AT518012A1

AT518012A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: AT518012A1
Application number: ATA765/2015A
Authority: AT
Inventors: Ing Dr Martin Hauth Dipl; Dipl Ing Rechberger Jürgen
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2015-11-26
Filing date: 2015-11-26
Publication date: 2017-06-15
Also published as: DE102016223436B4; AT518012B1; DE102016223436A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems (1) mit einem Brennstoff (27), welches Brennstoffzellensystem (1) zumindest eine Hochtemperaturbrennstoffzelle (1.0) mit zumindest einer in einem Kathodenraum (12) angeordneten Kathode (11), mit zumindest einer in einem Anodenraum (14) angeordneten Anode (13) sowie mit einem zwischen Kathodenraum (12) und Anodenraum (14) vorhandenen Elektrolyten (15) umfasst, wobei in einem Anodengaskreislauf (20) aus dern Anodenraum (14) der wenigstens einen Hochtemperaturbrennstoffzelle (10) rückgeführtes Anodenabgas (25) mit Brennstoff (27) gemischt und als Anodenzugas (30) mit zumindest einer Gasfördereinrichtung (50) einem Anodengaswärmeübertrager (70) zugeführt wird, in welchem das Anodenzugas (31) thermostatisiert wird, wobei weiters in zumindest einer Reformierungseinheit (60, 61) im Anodengaskreislauf (20) der Brennstoff (27) reformiert wird. Die zumindest eine Reformierungseinheit (60, 61, 62; 63) ist in einem heißen Kreislaufabschnitt(210)desAnodengaskreislaufs(20) angeordnet, in welchem eine Anodengastemperatur (200) oberhalb der in der Reformierungseinheit (60, 61, 62, 63} erforderlichen Gleichgewichtstemperatur erreicht wird sowie die zumindest eine Gasfördereinrichtung (50) in einem kühlen Kreislaufabschnitt (220) des Anodengasl<reislaufs (20) angeordnet ist, in welchem eine Anodengastemperatur (200) unterhalbjener itn heißen Kreislaufabschnitt (210) erreicht wird;

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoff, welches Brennstoffzellensystem zumindest eine

Hochtemperaturbrennstoffzelle mit zumindest einer in einem Kathodenraum angeordneten Kathode, mit zumindest einer in einem Anodenraum angeordneten Anode sowie mit einem zwischen Kathpdenraum und Anodenraum vorhandenen Elektrolyten umfasst, wobei in einem Anodengaskreislauf aus dem Anodenraum der wenigstens einen HoGhtemperaturbrennstoffzelle rückgeführtes Anodenabgas mit Brennstoff gemischt und dieses Gemisch als Änodenzugas mit zumindest einer Gasfördereinrichtung einem Anodengaswärmeübertrager zugeführt wird, in welchem das Änodenzugas thermostatisiert wird, wobei weiters in zumindest einer Reformierungseinheit im Anodengaskreislauf der Brennstoff reformiert wird. Ebenso werden im Rahmen der Erfindung Vorrichtungen zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoff angegeben.

Unter einer Hochtemperaturbrennstoffzelle versteht der Fachmann beispielsweise eine Schmelzkarbonatbrennstoffzelle (englisch: Molten Carbonate Fuel Cell, MCFG), die bei Betriebstemperaturen etwa von 580°C bis 6759C arbeitet. Als Elektrolyt wird bei diesem Brennstoffzellentyp meist eine Alkalicarbonat-Misehschmelze aus Lithium-und Kaliumcarbonat verwendet. Ebenso handelt es sich bei Festoxidbrennstoffzellen (englisch: Solid Oxide Fuel Gell, SOFG) um Hochtemperaturbrennstoffzellen. Festoxidbrennstoffzellen werden bei Betriebstemperaturen von etwa 650°C bis 10OCTC betrieben.

Der Elektrolyt dieses Zelltyps besteht aus einem festen keramischen Werkstoff, der in der Lage ist, Sauerstoff Ionen zu leiten, für Elektronen jedoch isolierend wirkt An beiden Seiten der Elektrolytschicht sind die Elektroden, Kathode und Anode, angebracht. Sie sind gasdurchlässige elektrische Leiter. Der sauerstoffionenleitende Elektrolyt ist beispielsweise als dünne Membran vorgesehen, um die Sauerstoff Ionen energiearm transportieren zu können, was jedoch nur bei den genannten hohen Temperaturen funktioniert. Die dem Elektrolyt abgewandte, äußere Seite der Kathode wird von Luft umgeben, die äußere Anodenseite von Brenngas. Ungenutzte Luft und ungenutztes Brenngas sowie Verbrennungsprodukte werden abgesaugt.

Brennstoffzellensysteme, die insbesondere als Hilfsstromversorgungseinrichtung in Kraftfahrzeugen oder als Stationärsysteme bzw. „stationäre Kraftwerke“ verwendet werden, und die üblicherweise zumindest eine Brennstoffzelle zum Erzeugen von elektrischem Strom aus Kathodenluft und Reformatgas umfassen, sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Eine derartige Brennstoffzelle ist dabei üblicherweise aus einer Vielzahl einzelner Brennstoffzellenelemente zusammengesetzt, die aufeinander gestapelt sind und als Brennstoffzellenstapel bezeichnet werden.

Zum Erzeugen von Reformatgas sind derartige Brennstoffzellensysteme mit einem Reformer ausgestattet, der aus einem Kraftstoff, meist einem Kohlenwasserstoff wie beispielsweise Diesel oder Erdgas* und aus Reformerluft und/oder aus Wasserdampf das Reformatgas erzeugt. Das Reformatgas enthält dann Wasserstoffgas und Kohlenmonoxid. Das Brennstoffzellensystem kann außerdem mit einer Luftversorgungseinrichtung ausgestattet sein, die mittels einer Luftfördereinrichtung aus einer Umgebung des Brennstoffzellensystems Umgebungsluft ansaugt und diese beispielsweise in Reformeriuft und Kathodenluft unterteilt. Die Reformerluft kann dann über eine Reformerluftleitung dem Reformer zugeführt werden, während die Kathodenluft über eine Kathodenluftleitung einer Kathodenseite der wenigstens einen Brennstoffzelle zugeführt werden kann. Üblicherweise ist es bei einem derartigen Brennstoffzellensystem vorgesehen, mit Hilfe einer Rezirkulationsleitung Anodengas einer Anodenseite der wenigstens einen Brennstoffzelle in Richtung zum Reformer zu führen, um so Anodenabgas von der jeweiligen Brennstoffzelle zum Reformer zurückführen zu können. Zum Antreiben des Anodenabgases ist in der Rezirkulationsleitung üblicherweise eine

Gasfördereinrichtung zum Fördern von heißem Anodenabgas angeordnet, wobei dazu meist eine Rezirkulationspumpe oder ein Anodengasgebläse verwendet wird.

Weiters sind bereits verschiedene Varianten der Brennstoffzuführung zur Anode einer Brennstoffzelle bekannt. Üblicherweise ist dabei in einem Anodengaskreislauf stromaufwärts des Reformers die Gasfördereinrichtung angeordnet Somit wird das Anodenzugas, also das Gemisch aus rückgeführtem Anodenabgas und eingespeistem Brennstoff, in der Gasfördereinrichtung weiter gemischt und von dieser dem nachgelagerten Reformer zugeführt. Dabei ist es notwendig, hohe

Anodeoeintrittstemperaturen zu erzielen, um in der Brennstoffzelle bzw. in einem

Brennstoffzellenstapel die Entstehung von Thermospannungen zu verhindern. Umgekehrt ist bei der für die Rezirkulation des Anodengases erforderlichen Gasfördereinrichtung zu beachten, dass die Eintrittstemperatur des Anodengases in die Gasfördereinrichtung nicht zu hoch wird, um Beschädigungen zu verhindern und ordnungsgemäßen Betrieb der Gasfördereinrichtung sicher zu stellen.

Nachteilig bei den bisher bekannten Brennstoffzellensystemen ist daher, dass für einen sicheren Betrieb der Gasfördereinrichtung das heiße Anodengas abgekühlt bzw. die Gasfördereinrichtung separat gekühlt werden muss und damit das Anodengas, welches mit einem Brennstoff gemischt und als Anodenzugas dem Reformer zugeführt wird, zu kalt für die Reformierung ist. Weshalb das Anodenzugas vor dem Reformer wieder erhitzt werden oder der Reformer mit einer externen Heizung beheizt werden muss, was aufwendig und energetisch ungünstig ist.

Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoff anzugeben, welches die geschilderten Nachteile des Standes der Technik vermeidet und bei dem ein ordnungsgemäßer sowie energetisch optimierter Betrieb des Brennstoffzellensystems gewährleistet ist. Weiters ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, entsprechende Vorrichtungen zum Betrieb eines solchen Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoff bereitzustellen.

Die erstgenannte erfindungsgemäße Aufgabe betreffend ein Verfahren zum Betrieb eines gattungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoff, welches Brennstoffzellensystem zumindest eine Hochtemperaturbrennstoffzelle mit zumindest einer in einem Kathodenraum angeordneten Kathode, mit zumindest einer in einem Anodenraum angeordneten Anode sowie mit einem zwischen Kathodenraum und Anoden raum vorh andenen Elektrolyten umfasst, wobei in einem Anodengaskreislauf aus dem Anodenraum der wenigstens einen Hochtemperaturbrennstoffzelle rückgeführtes Anodenabgas mit Brennstoff gemischt und als Anodenzugas mit zumindest einer Gasfördereinrichtung einem Anodengaswärmeübertrager zugeführt wird, in welchem das Anodenzugas thermostatisiert wird, wobei weiters in zumindest einer Reformierungseinheit im Anodengaskreislauf der Brennstoff reformiert wird, wird dadurch gelöst, dass die zumindest eine Reformierungseinheit in einem heißen Kreislaufabschnitt des Anodengaskreislaufs angeordnet ist, in welchem heißen Kreislaufabschnitt im Brennstoffzellenbetrieb eine Anodengastemperatur oberhalb der in der Reformierungseinheit erforderlichen Gleichgewichtstemperatur erreicht wird, sowie die zumindest eine Gasfördereinrichtung in einem kühlen Kreislaufabschnitt des Anodengaskreislaufs angeordnet ist, in welchem kühlen Kreislaufabschnitt im Brennstoffzellenbetrieb eine Anodengastemperatur unterhalb der im heißen Kreislaufabschnitt herrschenden Temperatur erreicht wird,

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können die üblicherweise bei einer Anodenrezirkulatron auftretenden Zielkonflikte, nämlich möglichst hohe Anodeneintrittstemperaturen in den Brennstoffzellen zu gewährleisten, um Thermospannungen zu verhindern bzw. zu verringern und gleichzeitig die Anodengaseintrittstemperatur in eine Gasfördereinrichtung, beispielsweise ein Anodengasgebläse, möglichst niedrig zu halten, um das Material der Gasfördereinrichtung zu schonen und eine höhere Förderleistung bzw. größere Fördereffizienz zu erzielen, gemeinsam gelöst werden. Weiters wird für den Reformereinsatz gewährleistet, dass die für die Reformierung erforderlichen Betriebstemperaturen von zumindest 50Q°C ohne externe Beheizung erzielt werden, da der Reformer in einem heißen Kreislaufabschnitt angeordnet wird, in dem die für die Reformierung erforderliche Gleichgewichtstemperatur von etwa 470°C überschritten wird. Somit wird vorteilshaft die gewünschte Anodengaszusammensetzung für die Anodenreaktion im Anodenraum der Hochtemperaturbrennstoffzelle erreicht, ohne den Reformer extern beheizen zu müssen.

Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen und Fortbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüehen und der Beschreibung dargelegt.

Besonders vorteilhaft kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in der zumindest einen Reformierungseinheit durch eine endotherme Dampfreformierung aus einem kohlenstoffhaltigen Gemisch enthaltend den Brennstoff sowie das rückgeführte Anodenabgas ein Reformatgas als Mischung von Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff hergestellt werden.

Die Dampfreformierung (englisch: Steam Reforming) ist ein Verfahren zur Herstellung von Synthesegas bzw. Reformatgas, einer Mischung von Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff aus kohlenstoffhaltigen Energieträgern wie Erdgas, Leichtbenzin,

Methanol, Biogas oder Biomasse. Die Dampfreformierung ist ein allothermer Prozess, bei dem Methan und Wasserdampfzu Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff umgesetzt werden, und der nach der folgenden Gleichung abläuft: CHU + H2O 5 CO + 3 H2

Zur Steigerung der Wasserstoffausbeute kann das entstehende Kohlenmonoxid in einerweiteren Reaktion* derWassergas-Shift-Reaktion, zu Kohlendioxid und weiterem Wasserstoff umgesetzt werden: CO + H2O CO2 + K2

Dazu wird heißer Wasserdampf mit dem zu reformierenden Gas (zum Beispiel Erdgas) oder mit verdampfter Flüssigkeit (zum Beispiel Leichtbenzin) vermischt und unter ständiger Energiezufuhr an einem heterogenen Katalysator in der Gasphase umgesetzt.

Besonders zweckmäßig kann bei einem Verfahren gemäß der Erfindung sein, dass die Anodengastemperatur im heißen Kreislaufabschnitt des Anodengaskrei&laufs, in welchem die zumindest eine Reformierungseinheit angeordnet ist, zumindest 500°G, bevorzugt zumindest 550°C, besonders bevorzugt zumindest 600°C, beträgt. In dieser Verfahrensvariante reicht die Anodengastemperatur im heißen Kreislaufabschnitt aus, um die dort angeordnete Reformierungseinheit zu beheizen und die erforderliche Temperatur für die Reformierung des Brennstoffs zu gewährleisten.

Ebenso von Vorteil kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren sein, dass die Anodengastemperatur im kühlen Kreisiaufabschnitt des Anodengaskreislaufs, in welchem die zumindest eine Gasfördereinrichtung angeordnet ist, höchstens 470°C, bevorzugt höchstens 450°C, besonders bevorzugt höchstens 400°C, beträgt. Insbesondere wenn die Gasfördereinrichtung beispielsweise ein Anodengasgebläse ist, wird bei den vergleichsweise geringeren Temperaturen im kühlen Kreislaufabschnitt des Anodengaskreislaufs die Effizienz des Gebläses erhöht. Bei abnehmender Temperatur nimmt die Dichte des Gases zu und man braucht weniger Gebläseleistung, um den gleichen Massenstrom zu fördern.Die Standzeit der Gasfördereinrichtung wird dadurch vorteilhaft verlängert.

In einer bevorzugten Variante kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die zumindest eine Reformierungseinheit einen Reformer umfassen, der im Anodengaskreislauf in der Rezirkulationsleitung stromabwärts nach dem Anodengaswärmeübertrager sowie stromaufwärts vor der Gasfördereinrichtung angeordnet ist, wobei der zu reformierende Brennstoff dem heißen Anodenabgas in der Anodengasabfeitung vor dem Anodengaswärmeübertrager und/oder dem Anodenrecyclegas in der Rezirkulationsleitung vor dem Reformer zugeführt wird bzw. werden.

In dieser Variante kann die sonst notwendige lange Rezirkulatronsstrecke des Anodengaskreislaufs eingespart weiden, indem der Reformer direkt nach dem Anodengaswärmeübertrager bzw. unmittelbar stromabwärts nach einer T-förmigen Verzweigung der Anodenabgasleitung einerseits in die Anodengaszuleitung und andererseits in die Abgasleitüng angeordnet ist. Der Reformer ist in dieser Variante vorteilhaft nicht mehr zusätzlich beheizt. Außerdem ist die Gasfördereinrichtung, beispielsweise das Anodengebläse, ebenfalls stromabwärts nach dem Reformer angeordnet. Die Zuführung von Brennstoff - vorzugsweise wird Erdgas als Brennstoff verwendet - erfolgt beispielsweise dem heißen Anodenabgas in der Anodengasableitung vor dem Anodengaswärmeübertrager. Vorteilhaft wird durch diese vergleichsweise frühe Beimischung des Brennstoffs in den Anodengaskreislauf stromaufwärts vor dem Reformer über die Leitungsstrecke bis zum Reformer eine gute Durchmischung mit Anodenabgas ermöglicht. Allerdings strömt bei dieser Art der Beimischung auch ein Teil des Brennstoffs in die Abgasleitung und gelangt damit nicht zum Reformer.

Alternativ oder in Ergänzung zur Beimischung des Brennstoffs in der Anodengasableitung kann der Brennstoff auch dem Anodenrecyclegas in der Rezirkulationsleitung vor dem Reformer zugeführt werden. Vorteilhaft gelangt somit der gesamte beigemischte Brennstoff in den Reformer. Allerdings ist dabei zu beachten, dass die Reformereintrittstemperatur des Anodenzugases aufgrund der Beimischung des kühleren Erdgases damit etwas geringer. Günstig an dieser Verfahrensvariante ist weiters, dass durch das Wegfallen der Reformerbeheizung auch die damit verbundenen Wärmeverluste deutlich verringert werden können. Die dadurch verbleibende Wärme steht für die Luftvorerwärmung kathodenseitig zur Verfügung. Dadurch ergibt sich eine höhere

Kathodeneintrittstemperatur, die eine wesentliche Größe im Thermomanagement eines Brennstoffzellensystems ist.

Das Temperaturniveau in der Rezirkulationsleitung des Anodengases ist mit Temperaturen beispielsweise unter 300°C geringer, damit sind auGh die Wärmeverluste geringer. Das niedrigere Eintrittstemperaturniveau an der Gasfördereinrichtung bzw. am Anodengasgebläse führt zu einer höheren Effizienz des Gebläses, Außerdem ist dadurch für das Anodengasgebläse weniger Kühlleistung notwendig und seine thermische Beanspruchung wird verringert, was einen längeren, störungsfreien Betrieb der Gasfördereinrichtung erlaubt.

Aufgrund der höheren Reformereintrittstemperatur sind keine zusätzliche externe Reformerbeheizung bzw. keine Rohrleitungen oder regelbare Drosselklappen notwendig. Die Eintrittstemperatur des Anodenzugases in den Reformer ist höher und ausreichend für die Erreichung der Gleichgewichtstemperatur. Durch die fehlende Reformeibeheizung sinkt das Temperaturniveau im Anodenkreis. Das kann zwar zu niedrigeren Anodengaseintrittstemperaturen führen, die unter Umständen kritisch aufgrund von thermischen Spannungen für die Hochtemperaturbrennstoffzelle sein können, allerdings wird dieser Effekt durch die verringerten Wärmeverluste in der Rezirkulationsleitung ausgeglichen.

In einerweiteren vorteilhaften Variante kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die zumindest eine Reformierungseinheit einen katalytischen Reformerwärmeübertrager umfassen, in dem der Brennstoff reformiert wird, wobei:der Reformerwärmeübertrager mit dem Anodengaswärmeübertrager kombiniert und in der Anodenzugasleitung vor dem Anodenraum angeordnet ist, wobei die kalte Wärmeübertragerseite und/ocjer die heiße Wärmeübertragerseite mit dem Reformerwärmeübertrager gekoppelt ist bzw. sind und der zu reformierende Brennstoff dem heißen Anodenabgas in der Anodengasableitung auf der heißen Wärmeübertragerseite vor dem Anodengaswärmeübertrager und/oder dem Anodenrecyclegas in der Rezirkulationsleitung auf der kalten Wärmeübertragerseite vor dem Anodengaswärmeübertrager zugeführt wird bzw. werden.

Diese Verfahrensvariante unterscheidet sich von den zuvor genannten Varianten dadurch, dass Reformierungseinheit und Anodengaswärmeübertrager zu einem gemeinsamen Bauteil kombiniert sind. Dadurch wird eine höhere Reformereintrittstemperatur erzielt. Gleichzeitig können beide Pfade des Anodengaswärmeübertragers, also die kaite Wärmeübertragerseite und die heiße Wärmeübertragerseite, als Reformer ausgeführt werden, wodurch mehr

Reformerfläche zur Verfügung steht und das Kombinationsbauteil kleiner ausgeführt werden kann. Es können aber auch entweder nur der Pfad der kalten Wärmeübertragerseite oder nur der Pfad der heißen Wärmeübertragerseite jeweils reformierend ausgeführt sein oder mit dem Reformerwärmeübertrager gekoppelt sein.

Die Anodengasejntrittstemperatur in die Gasfördereinrichtung ist niedriger mit den vorher beschriebenen Vorteilen des geringeren Verschleißes sowie einer höheren Fördereffizienz und einer geringeren benötigten Kühlleistung. Weiters ist aufgrund des geringeren auftretenden Druekverlusts die benötigte Antriebsleistung der Gasfördereinriehtung geringer. Die Rezirkulationsleitung kann vergleichsweise kurz ausgeführt werden und die Temperatur des darin strömenden Mediums ist gering, wodurch sich vorteilhaft nur geringe Abwärmeverluste über die Rezirkulationsleitung ergeben.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann in einer Verfahrensvariante der katalytische Reformerwärmeübertrager im Anodengaswärmeübertrager integriert sein, wobei die kalte Wärmeübertragerseite und/oder die heiße Wärmeübertragerseite den Brennstoff katalytisch reformierend ausgebildet ist bzw. sind.

In einer weiteren alternativen Ausführung kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die zumindest eine Reformierungseinheit zumindest eine katalytische Reformeranode umfassen, die im Anodenraum der Hochtemperaturbrennstoffzelle angeordnet ist, wobei der Brennstoff der Rezirkulationsleitung des Anodengaskreislaufs zugeführt und im Anodenraum reformiert wird. Vorteilhaft kann in dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Reformer entfallen. Durch die katalytische Aktivität einer katalytischen Reformeranode kann die Reformierung des Anodenzugases auch vollständig im Anodenraum der Hochtemperatürbrennstoffzelle erfolgen.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann bei einem Verfahren die Anode der Hochtemperaturbrennstoffzelle als katalytische Reformeranode ausgebildet sein.

Durch die katalytische Aktivität der Brennstoffzellenanode kann die Reformierung auch vollständig an der Anode der Hochtemperaturbrennstoffzelle ablaufen. Zu beachten ist dabei, dass aufgrund der endothermen Reformierungsreaktion hohe thermische Spannungen an der Anode auftreten können. Weiters können Brennstoffverunreinigungen wie beispielsweise Schwefel die katalytische Aktivität der Reformeranode beeinträchtigen. Durch den Einsatz von. besonders robusten Reformeranoden, die weitestgehend inert gegenüber Katalysatorgiften des Anodenzugases bzw. des Brennstoffs sind, können auch in dieser Verfahrensvariante ausreichende Standzeiten für den Betrieb der Hochtemperaturbrennstoffzelle gewährleistet werden.

Zweckmäßig können bei einem Verfahren gemäß der Erfindung mehrere Reformierungseinheiten gleicher oder unterschiedlicher Bauart jeweils in heißen Kreislaufabschnitten des Anodengaskreislaufs angeordnet sein. Beispielsweise können im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Reformer, ein katalytischer Reformerwärmeübertrager und/oder eine katalytische Reformeranode, die iin Anodenraum der Hochtemperaturbrennstoffzelle angeordnet ist, gemeinsam im Anodenkreislauf eingesetzt werden und jeweils reformierend wirken.

Die zuvor genannte Aufgabe der vorliegenden Erfindung, entsprechende Vorrichtungen zum Betrieb eines gattungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoff bereitzustellen, welches Brennstoffzellensystem zumindest eine Hochtemperaturbrennstoffzelle mit zumindest einer in einem Kathodenraum angeordneten Kathode, mit zumindest einer in einem Anodenraum angeordneten Anode sowie mit einem zwischen Kathodenraum und Anodenraum vorhandenen Elektrolyten umfasst, wobei in einem Anodengaskreislauf zur Rückführung von Anodenabgas aus dem Anodenraum eine Brennstoffzuleitung zur Beimischung von Brennstoff zum Anodengas mündet, wobei zumindest eine Gasfördereinrichtung zum j Fördern des Gernischs als Anodenzugas in einen Anodengaswärmeübertrager, 1 weicher in den Anodengaskreislauf verschalten ist, vorgesehen ist sowie welches [

Brennstoffzellensystem weiterhin zumindest eine Reformierungseinheit zum Reformieren des Brennstoffs im Anodengaskreislauf umfasst, wird von einer I

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Vorrichtung gelöst, bei welcher Vorrichtung die zumindest eine Reformierungseinheit in einem heißen Kreislaufabschnitt des Anodengaskreislaufs angeordnet ist, in welchem heißen Kreislaufabschnitt im Betrieb des Brennstoffzellensystems eine Anodengastemperatur oberhalb der in der Reformierungseinheit erforderlichen Gleichgewichtsternperatur eingestellt ist sowie die zumindest eine Gasfördereinrichtung in einem kühlen Kreislaufabschnitt des Anodengaskreislaufs angeordnet ist, in wetehem kühlen Kreislaufabschnitt im Betrieb des Brennstoffzellensystems eine Anodengastemperatur unterhalb der im heißen Kreislaufabschnitt herrschenden Anodengastemperatur eingestellt ist.

Sinngemäß gelten die zuvor für die unterschiedlichen erfindungsgemäßen Verfahren genannten Vorteile und Wirkungen auch für die entsprechenden Vorrichtungen zum Betrieb eines gattungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoff.

Vorteilhaft kann bei einer Vorrichtung gemäß der Erfindung die zumindest eine Reformierungseinheit für eine endotherme Dampfreformierung ausgelegt sein, wobei die Anodengastemperatur im heißen Kreislaufabschnitt des Anodengaskreislaufs, in welchem die zumindest eine Reformierungseinheit angeordnet ist, zumindest 500°C, bevorzugt zumindest 550°C, besonders bevorzugt zumindest 600°C, beträgt.

Zweckmäßig kann bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zumindest eine Reformierungseinheit einen Reformer umfassen, der im Anodengaskreislauf in der Rezirkulationsleitüng stromabwärts nach dem Anodengaswärmeübertrager sowie stromaufwärts vor der Gasfördereinrichtung angeordnet ist, wobei die Brennstoffzuleitung in die Anodengasableitung vor dem Anodengaswärmeübertrager und/oder in die Rezirkulationsleitüng vor dem Reformer mündet.

In einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung kann bei einer Vorrichtung die zumindest eine Reformierungseinheit einen katalytischen Reformerwärmeübertrager umfassen, wobei der Reformerwärmeübertrager mit dem Anodengaswärmeübertrager kombiniert oder in diesen integriert ist und in der Anodenzugasieitung vor dem Anodenraum angeordnet ist, wobei die kalte Wärmeübertragerseite und/oder die heiße Wärmeübertragerseite kataiytisch reformierend ausgebildet oder mit dem Reformenwärmeübertrager gekoppelt ist bzw. sind und die Brennstoffzuleitung in die

Anodengasableitung vor dem Anodengaswärmeübertrager und/oder in die Rezirkulationsleitung vor dem Refoimerwärmeübertrager mündet.

In einer alternativen Variante der Erfindung kann bei einer Vorrichtung die zumindest eine Reformierungseinheit zumindest eine katalytische Reformeranode umfassen, die im Anodenraum der Hochtemperaturbrennstoffzelle angeordnet ist, wobei vorzugsweise die Anode der Hochtemperaturbrennstoffzelle als katalytische Reformeranode ausgebildet ist, wobei die Brennstoffzuleitung in die Rezirkulationsleitung des Anodengaskreislaufs mündet.

Gemäß der Erfindung sind somit verschiedene Varianten des Anodengaskreislaufs bzw, unterschiedliche Ausführungen der Anordnung von Reformierungseinheit/Gasfördereinrichtung/Anodengaswärmeübeitrager möglich, wie auch in der nachfolgenden Figurenbesehreibung ausgeführt wird.

Grundsätzlich ist in allen Varianten sowohl des Verfahrens, als auch der Vorrichtung zum Betrieb des gattungsgemäßen Brennstoffzellensystems zumindest eine Reformierungseinheit vorgesehen, die aber beispielsweise als katalytischer Reformerwärmeübertrager oder als katalytische Reformeranode auch mit anderen Bauteilen kombiniert sein kann. Eine Reformierungseinheit ist notwendig, um die gewünschte Anodengaszusammensetzung sicherzustellen bzw, zu verhindern, dass es in der Brennstoffzelle zu einer unkontrollierten Reformierung kommt, die aufgrund ihres endothermen Charakters zu Thermospannungen und damit Beschädigungen der Brennstoffzelle führen könnte.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Erläuterung von in den Zeichnungen jeweils schematisch dargestellten, nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen. Die folgenden Ausführungen zu den Figurenbeschreibungen betreffen jeweils gleichsam Verfahren, als auch Vorrichtungen zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems. In den Zeichnungen zeigen jeweils in Darstellungen als vereinfachtes Verfahrensfließbild: - Fig. 1 ein Brennstoffzellensystem gemäß dem bekannten Stand der Technik, bei dem in einem Anodengaskreislauf stromaufwärts eines Reformers eine Gasfördereinrichtung angeordnet ist; - Fig. 2 in einer Detailansicht von Fig. 1 den Anodengaskreislauf gemäß dem Stand der Technik; - Fig. 3 den Anodengaskreislauf eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten

Variante der Erfindung, wobei die Reformierungseinheit einen Reformer umfasst, der im Anodengaskreislauf in der Rezirkulationsleitung stromabwärts nach einem Anodengaswärmeübertrager sowie stromaufwärts vor einer Gasfördereinriehtung angeordnet ist, wobei der zu reformierende Brennstoff dem heißen Anodenabgas in der Anodenabgasleitung vor dem Anodengaswärmeübertrager zugeführt wird; - Fig. 4 den Anodengaskreislauf eines Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten

Variante der Erfindung, wobei ein Reformer im Anodengaskreislauf in der Rezirkulationsleitung stromabwärts nach einem Anodengaswärmeübertrager sowie stromaufwärts vor einer Gasfordereinrichtung angeordnet ist, wobei der zu reformierende Brennstoff dem rückgeführten Anodenabgas in der Rezirkulationsleitung vor dem Reformer zugeführt wird; - Fig. 5 den Anodengaskreislauf eines Brennstoffzellensystems gemäß einer dritten

Variante der Erfindung, wobei die Reformierungseinheit einen katalytischen Reformerwärmeübertrager umfasst, in dem der Brennstoff reformiert wird, wobei der Reformerwärmeübertrager mit dem Anodengaswärmeübertrager kombiniert oder in diesen integriert ist; - Fig. 6 den Anodengaskreislauf eines Brennstoffzellensystems gemäß einer vierten

Variante der Erfindung, wobei die Reformierungseinheit eine katalytische Reformeranode umfasst, die im Anodenraum der Hochtemperaturbrennstoffzelle angeordnet ist; - Fig. 7 den in Fig. 3 dargesteltten Anodengaskreislauf eines erfindungsgemäßen

Brennstoffzeilensystems während des Anfahrens des Brennstoffzellensystems.

Beispielhaft ist in Fig. 1 ein an sich bekanntes Brennstoffzeilensystem 1 mit einer sogenannten Festoxidbrennstoffzelfe 10 (englisch: Solid Oxide Fuel Gelt, SOFC) gezeigt, Dabei handelt es sieh um eine Hochtemperaturbrennstoffzelle 10, die bei Betriebstemperaturen von etwa 650°C bis 1000°C betrieben wird. Der Elektrolyt 15 dieses Zelltyps besteht aus einem festen keramischen Werkstoff, der in der Lage ist, Sauerstoff Ionen zu leiten, für Elektronen jedoch isolierend wirkt. An beiden Seiten der Elektrolytschicht: 15 sind die Elektroden, Kathode 11 und Anode 13, angebracht. Sie sind gasdurchlässige elektrische Leiter. Der sauerstoffionenleitende Elektrolyt 15 ist beispielsweise als dünne Membran vorgesehen, um die Sauerstoff Ionen energiearm transportieren zu können. Es funktioniert nur bei den herrschenden hohen Temperaturen Die dem Elektrolyt abgewandte, äußere Seite der Kathode 11 wird von Luft umgeben, die äußere Anodenseite 13 von Brenngas. Ungenutzte Luft und ungenutztes Brenngas sowie Verbrennungsprodukte werden abgesaugt.

Festoxidbrennstoffzellen 10 sind galvanische Zellen zur kontinuierlichen elektrochemischen Stromerzeugung, die üblicherweise als Brennstoffzellenstapel, sogenannte SOFC-Stacks, also als Zusammenschaltung mehrerer Hochtemperaturbrennstoffzellen 10, betrieben werden. Zur besseren Übersicht ist in Fig. 1 nur eine einzige Hochtemperaturbrennstoffzefle 10 veranschaulicht Die Funktion jeder galvanischen Zefle und überhaupt jeder elektrochemischen Reaktion beruht auf einer Redoxreaktion, bei der Reduktion und Oxidation räumlich getrennt ablaufen, nämlich an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt. In der FestQxidbrennstoffzelie 10 ist diese Redox-Reaktion eine Reaktion von Sauerstoff mit dem Brennstoff, der Wasserstoff sein kann, hier jedoch beispielsweise auch Kohlenstoffmonoxid enthält. Auf der Kathodenseite 12 herrscht Sauerstoffüberschuss, während auf der Anodenseite 14 Sauerstoffmangel herrscht, weil der vorhandene Sauerstoff gleich mit dem beispielsweise vorhandenen Wasserstoff reagiert. Durch dieses Konzentrationsgefälle diffundiert Sauerstoff 19 von der Kathode T1 durch den Elektrolyten 15 zur Anode 13. Der Elektrolyt 15 dazwischen ist aber nur für Sauerstoff-Ionen durchlässig.

Hat das Sauerstoffmolekül die Grenzfläche zwischen Kathode und Elektrolyt erreicht, nimmt es zwei Elektronen auf, wird damit zum Ion und kann die Barriere durchdringen. An der Grenze zur Anode 13 angekommen, reagiert es katalytisch mit dem Brenngas unter Abgabe von Wärme und den entsprechenden Verbrennungsprodukten, und gibt wieder zwei Elektronen an die Anode ab. Voraussetzung dafür ist ein Stromfluss - der eigentliche Zweck der Hochtemperaturbrennstpffzelle - wobei der Stromfluss anderweitig genutzt werden kann.

Gemäß der in Fig. 1 gezeigten Variante ist dabei ein Anodengaskreislauf 20 vorgesehen, der im Detail auch in Fig, 2 gezeigt ist. Im Anodengaskreislauf 20 wird aus dem Anodenraum 14 der Hochtemperaturbrennstoffzelle 10 in einer Anodenabgasleitung 21 heißes Anodenabgas 22 zu einem Anodengaswärmeübertrager 70 gefördert, wobei das zugeführte Anodenabgas 22 im Anodengaswärmeübertrager 70, der vorzugsweise im Gegenstrom betrieben wird, etwas abgekühlt wird und in der Anodenabgasleitung 21 den

Anodengaswärmeübertrager 70 als heißes Anodenabgas 23 wieder verlässt Ein Teil des heißen Anodenabgases 23 gelangt bei einer hier T-förmigen Kreislaufverzweigung in eine Rezirkulationsleitung 24 und wird darin als Anodenrecyqlegas 25 bzw. als rückgeführtes Anodenabgas 25 im Anodengaskreislauf 20 rückgeführt und mit frischem Brennstoff 27, der aus einer Brennstoffzuleitung 26, die in den Anodengaskreislauf 20 einmündet, vermischt.

Das Gemisch aus rückgeführtem Anodenabgas 25 und frischem Brennstoff 27, das Anodenzugas 29, wird nun in einer Anodengaszuleitung 28 mit einer Gasfördereinrichtung 50, die hier als Anodengasgebläse 50 ausgeführt ist, einer stromaufwärts des Anodengasgebläses 50 nachfolgenden Reformierungseinheit 60 mit einem Reformer 61 zugeführt. Weiters mündet in die Anodengaszuleitung 28 eine Wasserdampfleitung, die von einem Verdampfer 90 gespeist: ist und mit der Wasserdampf 91 eingedüst werden kann. Das Anodenzugas 29 verlässt nach dem Reformierungsschritt im Reformer 61 diesen als reformiertes Anodenzugas 30 und gelangt in einer Anodenzugasleitung 31 in den Anodengaswärmeübertrager 70, wird in diesem aufgeheizt und als heißes Anodenzugas 32 dem Anodenraum 14 zugeführt. Ein Teil des heißen Anodenabgases 23 wird nicht rückgeführt, sondern in einer Abgasleitung 33 aus dem Anodengaskreislauf 20 ausgeschleust und verlässt diesen als Abgas 34.

In der Rezirkulationsleitung 24 ist hier ein Druckmessgerät 40, beispielsweise ein Venturirohr 40, eingebaut, um mittels Differenzdruckmessung den Durchfluss im Anodengaskreislauf 20 zu messen. Dieses Druekmessgerät 40 ist optional und kann auch weggelassen werden. Als Brennstoff 27 wird hier Erdgas (englisch: Natural Gas, NG) in den Anodengaskreislauf 20 eingespeist. Mit dem stromaufwärts des Reformers 61 angeordneten Anodengasgebläse 50 wird die Anodengas-Rezirkulation aufrechtgehalten. Der Anodengaswärmeübertrager 70 ist zwischen Reformer 61 und Anodenraum 14 angeordnet. Wie in Fig. 2 ersichtlich bildet der Pfad des zu erwärmenden Anodenzugases 30,32, das dem Anodenraum 14 zugeführt wird, bildet dabei eine kalte Wärmeübertragerseite 71, die von dem heißen Anodenabgas 22, 23, dass in der Anodenabgasleitung 21 aus dem Anodenraum 14 kommend strömt und eine heiße Wärmeübertragereeite 72 des Anodengaswärmeübertragers 70 bildet, erwärmt wird.

In der in Fig. 1 dargestellten Variante wird der Reformer 61 durch heißes Brennerabgas 86 beheizt, das als Abgas aus einem katalytischen Nachbrenner 80 bzw. aus einem Brenner 85 stammt. Weiters sind in Fig. 1 eine Zuluftleitung 35 zum Zuführen von Zuluft 36 mittels eines Luftgebläses 37 samt Luftvorwärmer 38 sowie entsprechende Ventile 45, beispielsweise Drosselventile 45, in den Leitungen bezeichnet. Die Gasfördereinrichtung 5:0 bzw. das Anodengasgebläse 50 ist mit einer Kühleinrichtung 51 versehen die zur Kühlung von Lager und Motor der Gasfördereinrichtung 50 dient. Aufgrund der für den Betrieb des Anodengasgebläses 50 notwendigen Kühlung 51 ergibt sich allerdings eine signifikante Abkühlung des Anodenrezifkulationsgases zwischen Ein- und Austritt des Anodengasgebläses 50. Diese Abkühlung in der Anodengaszuleitung 28 auf eine Temperatur hier von rund 400°G bewirkt allerdings eine Untersehreitung der im stromaufwärts des Anodengasgebläses 50 nachfolgenden Reformer 61 zumindest benötigten Gleichgewichtstemperatur von etwa 470°C zum Starten der Refömierungsreaktion.

Aus diesem Grund, bzw, um die eingangsseitig am Reformer 61 benötigte Temperatur der Reformierungsreaktiön von zumindest 500°C zu substituieren, muss der Reformer 61 zusätzlich mit Brennerabgas 86 beheizt werden, das danach als abgekühltes Brennerabgas 87 das System 1 verlässt. Ein weiterer Nachteil der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Verfahrensvariante ergibt sich - neben der erforderlichen Anodengaskühlung für den Betrieb des Anodengasgebläses 50 und der anschließenden zusätzlichen Beheizung des Reformers 61 - durch zusätzliche Wärmeverluste 100 in der vergleichsweise langen Rezirkulationsleitung 24 zwischen Anodengaswärmeübertrager 70 und Anodengasgebläse 50.

Fig. 3 veranschaulicht den Anodengaskreislauf 20 eines Brennstoffzellensystems 1 gemäß einer ersten Variante der Erfindung, wobei die Reformierungseinheit 60 einen

Reformer 61 umfasst, der im AnodengaskreisJauf 20 in der Rezirkulationsleitung 24 stromabwärts nach einem Anodengaswärmeübertrager 70 sowie stromaufwärts vor einer Gasfördereinrichtung 50 angeordnet ist. Der zu reformierende Brennstoff 26 wird dem heißen Anodenabgas 22 in der Anodenabgasleitung 21 vor dem Anodengaswärmeübertrager 70 zugeführt. Die Brennstoffzufuhr ist durch einen Pfeil 27 symbolisiert. Die Anodengastemperatur 200 in einem heißen Kreislaufabschnitt 210 des Anodengaskreislaufs 20, in welchem die Reförmierungseinheit 60 angeordnet ist, beträgt hier beispielsweise 560°G,

Die Anodengastemperatur 200 in einem kühlen Kreislaufabschnitt 220 des Anodengaskreislaufs 20, der dem heißen KreisJaufabschnitt 210 in stromabwärtiger Richtung nachgeordnet und in welchem die Gasfördereinrichtung 50 angeordnet ist, beträgt hier höchstens 470°C. Die Anodengastemperatur 200 nach dem Anodengasgebläse 50 beträgt hier 270°C und wird in der Anodengaszuleitung 31 weiter abgekühlt, weshalb das Anodenzugas 30 vor dem Anodengaswärmeübertrager 70 an der kalten Wärmeübertragerseite 71 eine Anodengastemperatur 200 von rund 250°C aufweist. Das Anodenzugas 32 wird beim Passieren der vergleichsweise kalten Wärmeübertragerseite 71 erhitzt und weist nach dem Anodengaswärmeübertrager 70 eine Anodengastemperatur 200 von 700°C auf, mit welcher das aufgeheizte Anodenzugas 32 in den Anodenraum 14 gelangt. Bei Austritt des Anodengases aus dem Anodenraum der Hochtemperaturbrennstoffzelle 10 beträgt die

Anodengastemperatur 200 in der Anodenabgasleitung 21 hier etwa 820°G. Das Anodenzugas 29, welches hier mit einer Anodengastemperatur 200 von rund 800°C in den Anodengaswärmeübertrager 70 gelangt, bildet somit dessen heiße Wärmeübertragerseite 72,

Nach Passieren der vergleichsweise heißen Wärmeübertragerseite 72 des Anodengaswärmeübertragers 70 beträgt die Anodengastemperatur 200 des Anodenzugases 29 vor dem Reformer 60 hier etwa 560°C, Wie hier in Fig. 3 veranschaulicht ist bei dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung eines

Brennstoffzellensystems 1 keine zusätzliche Beheizung der Reformierungseinheit 60 erforderlich.

Fig. 4 zeigt den Anodengaskreislauf 20 eines Brennstoffzellensystems 1 gemäß einer zweiten Variante der Erfindung, wobei die Reformierungseinheit 60 einen Reformer 61 umfasst, der hier im Anodengaskreislauf 20 in der Rezirkulationsleitung 24 stromabwärts nach einem Anodengaswärmeübertrager 70 sowie stromaufwärts vor einer Gasfördereinrichtung 50 angeordnet ist. Der Reformer 61 ist also im Anodengaskreislauf 20 zwischen dem vorgelagerten Anodengaswärmeübertrager 70 und der nachgeordneten Gasfördereinrichtung 50 angeordnet. Abweichend zu der in Fig. 3 gezeigten Variante wird hier in Fig. 4 der zu reformierende Brennstoff 26 dem rückgeführten Anodenabgas 29 in der Rezirkulationsleitung 24 direkt vor dem Reformer 61 zugeführt. Die Brennstoffzufuhr ist durch einen Pfeil 27 symbolisiert.

Fig. 5 veranschaulicht den Anodengaskreisiauf 20 eines Brennstoffzellensystems 1 gemäß einer dritten Variante der Erfindung, wobei die Reformierungseinheit 60 hier einen katalytischen Reformerwärmeübertrager 62 umfasst, in dem der Brennstoff reformiert wird, wobei der Reformerwärmeübertrager 62 mit dem Anodengaswärmeübertrager 70 kombiniert oder in diesen integriert ist. Entsprechend den vorigen Abbildungen Fig. 3 bzw. Fig. 4 ist es auch bei der in Fig. 5 gezeigten Variante möglich, die Brennstoffzufuhr 27 mit zu reformierendem Brennstoff 26 wahlweise in der Anodenabgasleitung 21 vor dem Anodengaswärmeübertrager 70 vorzusehen, wobei der Brennstoff 26 dabei dem heißen Anodenabgas 22 zugeführt wird. Oder es wird die Brennstoffzufuhr 27 so angeordnet, dass der Brennstoff 26 erst kurz vor der Gasfördereinrichtung 50 in die Anodenzugasieitung 31 gemischt wird. Diese alternative Variante der Brennstoffzufuhr 27 ist in Fig. 5 strichliert eingezeichnet. Ebenso ist es im Rahmen der Erfindung möglich, die Brennstoffzufuhr 27 an mehreren Stellen des BrennstofFzellensystems 1 zu realisieren.

Besonders vorteilhaft ist hier an der in Fig. 5 gezeigten Variante* dass im katalytischen Reformerwärmeübertrager 62 die Reformierungseinheit 60 und der Anodengaswärmeübertrager 70 zu einem gemeinsamen Bauteil kombiniert sind. Der Reformerwärmeübertrager 62 ist im heißen Kreislaufabschnitt 210 des Anpdengaskreislaufs angeordnet. Die Anodengastemperatur 200 im heißen Kreislaufabschnitt 210 des Anodengaskreislaufs 20, in welchem der Reformerwärmeübertrager 62 angeordnet ist. beträgt hier beispielsweise 800°C. Die Anodengastemperatur 200 in einem kühlen Kreislaufabschnitt 220 des Anodengaskreislaufs 20, der dem heißen Kreislaufabschnitt 210 in stromabwärtiger

Richtung nachgeordnet und in welchem die Gasfördereinrichtung 50 angeordnet ist, beträgt hier höchstens 450°C,

Die Anodengastemperatur 200 nach dem Anodengasgebläse 50 beträgt hier 270*0 und wird in der Anodengaszuleitung 31 weiter abgekühlt, weshalb das Anodenzugas 30 vor dem Anodengaswärmeübertrager 70 an der kalten Wärmeübertragerseite 71 eine Anodengastemperatur 200 von rund 250°C aufweist. Das Anodenzugas 32 wird beim Passieren der vergleichsweise kalten Wärmeübertragerseite 71 erhitzt und weist nach dem Anodengaswärmeübertrager 70 eine Anodengastemperatur 200 von 700°C auf, mit welcher das aufgeheizte Anodenzugas 32 in den Anodenraum 14 gelangt. Bei Austritt des Anodengases aus dem Anodenraum der Hochtemperaturbrennstoffzelle 10 beträgt die Anodengastemperatur 200 in der Anodenabgasleitung 21 hier etwa 820°C. Das Anodenzugas 29, welches hier mit einer Anodengastemperatur 200 von rund 800°C in den Anodengaswärmeübertrager 70 gelangt, bildet somit dessen heiße Wärmeübertragerseite 72.

Nach Passieren der vergleichsweise heißen Wärmeübertragerseite 72 des Reformerwärmeübertragers 62 beträgt die Anodengastemperatur 200 des Anodenzugases 29 nach dem Reformer 60 hier etwa 470°C. Wie in Fig. 5 veranschaulicht ist bei dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung eines Brennstoffzellensystems 1 ebenfalls keine zusätzliche Beheizung der Reformierungseinheit 60 erforderlich.

Fig. 6 zeigt den Anodengaskreislauf 20 eines Brennstoffzeliensystems 1 gemäß einer vierten Variante der Erfindung, wobei die Reformierungseinheit 60 eine katalytische Reformeranode 63 umfasst, die im Anodenraum 14 der Hochtemperaturbrennstoffzelle 10 angeordnet ist. Der Brennstoff 27 wird dabei dem Anodengaskreislauf 20 bzw. der Rezirkulationsleitung 24 vor dem Anodengasgebläse 50 zugeführt. Das Anodengasgebläse 50 befindet sich dabei in einem kühlen KreislaufabsGhnitt 220 des Anodengaskreislaufs 2Q.

Die Temperatur 200 des Anodenzugases 29 vor dem Anodengasgebläse 50 beträgt etwa 340°C und sinkt nach dem Anodengasgebläse 50 auf eine Temperatur 200 von etwa 300°G ab. Das Anodenzugas 30 tritt somit an der kalten Wärmeübertragerseite 71 in den Anodengaswärmeübertrager 70 mit rund 300°G ein. Das Anodenzugas 32 wird beim Passieren der vergleichsweise kalten Wärmeübertragerseite 71 erhitzt und weist nach dem Anodengaswärmeübertrager 70 eine Anodengastemperatur 200 beispielsweise von etwa 780°C auf, mit welcher das aufgeheizte Anodenzugas 32 in den Anodenraum 14 gelangt. Die Reformierung erfolgt dabei an der katalytischen Reformeranode 63. Bei Austritt des reformierten Anodengases aus dem Anodenraum 14 der HochtemperaturbrennstoffzeIle 10 beträgt die Anodengastemperatur 200 in der Anodenabgasleitung 21 hier beispielsweise etwa 820°C.

Der Anodenraum 14 samt der darin angeordneten katalytischen Reformeranode 63 befindet sich im heißen Kreislaufabschnitt 210 des Anodengaskreislaufs 20. Das heiße Anodenabgas 22, welches hier mit einer Anodengastemperatur 200 von rund 800°C in den Anodengaswärmeübertrager 70 gelangt, bildet somit dessen heiße Wärmeübertragerseite 72. Nach Passieren der vergleichsweise heißen Wärmeübertragerseite 72 des Anodengaswärmeübertragers 70 beträgt die Anodengastemperatur 200 des Anodenabgases 23 bzw. des Anodenrecyclegases 25 hier etwa 36GeG. Wie in Fig, 6 veranschaulicht ist bei dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung eines Brennstoffzellensystems 1 ebenfalls keine zusätzliche Beheizung der Reformierungseinheit 60 erforderlich.

Fig. 7 zeigt den in Fig. 3 dargestellten Anodengaskreislauf 20 eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 während des Anfahrens des Brennstoffzellensystems 1. In bestimmten Betriebsphasen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 kann es notwendig sein, extern Wasserdampf in das System 1 zuzuführen, da durch die Anodengasrezirkulation beispielsweise im Start-up-, Standby- oder Teillast-Betrieb kein oder nicht genügend Wasserdampf zurückgeführt wird.

Um dies zu verhindern, musste bisher Wasserdampf in einem

Verdampferwärmetauscher erzeugt und gegebenenfalls dem System zugeführt werden, wodurch sich allerdings zusätzliche Investitions- und Betriebskosten sowie unerwünschte Druckverluste aufgrund der erforderlichen Vielzahl an

Konditioniervorrichtungen ergeben.

In Fig. 7 ist daher eine alternative Ausführung dargestellt, wobei hier eine Wassereinspritzung 110 vorgesehen ist, mit der Wasser 111, vorzugsweise unter

Druck, durch eine Einspritzdüse in den Anodengasstrom eingespritzt und dabei direkt verdampft wird. Das Wasser 111 wird hier mit einer Temperatur 200 von rund 95°G ih die Anodenzugasleitung 32 nach dem Anodengaswärmeübertrager 70 eingedüst, wobei das Anodenzugas 32 etwa eine Anodengastemperatur 200 von 140°C hat und durch das eingedüste Wasser 111 auf etwa 100°C abgekühlt wird, bevor das Anodenzugas 32 in den Anodenraum 14 gelangt. Im Gegensatz zum bisher bekannten Stand der Technik, bei dem Wässerdampf dem System zugeführt wird, ist das Einsprühen bzw Eindüsen von Wasser apparatetechnisch wesentlich einfacher und kostengünstiger zu bewerkstelligen.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems (1) mit einem Brennstoff (27), welches Brennstoffzellensystem (1) zumindest eine Hoohtemperaturbrennstoffzelle (10) mit zumindest einer in einem Kathodenraum (12) angeordneten Kathode (11), mit zumindest einer in einem Anpdenraum (14) angeordneten Anode (13) sowie mit einem zwischen Kathodenraum (12) und Anodenraum (14) vorhandenen Elektrolyten (15) umfasst, wobei in einem Anodengaskreislauf (20) aus dem Anodenraum (14) der wenigstens einen Hochtemperaturbrennstoffzelie (10) rückgeführtes Anodenabgas (25) mit Brennstoff (27) gemischt und als Anodenzugas (30) mit zumindest einer Gasfördereinrichtung (50) einem Anodengaswärmeübertrager (70) zugeführt wird, in welchem das Anodenzugas (31) thermostatisiert wird, wobei weiters in zumindest einer Reformierungseinheit (60, 61) im Anodengaskreislauf (20) der Brennstoff (27) reformiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Reformierungseinheit (60, 61.·, 62, 63) in einem heißen Kreislaufabschnitt (210) des Anodengaskreislaufs (20) angeordnet ist, in welchem heißen Kreislaufabschnitt (210) im Brennstoffzellenbetrieb eine Anodengastemperatur (200) oberhalb der in der Reformierungseinheit (60, 61, 62, 63) erforderlichen Gleichgewichtstemperatur erreicht wird, sowie die zumindest eine Gasfördereinrichtung (50) in einem kühlen Kreislaufabschnitt (220) des Anodengaskreislaufs (20) angeordnet ist, in welchem kühlen Kreislaufabschnitt (220) im Brennstoffzellenbetrieb eine Anodengastemperatur (200) unterhalb der im heißen Kreislaufabschnitt (210) herrschenden Anodengastemperatur (200) erreicht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der zumindest einen Reformierungseinheit (60, 61, 62, 63) durch eine endotherme Dampfreformierung aus einem kohlenstoffhaltigen Gemisch enthaltend den Brennstoff (27) sowie das rückgeführte Anodenabgas (25) ein Reformatgas als Mischung von Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff hergestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodengastemperatur (200) im heißen Kreislaufabschnitt (210) des Anodengaskreislaufs (20), in welchem die zumindest eine Reformierungseinheit (60, 61, 62, 63) angeordnet ist, zumindest 5Q0°C, bevorzugt zumindest 550°C, besonders bevorzugt zumindest 600°C, beträgt
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodengastemperatur (200) im kühlen Kreislaufabschnitt (220) des Anodengaskreislaufs (20), in welchem die zumindest eine Gasförderejnrichtung (50) angeordnet ist, höchstens 470°C, bevorzugt höchstens 450°C, besonders bevorzugt höchstens 400°C, beträgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Reformierungseinheit (60) einen Reformer (61) umfasst, der im Anodengaskreislauf (20) in der Rezirkulationsleitung (24) stromabwärts nach dem Anodengaswärmeübertrager (70) sowie stromaufwärts vor der Gasfördereinrichtung (50) angeordnet ist, wobei der zu reformierende Brennstoff (27) dem heißen Anodenabgas (22) in der Anodengasableitung (21) vor dem Anodengaswärmeübertrager (70) und/oder dem Anodenrecyclegas (26) in der Rezirkulationsleitung (24) vor dem Reformer (61) zugeführt wird bzw. werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Reformierungseinheit (60) einen katalytischen Reförmerwärmeübertrager (62) umfasst, in dem der Brennstoff (27) reformiert wird, wobei der Reformerwärmeübertrager (62) mit dem Anodengaswärmeübertrager (70) kombiniert und in der Anodenzugasleitung (31) vor dem Anodenraum (14) angeordnet ist, wobei die kalte Wärmeübertragerseite (71) und/oder die heiße Wärmeübertragerseite (72) mit dem Reförmerwärmeübertrager (62) gekoppelt ist bzw. sind und der zu reformierende Brennstoff (27) dem heißen Anodenabgas (22) in der Anodengasableitung (21) auf der beißen Wärmeübertragerseite (72) vor dem Anodengaswärmeübertrager (70) und/oder dem Anodenrecyclegas (25) in der Rezirkulationsleitung (24) auf der kalten Wärmeübertragerseite (71) vor dem Anodengaswärmeübertrager (70) zugeführt wird bzw. werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der katalytische Reformerwärmeübertrager (62) im Anodengaswärmeübertrager (70) integriert ist, wobei die kalte Wärmeübertragerseite (71) und/oder die heiße Wärmeübertragerseite (72) den Brennstoff (27) katalytisch reformierend ausgebildet ist bzw. sind.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Reformierungseinheit (60) zumindest eine katalytische Reformeranode (63) umfasst, die im Anodenraum (14) der Hochtemperaturbrennstöffzelle (10) angeordnet ist, wobei der Brennstoff (27) der Rezirkulationsleitung (24) des Anodengaskreislaufs (20) zugeführt und im Anodenraum (14) reformiert wird,
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (13) der Hochtemperaturbrennstoffzelle (10) als katalytische Reformeranode (63) ausgebildet ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Reformierungseinheiten (60, 61,62,63) gleicher oder unterschiedlicher Bauart jeweils in heißen Kreislaufabschnitten (210) des Anodengaskreislaufs (20) angeordnet sind.
11. Vorrichtung zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems (1) mit einem Brennstoff (27), welches Brennstoffzellensystem (1) zumindest eine Hochtemperaturbrennstoffzelle (10) mit zumindest einer in einem Kathodenraum (12) angeordneten Kathode (11), mit zumindest einer in einem Anodenraum (14) angeordneten Anode (13) sowie mit einem zwischen Kathoden raum (12) und Anodenraum (14) vorhandenen Elektrolyten (15) umfasst, wobei in einem Anodengaskreislauf (20) zur Rückführung von Anodenabgas (25) aus dem Anodenraum (14) eine Brennstoffzuleitung (26) zur Beimischung von Brennstoff (27) zum Anodengas (25) mündet, wobei zumindest eine Gasfördereinrichtung (50) zum Fördern des Gemische als Anodenzugas (30) in einen Anodengaswärmeübertrager (70), welcher in den Anodengaskreislauf (20) verschalten ist, vorgesehen ist, welches Brennstöffzellensystem (1) weiterhin zumindest eine Reformierungseinheit (60, 61) zum Reformieren des Brennstoffs (27) im Anodengaskreislauf umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Reformierungseinheit (60, 61, 62, 63) in einem heißen Kreislaufabschnitt (210) des Anodengaskreislaufs (20) angeordnet ist, in welchem heißen Kreislaufabschnitt (210) im Betrieb des Brennstoffzellensystems (1) eine Anodengastemperatur (200) oberhalb der in der Reformierungseinheit (60,61, 62, 63) erforderlichen Gleichgewichtstemperatur eingestellt ist sowie die zumindest eine Gasfördereinrichtung (50) in einem kühlen Kreislaufabschnitt (220) des Anodengaskreislaufs (20) angeordnet ist, in welchem kühlen Kreislaufabschnitt (220) im Betrieb des Brennstoffzellensystems (1) eine Anodengastemperatur (200) unterhalb der im heißen Kreislaufabschnitt (210) herrschenden Anodengastemperatur (200) eingestellt ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Reformierungseinheit (60, 61, 62, 63) für eine endotherme Dampfreformierung ausgelegt ist, wobei die Anodengastemperatur (200) im heißen Kreislaufabschnitt (210) des Anodengaskreislaufs (20), in welchem die zumindest eine Reformierungseinheit (60, 61, 62, 63) angeordnet ist, zumindest 500°C, bevorzugt zumindest 550°C, besonders bevorzugt zumindest 600°C, beträgt,
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Reformierungseinheit (60) einen Reformer (61) umfasst, der im Anodengaskreislauf (20) in der Rezirkulationsleitung (24) stromabwärts nach dem Anodengaswärmeübertrager (70) sowie stromaufwärts vor der Gasfördereinrichtung (50) angeordnet ist, wobei die Brennstoffzuleitung (26) in die Anodengasableitung (21) vor dem Anodengaswärmeübertrager (70) und/oder in die Rezirkulationsleitung (24) vor dem Reformer (61) mündet
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Reformierungseinheit (60) einen katalytischen Reformerwärmeübertrager (62) umfasst, wobei der Reformerwärmeübertrager (62) mit dem Anpdengaswärmeübertrager (70) kombiniert oder in diesen integriert ist und in der Anodenzugasleitung (31) vor dem Anodenraum (14) angeordnet ist, wobei die kalte Wärmeübertragerseite (71) und/oder die heiße Wärmeübertragerseite (72) katalytisch reformierend ausgebildet oder mit dem Reformerwärmeübertrager (62) gekoppelt ist bzw. sind und die Brennstoffzuleitung (26) in die Anodengasableitung (21) vor dem Anodengaswärmeübertrager (70) und/oder in die Rezirkulationsteitung (24) vor dem Reformerwärmeübertrager (62) mündet.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Reformierungseinheit (60) zumindest eine katalytische Reformeranode (63) umfasst, die im Anodenraum (14) der Hochtemperaturbrennstoffzelle (10) angeordnet ist, wobei vorzugsweise die Anode (13) der Hoehtemperaturbrennstoffzelle (10) als katalytische Reformeranode (63) ausgebildet ist, wobei die Brennstoffzuleitung (26) in die Rezirkulationsieitung (24) des Anodengaskreislaufs (20) mündet.