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DE10305075A1 - Process for using the waste heat from a fuel cell reformer - Google Patents

Process for using the waste heat from a fuel cell reformer Download PDF

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DE10305075A1 DE10305075A DE10305075A DE10305075A1 DE 10305075 A1 DE10305075 A1 DE 10305075A1 DE 10305075 A DE10305075 A DE 10305075A DE 10305075 A DE10305075 A DE 10305075A DE 10305075 A1 DE10305075 A1 DE 10305075A1
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Claus Hoffjann
Hans-Jürgen Heinrich
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Airbus Operations GmbH
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Airbus Operations GmbH
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Abstract

Um die bei externen Reformerprozessen auftretende Abwärme und erhitzten Reaktionsgase zur Energieerzeugung mittels Brennstoffzellen zu verwenden, werden die Reaktionsgase des Reformers in mindestens einer Turbine mit einer oder mehreren Turbinenstufen entspannt und damit abgekühlt. Die in der Turbine gewonnene Rotationsenergie wird in Druckluft-, Hydraulik- und/oder elektrischen Energieerzeugern genutzt und/oder beliebigen mechanischen Vorrichtungen als Bewegungsenergie zur Verfügung gestellt.In order to use the waste heat and heated reaction gases occurring in external reformer processes for energy generation by means of fuel cells, the reaction gases of the reformer are expanded in at least one turbine with one or more turbine stages and thus cooled. The rotational energy obtained in the turbine is used in compressed air, hydraulic and / or electrical energy generators and / or made available to any mechanical device as kinetic energy.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung der Abwärme eines Brennstoffzellen-Reformers zwecks Abspaltung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen und Wasser sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method to use the waste heat of a fuel cell reformer for the purpose of splitting off hydrogen from hydrocarbons and water and an arrangement for carrying out the Process.

Für Energieerzeugungs- und Wassergenerierungssysteme, die auf der Basis von Brennstoffzellen arbeiten, kommt außer der Verwendung von Wasserstoff und Sauerstoff als Ausgangsbrennstoffe auch die Verwendung von Kohlenwasserstoffen, wie z.B. Erdgas oder Mineralölprodukte (Benzin, Diesel, Kerosin etc.) und Luft, in Betracht.For Power generation and water generation systems based on working from fuel cells comes apart from the use of hydrogen and oxygen as starting fuels also the use of hydrocarbons, such as. Natural gas or petroleum products (Gasoline, diesel, kerosene etc.) and air.

Bei der Verwendung von Kohlenwasserstoffen müssen diese durch Aufspaltung der Molekülketten und Oxidation des enthaltenen Kohlenstoffes in einem Reformerprozess so umgewandelt werden, dass der Brennstoffzelle letztlich freie Wasserstoffatome zur Reaktion zur Verfügung gestellt werden können. Bei sogenannten Hochtemperaturbrennstoffzellen (z.B. Oxidkeramik Brennstoffzelle – SOFC oder Schmelzkarbonat Brennstoffzelle – MCFC) laufen diese Reformerprozesse bei Temperaturen von ca. 600–1000°C intern ab. Hingegen muss bei Niedrigtemperaturbrennstoffzellen (t < 200°C) wie beispielsweise der Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEM) der Reformerprozess durch einen zusätzlichen vorgeschalteten Verfahrensschritt realisiert werden. Externe Reformer arbeiten in jedem Fall endotherm, d.h. es muss ihnen Prozesswärme zugeführt werden, um die Umwandlung der Kohlenwasserstoffe zu ermöglichen. Hierfür wird in der Regel der umzuwandelnde Energieträger selbst verwendet.When using hydrocarbons have to this by splitting the molecular chains and oxidizing the contained Carbon is converted in a reformer process in such a way that in the fuel cell ultimately free hydrogen atoms to react to disposal can be put. In so-called high-temperature fuel cells (e.g. oxide ceramics Fuel cell - SOFC or Molten carbonate fuel cell (MCFC) run these reformer processes at temperatures of approx. 600–1000 ° C internally from. In contrast, with low-temperature fuel cells (t <200 ° C) such as the proton exchange membrane fuel cell (PEM) the reformer process by an additional upstream process step can be realized. External reformers always work endothermic, i.e. process heat must be supplied to them, to enable the conversion of the hydrocarbons. For this, in usually the energy source to be converted itself used.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die bei externen Reformerprozessen auftretende Abwärme und erhitzten Reaktionsgase zur Energieerzeugung mittels Brennstoffzellen verwendet werden.The object of the invention is now to create a process of the type mentioned at the beginning, where the waste heat from external reformer processes and heated reaction gases used to generate energy using fuel cells become.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Reaktionsgase des Reformers in mindestens einer Turbine mit einer oder mehreren Turbinenstufen entspannt und damit abgekühlt werden, und dass die in der Turbine gewonnene Rotationsenergie in Druckluft-, Hydraulik- und/oder elektrischen Energieerzeugern genutzt und/oder beliebigen mechanischen Vorrichtungen als Bewegungsenergie zur Verfügung gestellt wird.The object is achieved in that the reformer's reaction gases in at least one turbine one or more turbine stages are relaxed and thus cooled, and that the rotational energy gained in the turbine in compressed air, Hydraulic and / or electrical energy generators used and / or any mechanical devices provided as kinetic energy becomes.

Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 beschrieben.Refinements of the method according to the invention are in the subclaims 2 to 9 described.

Eine erfindungsgemäße Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Abkühlungsphase der Reformer-Reaktionsgase in der Turbine ein Wärmetauscher nachgeschaltet ist, der die Reaktionsgase auf das für die jeweilige Brennstoffzelle verträgliche Niveau abkühlt.An arrangement according to the invention to carry out The method is characterized in that the cooling phase The reformer reaction gases in the turbine are followed by a heat exchanger which is the reaction gases for that for the respective fuel cell compatible Cools down.

Weiterbildungen der Anordnung nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen 11 bis 17 beansprucht.Further developments of the arrangement the invention are claimed in subclaims 11 to 17.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung beruht – neben der Nutzung der bei externen Reformerprozessen auftretenden Abwärme und erhitzten Reaktionsgase in einer Turbine zur Energieerzeugung – darin, dass den Brennstoff-Reformern neben dem Kohlenwasserstoff und Luft auch Wasser zugeführt wird. Bei der Reformierung entstehen aus einem Kohlenwasserstoff CXHY, dem Luftsauerstoff O2 und Wasser H2O als Reaktionsprodukte Wasserstoff H2, in geringem Anteil Kohlenmonoxid CO, Kohlendioxid CO2 und ein verbleibender Anteil an Wasserdampf H2O. Der durch die Luft zugeführte Stickstoffanteil N2 wird, abhängig von der Temperatur, zum Teil zu Stickoxid NOx oxidiert. Das für die Brennstoffzelle nutzbare Produkt ist der Wasserstoff. Die anderen Reaktionsgase fallen als Abgas an.A significant advantage of the invention is - in addition to the use of the waste heat and heated reaction gases occurring in external reformer processes in a turbine for energy generation - that the fuel reformer is supplied with water in addition to the hydrocarbon and air. The reforming produces a hydrocarbon C X H Y , atmospheric oxygen O 2 and water H 2 O as reaction products hydrogen H 2 , a small proportion of carbon monoxide CO, carbon dioxide CO 2 and a remaining proportion of water vapor H 2 O. The air Depending on the temperature, the nitrogen content N 2 supplied is partially oxidized to nitrogen oxide NO x . The product that can be used for the fuel cell is hydrogen. The other reaction gases are produced as exhaust gases.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung beschrieben, und zwar zeigt die einzige Figur eine Anordnung zur Nutzung von Abwärme eines Brennstoffzellen-Reformers zwecks Abspaltung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen und Wasser, wobei auch eine prinzipielle Darstellung der Reaktionsprozesse ohne Berücksichtigung der Massen ersichtlich ist.In the drawing is an embodiment according to described the invention, and that the only figure shows one Arrangement for the use of waste heat of a fuel cell reformer for the purpose of splitting off hydrogen from hydrocarbons and water, also a basic one Representation of the reaction processes without considering the masses is.

In der Zeichnung ist einer Brennstoffzelle 1, der neben Wasserstoff 13 auch Sauerstoff 16 zugeführt wird, eine Einrichtung zur Erzeugung des Wasserstoffes 13 aus Kohlenwasserstoff vorgeschaltet. Diese Einrichtung weist unter anderem einen Kompressor 3, eine Turbine 4 mit einer oder mehreren Turbinenstufen, einen Reformer 5, einen Verdampfer 6 bzw. 7 und einen Wärmetauscher (Kühler) 8 auf. Über eine Wellenverbindung mit gegebenenfalls zwischengeschaltetem Getriebe 10 bzw. trennbarem Kupplungselement 9 ist die Turbine 4 mit dem Kompressor 3 mechanisch verbunden. Der Kompressor 3 kann auch über die genannte Wellenverbindung mit einem Generator 18 zur Erzeugung elektrischer Energie oder mit einem Hydraulikmotor 19 bzw. einer Hydraulikpumpe 20 in mechanischer Verbindung stehen.In the drawing is a fuel cell 1 that in addition to hydrogen 13 oxygen 16 is also supplied, a device for generating the hydrogen 13 upstream of hydrocarbon. This device has, among other things, a compressor 3 , a turbine 4 with one or more turbine stages, a reformer 5 , an evaporator 6 respectively. 7 and a heat exchanger (cooler) 8th on. Via a shaft connection with an intermediate gear if necessary 10 or separable coupling element 9 is the turbine 4 with the compressor 3 mechanically connected. The compressor 3 can also use the shaft connection with a generator 18 to generate electrical energy or with a hydraulic motor 19 or a hydraulic pump 20 are in mechanical connection.

Um in Niedrigtemperaturbrennstoffzellen 1, die z.T. mit empfindlichen Kunststoffmembranen 2 ausgestattet sind, nutzbar zu sein, müssen die Reaktionsgase aus dem Reformer 5 abgekühlt werden. Hierzu werden in herkömmlicher Weise Wärmetauscher (Kühler) 8 eingesetzt. In diesem Fall ist die Abwärme vollständig Verlustwärme, die an die umgebende Atmosphäre abgegeben wird.To in low temperature fuel cells 1 , some with sensitive plastic membranes 2 are equipped to be usable, the reaction gases from the reformer 5 be cooled. For this purpose, heat exchangers (coolers) are conventionally 8th used. In this case, the waste heat is completely waste heat that is given off to the surrounding atmosphere.

Erfindungsgemäß soll dieser Wärmetauscher 8 durch eine oder mehrere vorgeschaltete ein- oder mehrstufige Turbinen 4 ergänzt werden, in welcher bzw. in welchen die Reaktionsgase des Reformers 5 zunächst entspannt werden und damit eine Abkühlung erlangen. Der Wärmetauscher 8 soll lediglich der Temperaturregulierung auf optimales Brennstoffzellenniveau dienen. Die gewonnene Rotationsenergie der Turbine(n) 4 wird zur Drucklufterzeugung verwendet, mit welcher anteilsmäßig Reformer 5 und Brennstoffzelle 1 versorgt werden können (17-Zapfluft). Zusätzlich kann anstelle des direkten Anschlusses eines Druckluftkompressors 3 auch die Erzeugung von elektrischer Energie in dem Generator 1) erfolgen.According to the invention, this heat exchanger 8th through one or more upstream single or multi-stage turbines 4 are added in which or in which the reaction gases of the reformer 5 be relaxed first and thus cool down. The heat exchanger 8th should only serve to regulate the temperature to the optimum fuel cell level. The rotational energy of the turbine (s) obtained 4 becomes compressed air generation used with which proportionate reformer 5 and fuel cell 1 can be supplied ( 17 -Zapfluft). In addition, instead of directly connecting an air compressor 3 also the generation of electrical energy in the generator 1 ) respectively.

Das bei der Abkühlung der Reaktionsgase anfallende Kondensat 1) aus Wasser und restlichen Anteilen von Kohlenwasserstoffen wird in vorteilhafter Weise in den Reformerprozess zurückgeführt. Als zusätzlicher Effekt soll die Abwärme an der Wandung der Reformerzelle zur Verdampfung 6, 7 von Brennstoff und/oder Wasser dienen.The condensate that occurs when the reaction gases cool down 1 ) from water and remaining parts of hydrocarbons is advantageously returned to the reformer process. As an additional effect, the waste heat on the wall of the reformer cell is intended for evaporation 6 . 7 of fuel and / or water.

Claims (17)

Verfahren zur Nutzung von Abwärme eines Brennstoffzellen-Reformers zwecks Abspaltung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen und Wasser, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsgase des Reformers (5) in mindestens einer Turbine (4) mit einer oder mehreren Turbinenstufen entspannt und damit abgekühlt werden, und dass die in der Turbine (4) gewonnene Rotationsenergie in Druckluft-, Hydraulik- und ! oder elektrischen Energieerzeugern (3, 19 bzw. 18) genutzt und/oder beliebigen mechanischen Vorrichtungen (20) als Bewegungsenergie zur Verfügung gestellt wird.Process for using waste heat from a fuel cell reformer for the purpose of splitting off hydrogen from hydrocarbons and water, characterized in that the reaction gases of the reformer ( 5 ) in at least one turbine ( 4 ) relaxed with one or more turbine stages and thus cooled, and that the in the turbine ( 4 ) gained rotational energy in compressed air, hydraulic and! or electrical energy producers ( 3 . 19 respectively. 18 ) used and / or any mechanical devices ( 20 ) is made available as kinetic energy. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformerprozess (5) in eine Turbinen-Kompressoreinheit (3, 4) integriert wird.A method according to claim 1, characterized in that the reformer process ( 5 ) in a turbine compressor unit ( 3 . 4 ) is integrated. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Abkühlung der Reaktionsgase des Reformers (5) anfallendes Kondensat (14) dem Reformer (5) wieder zugeführt wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that when the reaction gases of the reformer ( 5 ) condensate ( 14 ) the reformer ( 5 ) is fed again. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass Grauwasser durch Verdampfung (7) zur Nutzung im Reformerprozess (5) aufbereitet wird.A method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that gray water by evaporation ( 7 ) for use in the reform process ( 5 ) is processed. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass, nach erneuter Kondensation, das Grauwasser auch zur Nutzung in WC-Spülungen zur Verfügung steht.A method according to claim 4, characterized in that, after renewed condensation, the greywater can also be used in toilet rinses to disposal stands. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung der Vorrichtung ganz oder teilweise zur Vorwärmung und Verdampfung (6) der zu reformierenden Brennstoffe genutzt wird.Method according to claim 1, 2, 3, 4 or 5, characterized in that the casing of the device is wholly or partly for preheating and evaporation ( 6 ) of the fuels to be reformed. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung der Vorrichtung ganz oder teilweise zur Vorwärmung und Verdampfung (7) des zugeführten Wasseranteiles genutzt wird.Method according to claim 1, 2, 3, 4 or 5, characterized in that the casing of the device is wholly or partly for preheating and evaporation ( 7 ) of the supplied water is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsenergie der Turbine einem oder mehreren beliebigen mechanischen Verbrauchern (20) zugeführt wird.Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the rotational energy of the turbine one or more arbitrary mechanical consumers ( 20 ) is supplied. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zapfluft (17) aus dem Kompressor (3) der Brennstoffzelle (1) oder auch anderen Verbrauchern zur Verfügung gestellt wird.Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that the bleed air ( 17 ) from the compressor ( 3 ) the fuel cell ( 1 ) or other consumers. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abkühlungsphase der Reformer-Reaktionsgase (5) in der Turbine (4) ein Wärmetauscher (8) nachgeschaltet ist, der die Reaktionsgase auf das für die jeweilige Brennstoffzelle (1) verträgliche Niveau abkühlt.Arrangement for performing the method according to one of claims 1 to 9, characterized in that the cooling phase of the reformer reaction gases ( 5 ) in the turbine ( 4 ) a heat exchanger ( 8th ) is connected downstream, which the reaction gases to that for the respective fuel cell ( 1 ) cools down to a tolerable level. Anordnung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Abkühlung der Reaktionsgase auf eine Temperatur unterhalb von 100°C für die Verwendung von PEM – Brennstoffzellen.Arrangement according to claim 10, characterized by a cool down the reaction gases to a temperature below 100 ° C for use of PEM fuel cells. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Kompressor (3) und Turbine (4) über eine Welle miteinander mechanisch verbunden sind.Arrangement according to claim 10, characterized in that the compressor ( 3 ) and turbine ( 4 ) are mechanically connected to each other via a shaft. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenverbindung ein Getriebe (10) zwischengeschaltet ist.Arrangement according to claim 12, characterized in that the shaft connection is a gear ( 10 ) is interposed. Anordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenverbindung ein trennbares Kupplungselement (9) zwischengeschaltet ist.Arrangement according to claim 12 or 13, characterized in that the shaft connection is a separable coupling element ( 9 ) is interposed. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (4) alternativ mit einem Generator (18) zur Erzeugung elektrischer Energie verbunden sein kann.Arrangement according to claim 10, characterized in that the turbine ( 4 ) alternatively with a generator ( 18 ) can be connected to generate electrical energy. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor (3) alternativ über einen Elektro- (18) oder Hydraulikmotor (19) antreibbar ist.Arrangement according to one of claims 10 to 15, characterized in that the compressor ( 3 ) alternatively via an electrical ( 18 ) or hydraulic motor ( 19 ) can be driven. Anordnung nach Anspruch 10, 12, 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsenergie der Turbine (4) eine Hydraulikpumpe (20) betreibt.Arrangement according to claim 10, 12, 13, 14 or 15, characterized in that the rotational energy of the turbine ( 4 ) a hydraulic pump ( 20 ) operates.
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