AT523316B1 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (10), aufweisend einen Brennstoffzellenstapel (11) mit einem Anodenabschnitt (12) und einem Kathodenabschnitt (13), einen Kathodenpfad (14) zum Leiten von Kathodengas zum Kathodenabschnitt (13), eine Heizvorrichtung (15) zum Vorheizen des Brennstoffzellensystems (10) während eines Startvorgangs des Brennstoffzellensystems (10), und einen Kühlabschnitt (16) zum Leiten von wenigstens einem Teil des Kathodengases entlang der Heizvorrichtung (15), wobei der Kühlabschnitt (16) zum Kühlen der Heizvorrichtung (15) in wärmeübertragender Verbindung mit der Heizvorrichtung (15) steht, wobei ein Gabelabschnitt (19) zum Verzweigen des Kathodengases vom Kathodenpfad (14) in Richtung des Kühlabschnitts (16) und als Heizgas in Richtung der Heizvorrichtung (15) vorgesehen ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems (10) sowie ein Speichermittel (30) mit einem darauf gespeicherten Computerprogrammprodukt (31) zum Durchführen des Verfahrens.

Description

Beschreibung
BRENNSTOFFZELLENSYSTEM UND VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINES BRENNSTOFFZELLENSYSTEMS
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, aufweisend einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt, einen Kathodenpfad zum Leiten von Kathodengas zum Kathodenabschnitt, und eine Heizvorrichtung zum Vorheizen des Brennstoffzellensystems während eines Startvorgangs des Brennstoffzellensystems. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems.
[0002] Gattungsgemäße Brennstoffzellensysteme werden im Rahmen eines Startprozesses in der Regel zunächst auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur gebracht, bevor das Brennstoffzellensystem wie gewünscht zur Strom- und Spannungserzeugung betrieben wird. Der Aufwärmprozess kann auf unterschiedliche Weisen realisiert werden. Eine Möglichkeit besteht darin, eine dezidierte Heizvorrichtung zu nutzen. Um eine Überhitzung der Heizvorrichtung selbst sowie der umliegenden Funktionsbauteile zu verhindern, müssen die Heizvorrichtung und die Umgebung der Heizvorrichtung gekühlt und/oder möglichst thermisch voneinander isoliert werden. Statischpassive, thermische Isolierungen benötigen relativ viel Bauraum und sind deshalb für verschiedene Anwendungsfälle ungeeignet. Bekannte aktive Kühlvorrichtungen haben ebenfalls einen hohen Bauraumbedarf und resultieren in einem Energiebedarf, welchen es gilt, möglichst gering zu halten. Darüber hinaus erhöhen bekannte aktive Kühlvorrichtungen den Komplexitätsgrad des Brennstoffzellensystems in unerwünscht hohem Maße.
[0003] Ein Brennstoffzellensystem mit einem Kühlabschnitt zum Leiten von Kathodengas entlang einer Heizvorrichtung ist beispielsweise aus der EP 1724869 A1 bekannt.
[0004] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, der voranstehend beschriebenen Problematik zumindest teilweise Rechnung zu tragen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zum verbesserten Kühlen einer Heizvorrichtung im Brennstoffzellensystem zu schaffen.
[0005] Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch das Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1, das Verfahren gemäß Anspruch 7 sowie das Speichermittel gemäß Anspruch 11 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, dem erfindungsgemäßen Speichermittel und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird oder werden kann.
[0006] Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt, aufweisend einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt, einen Kathodenpfad zum Leiten von Kathodengas zum Kathodenabschnitt, und eine Heizvorrichtung zum Vorheizen des Brennstoffzellensystems während eines Startvorgangs des Brennstoffzellensystems. Das Brennstoffzellensystem weist ferner einen Kühlabschnitt zum Leiten von wenigstens einem Teil des Kathodengases entlang der Heizvorrichtung auf, wobei der Kühlabschnitt zum Kühlen der Heizvorrichtung in wärmeübertragender Verbindung mit der Heizvorrichtung steht.
[0007] Bei Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass abgezweigte Kathodenluft als effektives und platzsparendes Kühlmittel genutzt werden kann. Im Stand der Technik sind verschiedene Systeme bekannt, bei welchen Kathodenluft in wärmeübertragender Verbindung mit Heizvorrichtungen stehen. Bei den bisher bekannten Systemen soll dadurch allerdings ein Aufheizen der Kathodenluft durch die Heizvorrichtung ermöglicht werden. Vorliegend wird nun genau der gegenteilige Weg bestritten, indem die Kathodenluft gezielt zum Kühlen der Heizvorrichtung genutzt werden soll.
[0008] Da die Kathodenluft ohnehin im Brennstoffzellensystem geführt wird, lässt sich die vorgeschlagene Lösung platzsparend realisieren. Der Komplexitätsgrad des Brennstoffzellensystems wird durch die erfindungsgemäße Konfiguration kaum erhöht. Insbesondere für stationäre Brennstoffzellensysteme als beispielsweise Kraftwerke oder Generatoren zeichnet sich die Lösung durch ihre relativ leichte Bauweise aus. Grundsätzlich ist diese Lösung aber auch für mobile Anwendungen verwendbar. Dadurch, dass zur Realisierung des in Rede stehenden Kühlsystems kaum Zusatzkomponenten, insbesondere keine zusätzlichen aktiven Funktionsbauteile, im Brennstoffzellensystem benötigt werden, kann eine erfindungsgemäße Kühlung der Heizvorrichtung relativ energiesparend realisiert werden. Dadurch, dass das Kathodengas entlang der Heizvorrichtung geführt wird, kann der Kühlvorgang an der Heizvorrichtung durch Konvektion erheblich gesteigert werden. Das Brennstoffzellensystem ist vorliegend bevorzugt in Form eines SOFCSystems ausgestaltet, in welchem effektive Kühlsysteme erforderlich sind. Ein Solches kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung bereitgestellt werden.
[0009] Das Brennstoffzellensystem weist wenigstens einen Brennstoffzellenstapel auf. Unter dem wenigstens einen Teil des Kathodengases, das entlang der Heizvorrichtung geleitet wird, ist Kathodengas zu verstehen, das aus dem Kathodenpfad zum Kühlabschnitt abgezweigt wird. Demnach kann unter diesem Teil des Kathodengases aus dem Kathodenpfad abgezweigtes Kathodengas verstanden werden. Der Kühlabschnitt erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte Länge oder im Wesentlichen über die gesamte Länge der Heizvorrichtung, um einen möglichst großen Kühleffekt an der Heizvorrichtung bewirken zu können.
[0010] Darunter, dass der Kühlabschnitt in einer wärmeübertragenden Verbindung mit der Heizvorrichtung steht, kann verstanden werden, dass ein Außenwandabschnitt des Kühlabschnitts an einen Außenwandabschnitt der Heizvorrichtung angrenzt oder zumindest in unmittelbarer Nähe zu diesem ausgestaltet ist. Unter Kathodengas ist vorliegend insbesondere Luft oder ein anderes, sauerstoffhaltiges Fluid zu verstehen. Das Kathodengas wird bevorzugt durch ein Gebläse, das im Abgaspfad angeordnet ist, durch den Kathodenpfad in Richtung des Kühlabschnitts und/oder des Heizabschnitts gefördert. Das im Abgaspfad stromabwärts des Nachbrenners angeordnete Gebläse erzeugt im gesamten Brennstoffzellensystem einen Unterdruck, sodass dieses im Wesentlichen im Unterdruck betrieben wird. Das Gebläse saugt folglich auch die Kathodenluft durch das gesamte Brennstoffzellensystem. Grundsätzlich kann das Gebläse allerdings beispielsweise auch im Kathodenpfad zur Erzeugung eines erzwungenen Luftstromes angeordnet sein.
[0011] Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einem Brennstoffzellensystem der Kühlabschnitt zumindest abschnittsweise ringförmig um die Heizvorrichtung herum ausgestaltet ist. Damit lässt sich ein besonders wirksamer Kühleffekt erzielen. Die Heizvorrichtung kann durch die ringförmige Umspülung mit Kathodengas gleichmäBig gekühlt werden, wodurch Spannungen und daraus resultierende Schäden in der Heizvorrichtungen verhindert werden können. Der Kühlabschnitt kann als koaxial zur Heizvorrichtung geführter Kathodenluftpfad verstanden werden. Der ringförmige Kühlabschnitt erstreckt sich in Kathodengasströmungsrichtung vorzugsweise über die gesamte Länge der Heizvorrichtung. Für eine möglichst effektive Wärmeübertragung grenzen eine Außenwandung der Heizvorrichtung und eine innere Ringwandung des Kühlabschnitts direkt oder im Wesentlichen direkt aneinander.
[0012] Die Heizvorrichtung ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bevorzugt als eine elektrische Heizvorrichtung ausgestaltet. Eine elektrische Heizvorrichtung lässt sich schnell und einfach an gegebenen Betriebszustände, also beispielsweise an einen Start- oder Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems, anpassen. Durch die elektrische Heizvorrichtung kann Kathodenluft, die zur Heizvorrichtung abgezweigt wird, elektrisch erhitzt und anschließend mit entsprechendem Temperaturniveau weitergeleitet werden. Eine elektrische Heizvorrichtung ist in der Regel in unmittelbarer Umgebung von anderen elektrischen Funktionsbauteilen montiert. In dieser Umgebung ist eine Wärmeentwicklung im Brennstoffzellensystem besonders kritisch zu betrachten. Folglich ist es günstig, wenn der Kühlabschnitt oder eine Kühlvorrichtung vorgesehen ist. Durch den erfindungsgemäße Kühlabschnitt ist es jedoch möglich, nicht nur die elektrische Heizvorrichtung selbst, sondern auch die elektrischen Komponenten in der unmittelbaren Umgebung der Heizvorrichtung vor der Abwärme der elektrischen Heizvorrichtung zu schützen. Die Kühlvorrich-
tung oder der Kühlabschnitt ist insbesondere als Luftkühlung ausgebildet. Durch das Umspülen der Heizvorrichtung durch den Kühlabschnitt mit Luft, können auch die maximalen Oberflächentemperaturen, welche in verschiedensten Normen angegeben sind (Verbrennungsgefahr) eingehalten werden, ohne zusätzliche Isolierung zu benötigen.
[0013] Als Heizvorrichtung kann jedoch auch beispielsweise ein Flammenbrenner verwendet werden, welcher ähnliche Vorteile hat und welcher günstig ist, um den geringen Bauraum im System halten zu können und trotzdem genügend Schutz für umliegende Komponenten zu erhalten.
[0014] Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem kann ferner einen Nachbrenner zum wenigstens teilweisen Verbrennen von Kathodenabgas und/oder Anodenabgas aus dem Brennstoffzellenstapel aufweisen, wobei die Heizvorrichtung durch eine Nachbrennerleitung mit dem Nachbrenner verbunden ist, um Heizgas aus der Heizvorrichtung in den Nachbrenner zu leiten. D.h., die Heizvorrichtung ist vorliegend weniger zum Heizen des Brennstoffzellenstapels, sondern vielmehr zum Heizen des Nachbrenners ausgestaltet. Insbesondere ist die Heizvorrichtung mittelbar über den Brennstoffzellenstapel mit dem Nachbrenner verbunden. Demnach ist die Heizvorrichtung durch die Nachbrennerleitung bevorzugt derart mit dem Nachbrenner verbunden, dass Heizgas aus der Heizvorrichtung direkt in den Nachbrenner geleitet werden kann. Damit unterscheidet sich die Heizvorrichtung grundlegend von Heizvorrichtungen, die speziell zum Aufheizen des Brennstoffzellenstapels ausgestaltet sind. Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass Kathodengas auf überraschend einfache Weise auch zum Kühlen von Heizvorrichtungen genutzt werden kann, welche Heizgas nicht direkt zum Brennstoffzellenstapel führen.
[0015] Außerdem ist es vorgesehen, dass bei einem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung ein Gabelabschnitt zum Verzweigen des Kathodengases vom Kathodenpfad in Richtung des Kühlabschnitts und als Heizgas in Richtung der Heizvorrichtung bereitgestellt ist. Ein solcher Gabelabschnitt lässt sich einfach und platzsparend realisieren. Von Vorteil ist es in diesem Fall, wenn ergänzend ein Heizgasventil zum Kontrollieren des Heizgases zur Heizvorrichtung und ein Kathodengasventil zum Kontrollieren des Kathodengases zum Kühlabschnitt bereitgestellt werden. Als Alternative zum Kathodengasventil kann auch eine Drosselklappe vorgesehen sein. Durch das Heizgasventil kann kontrolliert, also gesteuert und/oder geregelt werden, welche Kathodengasmenge als Heizgas zur Heizvorrichtung geleitet wird. Durch das Kathodengasventil oder die Drosselklappe kann kontrolliert, also gesteuert und/oder geregelt werden, welche Kathodengasmenge zum Kathodenabschnitt geleitet wird. Mit Hilfe des Heizgasventils und des Kathodengasventils lässt sich der Kathodengasstrom abhängig vom aktuellen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems einfach und zuverlässig durch die gewünschten Funktionsabschnitte, also die Heizvorrichtung und/oder den Kühlabschnitt, leiten.
[0016] Das Brennstoffzellensystem ist insbesondere in Form eines stationären SOFC-Systems ausgestaltet. Bei Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich überraschend herausgestellt, dass ein erfindungsgemäßes Kühlsystem auch bei den hohen Temperaturen, die in einem SOFC-System herrschen, stabil betreibbar ist.
[0017] Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines wie vorstehend dargestellten Brennstoffzellensystems zur Verfügung gestellt, wobei während eines Aufheizvorgangs zum Aufheizen des Brennstoffzellensystems Kathodengas zum Kühlen der Heizvorrichtung durch den Kühlabschnitt geleitet wird. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem beschrieben worden sind.
[0018] Bei einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung kann während eines Aufheizvorgangs zumindest vorübergehend gleichzeitig Kathodengas durch den Kühlabschnitt sowie als Heizgas durch die Heizvorrichtung geleitet werden. Dadurch können sowohl der gewünschte Aufheizvorgang im Brennstoffzellensystem als auch die gleichzeitige Kühlung der Heizvorrichtung realisiert werden. D.h., es kann ein sicherer Heizvorgang gewährleistet werden, bei welchem Schäden an der Heizvorrichtung sowie den Bauteilen in unmittelbarer Nähe der Heizvorrichtung verhindert werden können.
[0019] Weiterhin ist es bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, dass zumindest bis zum Erreichen einer vordefinierten Zieltemperatur im Brennstoffzellensystem mehr Kathodengas durch die Heizvorrichtung als durch den Kühlabschnitt geleitet wird. Dadurch kann während des Aufheizvorgangs das Aufheizen des Brennstoffzellensystems auf einfache Weise priorisiert werden, während zuverlässig ein Uberhitzen der Heizvorrichtung verhindert wird. Während des Aufheizvorgangs und/oder bis zum Erreichen der vordefinierten Temperatur kann das Verhältnis von Kathodengas durch den Kühlabschnitt zu Kathodengas in Form von Heizgas durch die Heizvorrichtung 1:2 oder weniger betragen. D.h., durch den Kühlabschnitt werden 1/3 oder weniger und durch die Heizvorrichtung werden 2/3 oder mehr Kathodengas geführt. Zum Erkennen der Temperatur an wenigstens einer Stelle im Brennstoffzellensystem kann das Brennstoffzellensystem wenigstens einen Temperatursensor aufweisen. Außerdem kann das Brennstoffzellensystem einen Controller aufweisen, der für die erfindungsgemäße, temperaturabhängige Steuerung und/oder Regelung der Fluidströme konfiguriert ist.
[0020] Zudem ist es bei einem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, dass bei einer vordefinierten Zieltemperatur im Brennstoffzellensystem oder darüber mehr Kathodengas durch den Kühlabschnitt als durch die Heizvorrichtung geleitet wird. D.h., sobald erkannt wird, dass eine gewünschte Zieltemperatur in einem gewünschten Bereich im Brennstoffzellensystem, beispielsweise in und/oder an einem Nachbrenner des Brennstoffzellensystems, erreicht wird oder wurde, wird der Volumenstrom des Kathodengases durch die Heizvorrichtung reduziert und der Volumenstrom des Kathodengases durch den Kühlabschnitt, also den Kathodenpfad, wird erhöht. Dies kann dahin führen, dass das Leiten von Kathodengas durch die Heizvorrichtung vollständig eingestellt wird und das Kathodengas nur noch durch den Kühlabschnitt, also durch den Kathodenpfad, zum Kathodenabschnitt geleitet wird. Das Kathodengas, das insbesondere in Form von Luft vorliegt, kann im Kathodenpfad über die Restwärme der abgeschalteten Heizvorrichtung vorgewärmt werden, wodurch Heizverluste verringert werden können. Insbesondere kann durch das Umspülen der Heizvorrichtung mit Kathodengas jedoch die Heizvorrichtung schnell gekühlt werden. Dass zumindest bis zum Erreichen einer vordefinierten Zieltemperatur im Brennstoffzellensystem mehr Kathodengas durch die Heizvorrichtung als durch den Kühlabschnitt geleitet wird kann dahingehend verstanden werden, dass im Brennstoffzellensystem mehr Kathodengas durch die Heizvorrichtung als durch den Kühlabschnitt geleitet wird, solange sich die Temperatur im Brennstoffzellensystem und insbesondere im und/oder am Nachbrenner in einem ersten Temperaturbereich befindet, der niedriger als ein zweiter Temperaturbereich ist. Sobald die Temperatur im Brennstoffzellensystem und insbesondere im und/oder am Nachbrenner im zweiten Temperaturbereich liegt, wird hingegen mehr Kathodengas durch den Kühlabschnitt als durch die Heizvorrichtung geleitet.
[0021] Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird zudem ein Speichermittel mit einem darauf gespeicherten Computerprogrammprodukt zur Verfügung gestellt, wobei das Computerprogrammprodukt Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts durch einen Computer diesen veranlassen, ein wie vorstehend im Detail beschriebenes Verfahren auszuführen.
[0022] Damit bringt ein erfindungsgemäßes Speichermittel die vorstehend beschriebenen Vorteile mit sich. Das Computerprogrammprodukt kann als computerlesbarer Anweisungscode in jeder geeigneten Programmiersprache wie beispielsweise in LabView, JAVA, C++, C# und/oder Python implementiert sein. Das Speichermittel kann ein computerlesbares Speichermedium wie eine Datendisk, ein Wechsellaufwerk, ein flüchtiger oder insbesondere ein nichtflüchtiger Speicher sein. Unter dem Speichermittel kann ferner ein Netzwerk verstanden werden, aus dem das Computerprogrammprodukt bei Bedarf von einem Nutzer geladen werden kann. Das Computerprogrammprodukt kann sowohl mittels eines Computerprogramms, d. h. einer Software, als auch mittels einer oder mehrerer spezieller elektronischer Schaltungen, d.h. in Hardware, oder in beliebig hybrider Form, d. h. mittels Software-Komponenten und Hardware-Komponenten, realisiert werden oder sein.
[0023] Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren
schematisch dargestellt sind. [0024] Es zeigen jeweils schematisch:
[0025] Figur 1 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
[0026] Figur 2 ein Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
[0027] Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild zum Beschreiben eines Brennstoffzellensystems 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform. Das in Fig. 1 dargestellte Brennstoffzellensystem 10 ist in Form eines SOFC-Systems ausgestaltet. Das Brennstoffzellensystem 10 weist einen Brennstoffzellenstapel 11 mit einem Anodenabschnitt 12 und einem Kathodenabschnitt 13 auf. Das Brennstoffzellensystem 10 weist ferner einen Anodenpfad 28 zum Leiten von Anodengas zum Anodenabschnitt 12 und einen Kathodenpfad 14 zum Leiten von Kathodengas zum Kathodenabschnitt 13 auf.
[0028] Im Anodenpfad 28 sind ein als Wärmetauscher 26 ausgeführter Verdampfer und ein Reformer 25 angeordnet. Der Reformer 25 befindet sich stromaufwärts einer kalten Seite des Wärmetauschers 26. Eine heiße Seite des Wärmetauschers 26 wird mit Abgas aus dem Brennstoffzellenstapel 11 durchströmt und ist im Abgasstrom des Brennstoffzellensystems 10 angeordnet, über welchen auch Anodenabgas rezirkuliert wird.
[0029] Das dargestellte Brennstoffzellensystem 10 weist ferner eine Heizvorrichtung 15 zum Vorheizen des Brennstoffzellensystems 10 während eines Startvorgangs des Brennstoffzellensystems 10 auf. Genauer gesagt ist die Heizvorrichtung 15 zum Vorheizen eines Nachbrenners 17, der stromabwärts des Anodenabschnitts 12 sowie des Kathodenabschnitts 13 angeordnet ist, angeordnet. D.h., der Nachbrenner 17 ist zum Verbrennen von Kathodenabgas und Anodenabgas aus dem Brennstoffzellenstapel 11 bereitgestellt. Um Heizgas aus der Heizvorrichtung 15 in den Nachbrenner 17 zu leiten, ist die Heizvorrichtung 15 durch eine Nachbrennerleitung 18 mit dem Nachbrenner 17 verbunden.
[0030] Außerdem weist das in Fig. 1 dargestellte Brennstoffzellensystem 10 einen Kühlabschnitt 16 zum Leiten von wenigstens einem Teil des Kathodengases entlang der Heizvorrichtung 15 auf, wobei der Kühlabschnitt 16 zum Kühlen der Heizvorrichtung 15 in wärmeübertragender Verbindung mit der Heizvorrichtung 15 steht. Gemäß der dargestellten Ausführungsform ist der Kühlabschnitt 16 dazu ringförmig um die Heizvorrichtung 15 herum ausgestaltet.
[0031] Die Heizvorrichtung 15 ist im gezeigten Beispiel als elektrische Heizvorrichtung 15 zum elektrischen Erhitzen von Kathodengas, das als Heizgas in die Heizvorrichtung 15 geleitet wird, ausgestaltet. Zum Leiten von Kathodengas in die Heizvorrichtung 15 ist im Kathodenpfad 14 stromaufwärts des Kühlabschnitts 16 ein Gabelabschnitt 19 zum Verzweigen des Kathodengases vom Kathodenpfad 14 in Richtung des Kühlabschnitts 16 und als Heizgas in Richtung der Heizvorrichtung 15 ausgestaltet.
[0032] Der Gabelabschnitt 19 weist einen Heizgasauslass 22 und einen Kathodengasauslass 23 auf. Der Heizgasauslass 22 steht mit der Heizvorrichtung 15 durch eine Heizgaszuleitung 24 in Fluidverbindung. Der Kathodengasauslass 23 steht mit dem Kühlabschnitt 16 durch eine Kathodengasleitung 29 in Fluidverbindung. In der Heizgaszuleitung ist ein Heizgasventil 20 zum Kontrollieren des Heizgases zur Heizvorrichtung 15 ausgestaltet. In der Kathodengasleitung 29 ist ein Kathodengasventil 21 oder eine oder mehrere Drosselklappen zum Kontrollieren des Kathodengases zum Kühlabschnitt 16 ausgestaltet. Im Abgasabfuhrabschnitt ist ein Gebläse 27 zur Erzeugung eines Unterdruckes im Brennstoffzellensystem 10 und in weiterer Folge zum Fördern von Kathodengas in Form von Luft durch den Kathodenpfad 14 und das gesamte Brennstoffzellensystem 10 angeordnet.
[0033] Das in Fig. 1 dargestellte Brennstoffzellensystem 10 weist ferner ein Speichermittel 30 in Form eines Steuergeräts auf, auf welchem ein Computerprogrammprodukt 31 zum Ausführen eines Verfahrens zum Betreiben des Brennstoffzellensystems 10 gespeichert ist.
[0034] Mit Bezug auf Fig. 2 wird anschließend ein solches Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems beschrieben, bei welchem während eines Aufheizvorgangs zum Aufheizen des Brennstoffzellensystems 10 Kathodengas zum Kühlen der Heizvorrichtung 15 durch den Kühlabschnitt 16 geleitet wird. In einem ersten Schritt S1 wird hierbei zunächst bis zum Erreichen einer vordefinierten Zieltemperatur im und/oder am Nachbrenner 17 mehr Kathodengas durch die Heizvorrichtung 15 als durch den Kühlabschnitt 16 geleitet. Hierzu werden das Heizgasventil 20 und das Kathodengasventil 21 entsprechend geöffnet. Sobald die vordefinierte Zieltemperatur erreicht ist, werden das Heizgasventil 20 geschlossen und das Kathodengasventil 21 vollständig geöffnet. Folglich wird, sobald die vordefinierte Zieltemperatur erreicht wurde, mehr Kathodengas durch den Kühlabschnitt 16 als durch die Heizvorrichtung 15 geleitet. Im Rahmen der Erfindung können vorteilhaft alle Ventile oder einzelne davon als Drosselklappen, insbesondere ansteuerbare Drosselklappen, ausgeführt sein.
[0035] 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
10 Brennstoffzellensystem 11 Brennstoffzellenstapel 12 Anodenabschnitt
13 Kathodenabschnitt
14 Kathodenpfad
15 Heizvorrichtung
16 Kühlabschnitt
17 Nachbrenner
18 Nachbrennerleitung 19 Gabelabschnitt
20 Heizgasventil
21 Kathodengasventil
22 Heizgasauslass
23 Kathodengasauslass 24 Heizgaszuleitung
25 Reformer
26 Wärmetauscher
27 Gebläse
28 Anodenpfad
29 Kathodengasleitung 30 Speichermittel
31 Computerprogrammprodukt
32 Wärmetauscher

Claims (11)

Patentansprüche
1. Brennstoffzellensystem (10), aufweisend einen Brennstoffzellenstapel (11) mit einem Anodenabschnitt (12) und einem Kathodenabschnitt (13), einen Kathodenpfad (14) zum Leiten von Kathodengas zum Kathodenabschnitt (13), und eine Heizvorrichtung (15) zum Vorheizen des Brennstoffzellensystems (10) während eines Startvorgangs des Brennstoffzellensystems (10), wobei einen Kühlabschnitt (16) zum Leiten von wenigstens einem Teil des Kathodengases entlang der Heizvorrichtung (15), wobei der Kühlabschnitt (16) zum Kühlen der Heizvorrichtung (15) in wärmeübertragender Verbindung mit der Heizvorrichtung (15) steht, gekennzeichnet durch einen Gabelabschnitt (19) zum Verzweigen des Kathodengases vom Kathodenpfad (14) in Richtung des Kühlabschnitts (16) und als Heizgas in Richtung der Heizvorrichtung (15).
2. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlabschnitt (16) zumindest abschnittsweise ringförmig um die Heizvorrichtung (15) herum ausgestaltet ist.
3. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (15) eine elektrische Heizvorrichtung ist.
4. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche gekennzeichnet durch einen Nachbrenner (17) zum wenigstens teilweisen Verbrennen von Kathodenabgas und/oder Anodenabgas aus dem Brennstoffzellenstapel (11), wobei die Heizvorrichtung (15) durch eine Nachbrennerleitung (18) mit dem Nachbrenner (17) verbunden ist, um Heizgas aus der Heizvorrichtung (15) in den Nachbrenner (17) zu leiten.
5. Brennstoffzellensystem (10) einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Heizgasventil (20) zum Kontrollieren des Heizgases zur Heizvorrichtung (15) und ein Kathodengasventil (21) zum Kontrollieren des Kathodengases zum Kühlabschnitt (16).
6. Brennstoffzellensystem (10) einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (10) in Form eines stationären SOFC-Systems ausgestaltet ist.
7. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei während eines Aufheizvorgangs zum Aufheizen des Brennstoffzellensystems (10) Kathodengas zum Kühlen der Heizvorrichtung (15) durch den Kühlabschnitt (16) geleitet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Aufheizvorgangs zumindest vorübergehend gleichzeitig Kathodengas durch den Kühlabschnitt (16) sowie als Heizgas durch die Heizvorrichtung (15) geleitet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest bis zum Erreichen einer vordefinierten Zieltemperatur im Brennstoffzellensystem (10) mehr Kathodengas durch die Heizvorrichtung (15) als durch den Kühlabschnitt (16) geleitet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer vordefinierten Zieltemperatur im Brennstoffzellensystem (10) oder darüber mehr Kathodengas durch den Kühlabschnitt (16) als durch die Heizvorrichtung (15) geleitet wird.
11. Speichermittel (30) mit einem darauf gespeicherten Computerprogrammprodukt (31), das Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts (31) durch einen Computer diesen veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10 auszuführen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
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