AT525946B1 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein 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), wobei im Luftzuführabschnitt (5) zumindest zwei Wärmetauscher (12, 13) angeordnet sind, wobei eine warme Seite eines zweiten Wärmetauschers (13) in der Kathodenabführleitung (7) stromabwärts des Kathodenabschnittes (4) angeordnet ist wobei im Brennstoffzuführabschnitt (6) ein dritter Wärmetauscher (16) und ein vierter Wärmetauscher (17) angeordnet sind, wobei eine warme Seite des vierten Wärmetauschers (17) in der Anodenabführleitung (8) stromabwärts des Anodenabschnittes (3) angeordnet ist, wobei stromabwärts der warmen Seite des vierten Wärmetauschers (17) eine zweite Teilvorrichtung (18) zur Aufteilung der Anodenabgasleitung (8) in den Rezirkulationsabschnitt (11) und den Abgasabschnitt (9) vorgesehen ist. Weiter betrifft die Erfindung eine Verwendung eines solchen Brennstoffzellensystem (1).

Description

Beschreibung

BRENNSTOFFZELLENSYSTEM

[0001] 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 einem Nachbrenner und einen Rezirkulationsabschnitt, wobei im Luftzuführabschnitt zumindest zwei Wärmetauscher angeordnet sind, wobei eine warme Seite eines zweiten Wärmetauschers in der Kathodenabführleitung stromabwärts des Kathodenabschnittes angeordnet ist, wobei im Brennstoffzuführabschnitt ein dritter Wärmetauscher und ein vierter Wärmetauscher angeordnet sind.

[0002] Weiter betrifft die Erfindung eine Verwendung eines solchen Brennstoffzellensystems.

[0003] 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.

[0004] Beispielsweise sind solche Brennstoffzellensystem aus der CN 111952642 A, der CN 109326805 B und der WO 2020215113 A1 bekannt.

[0005] 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.

[0006] Hier setzt die Erfindung an. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, welches besonders effizient insbesondere auch bei sehr hohen Brennstoffzellenstapeltemperaturen betreibbar ist.

[0007] Weiter ist es ein Ziel, ein eine Verwendung eines solchen Brennstoffzellensystems anzugeben.

[0008] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einem Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art eine warme Seite des vierten Wärmetauschers in der Anodenabführleitung stromabwärts des Anodenabschnittes angeordnet ist, wobei stromabwärts der warmen Seite des vierten Wärmetauschers eine zweite Teilvorrichtung zur Aufteilung der Anodenabgasleitung in den Rezirkulationsabschnitt und den Abgasabschnitt vorgesehen ist.

[0009] 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 geforderte Wärmetauscherwirkungsgrade gering gehalten werden können.

[0010] 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 benötigte Bauraum und die Wärmeverluste nach außen reduziert sind.

[0011] 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 Wärmeübertragung, insbesondere auch einem Teillastbetrieb des Brennstoffzellensystems.

[0012] Im Brennstoffzuführabschnitt ist weiter 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.

[0013] Erfindungsgemäß vorgesehen ist es, dass eine warme Seite des vierten Wärmetauschers in der Anodenabführleitung stromabwärts des Anodenabschnittes angeordnet ist, wobei stromabwärts der warmen Seite des vierten Wärmetauschers eine zweite Teilvorrichtung zur Aufteilung der Anodenabgasleitung in den Rezirkulationsabschnitt und den Abgasabschnitt vorgesehen ist. Das Anodenabgas ist also im vierten Wärmetauscher abkühlbar, wonach dieses durch die zweite Teilvorrichtung in einen Abschnitt der zum Nachbrenner geht und in den Rezirkulationsabschnitt aufgeteilt wird. Durch die Aufteilung des Anodenabgases wird nicht das ganze, insbesondere sehr heiße Abgas, sondern nur ein Teil desselben direkt zum Nachbrenner geleitet wird, wodurch eine Temperatur im Nachbrenner gesenkt werden kann. Dadurch ist die Temperatur auch stromaufwärts des Nachbrenners unter eine Zündtemperatur senkbar, wodurch unerwünschte Zündungen in Leitungen vermieden werden.

[0014] Das Brennstoffzellensystem ist insbesondere als Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem und bevorzugt als SOFC-System ausgebildet.

[0015] Der Rezirkulationsabschnitt dient der Rezirkulation von Anodenabgas als Rezirkulationsgas aus dem Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems. Hierfür ist der Rezirkulationsabschnitt insbesondere mit einer Rezirkulationsleitung ausgestattet, welche insbesondere fluidkommunizierend mit dem Anodenabschnitt, insbesondere mit der Brennstoffzuführleitung verbunden ist. Der Rezirkulationsabschnitt ist im Brennstoffzellensystem eingebunden.

[0016] 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.

[0017] Der Nachbrenner ist insbesondere als Oxidationskatalysator zum Umsetzten verbleibender Brennstoffanteile im Abgas bzw. zur thermischen Weiterverarbeitung derselben ausgebildet.

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

[0018] 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.

[0019] 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 Anodenabführleitung Anodenabgas führbar ist. Insbesondere sind beide Abführleitungen getrennt voneinander bis zum Nachbrenner geführt. Grundsätzlich kann die Anodenabgasleitung zumindest teilweise als Teil des Rezirkulationsabschnittes angesehen werden. Es kann auch von Vorteil sein, wenn die Kathodenabführleitung und die Anodenabführleitung bereits stromaufwärts des Nachbrenners zu einer gemeinsamen Leitung vereint werden.

[0020] 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 Kathodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels auf.

[0021] 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.

[0022] 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. Straomabwärts des Reformerwärmetauschers wird das Kathodenabgas dann dem Nachbrenner zugeführt. Der Reformerwärmetauscher ist bevorzugt mit einer kalten Seite im Brennstoffzuführabschnitt stromaufwärts des Anodenabschnittes angeordnet. Dieser umfasst also eine kalte Seite stromaufwärts des Anodenabschnitts, die einen Reformer bildet, und eine warme Seite stromabwärts des Kathodenabschnitts, die einen Wärmetauscher bildet. Die Wärmetauscherseite des Reformerwärmetauschers ist in der Kathodenabführleitung stromabwärts der warmen Seite des zweiten Wärmetauschers angeordnet. Das heiße Kathodenabgas gibt folglich zuerst Wärme über den zweiten Wärmetauscher an die Luftzuführleitung und danach an den Reformer in der Brennstoffzuführleitung ab. Das abgekühlte Kathodenabgas, welches stromabwärts des zweiten Wärmetauschers eine Temperatur im Bereich zwischen 500 °C und 620 °C aufweist, wird nun weitergeleitet und gibt Wärme an den Reformer ab. Auch hier passen sowohl das Massenstromverhältnis als auch insbesondere das Temperaturniveau für eine Wärmeüber-

tragung, da die gewünschten Reformerauslasstemperaturen insbesondere in Temperaturbereichen zwischen 350 °C bis 520 °C liegen. Somit kann auch in verschiedenen Lastpunkten die Reformerauslasstemperatur ohne weitere Regelung stabil gehalten werden. Es hat sich herausgestellt, dass es unter Abwägung verschiedener Faktoren durchaus möglich ist und auch von Vorteil sein kann, das Kathodenabgas vollständig dem Wärmetauscher am Reformer bzw. der heißen Seite des Reformerwärmetauschers zuzuführen. Zunächst ist es von Vorteil, dass keine Strömungsteiler oder Teilvorrichtungen stromabwärts des Kathodenabschnitts nötig sind. Es kann also günstig sein, wenn das Kathodenabgas vom Kathodenabschnitt direkt und unverzweigt, also vollständig, zum Wärmetauscher am Reformer geleitet wird. Das Kathodenabgas wird also insbesondere über den Reformer geführt und gibt dort Wärme an den insbesondere endothermen Dampfreformierungsprozess ab. Anschließend wird das Kathodenabgas insbesondere mit dem Anodenabgas gemischt und im Nachbrenner umgesetzt. Stromabwärts des Reformerwärmetauschers liegt die Temperatur des Kathodenabgases in der Größenordnung von 460 °C bis 560 °C und damit unterhalb der Zündtemperatur von Anodenabgas. Damit kann ohne eine Selbstentzündung das Anodenabgas, welches nicht rezirkuliert wird, in das kühle Kathodenabgas eingeleitet werden, um stromabwärts im als Oxidationskatalysator ausgebildeten Nachbrenner umgesetzt zu werden.

[0023] 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 vorgesehen, um einen Teil des Kathodenabgases zum Nachbrenner zu leiten, ohne dass dieses durch den Reformerwärmetauscher geführt wird. Das heißt, es wird nicht das gesamte Kathodenabgas über den Reformerwärmetauscher zum Nachbrenner geleitet, sondern ein Teil davon wird auch direkt zum Nachbrenner geleitet. Hierbei ist weiter vorteilhaft eine Verbindung stromaufwärts des Nachbrenners vorgesehen, bei welcher sich das vorher aufgeteilter Kathodenabgas wiedervereint und gemeinsam zum Nachbrenner geleitet wird. Dadurch ist die Temperatur im Nachbrenner noch besser regelbar, da sowohl dem Anodenabgas wie noch erläutert werden wird als auch dem Kathodenabgas über ein geeignetes Wärmetauschernetzwerk Wärme einziehbar ist, bevor diese Gase in den Nachbrenner geleitet werden. Durch die Wärmeabgabe vom Kathodenabgas als auch Anodenabgas vor dem Mischungspunkt stromaufwärts des oder im Nachbrenners wird die Temperatur im Mischungspunkt herabgesetzt. Darüber hinaus ist dadurch auch die Temperatur im und nach dem Nachbrenner reduziert, wodurch eine erhöhte thermische Degradation desselben verhindert ist. Diese Ausführung bringt weiter den Vorteil, dass die Temperatur am Reformwärmetauscher aktiv regelbar ist, indem der Massenstrom über den Reformerwärmetauscher reduziert wird. Damit ist die Auslegung der Wärmeübertragung im Reformer nicht mehr so kritisch.

[0024] 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. Uber 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.

[0025] 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.

[0026] 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 Kompressionsarbeit reduziert werden können. Es ist bevorzugt im Brennstoffzuführabschnitt eine fluidische Verbindung zum Rezirkulationsabschnitt vorgesehen, über welche frischer Brennstoff zwischen dem Brennstoffzuführabschnitt und dem Rezirkulationsabschnitt in den Rezirkulationsabschnitt eingebracht wird. Dabei kann es günstig sein, wenn der frische Brennstoff im Brennstoffzuführabschnitt über das Gebläse ansaugbar ist, wenn der Versorgungsdruck zu gering ist. Dafür kann z. B. eine Regeleinheit im Brennstoffzuführabschnitt eingebaut sein, um hier unabhängig der Rezirkulationsrate auch die Brennstoffzufuhr regeln zu können. Sollte der Versorgungsdruck vom frischen Brennstoff hoch sein (z. B. über 300 mbar), kann der frische Brennstoff erst nach dem Gebläse dem Rezirkulationsabschnitt zugeführt werden. Der nun mit frischem Brennstoff angereicherte Brennstoffzuführabschnitt wird im dritten Wärmetauscher vorgewärmt und in den Reformer eingebracht und reformiert (mit Wärmeeintrag aus dem Kathodenabgas wie oben beschrieben). Danach wird der Brennstoff im vierten Wärmetauscher (Wärme aus dem Anodenabgas, wie oben beschrieben) auf die geforderte Anodeneinlasstemperatur gebracht.

[0027] 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 Startbrenner 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 Ahnlichem. Im Aufheizprozess des Brennstoffzellensystems wird Wärme im Startbrenner generiert, wobei Leitungen zum Zuführen von Brennstoff und Luft zum Startbrenner vorgesehen sind.

[0028] 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.

[0029] Eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems erfolgt mit Vorteil als stationäre Anlage oder in einem Kraftfahrzeug. Vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem auch in marinen Anwendungen oder Flugzeugen verwendet werden.

[0030] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben ist. Es zeigt schematisch:

[0031] Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;

[0032] Fig. 2 eine schematische Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;

[0033] Fig. 3 eine schematische Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.

[0034] 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.

[0035] 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.

[0036] 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.

[0037] 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 LufV/Luft-Wärmetauscher ausgebildet.

[0038] 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 zuführbar, welches anschließend stromabwärts des Reformerwärmetauschers 14 dem Nachbrenner 10 zugeführt wird.

[0039] 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.

[0040] Stromabwärts der warmen Seite des dritten Wärmetauschers 16 wird das rezirkulierte Abgas über eine Verbindung 19 wieder in den Brennstoffzuführabschnitt 6 eingebracht.

[0041] 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 Brennstoffzufuhr regeln zu können.

[0042] 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 wieder erwärmt wird.

[0043] Das Brennstoffzellensystem 1 gemäß Fig. 1 umfasst weiter einen Startbrenner 21, welchem sowohl Brennstoff aus der Brennstoffquelle 23 als auch Luft aus der Luftquelle 22 zugeführt werden. Der Startbrenner 21 ist zum Aufheizen des Brennstoffzellensystems 1 angeordnet und ausgebildet. Hierfür wird die Wärme beispielsweise stromabwärts des Kathodenabschnittes 4 der Kathodenabführleitung 7 (durchgezogenen Linie) oder stromabwärts des zweiten Wärmetauschers 13 der Luftzuführleitung 5 (strichlierte Linie) zugeführt.

[0044] 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 Verbindung 19 dem Rezirkulationsabschnitt 11 zugeführt.

[0045] 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 stromaufwärts des Nachbrenners 10 wieder zusammenzuführen.

[0046] 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.

[0047] 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.

[0048] Zur Vereinfachung ist in Fig. 2 der Startbrenner 21 nicht dargestellt.

[0049] 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 gemeinsame Komponente mit dem Nachbrenner 10 ausgebildet.

Claims (10)

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), wobei im Luftzuführabschnitt (5) zumindest zwei Wärmetauscher (12, 13) angeordnet sind, wobei eine warme Seite eines zweiten Wärmetauschers (13) in der Kathodenabführleitung (7) stromabwärts des Kathodenabschnittes (4) angeordnet ist, wobei im Brennstoffzuführabschnitt (6) ein dritter Wärmetauscher (16) und ein vierter Wärmetauscher (17) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine warme Seite des vierten Wärmetauschers (17) in der Anodenabführleitung (8) stromabwärts des Anodenabschnittes (3) angeordnet ist, wobei stromabwärts der warmen Seite des vierten Wärmetauschers (17) eine zweite Teilvorrichtung (18) zur Aufteilung der Anodenabgasleitung (8) in den Rezirkulationsabschnitt (11) und den Abgasabschnitt (9) vorgesehen 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) angeordnet 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 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.

7. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 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.

8. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass im Brennstoffzuführabschnitt (6) oder im Rezirkulationsabschnitt (11) ein Gebläse (20) vorgesehen ist.

9. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Startbrenner (21) vorgesehen ist.

10. Verwendung eines Brennstoffzellensystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als stationäre Anlage oder in einem Kraftfahrzeug.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen