kommen auch noch die Kosten, welche für die Verdichtungsanlage der Reaktionsmittel benötigt werden, die Kosten für eine Verbesserung der Abdichtungen der Brennstoffzellenkammern und die zusätzlichen Kosten für widerstandsfähigere Komponenten, welche durch die höheren Drucke benötigt werden. In der Vergangenheit war man deshalb der Meinung, dass in Stromversorgungsanlagen mit Luft als Oxydationsmittel keine Vorteile durch einen Betrieb der Brennstoffzelle mit unter Druck stehenden Reaktionsmitteln erhalten werden könnten. Im Gegenteil, man war der Auffassung, dass ein Betrieb solcher Brennstoffzellen mit Luft als Oxydationsmittel nur Nachteile nach sich ziehen könnte.
Aus diesem Grunde wurden in der Technik nur Brennstoffzellen-Stromversorgunganlagen, welche mit Reaktionsmitteln bei Atmosphärendruc#k betrieben werden, verwendet.
Die vorliegende Erfindung zeichnet sich aus durch den Wortlaut der Patentansprüche I und II.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird Bezug genommen auf die nachfolgende Beschreibung und Beispiele sowie auf die beiliegenden Figuren, wobei:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Stromversorgungsanlage,
Fig. 2 einen Querschnitt eines Turboladers, welcher in Stromversorgungsanlagen eingesetzt werden kann, Fig. 3, 4 und 5 schematische Darstellungen von Stromversorgungsanlagen gemäss weiteren Aspekten,
Fig. 6 eine graphische Darstellung der Brennstoffzellenleistung in Stromversorgungsanlagen,
Fig. 7 eine graphische Darstellung der Leistung des Dampfumformungsreaktors in Stromversorgungsanlagen, und
Fig. 8 eine graphische Darstellung der Leistung des CO Umwandlers bei verschiedenen Drucken; darstellen.
Die Fig. 1 stellt eine Stromversorgungsanlage 10 dar, welche Brennstoffzellen 12, einen Verdichter 14, eine Anlage zur Behandlung des Brennstoffes (Dampfumformungsreaktor) 16, einen Kondensator 18, einen Kocher 20, einen Regenerator 22, einen Luftströmungsaufteiler oder Luftsteuervorrichtung 25 aufweist. Die Brennstoffzelleneinheit kann beliebige, bekannte Brennstoffzellen, welche mit gasförmigen Reaktionsmitteln betrieben werden, umfassen. Es wird Luft als Oxydationsmittel und Wasserstoff als Brennstoff eingesetzt, dies ist jedoch nur ein Beispiel und weitere Oxydationsmittel und Brennstoffe können verwendet werden. Die Brennstoffzelleneinheit 12 besteht meistens aus einer Anzahl Brennstoffzellen, welche elektrisch in Serie über eine Ladung verbunden sind.
In der Fig. wird nur eine einzelne Zelle 13 sowie ein thermischer Regelteil 15 gezeigt, dies jedoch nur, um eine klarere Figur zu erhalten. Eine solche Brennstoffzelle umfasst eine Kathode 24 und eine Anode 26, wobei zwischen der Kathode und der Anode eine Elektrolytmatrix 28 vorgesehen ist. Es wird flüssige Phosphorsäure als Elektrolyt eingesetzt, jedoch können auch weitere Säuren und Basen als Elektrolyt sowie Feststoffelektrolyte wie Metalloxydelektrolyte oder feste Kunststoffelektrolyte in Stromversorgungsanlagen gemäss der Erfindung eingesetzt werden. Die Elektroden 24, 26 sind in Serie über eine Verbrauchervorrichtung 29 verbunden. Eine jede Brennstoffzelle 13 umfasst eine Oxydationsmittelkammer 30 auf der dem Elektrolyten abgewandten Seite der Kathode 24 und eine Anodenkammer 32 auf der dem Elektrolyten abgewandten Seite der Anode 26.
Es umfasst die Anlage zur Behandlung des Brennstoffes 16 einen Dampfumformungsreaktor 34 und einen Reaktorbrenner 36. Die Verdichteranlage 14 ist ein Turbolader, bestehend aus einem Verdichter 38, welcher von einer Turbine 40 über eine Welle 39 angetrieben wird. Der Turbolader sowie weitere Bestandteile der Stromversorgungsanlage 10 werden nachfolgend noch näher beschrieben.
Beim Betrieb der Stromversorgungsanlage tritt Luft durch die Leitung 41 in den Verdichter 38 und wird dort verdichtet.
Mit Bezug auf nicht unter Druck betriebene Stromversorgungsanlagen bringt ein jeder Überdruck gleich welcher Grössenordnung einige Vorteile, Drucke von zwei oder mehr Atmosphären sind jedoch notwendig, um die wesentlichen Vorteile der Stromversorgungsanlage zu erhalten. Die verdichtete Luft tritt in den Luftströmungsaufteiler 25 durch die Leitung 43 ein. Der Luftströmungsaufteiler umfasst Reguliervorrichtungen, um die Verteilung des Luftstromes auf die verschiedenen Bestandteile der Anlage zu regeln. Ein Teil des Luftstromes wird durch die Leitung 42 in die Kathodenkammer 30 eingeleitet und dort über die Kathode 24 mit den Phosphorsäureelektrolyten in der Matrix 28 zur elektrochemischen Reaktion gebracht, wobei Strom und Wasser erzeugt werden. Einiges Wasser verdampft in den Luftstrom, welcher aus der Oxydationsmittelkammer 30 abgeleitet wird.
Die feuchten, warmen Abgase verlassen die Oxydationsmittelkammer 30 durch die Leitung 44 und werden durch den Regenerator 22 in den Kondensator 18 eingeleitet. Kühlluft wird durch die Leitung 46 in den Kondensator 18 eingeleitet und verlässt den Kondensator durch die Leitung 48. In dem Kondensator 18 werden die Oxydationsmittelkammerabgase zu einer Temperatur abgekühlt, bei welcher Wasser aus dem Luftstrom kondensiert.
Das auskondensierte Wasser wird zur Verwendung in dem Dampfumformungsreaktor 16 aufgefangen. Die relativen kühlen Oxydationsmittelkammerabgase verlassen den Kondensator durch die Leitung 50 und werden zurück durch den Generator 22 geführt, wo sie die verlorene Wärme oder einen Teil dieser Wärme wieder aufnehmen. Die wiederaufgewärmten Oxydationsmittelkammerabgase werden nach Verlassen des Regenerators 22 mit den Anodenkammerabgasen und den Reaktorbrennerabgasen vermischt. Die Abgase werden durch die Leitung 52 in die Turbine 40 geleitet. Die Turbine 40, welche den Verdichter 38 antreibt, wird so durch die in diesen Abgasen anhaftende Energie betrieben. Falls notwendig, kann ein zusätzlicher Brenner (nicht gezeigt) mit einer geeigneten Brennstoffzufuhr eingesetzt werden, um die Energie der kombinierten Abgase zu erhöhen, bevor diese in die Turbine 40 gelangen.
Nach Durchgang durch die Turbine 40 kann irgendwelche nicht benutzte Energie in dem Gasstrom an die Umgebung abgegeben werden oder durch die Leitung 58 einem weiteren Bestandteil der Stromversorgungsanlage zur weiteren Verwendung zugeführt werden.
Zu gleicher Zeit wird ein Wasserstoff enthaltender flüssiger Brennstoff, wie z. B. Naphtha, welcher durch eine Pumpe 16 zu ungefähr dem gleichen Druck verdichtet wurde wie die in die Oxydationsmittelkammer 30 eintretende Luft, bei Bezugsziffer 61 mit dem aus dem Kocher 20 zugeführten Dampf vermischt und die Mischung in den Dampfumformungsreaktor 34 durch die Leitung 62 eingeleitet. Bevorzugt wird der Brennstoff vor der Vermischung mit dem Dampf bei Bezugsziffer 61 zerstäubt (nicht gezeigt), so dass der in den Reaktor 34 eintretende Strom im gasförmigen Zustand ist.
Der Kocher 20 kann einen eigenen Brenner und eine eigene Brennstoffversorgung aufweisen, bevorzugt wird jedoch der Kocher 20 mit der Abwärme der Brennstoffzelleneinheit 12 betrieben. Ein Kühlmittel, wie z. B. Silikonöl, wird zu diesem Zweck durch den thermischen Regelteil 15 der Brennstoffzelleneinheit 12 durch die Leitung 64 eingeführt. Das Kühlmittel nimmt Wärme von der Brennstoffzelleneinheit 12 auf und verlässt den thermischen Regelteil 15 durch die Leitung 66.
Wasser aus dem Kondensator 18 wird durch die Leitung 67 in den Kocher 20 eingeleitet. Das Kühlmittel wird in den Kocher 20 eingeleitet, wo Wärme von dem Kühlmittel an das Wasser abgegeben wird, um Dampf zu erzeugen. Das Kühlmittel wird aus dem Kocher 20 abgeführt und in einen Strahlungskühler 68 eingeleitet, wo zusätzliche Wärme abgegeben wird, bevor das Kühlmittel durch die Pumpe 69 wieder in die Brennstoffzelleneinheit 12 gepumpt wird.
Brennstoff in Form von Wasserstoffgas und einigen Verunreinigungen wird aus dem Dampfumformungsreaktor 34 durch die Leitung 70 in die Brennstoffkammer 32 der Brennstoffzelle 13 eingeleitet, wo der Wasserstoff elektrochemisch mit dem Elektrolyten reagiert. Bevorzugt wird der Anodengasstrom bei dem gleichen Druck wie Kathodengasstrom gehalten, um die Möglichkeit eines Gasüberganges von der Brennstoffkammer in die Oxydationsmittelkammer und umgekehrt zu vermeiden. Die Anodenabgase werden durch die Leitung 72 aus der Brennstoffkammer 32 abgeleitet und bei 73 mit den Kathodenabgasen und bei 74 mit den Brennerabgasen vermischt, worauf die Mischung in die Turbine 40 zum Antrieb des Verdichters 38 eingeleitet wird.
Es weist der Reaktorbrenner 36 eine eigene Brennstoffversorgung auf, wobei der Brennstoff durch eine Leitung 75 in den Brenner 36 eingeleitet wird und dort mit verdichteter Luft aus dem Luftströmungsaufteiler 25, welche durch die Leitung 76 in den Brenner eintritt, vermischt wird. Die Luft und der Brennstoff werden in dem Brenner 36 verbrannt und liefern so Wärme für die Dampfumformungsreaktion im Reaktor 34.
Die Brennerabgase werden durch die Leitung 77 abgeführt und bei 74 mit den Anoden- und Kathodenabgasen vermischt.
Ein wichtiges Kennzeichen ist die Verwendung der ungenutzten Energie der Stromversorgungsanlage zum Antrieb des Verdichters, welcher die Luft oder das Oxydationsmittel, welches in den Brennzellen verwendet wird, verdichtet. Der grösste Anteil dieser Energie wird in Form von heissen, unter Druck stehenden Abgasen aus den verschiedenen Teilen der Stromversorgungsanlage erhalten, welche in eine Turbine eingeleitet werden, welche den Verdichter antreibt. Natürlich ist es vorteilhaft, diese ungenutzte Energie soweit als möglich zu verwenden, um die erwähnten Vorteile zu erhalten. Es würden jedoch auch noch Vorteile vorliegen, wenn die Kathodenabgase als einzige Energiequelle der Turbine eingesetzt würden.
Unter diesen Umständen könnten die Abgase des Reaktorbrenners und der Brennstoffkammer an die Umgebung abgeleitet oder aber zu weiteren Verwendungszwecken eingesetzt werden. Die ungenützte Energie aus dem Brenner könnte z. B.
zum Überhitzen des Dampfes aus dem Kocher vor dessen Eintritt in den Reaktor eingesetzt werden. Falls jedoch die Kathodenabgase als alleinige Energiequelle zum Betrieb der Turbine eingesetzt werden, müsste wahrscheinlich ein zusätzlicher Brenner (nicht gezeigt) mit eigener Brennstoffversorgung eingesetzt werden, um die Energie des Kathodenabgasstromes vor dem Eintritt in die Turbine zu erhöhen. Falls die Reaktorbrennerabgase nicht zum Betrieb der Turbine eingesetzt werden, sollte bevorzugt ein Brenner, welcher bei Atmosphärendruck betrieben wird, eingesetzt werden. Hierdurch könnte normale Luft anstatt der verdichteten Luft in den Brenner eingeführt werden. In diesem Falle müssen jedoch die Anodenabgase, welche zum Betrieb des Brenners eingesetzt werden können, nach Verlassen der Brennstoffzelleneinheit zu Atmosphärendruck entspannt werden.
Gemäss den Figuren 1, 3,4 und 5 wird die Energie aus den Anodenabgasen, Kathodenabgasen und den Brennerabgasen eingesetzt, um die Turbine, welche den Verdichter antreibt, zu betreiben.
Falls die Stromversorgungsanlage in der Nähe eines grossen Wasservorrats, wie z. B. einem Fluss, einem See oder einem grossen Wassertank liegt, kann ein Auskondensieren des Wassers aus den Kathodenabgasen entfallen. Wasser wird der Dampfumformungsreaktion in diesem Falle aus einem ausserhalb der Stromversorgungsanlage liegendem Vorrat zugeführt.
In diesem Falle könnte auch der Regenerator 22 entfallen.
Obschon die Anlage zur Behandlung des Brennstoffes, welche in der Fig. 1 gezeigt wird, aus einem Dampfumformungsreaktor und einem Reaktorbrenner besteht, können solche Anlagen weitere Bestandteile wie CO Umwandler und/ oder selektive Oxydationsvorrichtungen aufweisen. Die Zusammensetzung der Anlage zur Behandlung des Brennstoffes hängt von dem rohen Brennstoff, welcher eingesetzt wird, sowie von dem Brennstoffzellentyp, ab. Die Anlage zur Behandlung des Brennstoffes kann z. B. einen partiellen Oxydationswasserstoffgenerator anstatt eines Dampfumformungsreaktors und eines Reaktorbrenners umfassen. Weitere Aspekte sind in den Figuren 3 und 4 dargestellt und umfassen diese und weitere Bestandteile.
Als Beispiel eines Turboladers, welcher in eine Stromversorgungsanlage eingesetzt werden kann, ist der Turbolader der Fig. 2 angegeben. Luft tritt durch den Einlass 200 in den Verdichter ein und beaufschlagt ein einstufiges Zentrifugallaufrad 202, welches dem Luftstrom einen dynamischen Druck verleiht. Die Luft strömt bei hoher Geschwindigkeit in einen Diffusor 204, in welchem der dynamische Druck in einen statischen Druck umgewandelt wird. Gemäss dem Aspekt der Fig. 1 verlässt die verdichtete Luft den Diffusor 204 durch die Leitung 42 und, nach Durchgang durch den Luftströmungsverteiler 25, gelangt sie in die Oxydationsmittelkammer 30 und den Reaktorbrenner 36. Auf der anderen Seite des Turboladers werden heisse Gase, (z.
B. durch die Leitung 52 aus Fig. 1) durch den Einlass 206 in die Turbine eingeführt und strömen durch ein zentrifugales Turbinenlaufrad 208, welches die thermische Energie des Gasstromes in mechanische Leistung umwandelt und die Welle 210, welche mit dem Verdichterlaufrad 202 verbunden ist, antreibt. Die Gase werden durch den Turbinenauslass 212 abgeführt.
Der Turbolader der Fig. 2 wurde nur als Beispiel aufgeführt und weitere Vorrichtungen zum Verdichten des Oxydationsmittels können eingesetzt werden. Alle Turbolader, welche die für die Stromversorgungsanlage erwünschten Kriterien, wie Durchsatz und Druck, erfüllen, können eingesetzt werden. Für eine 1200 kW Stromversorgungsanlage,in welcher die Reaktionsmittel bei einem Druck von ungefähr 3,5 Atmosphären in die Brennstoffzellen eingeführt werden sollen, kann z. B. ein Turbolader von Brown Boveri, Modell RR150, eingesetzt werden. Dieses Modell hat einen Durchsatz von 1,36 kg/sek bei einem Druck von 3,5 kg/cm2. Obschon der Ausdruck Turbolader im allgemeinen mit einem Zentrifugalverdichter in Zusammenhang gebracht wird, kann auch ein Axialdurch flussverdichter eingesetzt werden.
Zentrifugale Verdichter werden bevorzugt, da sie einen hohen Wirkungsgrad aufweisen und hohe Einstufenverdichtungsverhältnisse erhalten werden, welche normalerweise mit Axialdurchflussverdichter nicht erhalten werden. Obschon der Turbolader der Fig. 2 im Zusammenhang mit einer Zentrifugalturbine gezeigt ist, können auch Turbolader mit Axialdurchflussturbinen in Stromversorgungsanlagen eingesetzt werden. Die Fig. 2 stellt einen Turbolader dar, jedoch können auch weitere Vorrichtungen, welche mit der Energie der heissen, unter Druck stehenden Abgase, betrieben werden können und Verdichter zur Verdichtung von gasförmigen Medien antreiben, eingesetzt werden. So kann z. B. ein Wärmemotor, welcher mit einem heissen, unter Druck stehenden Gasstrom betrieben werden kann, zum Antrieb eines Verdichters eingesetzt werden.
Auch kann ein Comprex O (eingetragenes Warenzeichen der Brown Boveri & Co. Ltd., Baden, Schweiz) Hochverdichter, welcher Luft direkt durch die Energie eines expandierenden Gases durch die Verdichtungs- und Expansionswellen verdichtet oder weitere Vorrichtungen, welche auf ähnlichen Prinzipien basieren. eingesetzt werden. Das Vorverdichtungsprinzip der Compres Vorrichtungen ist gut bekannt und wurde in einer ASME Veröffentlichung 58-GTP-16 unter dem Titel The Com ....... A New Concept of Diesel Supercharging von Max Berchtold und F. J. Gardiner (veröffentlicht im März 1958), beschrieben.
Es werden die Drucke in der Brennstoff- und der Oxydationsmittelkammer 32 bzw. 30 gleich gehalten, da die Abgase der beiden Kammern bei 73 vermischt werden und dort denselben Druck aufweisen müssen. Hierdurch können Druckausgleichvorrichtungen, welche sonst eingesetzt werden müssten, entfallen.
Eine modifizierte Ausführung einer Anlage gemäss Fig. 1 wird durch die gestrichelten Leitungen in Fig. 1 beschrieben.
Es werden die Abgase der Anodenkammer 32 über die Leitung 100 in den Brenner 36 eingeführt anstatt direkt mit den Kathodenabgasen bei 73 vermischt zu werden. Die Anodenabgase enthalten genügend unbenutztes Wasserstoffgas, so dass eine eigene Brennzufuhr für den Brenner 36 entfallen kann.
Die Brennerabgase, welche gemäss diesem Aspekt die Anodenabgase enthalten, werden durch einen Wärmeaustauscher oder Regenerator 101 geleitet und mit den Kathodenabgasen über die Leitung 104 bei 102 vermischt, anstatt bei 74 mit diesen Kathodenabgasen vermischt zu werden. In diesem System wird Wasser aus den Kathodenabgasen und den Anodenabgasen in dem Kondensator 18 entfernt. Dies ist von Vorteil, da es möglich ist, dass die aus den Kathodenabgasen gewonnene Wassermenge nicht genügt, um den Dampfumformungsreaktor 34 zu betreiben. Die beiden Ströme verlassen den Kodensator 18, werden durch den Generator 22 geleitet, um den Gasen weitere Wärme zuzuleiten, worauf die Energie der Gase noch in dem Regenerator 101 erhöht wird. Der heisse Gasstrom wird alsdann in die Turbine 40, welche den Verdichter 38 antreibt, eingeführt.
Die Funktion des Wärmeaustauschers 101 wird im nachfolgenden noch näher mit Bezug auf die Beschreibung des Betriebes des Kondensators 18 erläutert.
Fig. 3 zeigt einen weiteren Aspekt. Gleiche Bezugszeichen in der Fig. 3 bezeichnen die gleichen Bestandteile wie in Fig. 1.
Die Anlage entspricht ungefähr der Anlage aus Fig. 1, ist jedoch komplexer, da die Anlage zusätzlich einen CO Umwandler 104 und eine selektive Oxydationsvorrichtung 106 in Zusammenhang mit der Anlage zur Behandlung des Brennstoffes 16 (siehe Fig. 1) umfasst. Die Anlage umfasst des weiteren 4 zusätzliche Wärmeaustauscher. In dem CO Umwandler 104 wird der Kohlenstoffmonoxydgehalt des aus dem Reaktor 34 austretenden Gasstromes erniedrigt.
Im CO Umwandler verbinden sich Kohlenstoffmonoxyd und Wasser in Gegenwart eines Katalysators, wobei Wasserstoff und Kohlenstoffdioxyd sowie Wärme entstehen gemäss der folgenden bekannten Gleichung: CO+H#O#H#+CO#+Wärme (1)
In der selektiven Oxydationsvorrichtung wird der restliche Kohlenstoffmonoxyd mit Sauerstoff in Gegenwart eines Katalysators zur Reaktion gebracht, so dass zusätzlicher Kohlenstoffdioxyd sowie Wärme gemäss der folgenden Gleichung entstehen: CO + 1/202 CO2 CO2 + Wärme (2) Der Sauerstoff für die selektive Oxydation wird in Form von verdichteter Luft durch die Leitung 108 aus dem Luftströmungsaufteiler 25 eingeführt.
Es werden die vermischten Anoden- und Kathodengasströme, welche aus dem Kondensator 18 austreten, durch Wärmeaustauscher in der selektiven Oxydationsvorrichtung und in den CO Umwandler geleitet, wobei die Abgase die Reaktionswärme der Reaktionen aufnehmen und wobei die Energie dieser Abgase somit durch die Abwärme dieser Reaktionen erhöht wird.
Obschon die Anlage zur Behandlung des Brennstoffes gemäss dem beschriebenen Aspekt einen Dampfumformungsreaktor, einen Reaktorbrenner, einen CO Umwandler und eine selektive Oxydationsvorrichtung umfasst, können solche Apparate auch weitere Bestandteile aufweisen. Die Anforderungen, welche an eine solche Anlage gestellt werden, hängen vom eingesetzten rohen Brennstoff und von den in der Brennstoffzelleneinheit eingesetzten Brennstoffzellen ab. So kann die Anlage zur Behandlung des Brennstoffes weitere Bestandteile wie einen partialen Oxydationswasserstoffgenerator anstatt eines Dampfumformungsreaktors und eines Reaktorbrenners umfassen.
Gemäss diesem Aspekt wird ungenutzte Energie der Anlage zur Behandlung des Brennstoffes in der Turbine 40, durch Zufuhr der Brennerreaktorabgase in die Turbine, verwendet.
Falls die Stromversorgungsanlage keinen Dampfumformungsreaktor und keinen Reaktorbrenner umfasst, müssten weitere Mittel vorgesehen werden, um die ungenutzte Energie dieser Anlage an die Turbine zu leiten, wie z. B. Wärmeaustauscher usw.
Gemäss dem Aspekt der Fig. 1 wird der Dampf aus dem Kocher 20 in den Reaktor 34 eingeleitet, nachdem dem Dampf Brennstoff aus der Leitung 62 zugemischt wurde.
Gemäss Fig. 3 wird der Dampf durch 3 Wärmeaustauscher in den Reaktor 34 geleitet. Der Dampf wird zuerst durch einen Wärmeaustauscher 116 geleitet, in welchem er durch den aus dem CO Umwandler 104 austretenden Gasstrom überhitzt wird. Bei 114 wird dem Dampfstrom roher Brennstoff zuge setzt. Der Dampfstrom nimmt in dem Wärmeaustauscher 118 zusätzliche Wärme von der verdichteten Luft (Verdichtungswärme) auf, wobei die verdichtete Luft durch die Leitung 76 durch den Wärmeaustauscher 118 geleitet wird. Der Brennstoff und der überhitzte Dampf werden dann in den Wärmeaustauscher 120 geleitet, worauf die Temperatur für die Reaktion in dem Reaktor 34, ungefähr 538 C, geeignet ist.
Nach der Brennstoffumwandlung im Reaktor 34 wird der austretende Gasstrom in den Wärmeaustauscher 120 geleitet, wobei ein Grossteil der Reaktionswärme an die in den Reaktor eintretenden Gase abgegeben wird. Ein weiterer Unterschied zwischen dem Aspekt der Fig. 3 und jenem der Fig. 1 ist der Wärmeaustauscher 122. Die Anodenabgase werden durch die Leitung 100 durch den Wärmeaustauscher 122 geleitet und in diesem Wärmeaustauscher aufgewärmt, bevor sie in den Brenner 36 eingeführt werden. Der Brenner 36 liefert die Wärme für die Dampfumformungsreaktion im Reaktor 34. Die Temperatur der Brennerabgase, welche die Anodenabgase enthalten, wird vor eintritt dieser Gase in den Kondensator 18 in den Wärmeaustauschern 101 und 122 herabgesetzt, um die Kondensation des Wassers im Kondensator 18 zu erleichtern.
Ein weiterer Aspekt ist in der Fig. 4 dargestellt. In der Fig. 4 gelten die gleichen Bezugszeichen für gleiche Bestandteile mit Bezug auf die Figuren 1 und 3. Die Brennstoffzelleneinheit wurde mit einem neuen Bezugszeichen 300 bezeichnet, da die gemäss diesem Aspekt eingesetzte Einheit keinen thermischen Regulierteil umfasst. Die Brennstoffzelle ist in dieser Figur mit 302, die Kathode mit 304, die Anode mit 396, die Brennstoffkammer mit 308, die Oxydationsmittelkammer mit 310 und die Elektrolytmatrix mit 312 bezeichnet.
Gleich wie in dem Aspekt aus Fig. 1 werden die Anodenabgase 308 in den Reaktorbrenner 36 zusammen mit Luft aus dem Verdichter 38 eingeleitet. Auch werden die Abgase des Reaktorbrenners 36 mit den Abgasen der Oxydationsmittelkammer vermischt und in die Turbine 40 zum Antrieb des Verdichters 38 eingeleitet.
Ein weiterer Unterschied zwischen der Anlage gemäss Fig. 4 und den Anlagen der Fig. 1 und 3 besteht darin, dass der Dampf für die Dampfumformungsreaktion direkt aus den Anodenabgasen verwendet wird, ohne dass eine Wasserwiedergewinnungsvorrichtung vorgesehen ist. Die Anodenabgase, welche Dampf oder Wasser, welche in den Zellen entstehen, umfassen, werden aus der Brennstoffkammer durch die Leitung 314 über ein Ventil 316 geleitet, wobei über das Ventil 316 ein Teil der Gase in den Reaktorbrenner 36 durch die Leitung 318 eingeführt wird und ein weiterer Teil der Gase über die Leitung 320 in den Dampfumformungsreaktor 34 eingeleitet wird. Im Reaktor 34 wird dieser Anteil der Anodenabgase mit verdichtetem, rohem Brennstoff, welcher durch die Leitung 322 in den Reaktor 34 eingeleitet wird, vermischt.
Umgewandelter Brennstoff wird durch die Leitung 324 aus dem Reaktor 34 entfernt. In einem Strahlungskühler 326 wird die Temperatur dieses Gasstromes erniedrigt und der Gasstrom in einen CO Umwandler 104 eingeführt. Aus dem CO Umwandler 104 gelangt der Gasstrom über eine Leitung 320 in einen weiteren Strahlungskühler 328, in welchem die Temperatur der Gase noch weiter erniedrigt wird, bevor diese Gase in die Brennstoffkammer durch die Leitung 332 eingeführt werden.
Die Stromversorgungsanlage gemäss Fig. 4 umfasst auch Wärmeaustauscher 334 und 336, in welchen Wärme aus den Turbinenabgasen an den Anodengasstrom und an den verdichteten Luftgasstrom, welche in den Reaktorverbrenner 36 eingeführt werden, abgegeben wird. Ein weiterer Wärmeaustauscher 340 ist zur Erwärmung des in den Reaktor 34 eintretenden Anodenabgasstromes vorgesehen. Es wird darauf hingewiesen, dass die Anzahl der Wärmeaustauscher und deren Einbau in das System von der Stromversorgungsanlage und den Bedingungen in der Anlage abhängen. Die besondere Stellung der Wärmeaustauscher sowie deren Anzahl in der Stromversorgungsanlage aus Fig. 4 ist nur beispielshaft.
Die Anodenabgase liefern somit den Dampf für den Reaktor 34, auch wird der Anodengasstrom zur Kühlung der Brennstoffzelleneinheit 300 eingesetzt. Dies geschieht durch Erniedrigung der Temperatur des Gasstromes, welcher in die Brennstoffkammer 308 eingeleitet wird. Die Temperatur des in die Brennstoffkammer 308 eingeleiteten Gasstromes sollte somit wesentlich unterhalb der Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit liegen. Die Temperatur des in die Brennstoffkammer 308 eingeführten Gasstromes wird in dem Strahlungskühler 328 durch Kontrolle der Kühlluftmenge welche durch die Leitung 341 in den Strahlungskühler eingeführt wird, reguliert. Durch eine Pumpe 342 wird ein genügender Gasdurchfluss von Kühlgasen durch die Brennstoffkammer 308 gewährleistet.
Die Temperatur des in die Brennstoffkammer eingeleiteten Gasstromes wird auch in dem Wärmeaustauscher 340 und in dem Strahlungskühler 326 erniedrigt. In dem Strahlungskühler 326 wird die Temperatur der in den CO Umwandler 104 eintretenden Gase erniedrigt. Der CO Umwandler ist ein CO Umwandler, welcher bei niedrigen Temperaturen betrieben wird. Die CO-Umwandlung ist eine exotherme Reaktion, so dass die Temperatur des Gasstromes in dem CO Umwandler erhöht wird, so dass ein zweiter Strahlungskühler 328 benötigt wird. Zusätzlich zu einer Erniedrigung der Temperatur des aus dem Reaktor 34 austretenden Gasstromes gewährleistet der Wärmeaustauscher 340 auch eine Erwärmung des in den Reaktor 34 eingeleiteten Gasstromes.
Wie schon angegeben, können verschiedene Systeme von Wärmeaustauschern und Kühlern eingesetzt werden unter der Bedingung, dass die Abwärme der aus dem Reaktor austretenden Gase nicht vergeudet wird.
Es muss darauf geachtet werden, dass die Anodenabgase genügend Dampf für die Dampfumformung im Reaktor 34 aufweisen. Um einen genügenden Dampfgehalt in den Anodenabgasen zu gewährleisten wird der Gasdurchsatz durch die Brennstoffkammer durch die Pumpe 342 reguliert. Der Gasdurchsatz durch die Brennstoffkammer und die Gaszufuhr zum Reaktorbrenner und zum Reaktor, welche durch das Ventil 316 reguliert wird, hängt von dem Gasdruck, der Reaktorleistung und dem Brennstoffbedarf des Reaktorbrenners ab.
Gemäss den Aspekten der Fig. 1, 3 und 5 wird der in den Reaktor 34 eingeleitete Dampf in einem Kocher, welcher in Wärmeaustausch mit dem Kühlmittelkreislauf der Brennstoffzelleneinheit steht, erzeugt. Der Druck der in die Brennstoffkammer eingeführten Gase ist durch den Dampfdruck, welcher mit dem Brennstoff vermischt wird, beschränkt. Der Druck des in dem Kocher erzeugten Dampfes hängt von der Temperatur des Kühlmittels in dem Kühlmittelkreislauf, welcher von der Brennstoffzelleneinheitbetriebstemperatur beschränkt ist, ab.
Im Falle einer Phosphorsäureelektrolytzelle ist z. B. die Temperatur, bei welcher die Zelle betrieben werden kann, durch Korrosionsprobleme beschränkt, hierdurch ist auch der Dampfdruck, welcher erhalten werden kann, entsprechend beschränkt. In der Ausführung gemäss Fig. 4 besteht keine Druckbeschränkung obschon die Zelle auch mit Phosphorsäureelektrolyten betrieben werden kann. Dies ist dem Umstand zuzuschreiben, dass der Dampf in die Brennstoffkammer 308, unabhängig von dem Totaldruck in dieser Kammer, verdampft wird. Ein kontinuierlicher Betrieb der Zelle bedingt eine Wasserentfernung aus der Zelle. Das Wasser muss einen bestimmten Bruchteil der aus der Zelle austretenden Gasströme bilden.
Da der Dampfdruck dem Totaldruck multipliziert mit dem Molbruchteil Wasser entspricht, muss der Dampfdruck bei steigendem Totaldruck steigen. Bei einer gegebenen Brennstoffzellentemperatur wird der Elektrolyt mit steigendem Totaldruck verdünnt und der Wasserdampddruck über dem Elektrolyten steigt an. So können höhere Reaktionsmitteldrucke eingesetzt werden und dies ist ein besonderer Vorteil dieser Ausführungsform. Fig. 5 beschreibt eine weitere Ausführungsform. Gleiche Bezugszeichen in der Fig. 5 entsprechen gleichen Bestandteilen der Fig. 1. Obschon diese Ausführungsform verschiedene Kennzeichen aufweist, welche sich nicht von den Kennzeichen der Ausführungsformen der Fig. 1 und 3 unterscheiden, umfasst diese Ausführungsform jedoch verschiedene Bestandteile, welche die Anlage ergänzen und leicht in die Anlagen gemäss den Fig. 1 und 3 eingebaut werden könnten.
Eines dieser Kennzeichen ist ein bevorzugter Einbau der Kondensatoren in der Anlage, wobei diese Stellung der Kondensatoren nur bei einer unter Druck stehenden Anlage möglich ist. Ein weiteres Kennzeichen erlaubt einen Betrieb der Anlage bei Teilbelastung, ohne jedoch die erhaltenen Vorteile zu schmälern. Diese Kennzeichen werden im nachfolgenden näher erläutert.
Die Stromversorgungsanlage gemäss Fig. 5 umfasst eine Brennstoffzelleneinheit 12, einen Verdichter 14, eine Anlage zur Behandlung des Brennstoffes 16, einen zusätzlichen Brenner 17. Kondensatoren 18, 19, einen Kocher 20, einen Strahlungskühler 68, einen Luftströmungsaufteiler 25. Wie schon mit Bezug auf Fig. 1 angegeben, umfasst die Anlage zur Behandlung des Brennstoffes 16 einen Dampfumformungsreaktor 34 und einen Reaktorbrenner 36. Weitere Anlagen können jedoch auch in dieser Ausführungsform eingesetzt werden. Mit Ausnahme des zusätzlichen Brenners 17 und des Kondensators 19 wurden die verschiedenen obengenannten Bestandteile schon mit Bezug auf Fig. 1 aufgeführt. Beim Betrieb der Anlage gemäss Fig. 5 tritt Luft durch die Leitung 41 in den Verdichter 38 ein und wird verdichtet. Die verdichtete Luft gelangt über ein Kontrollventil 27 zu dem Luftströmungsaufteiler 25.
Bei voller Belastung wird die gesamte verdichtete Luft aus dem Verdichter 38 in den Luftströmungsaufteiler 25 eingeleitet. Der Luftströmungsaufteiler umfasst Reguliervorrichtungen und Ventile, mit welchen eine Verteilung der verdichteten Luft an die verschiedenen Bestandteile der Anlage geregelt werden kann. Ein Teil der Luft wird in die Oxydationsmittelkammer 30 durch die Leitung 42 und durch die Leitung 76 in den Brenner 36 geleitet. Feuchte, heisse Kathodenabgase verlassen die Oxydationsmittelkammer 30 durch die Leitung 44 und werden zu einem Kondensator 18 geleitet. In dem Kondensator 18 werden die Kathodenabgase auf eine Temperatur abgekühlt, bei welcher eine Kondensierung des in den Abgasen enthaltenen Wassers erhalten wird.
Das Wasser wird zur Verwendung in der Anlage zur Behandlung des Brennstoffes 16 zusammengefasst. Aus diesem Kondensator 18 gelangen die Kathodenabgase durch die Leitung 50 zu einem Punkt 51, an welchem sie mit den Brennerabgasen vermischt und an die Turbine 40 weiter geleitet werden.
Mit der Energie aus diesen Abgasen wird die Turbine 40, welche den Verdichter 38 antreibt, betrieben. Die Anlage kann auch einen Regenerator 22 umfassen, obschon dieser nicht gezeigt ist. In diesem Falle würden die Kathodenabgase durch den Regenerator geleitet, bevor sie in den Kondensator 18 eingeführt werden.
Unter Druck stehender Brennstoff wird bei 61 mit unter Druck stehendem Dampf vermischt und in den Reaktor 34 eingeführt. Durch die Leitung 70 wird behandelter Brennstoff aus dem Dampfumformungsreaktor 34 in die Brennstoffkammer 32 geleitet. Es wird darauf geachtet, den Druck der Oxydationsmittel gleich zu halten, um ein Risiko eines Gasüberganges zwischen den verschiedenen Gaskammern zu vermeiden. Von der Brennstoffkammer 32 werden die Abgase in den Kondensator 19 und aus dem Kondensator in den Brenner 36 geleitet. Die Anodenabgase enthalten unverbranntes Wasserstoffgas, so dass eine separate Brennstoffzufuhr für den Brenner 36 entfallen kann. Der Brenner 36 liefert die Reaktionswärme für den Reaktor 34. Die Brennerabgase, mit welchen die Anodenabgase vermischt sind, werden bei 51 mit den Kathodenabgasen vermischt, bevor sie in die Turbine 40 eingeführt werden.
In verschiedenen Anlagen kann es wünschenswert sein, die Anodenabgase nicht in den Brenner 36 einzuführen, sondern diese Abgase gleich mit den Kathodenabgasen zu vermischen.
In diesem Falle müsste der Brenner 36 mit einer separaten Brennstoffzufuhr versehen sein.
Bei einer Teilbelastung der Zelle werden weniger Brennstoff und weniger Luft in den Brennstoffzellen benötigt. Auch entsteht bei Teilbelastung einer Brennstoffzelle weniger Wasser. Falls der Luftdurchsatz durch die Oxydationsmittelkammer bei Teilbelastung nicht herabgesetzt wird, sinkt der Partialdruck von Wasser in den Kathodenabgasen mit Bezug auf Vollbelastung stark ab. Dies ist unerwünscht, da ein niedriger Partialdruck von Wasserdampf in den Kathodenabgasen eine Auskondensierung von Wasser aus diesen Gasen in dem Kondensator 18 erschwert. In einem solchen Fall kann nur genügend Wasser für die Dampfumformungsreaktion in grösseren Kondensatoren erhalten werden.
Die Brennstoffzelleneinheit liefert auch bei Teilbelastung weniger Wärme als bei Vollbelastung und falls bei Teilbelastung ein zu grosser Luftdurchsatz durch die Anlage aufrechterhalten wird, wird zuviel Wärme aus der Einheit entfernt, so dass ein Betrieb der Zelle nur unterhalb der erwünschten Betriebstemperatur möglich ist.
Dies bedingt den Einbau eines zusätzlichen Brenners zur Erhöhung der Temperatur der Brennstoffzelleneinheit auf eine wirkungsvolle Betriebstemperatur. Eine solche Lösung ist nicht sehr wirkungsvoll und unwirtschaftlich. Falls die Vorteile auch bei Teilbelastung der Brennstoffzelle aufrechterhalten werden sollten, ist es notwendig, die Brennstoffzellenreaktionsmittel bei gleichem Druck bei Zellenteilbelastung wie auch bei Vollbelastung zu halten. Des weiteren muss zu diesem Zweck der Massendurchsatz Luft durch die Oxydationsmittelkammer der Brennstoffzellen erniedrigt werden. Der Turbolader in der Anlage gemäss Fig. 5 hat eine starre Geometrie und kann somit bei niedrigerem Massendurchsatz durch die Zelle den hohen Druck der Reaktionsmittel nicht halten. Es ist auch nicht möglich, diesen hohen Drucke zu halten, falls die Temperatur herabgesetzt wird.
Um zu gewährleisten, dass bei Teilbelastung verdichtete Luft unter gleichem Druck wie bei Vollbelastung im Turbolader 14 erhalten wird, muss der Massendurchsatz durch die Turbine und die Temperatur der in die Turbine eingeleiteten Gase bei Voll- und Teilbelastung konstant gehalten werden.
Eine Veränderung des Energiegehaltes der in die Turbine 40 eingeleiteten Gase zieht eine Veränderung der Turbinengeschwindigkeit und somit eine Veränderung der unter Druck stehenden Luft sowie der Luftmenge, welche aus dem Verdichter 38 gepumpt wird, nach sich.
Als Lösung könnte man versuchen, überflüssige Luft (welche bei Teilbelastung vom Turbolader erhalten wird) in den Reaktorbrenner 36 durch den Luftströmungsaufteiler 25 einzuleiten. Bei Teilbelastung benötigt die Brennstoffzelleneinheit 12 jedoch weniger Brennstoff, so dass auch weniger Brennstoff in den Anodenabgasen vorliegt. Somit gelangt weniger Brennstoff in den Brenner 36. Dies ist nicht von Nachteil, da auch weniger Wärme dür die Umformungsreaktion benötigt wird.
Dies bedingt jedoch auch, dass weniger Luft aus dem Luftströmungsaufteiler 25 in den Brenner 36 eingeleitet werden soll.
Falls der Luftüberschuss aus dem Verdichter 38 in den Brenner 36 eingeleitet wird, muss diese Luftmenge in dem Brenner aufgewärmt werden, um den Brenner bei einer geeigneten Betriebstemperatur zu halten. Dies zieht eine höhere Brennstoffzufuhr und somit Unwirtschaftlichkeit nach sich.
Diese Probleme können durch die Ausführungsform gemäss Fig. 5 vermieden werden. Ein Umgehungsventil 27 wird so in die Anlage eingebaut, dass bei Vollbelastung der gesamte Luftanteil aus dem Verdichter 38 in den Luftströmungsauftei ler 25 eingeleitet werden kann. Bei Erniedrigung der Belastung öffnet sich das Ventil 27, so dass ein Teil der Luft aus dem Verdichter 38 um die Brennstoffzelleneinheit 12 durch die Leitung 400 geführt wird. Dieser Luftanteil wird mit den Abgasen des Brenners 36 bei 402 und mit den Kathodenabgasen bei 51 vermischt und in die Turbine 40 eingeleitet. So wird bei Teilbelastung der Durchsatz durch die Turbine nicht verändert.
Obschon die Temperatur der Kathodenabgase und der Brennerabgase bei Teilbelastung der Temperatur dieser Gase bei Vollbelastung entsprechen können, enthalten diese Gase jedoch weniger Energie, da weniger Gase durch die Turbine geleitet werden können. Somit wird ein zusätzlicher Brenner 17 in der Umgehungsleitung 400 vorgesehen, um den Luftanteil, welcher direkt von dem Verdichter zu der Turbine geleitet wird, aufzuwärmen, so dass die Gasmischung mit den Abgasen den gleichen Wärmegehalt (sowie die gleiche Masse) als die vermischten Gase bei Vollbelastung aufweisen. Bei Fehlen eines zusätzlichen Brenners 17 würde die direkt von dem Verdichter in die Turbine eingeleitete Luft die Temperatur der Abgase herabsetzen, so dass eine niedrigere Laufgeschwindigkeit der Turbine 40 und somit eine geringere Luftmenge bei niedrigerem Druck aus dem Verdichter 38 erhalten würde.
Dem Brenner 17 wird Brennstoff durch die Leitung 404 zugeführt. Der Brennstoff kann aus der gleichen Quelle wie der Brennstoff für den Reaktor 34 entnommen werden. Ein Ventil 406 regelt die Brennstoffzufuhr zu dem Brenner 17. Das Ventil wird in Funktion einer Anzahl Parameter geregelt, so dass die Gase, welche in die Turbine geleitet werden, die geeignete Temperatur aufweisen.
Der zusätzliche Brenner könnte strömungsunterhalb der Umgehungsleitung 400 eingebaut werden, wobei nur darauf geachtet werden muss, dass die direkt von dem Verdichter in die Turbine eingeleitete Luft in diesem Brenner erwärmt wird.
So könnte der zusätzliche Brenner z. B. in die Leitung 408 eingebaut werden. Dies ist z. B. in gestrichelten Linien bei 410 gezeigt. Falls jedoch der zusätzliche Brenner in die Leitung 408 eingebaut wird, wird eine kleinere Sauerstoffkonzentration in diesen Brenner eingeführt als in der Leitung 400, da zu diesem Zeitpunkt die Luft mit den Abgasen der weiteren Bestandteile der Anlage vermischt wurde. Es ist somit leichter und wirtschaftlicher, den Brenner 17 in die Umgehungsleitung 400 einzubauen. Der Brenner kann mit rohem Brennstoff oder aber mit behandeltem Brennstoff aus der Leitung 70 betrieben werden. Dies würde jedoch bedingen, dass zusätzlicher Brennstoff dem Reaktor 34 zugeführt werden müsste, um die Brennstoffverluste für den zusätzlichen Brenner auszugleichen.
Zum besseren Verständnis der Vorteile und dem Betrieb einer Anlage wird Bezug genommen auf die graphische Darstellung der Fig. 6, mit welcher die Leistung von Brennstoffzellen, welche mit Reaktionsmitteln bei Atmosphärendruck betrieben werden, mit der Leistung der gleichen Brennstoffzellen mit Reaktionsmitteln bei 3,5 Atmosphären betrieben werden, verglichen werden kann.
Bei dem Vergleich zwischen den Brennstoffzellen muss auf verschiedene Parameter geachtet werden. Unter Umsatz der Reaktionsmittel wird die Reaktionsmittelmenge, welche an der Anode oder der Kathode in der Zelle zur Reaktion gebracht wird, geteilt durch die in die Zelle geleitete Wasserstoff- oder Sauerstoffmenge, verstanden. In einer Brennstoffzelle, welche mit Sauerstoff und Wasserstoff betrieben wird, gibt es somit einen Sauerstoffumsatz (Uo2) an der Kathode und einen Wasserstoffumsatz (um2) an der Anode. Durch eine Erhöhung des Reaktionsmittelumsatzes fällt der Partialdruck der Reaktionsmittel, welche an die Anode oder Kathode gelangen, da ein grösserer Anteil der Reaktionsmittel pro Reaktionsmittelmasse, welche durch die Zelle geleitet wird, entfernt wird.
Die durchschnittliche Reaktionsmittelmenge in dem Gasstrom über die Oberfläche der Elektrode fällt von dem Einlass zum Auslass. Die Kurve, welche mit 1,0 Atmosphären in der Fig. 6 bezeichnet wird, stellt die Zellenleistung bei einem bestimmten Wasserstoffumsatz und Sauerstoffumsatz dar. Die Kurve 3,5 Atmosphären stellt die Zellenleistung bei den gleichen Reaktionsmittelumsatzverhältnissen dar. Es wird angenommen, dass beide Zellen bei der gleichen Temperatur betrieben wurden.
Die gut bekannte Tafel-Gleichung ergibt, dass eine Erhöhung der Kathodenleistung (i. e. Erhöhung der Spannung) einem höheren Partialdruck von Sauerstoff entspricht. Diese Gleichung lautet:
EMI6.1
wobei K eine Konstante darstellt. Die Nernst Gleichung ergibt, dass eine Steigerung der Anodenleistung (i. e. eine Erhöhung der Zellenspannung) eine Erhöhung des Wasserstoffpartialdruckes entspricht. Die Nernst-Gleichung lautet:
EMI6.2
wobei C eine Konstante darstellt. Es ist klar, dass bei konstanter Temperatur und für einen konstanten Umsatz eine Steigerung des Totaldruckes der Reaktionsmittel zu einer Erhöhung der Partialdrucke der zwei Reaktionsmittel und somit zu einer Verbesserung der Kathoden- und Anodenleistung führt.
Die Verbesserung der Brennstoffzellenleistung kann dann wie folgt ausgedrückt werden: Total = A V Kathode + A VAnode (5) Die linke Hälfte der Gleichung (5) wird in der Darstellung auf Fig. 6 als Differenz in der Spannung zwischen den Punkten A und B bei einer konstanten Stromdichte wiedergegeben. Aus der Darstellung aus Fig. 6 geht des weiteren hervor, dass durch einen Betrieb einer Zelle bei Reaktionsmitteldrucken um 3,5 Atmosphären kleinere Brennstoffzellen ohne Erniedrigung der Zellenspannungsleistung, z. B. beim Betrieb bei Punkt C, ersetzt werden können.
Die gestrichelten Kurven in der Darstellung der Fig. 6 stehen auch für die Zellenleistung bei 1,0 und 3,5 Atmosphären in den gleichen, durch die vorhergenannten Kurven gekennzeichneten Zellen mit der Ausnahme, dass diese gestrichelten Kurven für höhere Reaktionsmittelumsätze stehen. Bei 3,5 Atmosphärendruck kann die Zelle bei höherem Reaktionsmittelumsatz arbeiten und trotzdem eine Verbesserung mit Bezug auf die bekannten Zellen, wie z. B. eine Erhöhung der Zellenspannung beim Betrieb bei Punkt B' oder eine Erhöhung der Stromdichte (i. e. kleinere Zelle) für die gleiche Zellenspannung bei einem Betrieb bei Punkt C' erhalten werden. Bei einem Betrieb bei Atmosphärendruck muss für eine gleiche Zellenspannung bei einem höheren Umsatz eine grössere Zelle eingesetzt werden oder eine niedrigere Spannung in Kauf genommen werden.
Die Möglichkeit, die Zelle bei einem höheren Wasserstoffumsatz ohne Verlust der Zellenleistung oder Vergrösserung der Zelle zu betreiben, ist besonders wichtig, wie aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf den Betrieb des Dampfumformungsreaktors 34 der Strom versorgungsanlage beschrieben wird.
Mit Bezug auf die Verbesserung der Zellenleistung wird besonders Bezug genommen auf das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 4. In einer Anlage gemäss Fig. 4 wird eine bestimmte Menge Kohlenstoffdioxyd durch die Brennstoffkammer im Kreislauf geführt. Dies führt zu einem niedrigen Wasserstoffpartialdruck in der Brennstoffkammer wegen dem hohen Gehalt an Kohlenstoffdioxyd im Gasstrom. Nach der Nernst-Gleichung (3) bedingt dies einen Verlust an Zellenleistung. Die Verbesserung der Zellenleistung an der Kathode und weitere Verbesserungen und Vorteile dieser Ausführungsart welche weiter oben und im nachfolgenden angeführt werden, wie z. B. das Entfallen eines Apparates zur Wiedergewinnung von Wasser, gleichen die Nachteile dieser Ausführungsform weitgehend aus.
Da in dieser besonderen Ausführungsart der Erfindung der Druck in der Brennstoffzelleneinheit nicht durch die Temperatur der Einheit beschränkt ist, können höhere Reaktionsmitteldrucke verwendet werden, so dass der Wasserstoffpartialdruck in der Brennstoffkammer höher (anstatt niedriger) als in den weiteren Ausführungsarten der Erfindung sein kann.
In den bekannten Phosphorsäureelektrolytbrennstoffzellen, welche bei 149oC und Atmosphärendruck betrieben werden, verdampft ein Teil des Phosphorsäureelektrolyten. Dies bedingt, dass während dem Betrieb der Zelle und der Anlage Säure zugesetzt werden muss, um eventuelle Säureverdampfung auszugleichen.
Die Säureverdampfung ist eine Funktion des Massendurchsatzes der Luft durch die Oxydationsmittelkammer, des Partialdruckes der Säure und des Totaldruckes in der Oxydationsmittelkammer gemäss dem folgenden Zusammenhang: Säureda
Säureverlust = f (Durchsatz XSäuredampfdruck) (6)
Totaldruck Aus dieser Formel geht hervor, dass durch eine Erhöhung des Totaldruckes der durch die Oxydationsmittelkammer fliessenden Gase ein Säureverlust verhindert werden kann. Eine Erhöhung des Totaldruckes führt auch zu einer Erniedrigung des Dampfdruckes der Säure durch Verdünnung mit dem Elektrolyten, so dass der Säureverlust weiter eingeschränkt wird.
Bei höheren Reaktionsmitteldrucken können die in den Stromversorgungsanlagen der Erfindung eingesetzten Brennstoffzellen auch bei höheren Sauerstoffumsätzen betrieben werden, so dass der Massendurchsatz Luft durch die Oxydationsmittelkammer niedriger liegt und somit der Säureverlust noch weiter eingeschränkt wird. Es wurde festgestellt, dass durch obige Faktoren der Säureverlust wesentlich eingeschränkt werden kann.
Die Fig. 7 ist eine graphische Darstellung der Leistung des Dampfumformungsreaktors. Der Wirkungsgrad ( n R) des Umwandlungsreaktors ist auf der vertikalen Achse und der Durchsatz des Gasstromes (W) geteilt durch die Wärmeübertragungsoberfläche des Reaktors (Ahx) auf der horizontalen Achse aufgetragen. Da Ahx eine direkte Beziehung zu der Dimension des Reaktors aufweist, nimmt die Reaktordimension zur rechten Seite auf der horizontalen Achse ab.
Der Wirkungsgrad des Umformungsreaktors wird durch die folgende Zeichnung erhalten: rl R (K) UH2 (Q . 5) (7) wobei K eine Konstante, UH2 der Wasserstoffumsatz in der Brennstoffzelle und das Produkt (a ss) die Brennstoffumwandlung im Reaktor darstellen. Unter Brennstoffumwand lung (a #) P) wird die prozentuale Menge Kohlenstoff in dem eingegebenen rohen Brennstoff, welcher in CO2 umgewandelt wird, verstanden. Dies ist auch eine indirekte Darstellung der Wasserstoffmenge, welche in dem Dampfumformungsreaktor erzeugt wird.
In der Darstellung aus Fig. 7 sind Umwandlungskurven von 90% und 75% angegeben zusammen mit Wasser stoffumsatzkurven UH2 und einer Wasserstoffumsatzkurve
U'H2, wobei letztere einen höheren Wasserstoffumsatz darstellt.
Zu Vergleichszwecken wird angenommen, dass UH2 für den gleichen Wasserstoffumsatz wie die festen Kurven der Fig. 6 und U'H2 für den gleichen Wasserstoffumsatz wie die gestri chelten Kurven der Fig. 6 stehen. Wie mit Bezug auf Fig. 6 angegeben, konnten in den bekannten Brennstoffzellen, wel che bei Atmosphärendruck betrieben wurden, eine bestimmte
Zellenspannung in einer bestimmten Zellengrösse nur bei einem bestimmten Wasserstoffumsatz UH2 (wie z. B. einen
Betrieb bei Punkt A) erhalten werden. Ausgehend von einem bestimmten Wasserstoffumsatz muss also der Dampfumfor mungsreaktor an einem Punkt auf der Wasserstoffumsatzkurve
UH2 betrieben werden. Es gilt somit, die beste Zusammenstel lung von Reaktorwirkungsgrad und Reaktordimension für eine bestimmte Zelle auszuwählen.
Um die Dimension des Reak tors in annehmbaren Grenzen zu halten, liegt die Brennstoff umwandlung in den Reaktoren der Technik im allgemeinen bei ungefähr 90%. Somit sollten solche Reaktoren, welche zusammen mit bekannten Brennstoffzellen bei Atmosphären druck eingesetzt werden, bei Punkt D betrieben werden. Der
Vorteil. welcher dadurch erhalten wird, dass die Zelle bei einem höheren Wasserstoffumsatz betrieben werden kann, wird jetzt offensichtlich. In einer Stromversorgungsanlage kann jetzt der Dampfumformungsreaktor auf der Kurve U/H2 betrieben werden. Dies bedingt, dass ein kleinerer Reaktor ohne Leistungsverlust eingesetzt werden kann, da der Reaktor bei einer niedrigeren Brennstoffumwandlung betrieben werden kann. In der Fig. 7 wird dieser Punkt mit E bezeichnet. Natür lich kann die Dimension des Reaktors beibehalten werden und der Wirkungsgrad erhöht werden, wie z.
B. bei einem Betrieb bei Punkt F. Obschon die Zellenleistung um einiges bei einem
Betrieb bei höheren Reaktionsmittelumsätzen (siehe Fig. 6) erniedrigt wird, wird die allgemeine Leistung der Anlage jedoch verbessert. Eine solche Verbesserung war mit den bekannten Brennstoffzellen nicht möglich, da bei einer Ver besserung des Wirkungsgrades des Reaktors durch einen höhe ren Reaktionsmittelumsatz die Brennstoffzellenleistung stark herabgesetzt wurde.
Bei der Planung einer Stromversorgungsanlage müssen natürlich die Vorteile, welche durch eine Verbesserung des
Reaktorwirkungsgrades und eine Verbesserung der Brenn stoffzellenleistung erhalten werden, gegeneinander abgewogen werden. So sollten der Reaktionsmittelumsatz, die Dimension der Zelle, die Zellenspannung, die Dimension des Reaktors, der Reaktorwirkungsgrad und die Brennstoffumwandlung im
Reaktor in Abhängigkeit von der gewünschten Stromversor gungsanlage ausgewählt werden.
Gemäss einem bevorzugten Aspekt wird Naphtha als
Brennstoff und ein bekannter Reaktor 34 mit Nickelkatalysa tor eingesetzt. Als Reaktor können jedoch weitere bekannte
Vorrichtungen zur Erzeugung von Wasserstoff eingesetzt werden. So kann z. B. ein partieller Oxydationswasserstoffge nerator, welche weniger leistungsfähig als ein Dampfumfor nungsreaktor ist, eingesetzt werden. Auch in einem solchen
Generator wird die Leistung durch höhere Reaktionsmittelgas drucke verbessert. Falls reiner Wasserstoff als Brennstoff in der Brennstoffzelleneinheit eingesetzt wird, kann die Anlage zur Behandlung des Brennstoffes entfallen.
In den Ausführungsbeispielen der Fig. 1, 3 und 5 können mit Bezug auf bekannte Anlagen, kleinere Kondensatoren eingesetzt werden. Bei konstanter Leistung wird eine kon stante Wassermenge in der Brennstoffzelle nach Faradays
Gesetz erhalten. Dieses Wasser wird in den Abgasen aus der Zelle ausgeführt. Für die Dampfumformungsreaktion wird eine bestimmte Menge Wasser benötigt, welche in der Vergan genheit und in den Ausführungsbeispielen der Fig. 1, 3 und 5 wenigstens teilweise aus den Kathodenabgasen erhalten wird.
Das Wasser wird in einem Kondensator aus den Kathodenabgasen erhalten. In den Phosphorsäureelektrolytbrennstoffzellen der Technik, welche bei Atmosphärendruck betrieben werden, ist der Taupunkt des Gasstromes so tief, dass zur Kondensierung einer genügenden Menge Wasser zum Betrieb der Dampfumformungsreaktion die Temperatur des Gasstromes, welche aus dem Kondensator austritt, nur einige Grade oberhalb der Temperatur der Kühlluft liegt. Somit werden sehr grosse Kondensatoren benötigt. Wie schon weiter oben angegeben, sind die Kondensatoren die grössten Bestandteile in den Brennstoffzellen der bekannten Art. In unter Druck stehenden Stromversorgungsanlagen gemäss der Erfindung liegt der Taupunkt der Kathodenabgase wesentlich höher als in den bekannten Anlagen bedingt durch den hohen Druck der Abgase. Z.
B. liegt der Taupunkt eines Gasstromes, welcher aus einer Zelle, welche bei 1490C und einem Druck von 3,2 kg/cm2 betrieben wird, um ungefähr 34OC höher als der Taupunkt eines Gasstromes, welcher aus einer Zelle, welche bei 1490C unter atmosphärem Druck betrieben wird, austritt. Dies bedeutet. dass zur Auskondensierung der gleichen Menge Wasser die Temperatur der Abgase nicht so stark herabgesetzt werden muss wie in nicht unter Druck stehenden Systemen. In den Systemen herrscht somit ein wesentlicher Unterschied zwischen der Temperatur der Kühlluft in dem Kondensator und der Temperatur der aus dem Kondensator austretenden Abgase.
Unter der Annahme, dass in den unter Druck stehenden und in den bei Atmosphärendruck betriebenen Systemen die Temperatur der Kühlluft bei 32OC liegt, wird angenommen, dass die Dimension des Kondensators um einen Faktor von ungefähr 2 oder 3 verringert werden kann. Die Verkleinerung des Kondensators ist einer der Hauptvorteile, wodurch der Kostenpunkt einer Anlage weitgehend herabgesetzt werden kann.
In der modifizierten Ausführung gemäss Fig. 1 werden die Anodenabgase, nachdem sie durch den Brenner 36 geleitet wurden, mit den Kathodenabgasen 202 zusammengebracht.
Dieser Gasstrom ist sehr heiss und weist einen ziemlich hohen Feuchtigkeitsgehalt auf. Es ist natürlich wünschenswert, die Temperatur des Gasstromes, welcher in den Kondensator 18 geleitet wird, so nahe wie möglich am Taupunkt zu halten.
Nach Verlassen des Reaktorbrenners liegt die Temperatur der Anodenabgase bei ungefähr 171 C. Mit Bezug auf die Kondensatorleistung wäre es unerwünscht, diese heissen Gase gleich mit den Kathodenabgasen zu vermischen und diese in den Kondensator einzuführen. So werden diese Gase zuerst durch einen Regenerator 101 geführt, in welchem die Temperatur auf ungefähr 260OC erniedrigt wird. Alsdann werden diese Abgase mit den Kathodenabgasen vermischt. Die kombinierten Gasströme werden in den Wärmeaustauscher 22 geleitet, in welchem die Temperatur noch weiter herabgesetzt wird.
Um zu gewährleisten, dass der Gasstrom nach Verlassen des Kondensators eine zum Betrieb der Turbine notwendige Energie aufweist, wird die Temperatur des Gasstromes durch Durchleiten durch den Wärmeaustauscher 22 und den Regenerator 101 auf 3160C erhöht. In den Brennstoffzellen der bekannten Art konnte oft nicht genug Wasser aus den Kathodenabgasen gewonnen werden. Es kann vorkommen, dass das gleiche Problem in unter Druck stehenden Anlagen auftritt. In den Brennstoffzellenanlagen der bekannten Art, welche mit nicht verdichteten Reaktionsmitteln betrieben werden, wird Wasser noch zusätzlich aus den Reaktorabgasen gewonnen. Gemäss einem Ausführungsbeispiel (Fig. 5) kann zusätzliches Wasser für die Dampfumformungsreaktion aus den Anodenabgasen erhalten werden, bevor diese Gase in den Reaktorbrenner eingeführt werden.
Dies war in nicht unter Druck stehenden Anlagen der Technik nicht möglich, da die aus den Anodenabgasen und den Kathodenabgasen gewonnene Menge noch nicht zur Umwandlung in dem Reaktor genügte. Der Kondensator wurde somit stromabwärts vom Reaktorbrenner angebracht, um somit das Wasser aus den Reaktorabgasen sowie das Wasser aus den Anodenabgasen zu gewinnen. Dies bedingte, dass sehr grosse Wärmeaustauscher eingebaut werden mussten, um die Temperatur der Reaktorbrennerabgase vor dem Eintritt dieser Gase in den Kondensator stromabwärts vom Reaktorbrenner herabzusetzen. In einer Anlage gemäss Fig. 5 kann ein solcher Wärmeaustauscher entfallen. Durch den höheren Taupunkt (bedingt durch höheren Druck) der Anodenabgase in der Anlage, kann eine grössere Wassermenge aus den Anodenabgasen (vor Eintritt dieser Abgase in den Reaktorbrenner) gewonnen werden.
Auch können die Dimensionen der Kondensatoren in annehmbaren Grenzen gehalten werden. Das aus den Anoden- und Kathodenabgasen gewonnene Wasser genügt vollständig zur Umformungsreaktion in dem Dampfumformungsreaktor. Eine Entfernung des Wassers aus den Anodenabgasen erlaubt auch kleinere Umwandlungsreaktoren einzusetzen, da höhere Temperaturen in dem Brenner erhalten werden, da ein Anteil des Wasserdampfes aus dem Gasstrom entfernt wurde.
Die Fig, 8 ist eine graphische Darstellung der Leistung des CO Umwandlers bei einer konstanten Gastemperatur. Die Ausführungsbeispiele der Fig. 3 und 4 weisen beide einen CO Umwandler auf. Die Darstellung zeigt, dass ein direkter Zusammenhang zwischen der Leistung des CO Umwandlers und dem Gasdruck der durch den Umwandler geleiteten Gase besteht. Bei einem höheren Gasdruck steigt die katalysator aktivität in dem CO Umwandler, so dass ein kleinerer CO Umwandler eingesetzt werden kann oder aber eine bessere CO Umwandlung erhalten wird. Aus der Darstellung geht hervor, dass die Katalysatoraktivität sich bei einer Steigerung der Gasdrucke von Atmosphärendruck auf ungefähr 4,2 kg/cm2 verdoppelt. Die verbesserte CO Umwandlerleistung ist ein weiterer Vorteil dieser Stromversorgungsanlagen.
Die vorliegenden Ausführungen beschreiben leistungsfähigere Brennstoffzellenstrom-Versorgungsanlagen. Die beschriebenen Brennstoffzellenstrom-Versorgungsanlagen sind, bei gleicher Leistung, kleiner als die bekannten Brennstoffzellenstrom-Versorgungsanlagen und der Kostenpunkt solcher Versorgungsanlagen liegt allgemein niedriger als in der Vergangenheit.
In solche Brennstoffzellenstrom-Versorgungsanlagen wird das Oxydationsmittel der Brennstoffzelle unter Druck von einem Verdichter, welcher von der ungenutzten Energie der Stromversorgungsanlage betrieben wird, zugeführt. Diese ungenutzte Energie der Brennstoffzellenstrom-Versorgungsanlage wird dem Verdichter in Form von heissen, unter Druck stehenden Gasen zugeführt. So kann der Verdichter z. B.
durch Energie der Kathodenabgase betrieben werden. Es wird der Brennstoff durch Umwandlung in einem Dampfumformungsreaktor erhalten, wobei ein Brenner die für diese Dampfumformung benötigte Energie liefert. Die Luft und der Brennstoff werden der Brennstoffzelle unter hohem Druck zugeführt, die Energie der Kathodenabgase, der Anodenabgase und der Abgase des Reaktorbrenners wird zum Betrieb einer Turbine, welche einen Verdichter zur Verdichtung des Oxydationsmittelstromes zur Kathode antreibt, verwendet.
Da die von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie nicht zur Verdichtung des Oxydationsmittels verwendet wird, ist eine Vergrösserung der Brennstoffzellen nicht notwendig, um die gleiche Stromversorgungsleistung zu gewährleisten, im Gegenteil, es ist möglich, die Leistung der Brennstoffzelle zu verbessern, so dass mehr Energie ohne Vergrösserung der Brennstoffzellen erzeugt werden kann.
Eine solche Brennstoffzellenstrom-Versorgungsanlage weist noch weitere Vorteile auf, welche bis jetzt noch nicht erkannt worden waren. So können in einer derartigen Stromversorgungsanlage die Wasserwiedergewinnungsapparatur oder die Kondensatoren um einen Faktor 2 oder sogar 3 verkleinert werden. Dies ist von besonderer Wichtigkeit, da die Wasserwiedergewinnungsapparaturen oder Kondensatoren der bekannten Stromversorgungsanlagen ungefähr die gleiche Dimension aufweisen, wie die Brennstoffzellen und die Anlage zur Behandlung des Brennstoffes zusammen.
Gemäss einem weiteren Aspekt können die Wasserwiedergewinnungsapparaturen vollständig entfallen. Es wird ferner das Wasser zur Dampfumformung des Brennstoffes durch Kondensation aus den Kathodenabgasen und den Anodenabgasen gewonnen. Die Anodenabgase können als Brennstoff dem Reaktorbrenner zugeführt werden. Die Reaktorabgase werden mit den Kathodenabgasen und eventuellen Anodenabgasen, welche nicht in den Brenner geleitet wurden, zusammengefasst und in die Turbine geleitet. Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, wurde eine Auskondensierung des Wassers aus den Anodenabgasen in der bekannten Technik als unpraktisch erachtet, wohingegen ein Auskondensieren des Wassers aus den Anodenabgasen einer unter Druck betriebenen Brennstoffzelle von besonderem Vorteil ist.
Bei der erläuterten, unter Druck betriebenen Brennstoffzellenstrom-Versorgungsanlage wird Luft als Oxydationsmittel in einem Verdichter, welcher durch eine Turbine angetrieben wird, verdichtet (i. e. Turbolader). Die Turbine wird mit den Abgasen des Reaktorbrenners und der Brennstoffzelle betrieben. Bei Teilbelastung wird Luft aus dem Turbolader um die Brennstoffzelle abgezweigt und mit den Abgasen der Anlage der Turbine zugeführt. Bei Teilbelastung wird auch ein zusätzlicher Brenner eingesetzt, um die Temperatur der in die Turbine eintretenden Gase zu erhöhen. So ist der Massendurchfluss und der Wärmegehalt der zum Betrieb der Turbine verwendeten Gase auch bei Teilbelastung der gleiche wie bei Vollbelastung, so dass der Verdichter unter der gleichen Geschwindigkeit betrieben werden kann und so der Druck, der als Oxydationsmittel verwendeten Luft immer gleich bleibt.
Bei Teilbelastung kann so die Brennstoffzelle mit weniger Luft als bei Vollbelastung betrieben werden, ohne dass eine Veränderung des Luftdruckes auftreten würde. Dies ist von besonderer Wichtigkeit, wenn die Vorteile einer unter Druck stehenden Stromversorgungsanlage auch bei Teilbelastung erhalten werden sollen.