AT521902A1 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Rezirkulation von Brennstoffabgas in einem Brennstoffzellensystem - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (100), aufweisend zumindest einen Brennstoffzellenstapel (1) mit wenigstens einem Kathodenabschnitt (K) und wenigstens einem Anodenabschnitt (A), einen Luftzuführabschnitt (3) zum Zuführen von Luft (2) zum Kathodenabschnitt (K), einen Abluftabschnitt (4) zum Abführen von Abluft (5) von dem Kathodenabschnitt (K), sowie einen Brennstoffzuführabschnitt (7) zum Zuführen von einem gasförmigen Brennstoff (6) zum Anodenabschnitt (A), einen Brennstoffabgasabführabschnitt (9) zum Abführen von einem Brennstoffabgas (8) von dem Anodenabschnitt (A), sowie einer Reformereinheit (11) stromaufwärts des Brennstoffzuführabschnitts (7) zur Erzeugung des gasförmigen Brennstoffs (6), welche stromaufwärts einen Reformerzuführabschnitt (12) aufweist, wobei ein Rezirkulationsabschnitt (14) den Brennstoffabgasabführabschnitt (9) und den Reformerzuführabschnitt (12) fluidkommunizierend zur Rezirkulation von Brennstoffabgas (8) verbindet, wobei weiter der Rezirkulationsabschnitt (14) eine heiße Seite eines ersten Wärmetauschers (21) aufweist, dessen kalte Seite im Reformerzuführabschnitt (12) angeordnet ist, und wobei im Reformerzuführabschnitt (12) zwischen der kalten Seite des ersten Wärmetauschers (21) und der Reformereinheit (11) eine Strahlpumpe (16) angeordnet ist, in welche der Rezirkulationsabschnitt (14) mündet zur Vermischung von Brennstoffabgas (8) als Sekundärstrom (20) mit Brennstoff (6) aus der heißen Seite eines ersten Wärmetauschers (21) als Primärstrom (18). Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Rezirkulation von Brennstoffabgas (8) in einem Brennstoffzellensystem (100).
Description
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Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Rezirkulation von Brennstoffabgas
in einem Brennstoffzellensystem
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem Rezirkulationsabschnitt zur Rezirkulation von Brennstoffabgas und einer Strahlpumpe und ein Verfahren zur Rezirkulation von Brennstoffabgas in einem Brennstoffzellensystem.
Im Stand der Technik sind Brennstoffzellensysteme bekannt, in denen ein vorgewärmtes Fluid, insbesondere ein Abgas, rezirkuliert wird, um einen Abschnitt, ein Fluid oder ein Bauteil stromaufwärts zu temperieren oder das Gasgemisch anderweitig zu beeinflussen. Bei einer Heißgasrezirkulation eines Brennstoffzellensystems wird der Anteil an Wasserdampf zur Dampfreformierung beeinflusst. Entsprechend der im Reformer gewünschten Reformierungstemperatur sind verschiedene Wasserdampf-Kohlenstoff-Verhältnisse notwendig, welche über die Rezirkulierung eingestellt werden können. Neben dem Erreichen der angestrebten Reformierungstemperatur, gilt es, eine Ablagerung von Kohlenstoff zu vermeiden. Zum einen ist dafür im Stand der Technik bekannt, dass mittels Rezirkulationsgebläsen die Fluide einer Brennstoffzelle rezirkuliert werden. Zum anderen zeigt die DE 602 15 834 T2 eine Vorrichtung zur Rezirkulation von kaltem Brenngas einer Brennstoffzelle mit einem Ejektor. Nachteilig bei den bekannten Lösungen ist, dass ein Rezirkulationsgebläse einen begrenzten Temperatureinsatzbereich aufweist, da die Bauelemente eines Rezirkulationsgebläses, insbesondere die Lager und die Schmierung, temperatursensibel sind. Die Verwendung eines Ejektors geht im Stand der Technik zumeist mit der Rezirkulation von einem kalten Fluid einher. Es ist ebenfalls grundsätzlich aus der EP 2 176 910 B1 ein Verfahren bekannt, in welchem Wärmetauscher zur Erwärmung von Brenngasen einer Brennstoffzelle genutzt
werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, der voranstehend beschriebenen Problematik zumindest teilweise Rechnung zu tragen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem mit einem Rezirkulationsabschnitt zur Rezirkulation von Brennstoffabgas und einer Strahlpumpe und ein Verfahren zur Rezirkulation von Brennstoffabgas in einem
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Brennstoffzellensystem zu schaffen, welches eine größere Toleranz gegenüber
hohen Temperaturen sowie einen hohen Gesamtwirkungsgrad aufweist.
Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch das Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1 sowie das Verfahren gemäß Anspruch 13 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Rezirkulation von Abgas in einem Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug
genommen wird bzw. werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem mit einem Rezirkulationsabschnitt zur Rezirkulation von Brennstoffabgas und einer Strahlpumpe zur Verfügung gestellt. Das Brennstoffzellensystem weist zumindest einen Brennstoffzellenstapel mit wenigstens einem Kathodenabschnitt und wenigstens einem Anodenabschnitt auf. Weiter weist das Brennstoffzellensystem einen Luftzuführabschnitt zum Zuführen von Luft zum Kathodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels, einen Abluftabschnitt zum Abführen von Abluft von dem Kathodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels, sowie einen Brennstoffzuführabschnitt zum Zuführen von einem gasförmigen Brennstoff zum Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels auf. Weiter umfasst das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffabgasabführabschnitt zum Abführen von einem Brennstoffabgas von dem Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels, sowie einer Reformereinheit stromaufwärts des Brennstoffzuführabschnitts zur Erzeugung des gasförmigen Brennstoffs, welche stromaufwärts einen Reformerzuführabschnitt aufweist, wobei ein Rezirkulationsabschnitt den Brennstoffabgasabführabschnitt und den Reformerzuführabschnitt fluidkommunizierend zur Rezirkulation von Brennstoffabgas verbindet, wobei weiter der Rezirkulationsabschnitt eine heiße Seite eines ersten Wärmetauschers aufweist, dessen kalte Seite im Reformerzuführabschnitt angeordnet ist, und wobei im Reformerzuführabschnitt zwischen der kalten Seite des ersten Wärmetauschers und der Reformereinheit eine Strahlpumpe angeordnet ist, in welche der Rezirkulationsabschnitt mündet zur
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Vermischung von Brennstoffabgas als Sekundärstrom mit Brennstoff aus der heißen
Seite eines ersten Wärmetauschers als Primärstrom.
Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem weist folglich einen Rezirkulationsabschnitt zur Rezirkulation von Brennstoffabgas, einen ersten Wärmetauscher, eine Strahlpumpe und eine Reformereinheit auf. Eine Strahlpumpe weist wenigstens zwei Eingänge und wenigstens einen Ausgang für die Anbindung an fluidkommunizierende Leitungen bzw. weitere Bauelemente auf. Die Funktionsweise einer Strahlpumpe sieht vor, dass ein Primärstrom von einem ersten Eingang der Strahlpumpe zu dem Ausgang der Strahlpumpe strömt. Ein Sekundärstrom wird durch einen zweiten Eingang der Strahlpumpe dem Primärstrom zugeführt. Der Primärstrom erfährt in der Strahlpumpe einen Druckabfall und eine Beschleunigung. Durch die Sogwirkung des Primärstroms wird der Sekundärstrom ebenfalls beschleunigt, die Ströme vermengen sich und treten vermengt aus dem Ausgang der Strahlpumpe aus. Durch die Sogwirkung innerhalb der Strahlpumpe ist keine weitere Fördereinrichtung in dem Sekundärstrom notwendig. Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem wird mittels einer Strahlpumpe das rezirkulierte Brennstoffabgas als Sekundärstrom mit dem Brennstoff als Primärstrom vermengt und der Reformereinheit über den Reformerzuführabschnitt zugeleitet. Der Rezirkulationsabschnitt muss neben der Strahlpumpe keine weitere Fördereinrichtung zur Rezirkulation des Brennstoffabgases aufweisen. Der Rezirkulationsabschnitt kann jedoch, wie später noch beschrieben, weitere kontrollierende und/oder fördernde Bauteile und/der Bauteilgruppen umfassen. Der Ausgang der Strahlpumpe kann direkt oder mittels Leitungen mit dem Reformerzuführabschnitt der Reformereinheit des Brennstoffzellensystems verbunden sein. Eine Strahlpumpe ist durch einen deutlich größeren Temperatureinsatzbereich im Vergleich zu einem Rezirkulationsgebläse besonders vorteilhaft. Eine Strahlpumpe weist bevorzugt keinerlei bewegliche Bauteile auf, sodass kein Wartungsaufwand für die Strahlpumpe notwendig ist. Der wenigstens eine erste Wärmetauscher ist stromaufwärts der Strahlpumpe angeordnet und ermöglicht eine prozesstechnische Trennung der Wärmeübertragung und der stofflichen Vermengung zwischen dem Sekundärstrom und dem Primärstrom. In dem wenigstens einen ersten Wärmetauscher wird zunächst Wärme von dem rezirkulierten Brennstoffabgas an den Brennstoff in dem Reformerzuführabschnitt übertragen. Anschließend findet in der Strahlpumpe eine stoffliche Vermengung des
rezirkulierten Brennstoffabgases und des Brennstoffs mit geringerer oder sogar keiner Differenztemperatur statt. Eine stoffliche Vermengung des rezirkulierten Brennstoffabgases und des Brennstoffs mit geringerer oder sogar keiner Differenztemperatur ermöglicht einen höheren Wirkungsgrad des 5 Brennstoffzellensystems. Der Brennstoff ist vorzugsweise bei dem Eintritt in die
Reformereinheit des Brennstoffzellensystems gasförmig oder im Wesentlichen gasförmig. In der Reformereinheit wird der Brennstoff unter Mithilfe eines Katalysators in ein wasserstoffhaltiges Gas umgewandelt. Aus Gründen der Prozesssicherheit und Langzeitstabilität kommt das Verfahren der
10 Dampfreformierung zum Einsatz. Eine Reformereinheit basiert auf mikrostrukturierten Komponenten in Plattenreaktor-Bauweise und gewährleistet einen einfachen, modularen Aufbau, kurze Startzeiten, hohe Prozessstabilität und exakte Regelbarkeit. Ein derart ausgestaltetes Brennstoffzellensystem ermöglicht vorteilhaft eine Rezirkulation von Brennstoffabgas mittels einem
15 Rezirkulationsabschnitt, wenigstens einem ersten Wärmetauscher und einer Strahlpumpe. Somit kann eine vorteilhafte größere Toleranz gegenüber hohen Temperaturen des rezirkulierten Brennstoffabgases sowie ein hoher Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems ermöglicht werden.
Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei
20 einem Brennstoffzellensystem wenigstens ein zweiter Wärmetauscher zur Erwärmung des Brennstoffs stromaufwärts des ersten Wärmetauschers angeordnet ist, wobei eine kalte Seite des zweiten Wärmetauschers im Reformerzuführabschnitt angeordnet ist und eine heiße Seite des zweiten Wärmetauscher über einen Fluidabführabschnitt mit wenigstens einem der folgenden Abschnitte
25 fluidkommunizierend verbunden ist: - Brennstoffabgasabführabschnitt zur Abführung von Brennstoffabgas, - Luftzuführabschnitt zur Abführung von Luft, - Abluftabschnitt zur Abführung von Abluft, - Brennstoffzuführabschnitt zur Abführung von Brennstoff.
30 Ein zweiter Wärmetauscher stromaufwärts des ersten Wärmetauschers ermöglicht
eine zusätzliche Erwärmung des Brennstoffs in dem Reformerzuführabschnitt und
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folglich eine Erhöhung des Wirkungsgrads des Brennstoffzellensystems. Der Brennstoff wird durch die kalte Seite des wenigstens einen zweiten Wärmetauschers geleitet und erfährt eine Wärmeübertragung von der heißen Seite des zweiten Wärmetauschers. Die heiße Seite des wenigstens einen zweiten Wärmetauschers bezieht die Wärme von einem der zuvor genannten Abschnitte. So kann die heiße Seite des wenigstens einen zweiten Wärmetauschers mit dem Brennstoffabgasabführabschnitt zur Abführung von Brennstoffabgas verbunden sein. Zusätzlich oder alternativ kann die heiße Seite des wenigstens einen zweiten Wärmetauschers mit dem Luftzuführabschnitt zur Abführung von Luft verbunden sein. Zusätzlich oder alternativ kann die heiße Seite des wenigstens einen zweiten Wärmetauschers mit dem Abluftabschnitt zur Abführung von Abluft verbunden sein. Zusätzlich oder alternativ kann die heiße Seite des wenigstens einen zweiten Wärmetauschers mit dem Brennstoffzuführabschnitt zur Abführung von Brennstoff verbunden sein. Der Fluidabführabschnitt kann zumindest abschnittsweise dem Rezirkulationsabschnitt entsprechen oder vollständig von dem Rezirkulationsabschnitt separiert sein. Durch einen derart angeordneten Wärmetauscher kann der Brennstoff auf eine optimale Temperatur für das Brennstoffzellensystem erwärmt und die Effizienz des Brennstoffzellensystems vorteilhaft erhöht werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es möglich, dass der Fluidabführabschnitt wenigstens einen Oxidationskatalysator stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers aufweist und insbesondere der Oxidationskatalysator, insbesondere direkt, mit dem Brennstoffzuführabschnitt zur Abführung von Brennstoff verbunden ist. Eine Abführung von Brennstoff ist dabei als eine Nutzung durch den Oxidationskatalysator und/oder weitere Vorrichtungen des Brennstoffzellensystems zu verstehen. Ein Oxidationskatalysator in dem Fluidabführabschnitt ermöglicht eine vorteilhafte Nachverbrennung bzw. Verbrennung von sowohl Brennstoffabgasen, als auch alternativ oder zusätzlich Brennstoff, als auch alternativ oder zusätzlich Luft und/oder Abluft oder entsprechenden Gasgemischen aus den genannten Fluiden. Durch eine Nachverbrennung bzw. Verbrennung in einem Oxidationskatalysator wird eine schnellere Startphase des Brennstoffzellensystems ermöglicht und somit in kürzerer Zeit ein stabiler Betrieb des Brennstoffzellensystems erreicht. Eine direkte Verbindung des Oxidationskatalysators mit dem Brennstoffzuführabschnitt ist als
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eine Verbindung ohne brennstoff-nutzende Bauelemente oder Baugruppen zu verstehen. Insbesondere weist eine Verbindung zwischen dem Oxidationskatalysator und dem Brennstoffzuführabschnitt ein Ventil auf, um die Versorgung des Oxidationskatalysators mit Brennstoff in dem stabilen Betrieb des Brennstoffzellensystems zu unterbinden, um die Effizienz des Brennstoffzellensystems weiter zu steigern. Mit der beschriebenen Zuleitung von Fluiden des Brennstoffzellensystems kann die verkürzte Startphase bis zu dem stabilen Betrieb des Brennstoffzellensystems und darüber hinaus möglichst effizient
ermöglicht werden.
Bei einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es möglich, dass der Fluidabführabschnitt wenigstens einen dritten Wärmetauscher stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers aufweist, wobei eine kalte Seite des dritten Wärmetauschers mit dem Luftzuführabschnitt zur Erwärmung von Luft verbunden ist. Ein derart ausgestalteter dritter Wärmetauscher ermöglicht eine Erwärmung der zugeführten Luft des Brennstoffzellensystems und damit eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung. Eine vorgewärmte Luft kann zu einer gesteigerten Effizienz des Brennstoffzellenstapels führen. Wenn gemäß dem vorangegangenen Abschnitt das Brennstoffzellensystem einen Oxidationskatalysator umfasst, so ist der wenigstens eine dritte Wärmetauscher vorzugsweise
stromabwärts des Oxidationskatalysators angeordnet.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es möglich, dass der Fluidabführabschnitt mit der Reformereinheit wärmekommunizierend zur Zuführung von Wärme an die Reformereinheit verbunden ist. Eine Zuleitung von Wärme von dem Fluidabführabschnitt an einzelne Abschnitte, Bauelemente oder Leitungen der Reformereinheit oder an die gesamte Reformereinheit erhöht den Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems vorteilhaft. Vorzugsweise findet lediglich ein Wärmeaustausch und kein stofflicher Austausch der Fluide statt.
Zudem ist es bei einem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung möglich, dass der Fluidabführabschnitt einen Ausströmabschnitt zum Ausströmen von Fluiden des Fluidabführabschnitt, insbesondere zum Ausströmen von Fluiden des Brennstoffzellensystems, aufweist. Ein Ausströmabschnitt ist erfindungsgemäß als Auspuff des Brennstoffzellensystems zum finalen Ausströmen der Fluide zu
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verstehen. Nach dem ein Fluid seine beabsichtigte Funktion und Wirkung in dem Brennstoffzellensystem bewirkt hat, wird es über den Ausströmabschnitt in eine weitere Vorrichtung oder die Umgebung ausgeströmt. Die Fluide sind dabei gasförmig und/oder flüssig oder ein Gemisch aus den genannten Zuständen.
Von weiterem Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem wenigstens ein vierter Wärmetauscher stromabwärts der Reformereinheit angeordnet ist, wobei eine kalte Seite des vierten Wärmetauschers mit dem Brennstoffzuführabschnitt zur Erwärmung von Brennstoff und eine heiße Seite des vierten Wärmetauschers stromaufwärts des wenigstens einen ersten Wärmetauscher mit dem ersten Rezirkulationsabschnitt verbunden ist. Somit kann in dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der reformierte Brennstoff stromabwärts, nach dem Austritt aus der Reformiereinheit und stromaufwärts, vor dem Eintritt in den Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels durch einen Wärmetauscher erwärmt werden. Durch einen derart angeordneten Wärmetauscher kann der reformierte Brennstoff auf eine optimale Temperatur für den Brennstoffzellenstapel erwärmt werden und die Effizienz des
Brennstoffzellensystems vorteilhaft erhöht werden.
Bei einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es möglich, dass der Luftzuführabschnitt wenigstens eine erste Fördereinheit, insbesondere ein Luftzuführgebläse, zum Einstellen einer Menge der im Luftzuführabschnitt geförderten Luft aufweist. In dem Kathodenabschnitt eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems wird Luft verwendet. Zur Kontrolle der Menge an Luft im Luftzuführabschnitt bzw. an Abluft im Abluftabschnitt und zur Optimierung des Brennstoffzellensystems kann vorteilhaft ein Luftzufuhrgebläse vorgesehen sein. Eine erste Fördereinheit kann als Druckgebläse oder als Sauggebläse ausgeführt sein. Ein Sauggebläse kann zur Abkühlung des Fluids wenigstens einen fünften Wärmetauscher stromaufwärts des Sauggebläses erfordern, um die Abluft auf eine zulässige Betriebstemperatur für das Sauggebläse abzukühlen. Alternativ oder zusätzlich kann eine erste Fördereinheit ein Verdichter und/oder ein Gastank mit einer druckbehafteten Befüllung sein.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es möglich, dass wenigstens ein erstes Ventil an dem Brennstoffzuführabschnitt zum Einstellen einer Menge an Brennstoff angeordnet ist.
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Ein erstes Ventil kann die zugeführte Menge an Brennstoff zu dem Brennstoffzellensystem vorteilhaft kontrollieren. Bei einer beispielhaften direkten Verbindung des Oxidationskatalysators mit dem Brennstoffzuführabschnitt kann ein erstes Ventil die Versorgung des Oxidationskatalysators mit Brennstoff in dem stabilen Betrieb des Brennstoffzellensystems unterbinden, um die Effizienz des
Brennstoffzellensystems weiter zu steigern.
Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einem Brennstoffzellensystem ein Speichervolumen zur Zuführung von einem Gas, insbesondere einem Nutzgas, mit dem Rezirkulationsabschnitt und/oder dem Fluidabführabschnitt fluidkommunizierend verbunden ist. Ein derart ausgestaltetes Brennstoffzellensystem stellt eine weitere vorteilhafte Variante zur möglichen weiteren Gasgemisch Beeinflussung im Sinne der Erfindung dar. Durch die fluidkommunizierende Verbindung des Speichervolumens kann ein Nutzgas dem Rezirkulationsabschnitt und/oder dem Fluidabführabschnitt zugeführt werden. Ein Nutzgas kann Luft, ein Brennstoff und/oder ein anderes Gas sein. Das Speichervolumen kann beispielsweise als Tank oder Behältnis ausgebildet und
angeordnet sein.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es möglich, dass der Brennstoffzuführabschnitt wenigstens eine zweite Fördereinheit, insbesondere ein Brennstoffzuführgebläse, zum Einstellen einer Menge des im Brennstoffzuführabschnitt geförderten Brennstoffs aufweist. Eine zweite Fördereinheit des Brennstoffzellensystems fördert den Brennstoff zu der Strahlpumpe und erzeugt zusätzlich ein gewünschtes Druckniveau des Brennstoffs. Eine zweite Fördereinheit kann als Druckgebläse oder als Sauggebläse ausgeführt sein. Ein Sauggebläse kann zur Abkühlung des Fluids wenigstens einen fünften Wärmetauscher stromaufwärts des Sauggebläses erfordern, um das Brennstoffabgas auf eine zulässige Betriebstemperatur für das Sauggebläse abzukühlen. Alternativ oder zusätzlich kann eine zweite Fördereinheit ein Verdichter und/oder ein Gastank mit einer druckbehafteten Befüllung sein.
Zudem ist es bei einem Brennstoffzellensystems der vorliegenden Erfindung möglich, dass wenigstens ein fünfter Wärmetauscher stromabwärts des zweiten Wärmetauschers zum Abkühlen der Fluide des Fluidabführabschnitt angeordnet ist, wobei eine zweite Fördereinheit, insbesondere eine Saugfördereinheit, stromabwärts
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des fünften Wärmetauschers in dem Fluidabführabschnitt angeordnet ist. Wie zuvor beschrieben kann ein Sauggebläse zur Abkühlung des Fluids wenigstens einen fünften Wärmetauscher stromaufwärts des Sauggebläses erfordern, um die Abluft auf eine zulässige Betriebstemperatur für das Sauggebläse abzukühlen. Ein Sauggebläse kann eine vorteilhafte Anordnung des Gebläses ermöglichen. Die entnommene Wärme des wenigstens einen fünften Wärmetauscher kann zur Steigerung der Effizienz des Brennstoffzellensystems erneut in das System eingebracht werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Rezirkulation von Brennstoffabgas in einem Brennstoffzellensystem nach dem ersten Aspekt zur Verfügung gestellt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- Zuführen von Luft über den Luftzuführabschnitt in den Kathodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels,
- Zuführen von Brennstoff über den Brennstoffzuführabschnitt in den Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels,
- Rezirkulation des Brennstoffabgases von dem Abgasabführabschnitt des Anodenabschnitts über den Rezirkulationsabschnitt zu dem Brennstoffzuführabschnitt des Anodenabschnitts,
- Vermengung des rezirkulierten Brennstoffabgases als Sekundärstrom mit dem Brennstoff als Primärstrom in der Strahlpumpe,
- Zuführen von dem vermengten Primärstrom und dem Sekundärstrom über den Brennstoffzuführabschnitt in den Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels.
Ein derart ausgestaltetes Verfahren ermöglicht eine Rezirkulation von Brennstoffabgas mittels einem Rezirkulationsabschnitt und einer Strahlpumpe. Somit kann eine vorteilhafte größere Toleranz gegenüber hohen Temperaturen sowie ein hoher Gesamtwirkungsgrad und eine hohe Ausfallsicherheit der Bauteile sichergestellt werden. Damit bringt auch ein erfindungsgemäßes Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie vorstehend ausführlich beschrieben worden sind. Die vorstehend erwähnten Schritte können in der dargestellten Reihenfolge oder in einer anderen Reihenfolge durchgeführt werden. Die Verfahrensschritte können einfach oder mehrfach und seriell oder parallel ausgeführt werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einem erfindungsgemäßen Verfahren eine Rezirkulationsrate des Brennstoffzellensystems durch eine Kontrolleinheit kontrolliert wird. Die Rezirkulationsrate wird durch das Verhältnis zwischen dem Primärstrom und dem Sekundärstrom bestimmt. Eine Kontrolleinheit kann wenigstens einen Sensor, eine Auswerteeinheit, eine Rechnereinheit und eine Regeleinheit umfassen. Eine Kontrolle der Rezirkulationsrate des Brennstoffzellensystem stellt eine vorteilhafte Erweiterung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar, da einem Anwender die Möglichkeit gegeben wird, das Brennstoffzellensystem zu kontrollieren, beliebig anzupassen und zu optimieren. Insbesondere ermöglicht ein erfindungsgemäßes Verfahren dem Anwender das Kontrollieren der Anteile an Wasserdampf und Kohlenstoff für die Dampfreformierung und damit die Kontrolle zur Vermeidung von Kohlenstoffablagerungen.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Es zeigen jeweils schematisch:
Figur 1 ein Schaltbild eines Brennstoffzellensystems mit einer Strahlpumpe, einem Rezirkulationsabschnitt, einem ersten Wärmetauscher und einer Reformereinheit,
Figur2 ein Schaltbild eines Brennstoffzellensystems mit einer Strahlpumpe, einem Rezirkulationsabschnitt, einem Fluidabführabschnitt, einem ersten Wärmetauscher, einem zweiten Wärmetauscher, einem dritten
Wärmetauscher und einer Reformereinheit,
Figur3 ein Schaltbild eines Brennstoffzellensystems mit einer Strahlpumpe, einem Rezirkulationsabschnitt, einem Fluidabführabschnitt, einem ersten Wärmetauscher, einem zweiten Wärmetauscher, einem dritten Wärmetauscher, einem vierten Wärmetauscher und einer Reformereinheit, und
Figur4 ein Schaltbild eines Brennstoffzellensystems mit einer Strahlpumpe, einem Rezirkulationsabschnitt, einem Fluidabführabschnitt, einem ersten
Wärmetauscher, einem zweiten Wärmetauscher, einem dritten
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Wärmetauscher, einem fünften Wärmetauscher und einer
Reformereinheit.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 bis 4
jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist schematisch ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100 mit einer Strahlpumpe 16, einem Rezirkulationsabschnitt 14, einem ersten Wärmetauscher 21 und einer Reformereinheit 11 gezeigt. Der Brennstoff 6 wird von einer zweiten Fördereinheit 29 zu der Reformereinheit 11 gefördert und mit einem Druckniveau beaufschlagt. Stromabwärts des ersten Wärmetauschers 21 tritt der Brennstoff 6 als Primärstrom 18 in die Strahlpumpe 16 ein. Das über den Rezirkulationsabschnitt 14 rezirkulierte Brennstoffabgas 8 tritt als Sekundärstrom 20 in die Strahlpumpe 16 ein. Der Primärstrom 18 erfährt in der Strahlpumpe 16 einen Druckabfall und wird beschleunigt. Der Sekundärstrom 20 wird in der Strahlpumpe 16 von dem Primärstrom 18 beschleunigt und beide Ströme 18, 20 treten gemeinsamen vermengt aus der Strahlpumpe 16 aus. Die vermengten Ströme 18, 20 gelangen stromabwärts der Strahlpumpe 16 über die Reformereinheit 11 in den Anodenabschnitt A des Brennstoffzellenstapels 1. In den Kathodenabschnitt K wird über den Luftzuführabschnitt 3 Luft 2 von einer ersten Fördereinheit 28 gefördert. Der wenigstens eine erste Wärmetauscher 21 ist stromaufwärts der Strahlpumpe 16 angeordnet und ermöglicht eine prozesstechnische Trennung der Wärmeübertragung und der stofflichen Vermengung zwischen dem Sekundärstrom 20 und dem Primärstrom 18. In dem wenigstens einen ersten Wärmetauscher 21 wird zunächst Wärme von dem rezirkulierten Brennstoffabgas 8 an den Brennstoff 6 in dem Reformerzuführabschnitt 12 übertragen. Anschließend findet in der Strahlpumpe 16 eine stoffliche Vermengung des rezirkulierten Brennstoffabgases 8 und des Brennstoffs 6 mit geringerer oder sogar keiner Differenztemperatur statt. Eine stoffliche Vermengung des rezirkulierten Brennstoffabgases 8 und des Brennstoffs 6 mit geringerer oder sogar keiner Differenztemperatur ermöglicht einen höheren Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems 100. Der Brennstoff 6 ist vorzugsweise spätestens bei dem Eintritt in die Reformereinheit 11 des Brennstoffzellensystems 100 gasförmig oder im Wesentlichen gasförmig. In der Reformereinheit 11 wird der Brennstoff 6, insbesondere unter Mithilfe eines
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Katalysators, in ein wasserstoffhaltiges Gas umgewandelt. Aus Gründen der Prozesssicherheit und Langzeitstabilität kommt zumeist das Verfahren der Dampfreformierung zum Einsatz. Eine Reformereinheit 11 basiert auf mikrostrukturierten Komponenten in Plattenreaktor-Bauweise und gewährleistet einen einfachen, modularen Aufbau, kurze Startzeiten, hohe Prozessstabilität und exakte Regelbarkeit. Ein derart ausgestaltetes Brennstoffzellensystem 100 ermöglicht vorteilhaft eine Rezirkulation von Brennstoffabgas 8 mittels einem Rezirkulationsabschnitt 14, wenigstens einem ersten Wärmetauscher 21 und einer Strahlpumpe 16. Somit kann eine vorteilhafte größere Toleranz gegenüber hohen Temperaturen des rezirkulierten Brennstoffabgases 8 sowie ein hoher Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems 100 ermöglicht werden.
In Fig. 2 ist schematisch ein Schaltbild eines Brennstoffzellensystems 100 mit einer Strahlpumpe 16, einem Rezirkulationsabschnitt 14, einem Fluidabführabschnitt 15, einem ersten Wärmetauscher 21, einem zweiten Wärmetauscher 22, einem dritten Wärmetauscher 23 und einer Reformereinheit 11 gezeigt. Ergänzend zu den Ausführungen zu Figur 1 zeigt die Figur 2 einen zweiter Wärmetauscher 22 stromaufwärts des ersten Wärmetauschers 21. Der zweite Wärmetauscher 22 ermöglicht eine zusätzliche Erwärmung des Brennstoffs 6 in dem Reformerzuführabschnitt 12 und folglich eine Erhöhung des Wirkungsgrads des Brennstoffzellensystems 100. Der Brennstoff 6 wird durch die kalte Seite des wenigstens einen zweiten Wärmetauschers 22 geleitet und erfährt eine Wärmeübertragung von der heißen Seite des zweiten Wärmetauschers 22. Die heiße Seite des wenigstens einen zweiten Wärmetauschers 22 bezieht die Wärme von dem Brennstoffabgasabführabschnitt 9 zur Abführung von Brennstoffabgas 8, dem Luftzuführabschnitt 3 zur Abführung von Luft 2, dem Abluftabschnitt 4 zur Abführung von Abluft 5 und/oder dem Brennstoffzuführabschnitt 7 zur Abführung von Brennstoff 6. Je nach Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 100 kann der Anteil der Wärmeanteile der einzelnen Abschnitte variieren. Insbesondere in einem stabilen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 100 wird das erste Ventil 26 zur Zufuhr von Brennstoff 6 in den Fluidabführabschnitt 15 geschlossen, um den Wirkungsgrad des Systems zu erhöhen. Weiter zeigt Fig. 2 einen Oxidationskatalysator 27 zur Nachverbrennung und damit zur Steigerung des Wirkungsgrads des Brennstoffzellensystems 100. Durch einen derart angeordneten zweiten Wärmetauscher 22 kann der Brennstoff 6 auf eine optimale Temperatur für das
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Brennstoffzellensystem 100 erwärmt und die Effizienz des Brennstoffzellensystems 100 vorteilhaft erhöht werden. Nach dem ein Fluid 2, 5, 6, 8 seine beabsichtigte Funktion und Wirkung in dem Brennstoffzellensystem 100 bewirkt hat, wird es über den Ausströmabschnitt 30 in eine weitere Vorrichtung oder die Umgebung ausgeströmt. Die Fluide 2, 5, 6, 8 sind dabei gasförmig und/oder flüssig oder ein Gemisch aus den genannten Zuständen. Ein dritter Wärmetauscher 23 stromabwärts des Oxidationskatalysators 27 ermöglicht eine Erwärmung der zugeführten Luft 2 des Brennstoffzellensystems 100. Eine vorgewärmte Luft 2 kann zu einer gesteigerten Effizienz des Brennstoffzellenstapels 1 führen.
In Fig. 3 ist schematisch ein Schaltbild eines Brennstoffzellensystems 100 mit einer Strahlpumpe 16, einem Rezirkulationsabschnitt 14, einem Fluidabführabschnitt 15, einem ersten Wärmetauscher 21, einem zweiten Wärmetauscher 22, einem dritten Wärmetauscher 23, einem vierten Wärmetauscher 24 und einer Reformereinheit 11 gezeigt. Ergänzend zu den Ausführungen zu Figur 1 und 2 zeigt die Figur 3 einen vierten Wärmetauscher 24 stromabwärts der Reformereinheit 11, wobei eine kalte Seite des vierten Wärmetauschers 24 mit dem Brennstoffzuführabschnitt 7 zur Erwärmung von Brennstoff 6 und eine heiße Seite des vierten Wärmetauschers 24 stromaufwärts des wenigstens einen ersten Wärmetauschers 21 mit dem ersten Rezirkulationsabschnitt 14 verbunden ist. Somit kann in dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 100 der reformierte Brennstoff 6 straomabwärts, nach dem Austritt aus der Reformiereinheit 11 und stromaufwärts, vor dem Eintritt in den Anodenabschnitt A des Brennstoffzellenstapels 1 durch einen vierten Wärmetauscher 24 erwärmt werden. Durch einen derart angeordneten vierten Wärmetauscher 24 kann der reformierte Brennstoff 6 auf eine optimale Temperatur für den Brennstoffzellenstapel 1 erwärmt werden und die Effizienz des Brennstoffzellensystems 100 vorteilhaft erhöht werden. Ebenfalls zeigt Fig. 3 eine alternative Anordnung der zweiten Fördereinheit 29 und ein zweites erstes Ventil 26.
In Fig. 4 ist schematisch ein Schaltbild eines Brennstoffzellensystems 100 mit einer Strahlpumpe 16, einem Rezirkulationsabschnitt 14, einem Fluidabführabschnitt 15, einem ersten Wärmetauscher 21, einem zweiten Wärmetauscher 22, einem dritten Wärmetauscher 23, einem fünften Wärmetauscher 25 und einer Reformereinheit 11 gezeigt. Die erste Fördereinheit 28 ist gemäß Fig. 3 als Sauggebläse ausgeführt. Ein Sauggebläse kann zur Abkühlung des Fluids wenigstens einen fünften
Wärmetauscher 25 stromaufwärts des Sauggebläses erfordern, um das Fluid auf eine zulässige Betriebstemperatur für das Sauggebläse abzukühlen.
Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere Gestaltungsgrundsätze zu. D. h. die Erfindung soll nicht auf die mit Bezug auf die Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden.
Bezugszeichenliste
1 Brennstoffzellenstapel 2 Luft
3 Luftzuführabschnitt
4 Abluftabschnitt
5 Abluft
6 Brennstoff
7 Brennstoffzuführabschnitt
8 Brennstoffabgas
9 Brennstoffabgasabführabschnitt
11 Reformereinheit
12 Reformerzuführabschnitt 14 Rezirkulationsabschnitt 15 Fluidabführabschnitt
16 Strahlpumpe
18 Primärstrom
20 Sekundärstrom
21 erster Wärmetauscher 22 zweiter Wärmetauscher 23 dritter Wärmetauscher 24 vierter Wärmetauscher 25 fünfter Wärmetauscher 26 erstes Ventil
27 Oxidationskatalysator 28 erste Fördereinheit
29 zweite Fördereinheit 30 Ausströmabschnitt
100 Brennstoffzellensystem A Anodenabschnitt
K Kathodenabschnitt
RR _ Rezirkulationsrate
AVL List GmbH
Claims (14)
1. Brennstoffzellensystem (100), aufweisend zumindest einen Brennstoffzellenstapel (1) mit wenigstens einem Kathodenabschnitt (K) und wenigstens einem Anodenabschnitt (A), einen Luftzuführabschnitt (3) zum Zuführen von Luft (2) zum Kathodenabschnitt (K) des Brennstoffzellenstapels (1), einen Abluftabschnitt (4) zum Abführen von Abluft (5) von dem Kathodenaobschnitt (K) des Brennstoffzellenstapels (1), sowie einen Brennstoffzuführabschnitt (7) zum Zuführen von einem gasförmigen Brennstoff (6) zum Anodenabschnitt (A) des Brennstoffzellenstapels (1), einen Brennstoffabgasabführabschnitt (9) zum Abführen von einem Brennstoffabgas (8) von dem Anodenabschnitt (A) des Brennstoffzellenstapels (1), sowie eine Reformereinheit (11) stromaufwärts des Brennstoffzuführabschnitts (7) zur Erzeugung des gasförmigen Brennstoffs (6), welche stromaufwärts einen Reformerzuführabschnitt (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rezirkulationsabschnitt (14) den Brennstoffabgasabführabschnitt (9) und den Reformerzuführabschnitt (12) fluidkommunizierend zur Rezirkulation von Brennstoffabgas (8) verbindet, wobei weiter der Rezirkulationsabschnitt (14) eine heiße Seite eines ersten Wärmetauschers (21) aufweist, dessen kalte Seite im Reformerzuführabschnitt (12) angeordnet ist, und wobei im Reformerzuführabschnitt (12) zwischen der kalten Seite des ersten Wärmetauschers (21) und der Reformereinheit (11) eine Strahlpumpe (16) angeordnet ist, in welche der Rezirkulationsabschnitt (14) mündet zur Vermischung von Brennstoffabgas (8) als Sekundärstrom (20) mit Brennstoff (6) aus der heißen Seite eines ersten Wärmetauschers (21) als Primärstrom (18).
2. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein zweiter Wärmetauscher (22) zur Erwärmung des Brennstoffs (6) stromaufwärts des ersten Wärmetauschers (21) angeordnet ist, wobei eine kalte Seite des zweiten Wärmetauschers (22) im Reformerzuführabschnitt (12) angeordnet ist und eine heiße Seite des zweiten Wärmetauscher (22) über einen Fluidabführabschnitt (15) mit wenigstens einem der folgenden Abschnitte
fluidkommunizierend verbunden ist:
- Brennstoffabgasabführabschnitt (9) zur Abführung von Brennstoffabgas (8),
- Luftzuführabschnitt (3) zur Abführung von Luft (2),
- Abluftabschnitt (4) zur Abführung von Abluft (5),
- Brennstoffzuführabschnitt (7) zur Abführung von Brennstoff (6).
3. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidabführabschnitt (15) wenigstens einen Oxidationskatalysator (27) stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers (22) aufweist und insbesondere der Oxidationskatalysator (27) mit dem Brennstoffzuführabschnitt (7) zur Abführung von Brennstoff (6) verbunden ist.
4. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidabführabschnitt (15) wenigstens einen dritten Wärmetauscher (23) stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers (22) aufweist, wobei eine kalte Seite des dritten Wärmetauschers (23) mit dem Luftzuführabschnitt (3) zur Erwärmung von Luft (2) verbunden ist.
5. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidabführabschnitt (15) mit der Reformereinheit (11) wärmekommunizierend zur Zuführung von Wärme an die Reformereinheit (11)
verbunden ist.
6. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidabführabschnitt (15) einen Ausströmabschnitt (30) zum Ausströmen von Fluiden des Fluidabführabschnitt (15), insbesondere zum Ausströmen von Fluiden des Brennstoffzellensystems (100), aufweist.
7. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens ein vierter Wärmetauscher (24) stromabwärts der Reformereinheit (11) angeordnet ist, wobei eine kalte Seite des vierten Wärmetauschers (24) mit dem Brennstoffzuführabschnitt (7) zur Erwärmung von Brennstoff (6) und eine heiße Seite des vierten Wärmetauschers (24) stromaufwärts des wenigstens einen ersten Wärmetauscher (21) mit dem ersten Rezirkulationsabschnitt (14)
verbunden ist.
8. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftzuführabschnitt (3) wenigstens eine erste Fördereinheit (28), insbesondere ein Luftzuführgebläse, zum Einstellen einer Menge der im
Luftzuführabschnitt (3) geförderten Luft (2) aufweist.
9. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein erstes Ventil (26) an dem Brennstoffzuführabschnitt (7) zum Einstellen einer Menge an Brennstoff (6) angeordnet ist.
10. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Speichervolumen zur Zuführung von einem Gas, insbesondere einem Nutzgas, mit dem Rezirkulationsabschnitt (14) und/oder dem Fluidabführabschnitt (15) fluidkommunizierend verbunden ist.
11. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzuführabschnitt (7) wenigstens eine zweite Fördereinheit (29), insbesondere ein Brennstoffzuführgebläse, zum Einstellen einer Menge des im
Brennstoffzuführabschnitt (7) geförderten Brennstoffs (6) aufweist.
12. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein fünfter Wärmetauscher (25) stromabwärts des zweiten Wärmetauschers (22) zum Abkühlen der Fluide des Fluidabführabschnitt (15) angeordnet ist, wobei eine zweite Fördereinheit (28), insbesondere eine
Saugfördereinheit, stromabwärts des fünften Wärmetauschers in dem Fluidabführabschnitt (15) angeordnet ist.
13. Verfahren zur Rezirkulation von Fluiden in einem Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 12 aufweisend die folgenden Schritte:
- Zuführen von Luft (2) über den Luftzuführabschnitt (3) in den Kathodenabschnitt (K) des Brennstoffzellenstapels (1),
- Zuführen von Brennstoff (6) über den Brennstoffzuführabschnitt (7) in den Anodenabschnitt (A) des Brennstoffzellenstapels (1),
- Rezirkulation des Brennstoffabgases (8) von dem Abgasabführabschnitt (9) des Anodenabschnitts (A)über den Rezirkulationsabschnitt (14) zu dem Brennstoffzuführabschnitt (7) des Anodenabschnitts (A),
- Vermengung des rezirkulierten Brennstoffabgases (8) als Sekundärstrom (20) mit dem Brennstoff (6) als Primärstrom (18) in der Strahlpumpe (16),
- Zuführen von dem vermengten Primärstrom (18) und dem Sekundärstrom (20) über den Brennstoffzuführabschnitt (7) in den Anodenabschnitts (A)jes Brennstoffzellenstapels (1).
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rezirkulationsrate (RR) des Brennstoffzellensystems (100) durch eine kontrolliert wird.
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- 2018-11-21 AT ATA51023/2018A patent/AT521902A1/de not_active Application Discontinuation
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Effective date: 20210515 |