DE2156759A1

DE2156759A1 - Brennstoffzellenanlage mit einem natürlichen Zirkulationsdampfkessel

Info

Publication number: DE2156759A1
Application number: DE19712156759
Authority: DE
Inventors: Robert Anthony Wethersfield Conn. Sanderson (V.St A.)
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1970-12-16
Filing date: 1971-11-16
Publication date: 1972-06-22
Also published as: FR2118823A5; AR203256A1; IL38114A0; BE776506A; AU3560371A; US3698957A; SE7115312L; NL7116743A; IL38114A; ZA717554B; IT943984B; BR7107936D0; GB1320275A; CA966546A; CH531795A; AT311442B; ES397899A1

Description

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DR. WALTER NIELSCH

Patentanwalt

2 Hamburg 70 · Postfach 10914

Fernruf: 6529707

United Aircraft Corporation, 400 Main Street, East Hartford, Conn, 0610Ö
(Vereinigte Staaten von Nordamerika)

Brennstoffzellenanlage mit einem natürlichen Zirkulationsdampfkessel

Diese Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellen und besonders auf Vorrichtungen zur Wiedergewinnung von Wärme aus einer Brennstoffzellenanlage zwecks Dampferzeugung für das Dampfreform!erverfahren.

In einer Brennstoffzellenanlage, welche elektrische Energie aus einem Kohlenwasserstoffbrennstoff und Luft erzeugt, kann der Brennstoff zur Erzielung der Verwendbarkeit in den Brennstoffzellen unter Verwendung eines Dampfreformieryerfahrens vorbehandelt werden. In herkömmlichen Dampfanlagen für das Reformierverfahren ist ein Dampfkessel angeordnet, der durch die Verbrennung zusätzlichen Brennstoffes erhitzt wird. Die Brennstoffzellen werden im allgemeinen durch Luft · oder ein anderes Medium gekühlt und die Abwärme der Brennst offζellenreinen wird an die Umgebung abgegeben. Das Benötigen von zusätzlichem Brennstoff für den Dampfkessel und die Abgabe von Abfallwärme aus den Brennstoffzellenreihen an die Umgebung ergeben zusammen einen Verlust in dem Dampfreformierwirkungsgrad und einen Verlust im Wirkungsgrad der Gesamtkraftanlage. Die vorliegende Erfindung erhöht den Dampfreformierwirkungsgrad von etwa 75$ auf etwa 90$ und erhöht auch den Gesamtwirkungsgrad der Kraftanlage von etwa 32$ auf etwa

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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Vorrichtungen zur Erzeugung von Dampf und zur Kühlung der Brennstoffzellenreihen zur Verfügung zu stellen, welche gleichförmige thermische Bedingungen innerhalb der Anlage und in den Brennstoffzellenreihen aufrechterhalten, so daß ein großer Teil des in dem Dampfkessel enthaltenen Wassers während sehr schneller Erhöhungen in der Dampfanforderung an den Dampf- "* kessel durch die Reformierdampfzuführungssteuerung zur > Verdampfung kommt und so daß die Wärmeübertragungsraten _k innerhalb der Anlage verbessert werden.

Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die üblichen Vorrichtungen zur Kühlung von Brennstoffzellenreihen zu vermeiden, die eine Fremdkraft benötigen, z.B. Kraft, die aus der elektrischen Erzeugung der Brennstoffzelle entnommen wird. ■

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es j den Gesamtwirkungsgrad einer Brennstoffzellenanlage zu erhöhen«

Die vorstehenden und anderen Aufgaben gemäß der vorliegenden Erfindung werden durch eine Anlage erreicht, in der ein nar türlicher Zirkulationsdampfkessel die Brennstoffzellenreihen kühlt und Dampf zur Verwendung in einem Dampfreformierapparat liefert. Genauer ausgeführt, enthält der natürliche Zirkulationsdampfkessel einen oberen zylindrischen Behälter, der in einer Flüssigkeitsverbindung mit einem unteren zylindrischen Behälter steht· Flüssigkeitsverbindungsvarrichtungen sind eine Öteigeleitung und eine Falleitung. In der Anlage zirkulier endea Wasser fließt durch die Falleitung herunter, wo es mit Speisewasser vermischt.wird und zu dem unteren zylindrischen Behälter strömt. Von dem unteren zylindrischen Behälter zirkuliert Wasser durch die Steigeleitung, welche innerhalb oder anliegend in Hitzeausifcauschbeziehung mit der-Brennstoffzellenreihe steht. Die Brennstoffzellenabfallwärme

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erhitzt das Wasser in der Steigeleitung zum Kochen. In dem oberen zylindrischen Behälter wird der in der Brennstoffzellensteigeleitung erzeugte Dampf abgetrennt und fließt zu dem Reformier apparat oder man läßt ihn abströmen und zwar in Abhängigkeit von der Reformierdampfanforderung. Eine hohe Wasserzirkulationsfließrate wird in der Anlage durch die Differenz in der Dichte zwischen dem Dampf-Flüssigkeitsgemisch in der Steigeleitung und dem flüssigen Wasser in der Falleitung bewirkt.

In weiterer Ausbildung der vorliegenden Erfindung kann zusätzliche Wärme während der Niedrigbelastungszeiten während der Arbeitsleistung der Brennstoffzellen durch Wärmeaustauschvorrichtungen in dem unteren zylindrischen Behälter oder dem oberen zylindrischen Behälter gewonnen werden, indem man Wärme im Wasserstoff dampf aus dem Reformierapparat und aus dem abgeführten Verbrennungsgas aus dem Reformier apparat verwendet.

Auch kann eine Mehrzahl von Brennstoffzellenreihen mit ihren zugehörigen Steigeleitungen mit einem gewöhnlichen oberen zylindrischen Behälter und mit dem unteren zylindrischen Behälv ter mit dem Vorteil verbunden werden, daß die Zellenreihentemperaturauf die korrekte Temperatur, unabhängig von der Hitzeerzeugung aus den einzelnen Reihen, reguliert wird.

Die vorstehenden und anderen Ziele, Ausbildungen und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher durch die folgende ins Einzelne gehende Beschreibung in Erscheinung treten, die eine bevorzugte Ausführungsform der selben, umfaßt und die in den beigefügten Zeichnungen erläutert ist.

Fig₄ 1 ist eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenanlage unter Verwendung der vorliegenden Erfindung.

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Fig 2 ist eine teilweise perspektivische Ansicht einer Konstruktionsausführung der Steigeleitung in Wärmeaustauschbeziehung mit den Brennstoffzellenreihen gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 3 ist eine teilweise perspektivische Ansicht einer anderem Konstruktionsausführung der Steigeleitung in Wärmeauatauschbeziehung mit den Brennstoffzellenreihen gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig.. 4 ist eine teilweise perspektivische Ansicht einer noch anderen Ausführungsform und zeigt Vorrichtungen zur Ausführung der Steigeleitung-in Wärmeaustauschbeziehung mit den Brennstoffzellenreihen.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist eine Kohlenwasserstoff-Luftbrennstoffzellenanlage dargestellt, die vorteilhaft gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Eine Brennstoffzelle, wie diese durch die Ziffer 2 allgemein dargestellt ist, besitzt Anoden 4, Kathoden 6, Matrices O^ Brennstoffkammern 10 und Luftkammern 12, Kühlungsdurchgänge 14 sind. . dargestellt und können einen Teil der Steigeleitungen für den " natürlichen Zirkulationsdampfkessel umfassen. Der Dampfkessel besitzt einen oberen zylindrischen Behälter 16, einen niederen zylindrischen Behälter 1Ö, eine Falleitung 20 und eine Steigeleitung, welche schematisch als-Kühlungsdurchtritte 14 der Brennstoffzelle dargestellt ist· So kann der natürliche Zirkulationsdampfkessel dazu benutzt werden, um sowohl die Zellenreihen zu kühlen, als auch Dampf für den Dampfreformierapparat zu liefern, wie dies allgemein aus dem mit gestrichelter Linie gezeichneten Behälter 22 ersichtlich ist. Der Dampfreformierapparat besteht aus einem Überhitzer 24, einer Vorrichtung 26, welche beispielsweise ein Ejektor zum Mischen des Kohlenwasserstoff-Brennstoffes und Dampfes sein kann, einem Reaktor 2Ö und einem Austauschkonverter

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Weder die Brennstoffzelle 2 selbst noch der Dampfreformierapparat 22 selbst enthalten irgend ein Teil der Erfindung. Beide sind in ihrer Ausführungsform wohl bekannt.

In der Arbeitsstellung wird Dampf in dem oberen zylindrischen Behälter 16 erzeugt, wird abgetrennt und fließt durch die Leitung 32 zu dem Reformierapparat 22 oder zu dem Dampfauslaßventil 34, in Abhängigkeit, von der R ef or mi erdampfanf orderung. Wenn sich der Druck bis zu einem Punkt über einer vorbestimmten Grenze aufbaut, wird das Dampfauslaßventil 34 geöffnet und gestattet dem überschüssigen Dampf abzuströmen und auf einen niederen Druck abzusinken, der beispielsweise der Atmosphärendruck sein kann. In der Anlage zirkulierendes flüssiges Wasser fließt durch die Falleitung 20 herab, wo es mit Speisewasser, welches durch die Leitung 36 eingeführte wird, vermischt wird und fließt zu dem niederen zylindrischen Behälter 1Ö, von wo es zu der Steigeleitung geleitet wird. Wie aus der Darstellung ersichtlich, kann eine Vielzahl von Zellenreihen mit ihren Steigeleitungen zu einem üblichen oberen und unteren zylindrischen Behälter verbunden werden.

In einer Arbeitsanlage dieses Typs wird mehr Dampf in den Brennstoffzellenreihensteigeleitungen bei hohen Kraftlieferungswerten geliefert als dies für den Dampfreformierapparat erforderlich ist. Der überschüssige Dampf strömt ab, um den richtigen Dampfkesseldruck aufrechtzuerhalten, welcher als Folge die korrekte Brennstoffzellentemperatur aufrechterhält. Bei niederer Kraftleistung der Brennstoffzellenreihen kann Dampf für die Verwendung in dem Reformierapparat in unzureichender Menge hergestellt werden. Zusätzliche Wärme für die Anlage kann durch Wärmeaustauschvorrichtungemi in dem unteren zylindrischen Behälter, wie dargestellt, gewonnen worden, indem man die Wärme in dem Wasserstoffstrom zu den Zellen in der Leitung 3# und die Wärme in dem Verbrennungsabgas:; trom aus dem Reformierapparat in der Leitung 40

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verwendet. Es ist ersichtlich, daß die Leitungen 3Ö und 40 auch durch den oberen zylindrischen Behälter 16 angeordnet werden können anstelle durch den unteren zylindrischen Behälter 18 und zwar mit dem gleichen Ergebnis der zusätzlichen Wärmelieferung an die dampferzeugende Anlage.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 ist eine Anordnung gezeigt, bei der die Steigeleitung in Hitzeaustauschbeziehung mit den Brennstoffzellen angeordnet ist, um sowohl die Brennstoffzellenreihen 2 zu kühlen als auch das Wasser innerhalb der ^ Steigeleitung 14 zum Sieden zu erhitzen. Ein dielektrisches Material 42 kann zwischen der Steigeleitung 14 und der Zellenreihe 2 angebracht werden, um eine elektrische Verbindung zwischen diesen zu vermeiden.

Fig. 3 zeigt eine andere Vorrichtung in der Anordnung der Steigeleitung 14 in Hitzeaustauschbeziehung mit der Brennstoffzellenreihe 2, um die Zellenreihe zu kühlen und das Wasser in der Steigeleitung zum Sieden zu erhitzen.

Fig. 4 zeigt noch eine andere Vorrichtung in der Anordnung der Steigeleitung 14 in Wärmeaustauschbeziehung mit der k Brennstoffzellenreihe 2.

Es ist eine bevorzugte Ausführungsform eines natürlichen Zirkulationsdampfkessels gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt worden. Es sei verstanden, daß der Durchschnittsfachmann, da spezifische Ausbildungen hierin gezeigt, worden sind, um die Erfindung verständlich zu machen, daraus entnehmen kann, daß die Verwendung eines natürlichen Zirkulationsdampfkessels, welcher sowohl die Brennstoffzellenreihe kühlt als auch Dampf für das Dampfreformierverfahren liefert, verwendet werden kann, so daß verschiedene Wechsel und Auslassungen in der Form und in der Ausführung zur Durchführung kommen können, ohne den Geist und den Umfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Patentansprüche:

Natürlicher Zirkulationsdampfkessel zur Kühlung einer Brennstoffzelle unter Verwendung eines Kohlenwasserstoffbrennstoff es mit einem Dampf reformierapparat zur Versorgung der Brennstoffzelle Mt Wasserstoff und zur Dampfversorgung für den R ef or mi er apparat, gekennzeichnet durch einen oberen zylindrischen Behälter, einen unteren zylindrischen Behälter, eine Falleitung zur Flüssigkeitsverbindung zwischen den oberen und unteren zylindrischen Behältern und Steigeleitungsmitteln, angeordnet in angrenzender Wärmeaustauschbeziehung mit der Brennstoffzelle und zur Herstellung einer flüssigen Verbindung zwischen dem unteren zylindrischen Behälter und dem oberen zylindrischen Behälter; und wobei der obere zylindrische Behälter ebenso in flüssiger Verbindung mit dem Dampfreformierapparat angeordnet ist.
2. Natürlicher Zirkulationsdampfkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigeleitungsmittel innerhalb der Brennstoffzelle angeordnet sind,
3. Natürlicher Zirkulationsdampfkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,, daß die Steigeleitungsmittel angrenzend zur Brennstoffzelle angeordnet, sind.
4. Natürlicher Zirkulationsdampfkessel nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet;, daß zusätzliche Wärme zu dem Kessel während der Niedrigbelastungszeiten während der Arbeitsleistung der Brennstoffzelle durch Wärmeaustaus chworrichtungeni in dem unteren zylindrischen Behälter, unter Verwendung der Wärme im Wasserstoff gasstrom, der von dem Reformierapparat zu der Brennstoffzelle geliefert wird, zur Verfügung gestellt wird.

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5. Natürlicher Zirkulationsdampfkessel nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Wärme zu dem Dampfkessel während der Niedrigbelastungszeiten beim Arbeiten der Brennstoffzelle durch Wärmeaustauschvorrichtungen in dem oberen zylindrischen Behälter, unter Verwendung der Wärme in dem Wasser st off gas strom, der von dem Reformierapparat zu der Brennstoffzelle geliefert wird, gewonnen wird.
6. Natürlicher Zirkulationsdampfkessel nach den Ansprüchen

1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Wärme zu dem Dampfkessel während der Niedrigbelastungszeiten beim Arbeiten der Brennstoffzelle durch Wärmeaustauschvorrichtungen in dem unteren zylindrischen Behälter unter Verwendung der Wärme des Reformierbrennerabgases geliefert wird.
7. Natürlicher Zirkulationsdampfkessel nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Wärme zu dem Dampfkessel während der Niedrigbelastungszeiten beim Arbeiten der Brennstoffzelle durch Wärmeausstauschvorrichtungen in dem oberen zylindrischen Behälter, unter. Verwendung der Wärme aus dem Reformierbrenn er ab gas, gewonnen wird.

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