AT525946A1 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1), insbesondere SOFC-System, umfassend zumindest einen Brennstoffzellenstapel (2) mit einem Anodenab- schnitt (3) und einem Kathodenabschnitt (4), einen Luftzuführabschnitt (5), einen Brennstoffzuführabschnitt (6), eine Kathodenabführleitung (7), eine Anodenabführlei- tung (8), einen Abgasabschnitt (9) mit einem Nachbrenner (10) und einen Rezirkula- tionsabschnitt (11), wobei im Luftzuführabschnitt (5) zumindest zwei Wärmetau- scher (12, 13) angeordnet sind, wobei eine warme Seite eines zweiten Wärmetau- schers (13) in der Kathodenabführleitung (7) stromabwärts des Kathodenabschnit- tes (4) angeordnet ist. Weiter betrifft die Erfindung eine Verwendung eines solchen Brennstoffzellensystem (1).

Description

Brennstoffzellensystem

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere SOFC-System, umfassend zumindest einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt, einen Luftzuführabschnitt, einen Brennstoffzuführabschnitt, eine Kathodenabführleitung, eine Anodenabführleitung, einen Abgasabschnitt mit ei-

nem Nachbrenner und einen Rezirkulationsabschnitt.

Weiter betrifft die Erfindung eine Verwendung eines solchen Brennstoffzellensystems.

SOFC-Systeme sind aus dem Stand der Technik bekannt. Um Wärme in einem solchen Brennstoffzellensystem richtig zu verteilen und auch zu halten, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, ein Wärmetauschernetzwerk einzusetzen. Darüber hinaus wird ungenützter oder nicht verbrauchter Brennstoff im System typischerweise in einem Oxidationskatalysator oder Nachbrenner umgesetzt, um auch diese Wärme im Brennstoffzellensystem selbst zu nützen. Aus dem Stand der Technik ist es hierfür bekannt, Oxidationsmittel aus einem Brennstoffzellenstapel mit dem ungenützten Brennstoff zu vermischen und als solches Gemisch dem Oxidationskatalysator zuzuführen. Dieses heiße Abgas wird dann über das Wärmetauschernetzwerk geleitet,

wodurch Wärme im System verteilbar ist.

Dies führt allerdings bei Brennstoffzellenstapel, welche bei hohen Temperaturen arbeiten, zu Problemen. Bei derartigen Brennstoffzellenstapel kann eine Temperatur an dessen Auslass 650 °C oder mehr sein. Dabei ergeben sich dann in weiterer Folge sehr hohe Auslasstemperaturen am Oxidationskatalysator und noch viel höhere Temperaturspitzen im Oxidationskatalysator. Dies kann zu deutlich erhöhten thermischen Degradation des Oxidationskatalysators führen. Darüber hinaus kann sich der ungenutzte Brennstoff bereits bei der Mischung mit dem heißen Oxidationsmittel vom Brennstoffzellenstapel entzünden und hier Schäden an z. B. Rohrleitungen und auch am stromabwärts gelegenen Oxidationskatalysator hervorrufen. Des Weiteren wird typischerweise nur ein einzelner Wärmetauscher eingesetzt, um das Oxidationsmittel von Umgebungsbedingungen auf die gewünschte Einlasstemperatur zu heben. Dies verursacht hohe thermische Belastungen an diesem einen Wärmetauscher und hat auch oft zur Folge, dass sehr hohe Wirkungsgradanforderungen an diesen einen

Wärmetauscher gestellt werden müssen.

Hier setzt die Erfindung an. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem

bereitzustellen, welches besonders effizient insbesondere auch bei sehr hohen

Brennstoffzellenstapeltemperaturen betreibbar ist.

Weiter ist es ein Ziel, ein eine Verwendung eines solchen Brennstoffzellensystems

anzugeben.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einem Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art im Luftzuführabschnitt zumindest zwei Wärmetauscher angeordnet sind, wobei eine warme Seite eines zweiten Wärmetauschers in

der Kathodenabführleitung stromabwärts des Kathodenabschnittes angeordnet ist.

Ein dadurch erzielter Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass durch die Anordnung der zumindest zwei Wärmetauscher im Luftzuführabschnitt Kathodenluft insbesondere bei unterschiedlichen Temperaturniveaus vorwärmbar ist, wodurch geforder-

te Wärmetauscherwirkungsgrade gering gehalten werden können.

Kathodenluft wird im Luftzuführabschnitt über die zwei Wärmetauscher vorgewärmt und auf Temperatur gebracht. Wenngleich es vorteilhaft sein kann, wenn die beiden Wärmetauscher als zwei getrennte Elemente ausgebildet sind, kann es auch günstig sein, beide Wärmetauscher in eine gemeinsame Komponente zu integrieren. Eine solche integrale Ausbildung der Wärmetauscher bringt den Vorteil, dass der benötig-

te Bauraum und die Wärmeverluste nach außen reduziert sind.

Die warme Seite des zweiten Wärmetauschers ist in der Kathodenabführleitung stromabwärts des Kathodenabschnittes angeordnet. Das Kathodenabgas gibt also einen guten Teil seiner Wärme ab bzw. diese Wärme wird auf den Luftzuführabschnitt übertragen. Dies Anordnung hat den Vorteil, dass dadurch die Kathodenauslasstemperatur in der Größenordnung von 50 °C bis 200 °C über der Kathodeneinlasstemperatur liegt, wodurch insbesondere der Brennstoffzellenstapel geschützt ist. Darüber hinaus stehen auch die Massenströme beim Kathodeneingang und beim Kathodenausgang in einem ähnlichen Verhältnis zueinander. Diese beiden Tatsachen bringen ideale Voraussetzungen für eine effiziente und stabile Wärmeübertra-

gung, insbesondere auch einem Teillastbetrieb des Brennstoffzellensystems.

Das Brennstoffzellensystem ist insbesondere als HochtemperaturBrennstoffzellensystem und bevorzugt als SOFC-System ausgebildet.

kulationsabschnitt ist im Brennstoffzellensystem eingebunden.

Beim Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung ist ein Luftzuführabschnitt vorgesehen, über welchen Luft von einer Luftquelle in Richtung des Kathodenabschnittes förderbar ist. Unter Luft ist im Rahmen der Erfindung ein sauerstoffhaltiges Gas zu verstehen. Weiter weist das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzuführabschnitt, über welchen Brennstoff von einer Brennstoffquelle in Richtung des Anodenabschnittes förderbar ist. Als Brennstoff kann beispielsweise ein kohlenstoffhaltiges Gas wie Methan oder Ethan, Erdgas oder auch Wasserstoff eingesetzt werden. Grundsätzlich kann auch ein flüssiger Brennstoff verwendet werden. Selbstverständlich sind im Brennstoffzellensystem vorzugsweise weitere Bauteile vorgesehen, beispielsweise ein Reformer oder ein Reformerwärmetauscher, welcher Brennstoff für die Umsetzung im Anodenabschnitt reformiert, Katalysatoren, Verdampfer, Ventile oder weitere

Wärmetauschervorrichtungen.

Der Nachbrenner ist insbesondere als Oxidationskatalysator zum Umsetzten verbleibender Brennstoffanteile im Abgas bzw. zur thermischen Weiterverarbeitung dersel-

ben ausgebildet. Stromabwärts des Nachbrenners ist im Abgasabschnitt eine Abgasleitung zur Abgabe des Abgases an die Umgebung vorgesehen.

Es kann auch günstig sein, den Nachbrenner in einen Wärmetauscher, z. B. in den ersten Wärmetauscher zu integrieren, wobei dieser dann bevorzugt als beschichteter Wärmetauscher ausgebildet ist. Dadurch sind dann der Nachbrenner und der erste Wärmetauscher integral ausgebildet. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn einerseits der Bauraum klein gehalten und andererseits der am Brennstoffzellenstapel anliegende Gegendruck gering gehalten werden soll. Durch eine Reduzierung der Anzahl an Komponenten im Brennstoffzellensystem wird sowohl der Bauraum als

auch der Druckverlust reduziert.

Es ist eine Kathodenabführleitung und eine Anodenabführleitung vorgesehen. Es sind also zwei getrennte Teilabschnitte stromabwärts des Brennstoffzellenstapels

vorgesehen, wobei in der Kathodenabführleitung Kathodenabgas und in der Ano-

men Leitung vereint werden.

Günstig ist es, wenn eine kalte Seite des zweiten Wärmetauschers im Luftzuführabschnitt stromabwärts einer kalten Seite eines ersten Wärmetauschers angeordnet ist. Der erste Wärmetauscher ist im Luftzuführabschnitt also stromaufwärts des zweiten Wärmetauscher vorgesehen. Die Kathodenluft wird also in zwei Stufen erwärmt: in einem ersten Schritt über den ersten Wärmetauscher und in einem zweiten Schritt über den zweiten Wärmetauscher. Stromabwärts des zweiten Wärmetauschers weist die Kathodenluft dann die vorbestimmte Eintrittstemperatur zum Eintritt in den Ka-

thodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels auf.

Dabei ist es weiter vorteilhaft, wenn eine warme Seite des ersten Wärmetauschers im Abgasabschnitt stromabwärts des Nachbrenners angeordnet ist. Die Restwärme, welche im Abgas stromabwärts des Nachbrenners noch vorhanden ist, wird also daZu verwendet, die Kathodenluft im Luftzuführabschnitt durch den ersten Wärmetauscher aufzuwärmen. Die Auslasstemperatur des als Oxidationskatalysator ausgebildeten Nachbrenners liegt üblicherweise im Bereich zwischen 550 °C und 700 °C, ist jedoch abhängig von der Anodenabgasrezirkulationsrate und dem Temperaturniveau am Brennstoffzellenstapel und damit deutlich unter kritischen Temperaturniveaus von 800 °C bis 950 °C. Das nun wieder heißere Abgas wird über den ersten Luftwärmetauscher geführt und erwärmt die Kathodenluft auf insbesondere über 400 °C. Durch diese zweistufige Aufwärmung der Kathodenluft werden sowohl die thermische Bauteilbelastung als auch die Wirkungsgradanforderungen deutlich reduziert. Somit können billigere und langlebigere Komponenten eingesetzt werden.

Von Vorteil ist es, wenn im Brennstoffzuführabschnitt ein Reformerwärmetauscher angeordnet ist, wobei dem Reformerwärmetauscher zumindest ein Teil des Kathodenabgases zuführbar ist. Eine warme Seite des Reformerwärmetauschers ist also in der Kathodenabführleitung angeordnet. Das heißt, der Reformer wird durch das heiße Kathodenabgas auf Betriebstemperatur gebracht. Stromabwärts des Reformer-

wärmetauschers wird das Kathodenabgas dann dem Nachbrenner zugeführt. Der

Günstigerweise kann jedoch auch vorgesehen sein, dass stromaufwärts des Reformerwärmetauscher in der Kathodenabführleitung eine erste Teilvorrichtung angeordnet ist. Die erste Teilvorrichtung ist zur Aufteilung der Kathodenabführleitung vorge-

sehen, um einen Teil des Kathodenabgases zum Nachbrenner zu leiten, ohne dass

Günstig ist es, wenn im Brennstoffzuführabschnitt ein dritter Wärmetauscher und ein vierter Wärmetauscher angeordnet sind, um auch Temperaturen im Anodenpfad effizient und bestimmungsgemäß zu regeln. Der dritte Wärmetauscher ist im Brennstoffzuführabschnitt insbesondere stromaufwärts des vierten Wärmetauschers angeordnet.

Dabei ist es zweckmäßig, wenn eine kalte Seite des dritten Wärmetauschers stromaufwärts des Reformerwärmetauschers und eine kalte Seite des vierten Wärmetauschers stromabwärts des Reformerwärmetauscher angeordnet ist. Der dritte Wärmetauscher ist also stromaufwärts des vierten Wärmetauschers angeordnet, wobei zwischen dem dritten und vierten Wärmetauscher der Reformerwärmetauscher angeordnet ist. Im Brennstoffzuführabschnitt sind jeweils die kalten Seiten der beiden Wärmetauscher angeordnet, um eine Temperatur des Brennstoffes auf eine gewünschte Temperatur zu bringen. Über die warme Seite des vierten Wärmetauschers wird das Anodenabgas geführt, wofür diese in der Anodenabführleitung angeordnet ist. Das heiße Anodenabgas gibt also Wärme auf den bereits reformierten

Brennstoff in der Brennstoffzuführleitung ab.

Vorteilhaft ist es, wenn eine warme Seite des dritten Wärmetauschers im Rezirkulationsabschnitt stromabwärts der Teilvorrichtung angeordnet ist und stromabwärts der warmen Seite des dritten Wärmetauschers eine Verbindung vorgesehen ist, um rezirkuliertes Abgas in die Brennstoffzuführleitung zu leiten. Der dritte Wärmetauscher ist im Rezirkulationsabschnitt angeordnet, wobei diesem jener Teil des heißen Abgases zugeführt wird, welcher nicht zum Nachbrenner geleitet wird. Um die thermische Belastung an beispielsweise einem Rezirkulationsgebläse gering zu halten, wird der zu rezirkulierende Anteil des Anodenabgases über den dritten Wärmetauscher geführt und durch diesen noch einmal abgekühlt. Anschließend wird das somit rezirkulierte Anodenabgas dem Brennstoffzuführabschnitt zugeführt. Es ist folglich eine warme Seite des dritten Wärmetauschers im Rezirkulationsabschnitt angeordnet, wobei eine kalte Seite des dritten Wärmetauschers insbesondere im Brennstoffzuführabschnitt angeordnet ist, sodass der dritte Wärmetauscher ebenso wie der vierte Wärmetauscher insbesondere als Brennstoff/Brennstoff-Wärmetauscher ausgebildet ist.

Vorteilhaft ist es weiter, wenn ein Gebläse vorgesehen ist, um eine Förderung und/oder Rezirkulieren des Anodengases sicherzustellen. Das Gebläse ist insbesondere als Rezirkulationsgebläse ausgebildet und beispielsweise stromabwärts der kalten Seite des dritten Wärmetauschers angeordnet. Alternativ kann das Gebläse auch im Brennstoffzuführabschnitt, welcher mit dem Rezirkulationsabschnitt verbunden ist, angeordnet sein. Die Anordnung des dritten Wärmetauschers bringt den Vorteil mit

sich, dass im Gebläse die thermische Belastung desselben und auch die Kompressi-

schrieben) auf die geforderte Anodeneinlasstemperatur gebracht.

Günstigerweise ist ein Startbrenner vorgesehen. Durch den Startbrenner erfolgt ein Aufheizen des Brennstoffzellensystems. Der Startbrenner kann vorteilhaft beispielsweise als Flammenbrenner, als katalytischer Brenner oder als Hybridbrenner (katalytisch mit Flamme kombiniert) ausgeführt sein. Günstig kann es auch sein, wenn der Startbrenner in einen Oxidationskatalysator integriert oder kombiniert mit diesem ausgebildet ist. Die durch den Starbrenner freigesetzte Wärme kann mit Vorteil an verschiedenen Stellen in das System eingebracht werden, beispielsweise in eine Kathodenabgasleitung direkt stromabwärts des Kathodenabschnittes, in die Luftzuführleitung oder direkt in den Oxidationskatalysator oder stromabwärts oder stromaufwärts davon. Die Anordnung des Startbrenner ist abhängig von einzelnen Komponentenspezifikationen wie Temperaturlimits, Verträglichkeit von Verbrennungsabgas, und Ähnlichem. Im Aufheizprozess des Brennstoffzellensystems wird Wärme im Startbrenner generiert, wobei Leitungen zum Zuführen von Brennstoff und Luft zum

Startbrenner vorgesehen sind.

Eine Kathodeneinlasstemperatur am Brennstoffzellenstapel ist beispielsweise mit der oben beschriebenen Aufteilung des Kathodenabgases regelbar, da dadurch gleichzeitige eine Reformeraustrittstemperatur beeinflusst ist. Allerdings kann die Kathodeneinlasstemperatur auch über den Startbrenner geregelt werden, wobei dem

Startbrenner Luft und/oder Brennstoff zugeführt werden kann.

Eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems erfolgt mit Vor-

teil als stationäre Anlage oder in einem Kraftfahrzeug. Vorteilhaft kann das erfin-

dungsgemäße Brennstoffzellensystem auch in marinen Anwendungen oder Flugzeu-

gen verwendet werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung Ausfüh-

rungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben ist. Es zeigt schematisch:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensys-

tems;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Brennstoff-

zellensystems;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Brennstoff-

zellensystems.

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1 mit einem Brennstoffzellenstapel 2 umfassend einen Anodenabschnitt 3 und einen Kathodenabschnitt 4. Es ist eine Luftquelle 22 vorgesehen, an welche ein Luftzuführabschnitt 5 anschließt, um Luft in Richtung des Kathodenabschnittes 4 zu fördern. Ebenso ist eine Brennstoffquelle 23 vorgesehen, an welche sich ein Brennstoffzuführabschnitt 6 anschließt, um Brennstoff in Richtung des Anodenabschnittes 3 zu fördern. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst weiter einen Rezirkulationsabschnitt 11, über welches Abgas aus dem Anodenabschnitt 3 durch ein Gebläse 20 wieder in Richtung des Anodenabschnittes 3 gefördert wird. Es ist ein Abgasabschnitt 9 mit einem Nachbrenner 10 vorgesehen. Der Nachbrenner 10 ist als Oxidationskatalysator ausgebildet, wobei in diesen zumindest mittelbar sowohl eine Kathodenabführleitung 7 als auch eine Anodenabführleitung 8 führen. Es wird also Anodenabgas unter Zufuhr von Kathodenabgas verbrannt. Das verbrannte Abgas wird dann über einen ersten Wärmetauscher 12 an die Umgebung 24 abgeführt.

Die Anodenabführleitung 8 und die Kathodenabführleitung 7 sind als zwei getrennte Leitungen ausgebildet. Beim Brennstoffzellensystem 1 gemäß Fig. 1 werden diese

Leitungen bis zum Nachbrenner 10 getrennt geführt.

Im Luftzuführabschnitt 5 wird Luft von der Luftquelle 22 in Richtung des Kathodenabschnittes 4 geführt, wobei diese stromabwärts der Luftquelle 22 zuerst durch die kalte Seite des ersten Wärmetauschers 12 und dann durch die kalte Seite eines zweiten Wärmetauschers 13 geführt und dadurch erwärmt wird. Stromabwärts des zweiten Wärmetauschers 13 und stromaufwärts des Kathodenabschnittes 4 ist eine zweite Verbindung 28 vorgesehen, bei welcher die erwärmte Luft mit frischer Luft, welche über eine zusätzliche Luftleitung 25 eingebracht wird, gegebenenfalls vermischbar ist, um eine Einlasstemperatur des Kathodenabschnittes insbesondere auch ohne

Verzögerung zu regeln.

Eine warme Seite eines zweiten Wärmetauschers 13 ist in der Kathodenabführleitung 7 stromabwärts des Kathodenabschnittes 4 und eine warme Seite des ersten Wärmetauschers 12 ist im Abgasabschnitt 9 stromabwärts des Nachbrenners 10 angeordnet ist. Die jeweils kalten Seiten der beiden Wärmetauscher 12, 13 sind im Luftzuführabschnitt 5 angeordnet, wobei der erste Wärmetauscher 12 unmittelbar stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers 13 angeordnet ist. Beide Wärmtauscher

12, 13 sind als Luft/Luft-Wärmetauscher ausgebildet.

Im Brennstoffzuführabschnitt 6 sind ein dritter Wärmetauscher 16 und stromabwärts davon ein vierter Wärmetauscher 17 vorgesehen, welche jeweils als Brennstoff/Brennstoff-Wärmetauscher ausgebildet sind. Zwischen den beiden Wärmetauschers 16, 17 ist ein Reformerwärmetauscher 14 angeordnet, in welchem der Brennstoff zur Verwendung im Anodenabschnitt 3 reformiert wird. Der Reformerteil des Reformerwärmetauschers 14, welcher die kalte Seite ausbildet, ist im Brennstoffzuführabschnitt 6 und der Wärmetauscherteil des Reformerwärmetauscher 14, welcher als warme Seite ausgebildet ist, ist in der Kathodenabführleitung 7 stromabwärts der warmen Seites des zweiten Wärmetauschers 13 angeordnet. Der Reformer wird also durch das Kathodenabgas, welches bereits einen Teil seiner Wärme über den zweiten Wärmetauscher 13 auf die Luftzuführleitung 5 abgegeben hat, auf Betriebstemperatur gebracht. Stromaufwärts des Anodenabschnittes 3 und der kalten Seite des vierten Wärmetauschers 17 ist der Reformerwärmetauscher 14 angeordnet, welcher den Brennstoff zur Verwendung im Anodenabschnitt 3 aufbereitet. Dem Reformerwärmetauscher 14 wird zum Aufwärmen des entsprechenden Reformerabschnittes Kathodenabgas über die Kathodenabführleitung 7 zugeführt. Gemäß Fig. 1 ist der

warmen Seite des Reformerwärmetauscher 14 das gesamte Kathodenabgas zuführ-

Nachbrenner 10 zugeführt wird.

Die beiden Wärmetauscher 16, 17 im Brennstoffzuführabschnitt 6 werden jeweils durch Anodenabgas erwärmt. Dabei wird das Anodenabgas in der Anodenabführleitung 8 zuerst über den vierten Wärmetauscher geleitet. Stromabwärts der warmen Seite des vierten Wärmetauschers 17 ist eine zweite Teilvorrichtung 18 vorgesehen, um einen Teil des Abgas in den Rezirkulationsabschnitt 11 zu leiten, in welchem der dritte Wärmetauscher angeordnet ist und somit durch das Abgas erwärmt wird. Der andere Teil des Anodenabgases verbleibt im Anodenabführabschnitt 8 und wird in Richtung des Nachbrenners geleitet, in welchem das Anodenabgas unter Zuführung von Kathodenabgas verbrannt wird. Die Restwärme des Abgases wird stromabwärts des Nachbrenners 10 über den ersten Wärmetauscher 12 geführt und schließlich an

die Umgebung abgegeben.

Stromabwärts der warmen Seite des dritten Wärmetauschers 16 wird das rezirkulierte Abgas über eine Verbindung 19 wieder in den Brennstoffzuführabschnitt 6 eingebracht.

Im Brennstoffzuführabschnitt 6 ist weiter ein Gebläse 20 vorgesehen, welches als Rezirkulationsgebläse ausgebildet ist und gemäß Fig. 1 im Brennstoffzuführabschnitt 6 zwischen der Verbindung 19 und der kalten Seiten des dritten Wärmetauschers 16 angeordnet ist. Bei dieser Anordnung des Gebläses 20, ist es möglich, die thermische Belastung des Gebläses 20 und auch die Kompressionsarbeit zu reduzieren. Darüber hinaus kann bei entsprechender Auslegung der frische Brennstoff über das Gebläse 20 angesaugt werden, wenn der Versorgungsdruck zu gering ist. Dafür kann weiter z. B. eine Regeleinheit in den Brennstoffzuführabschnitt 6 eingebaut werden (nicht dargestellt), um unabhängig einer Rezirkulationsrate auch die Brenn-

stoffzufuhr regeln zu können.

Stromaufwärts des Gebläses 20 ist die fluidische Verbindung 19 zwischen dem Rezirkulationsabschnitt 11 und dem Brennstoffzuführabschnitt 6 vorgesehen, sodass frischer Brennstoff in den Rezirkulationsabschnitt 11 einbringbar ist. Der frische Brennstoff wird nun zusammen mit dem rezirkulierten Abgas in Richtung des Anodenabschnittes 3 gefördert. Dabei wird dieser Brennstoff nun in einem ersten Schritt durch die kalte Seite des zweiten Wärmetauschers 16 geführt, wodurch dieser wie-

der erwärmt wird.

tung 5 (strichlierte Linie) zugeführt.

Fig. 2 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1. Elemente, welche die gleiche Funktion und insbesondere gleiche Anordnung wie jene gemäß Fig. 1 haben, haben auch die gleichen Bezugszeichen und werden nicht weiter beschrieben. Im Unterschied zur Fig. 1 ist beim Brennstoffzellensystem 1 gemäß Fig . 2 das Gebläse 20 stromabwärts der warmen Seite des dritten Wärmetauschers 16 und stromaufwärts der Verbindung 19 angeordnet. Diese Ausführung ist vorteilhaft, wenn ein Versorgungsdruck vom frischen Brennstoff hoch sein sollte (z. B. mehr als 300 mbar). Der fische Brennstoff wird dann erst nach dem Gebläse 20 über die Verbin-

dung 19 dem Rezirkulationsabschnitt 11 zugeführt.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist eine erste Teilvorrichtung 15 zur Aufteilung der Kathodenabführleitung 7 vorgesehen ist, um einen Teil des Kathodenabgases direkt zum Nachbrenner 10 zu leiten. Es wird also nicht das gesamte Kathodenabgas über den Reformerwärmetauscher 14 zum Nachbrenner 10 geführt, sondern ein Teil davon wird direkt zum Nachbrenner 10 geführt. Bei dieser Ausführung ist eine dritte Verbindung 26 vorgesehen, um die beiden Teilströme des Kathodenabgases strom-

aufwärts des Nachbrenners 10 wieder zusammenzuführen.

Darüber hinaus sind beim Brennstoffzellensystem 1 gemäß Fig. 2 eine separate Luftleitung 5a und eine separate Brennstoffleitung 6a vorgesehen, über welche Luft und Brennstoff zum Nachbrenner 10 bringbar sind. Dadurch ist eine Temperatur und Zündfähigkeit im Nachbrenner noch besser regelbar.

Es ist wieder die zweite Verbindung 28 vorgesehen, bei welcher die erwärmte Luft mit frischer Luft, welche über die zusätzliche Luftleitung 25 eingebracht wird, gegebenenfalls vermischbar ist. Bei dieser Ausführung des Brennstoffzellensystems 1 ist weiter auch ein Heizer 27, insbesondere ein elektrischer Heizer 27, vorgehen,

wodurch die zusätzlichen Luftleitung 25 auch für einen Aufheizvorgang benutzbar ist.

Zur Vereinfachung ist in Fig. 2 der Startbrenner 21 nicht dargestellt.

In Fig. 3 ist ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1 gezeigt. Auch hier haben Elemente, welche die gleiche Funktion und insbesondere gleiche Anordnung wie jene gemäß Fig. 1 oder 2 haben, haben auch die gleichen Bezugszeichen und werden nicht weiter beschrieben. Im Unterschied zu den Brennstoffzellensystemen 1 gemäß Fig. 1 und 2 ist hier der erste Wärmetauscher 12 integral bzw. als ge-

meinsame Komponente mit dem Nachbrenner 10 ausgebildet.

Claims (12)

Patentansprüche

1. Brennstoffzellensystem (1), insbesondere SOFC-System, umfassend zumindest einen Brennstoffzellenstapel (2) mit einem Anodenabschnitt (3) und einem Kathodenabschnitt (4), einen Luftzuführabschnitt (5), einen Brennstoffzuführabschnitt (6), eine Kathodenabführleitung (7), eine Anodenabführleitung (8), einen Abgasabschnitt (9) mit einem Nachbrenner (10) und einen Rezirkulationsabschnitt (11), dadurch gekennzeichnet, dass im Luftzuführabschnitt (5) zumindest zwei Wärmetauscher (12, 13) angeordnet sind, wobei eine warme Seite eines zweiten Wärmetauschers (13) in der Kathodenabführlei-

tung (7) stromabwärts des Kathodenabschnittes (4) angeordnet ist.

2. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine kalte Seite des zweiten Wärmetauschers (13) im Luftzuführabschnitt (5) stromabwärts einer kalten Seite eines ersten Wärmetauschers (12) angeord-

net ist.

3. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine warme Seite des ersten Wärmetauschers (12) im Abgasabschnitt (9) stromabwärts des Nachbrenners (10) angeordnet ist.

4. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Brennstoffzuführabschnitt (6) ein Reformerwärmetauscher (14) angeordnet ist, wobei dem Reformerwärmetauscher (14) zumindest

ein Teil des Kathodenabgases zuführbar ist.

5. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts des Reformerwärmetauscher (14) in der Kathodenabführleitung

(7) eine erste Teilvorrichtung (15) angeordnet ist.

6. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Brennstoffzuführabschnitt (6) ein dritter Wärmetauscher (16) und ein vierter Wärmetauscher (17) angeordnet sind.

7. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine kalte Seite des dritten Wärmetauschers (16) stromaufwärts des Reformwärmetauschers (14) und eine kalte Seite des vierten Wärmetauschers (17) stromabwärts des Reformwärmetauscher (14) angeordnet sind.

den Rezirkulationsabschnitt (11) und den Abgasabschnitt (9) vorgesehen ist.

9. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine warme Seite des dritten Wärmetauschers (16) im Rezirkulationsabschnitt (11) stromabwärts der zweiten Teilvorrichtung (18) angeordnet ist und stromabwärts der warmen Seite des dritten Wärmetauschers (16) eine Verbindung (19) vorgesehen ist, um rezirkuliertes Abgas in die Brennstoffzuführleitung (6) zu leiten.

10. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch ge-

kennzeichnet, dass ein Gebläse (20) vorgesehen ist.

11. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge-

kennzeichnet, dass ein Startbrenner (21) vorgesehen ist.

12. Verwendung eines Brennstoffzellensystems (1) nach einem der Ansprüche 1

bis 11 als stationäre Anlage oder in einem Kraftfahrzeug.