AT527078A1 - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1) mit zumindest einem Brennstoff- zellenstapel (2) mit einem Anodenabschnitt (3) und einem Kathodenabschnitt (4), umfassend einen Anodenzuführabschnitt (5), einen Anodenabführabschnitt (6), einen Kathodenzuführabschnitt (7), einen Kathodenabführabschnitt (8) und einen Abgas- abschnitt (10), wobei im Kathodenzuführabschnitt (7) ein erstes Gebläse (11) und im Abgasabschnitt (10) ein zweites Gebläse (12) angeordnet ist. Weiter betrifft die Erfindung eine Verwendung eines solchen Brennstoffzellensys- tem (1).The invention relates to a fuel cell system (1) with at least one fuel cell stack (2) with an anode section (3) and a cathode section (4), comprising an anode feed section (5), an anode discharge section (6), a cathode feed section (7), a cathode discharge section (8) and an exhaust gas section (10), wherein a first blower (11) is arranged in the cathode feed section (7) and a second blower (12) is arranged in the exhaust gas section (10). The invention further relates to a use of such a fuel cell system (1).
Description
Brennstoffzellensystem Fuel cell system
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einem Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt, umfassend einen Anodenzuführabschnitt, einen Anodenabführabschnitt, einen Kathodenzuführabschnitt, einen Kathodenabführabschnitt und einen Abgasabschnitt. The invention relates to a fuel cell system having at least one fuel cell stack with an anode section and a cathode section, comprising an anode feed section, an anode discharge section, a cathode feed section, a cathode discharge section and an exhaust gas section.
Weiter betrifft die Erfindung eine Verwendung eines solchen Brennstoffzellensys-The invention further relates to a use of such a fuel cell system
tems. tems.
Brennstoffzellensysteme, insbesondere SOFC-Systeme sind aus dem Stand der Technik bekannt. Solche Brennstoffzellensystem umfassen oftmals ein Gebläse im Kathodenzuführabschnitt, um Luft in Richtung des Brennstoffzellenstapels zu fördern. Mit einem aus dem Stand der Technik bekannten Brennstoffzellensystem ist es allerdings nur bedingt möglich, einen Druck unabhängig von einem Brennstoffzellenstapel bzw. einem Druck innerhalb des Brennstoffzellenstapels zu regeln. Fuel cell systems, particularly SOFC systems, are known from the prior art. Such fuel cell systems often include a fan in the cathode feed section to convey air towards the fuel cell stack. However, with a fuel cell system known from the prior art, it is only possible to a limited extent to regulate a pressure independently of a fuel cell stack or a pressure within the fuel cell stack.
Hier setzt die Erfindung an. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, welches insbesondere auch bei einer Verwendung von drucksensitiven Brennstoffzellenstapel besonders effizient betreibbar ist. This is where the invention comes in. The object of the invention is to provide a fuel cell system which can be operated particularly efficiently, particularly when using pressure-sensitive fuel cell stacks.
Weiter ist es ein Ziel, eine Verwendung eines solchen Brennstoffzellensystems anzugeben. A further aim is to specify a use of such a fuel cell system.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einem Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art im Kathodenzuführabschnitt ein erstes Gebläse und im Abgasabschnitt ein zweites Gebläse angeordnet ist. The object is achieved according to the invention in that, in a fuel cell system of the type mentioned at the outset, a first blower is arranged in the cathode supply section and a second blower is arranged in the exhaust gas section.
Ein dadurch erzielter Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass durch die Anordnung von zwei Gebläsen ein Druck stromaufwärts und stromabwärts des Brennstoffzellenstapels unabhängig voneinander einstellbar ist. Darüber hinaus ist dadurch ein druckentkoppeltes Brennstoffzellenstapelmodul geschaffen und ein Druck vor und nach dem Brennstoffzellenstapel kann unabhängig vom jeweils anderen eingestellt und reguliert werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der zumindest eine Brennstoffzellenstapel nur für geringe Überdrücke ausgebildet ist und/oder dieser sehr sensibel auf Druckschwankungen ist. One advantage achieved in this way is that the arrangement of two blowers allows the pressure upstream and downstream of the fuel cell stack to be adjusted independently of one another. In addition, this creates a pressure-decoupled fuel cell stack module and the pressure before and after the fuel cell stack can be adjusted and regulated independently of the other. This is particularly advantageous if the at least one fuel cell stack is only designed for low overpressures and/or is very sensitive to pressure fluctuations.
Das erste Gebläse im Kathodenzuführabschnitt ist insbesondere als Druckgebläse The first blower in the cathode feed section is particularly designed as a pressure blower
und das zweite Gebläse im Abgasabschnitt ist insbesondere als Sauggebläse oder and the second fan in the exhaust section is designed in particular as a suction fan or
Heißgasgebläse ausgebildet. Hot gas blower designed.
Erfindungsgemäß kann eine Wärmeauskopplung (sogenannte „heat recovery“) vorgesehen sein, um das als Sauggebläse ausgebildete zweite Gebläse vor einer Übertemperatur zu schützen. Grundsätzlich kann nicht nur das erste, sondern auch das zweite Gebläse als Heißgasgebläse ausgebildet sein. According to the invention, heat extraction (so-called “heat recovery”) can be provided in order to protect the second fan, which is designed as a suction fan, from excess temperature. In principle, not only the first but also the second fan can be designed as a hot gas fan.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ist insbesondere als Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem und bevorzugt als SOFC-System oder SOEC-System ausgebildet. The fuel cell system according to the invention is designed in particular as a high-temperature fuel cell system and preferably as an SOFC system or SOEC system.
Insbesondere kann eine spezielle Volumenstrom- und/oder Druckregelstrategie vorgesehen sein, um das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem mit den zwei Ge-In particular, a special volume flow and/or pressure control strategy can be provided in order to control the fuel cell system according to the invention with the two
bläsen effizient betreiben zu können. to operate blowers efficiently.
Beim Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung ist ein Kathodenzuführabschnitt vorgesehen, über welchen Luft von einer Luftquelle durch das erste Gebläse in Richtung des Kathodenabschnittes förderbar ist. Unter Luft ist im Rahmen der Erfindung ein sauerstoffhaltiges Gas zu verstehen. Weiter weist das Brennstoffzellensystem einen Anodenzuführabschnitt auf, über welchen Brennstoff von einer Brennstoffquelle in Richtung des Anodenabschnittes förderbar ist. Als Brennstoff kann beispielsweise ein kohlenstoffhaltiges Gas wie Methan oder Ethan, Erdgas, Ammoniak 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, KataIysatoren, beispielsweise in einer Abgasleitung, zum Umsetzten verbleibender Brennstoffanteile im Abgas oder weitere Wärmetauschervorrichtungen. In the fuel cell system according to the invention, a cathode feed section is provided, via which air can be conveyed from an air source through the first blower in the direction of the cathode section. In the context of the invention, air is understood to mean an oxygen-containing gas. The fuel cell system also has an anode feed section, via which fuel can be conveyed from a fuel source in the direction of the anode section. A carbon-containing gas such as methane or ethane, natural gas, ammonia or even hydrogen can be used as the fuel. In principle, a liquid fuel can also be used. Of course, further components are preferably provided in the fuel cell system, for example a reformer or a reformer heat exchanger, which reforms fuel for conversion in the anode section, catalysts, for example in an exhaust line, for converting remaining fuel components in the exhaust gas or other heat exchanger devices.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ist insbesondere dann von Vorteil, wenn kein konstruktiver Druckausgleich am Brennstoffzellenstapel möglich ist. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Brennstoffzellensystems ist es weiter möglich, jene Komponenten (beispielsweise Wärmetauscher, Oxidationskatalysator, Reformer), welche im heißen Bereich desselben angeordnet sind, bautechnisch kleiner auszubilden. The fuel cell system according to the invention is particularly advantageous when no structural pressure equalization is possible on the fuel cell stack. The design of the fuel cell system according to the invention also makes it possible to make those components (for example heat exchanger, oxidation catalyst, reformer) which are arranged in the hot area of the system smaller in terms of construction.
Vorteilhaft ist es, wenn der Kathodenzuführabschnitt eine Luftleitung, Bypassleitung und eine Aufwärmleitung umfasst, wobei die Bypassleitung und die Aufwärmleitung von der Luftleitung abzweigen. Dadurch ist es möglich, eine Temperatur im Kathodenabschnitt und so in weiterer Folge insbesondere auch im gesamten Brennstoffzellenstapel optimal einzustellen. Bevorzugt ist in jeder dieser Leitungen oder in zumindest einer davon eine Regeleinrichtung wie ein Ventil vorgesehen, um eine Durchströmmenge durch zumindest eine der Leitungen, einstellen zu können. Die Aufwärmleitung zweigt von der Luftleitung ab und in dieser ist insbesondere ein Heizelement, wie beispielsweise ein elektrischer Heizer oder ein Brenner angeordnet. Stromabwärts des Heizelementes führt die Aufwärmleitung wieder mit der Luftleitung zusammen, wobei die Luftleitung in Richtung des Kathodenabschnittes führt. Auch die Bypassleitung zweigt von der Luftleitung ab, wobei diese insbesondere nicht zum Kathodenabschnitt, sondern zu einem stromabwärts des Brennstoffzellenstapels angeordneten Oxidationskatalysator führt. Dadurch ist es möglich, eine Temperatur im Oxidationskatalysator zu regeln. Stromaufwärts des Oxidationskatalysator kann es vorgesehen sein, dass die Bypassleitung mit einer oder mehreren Leitungen des Kathodenabführabschnittes und/oder Anodenabführabschnittes zusammengeführt ist. It is advantageous if the cathode supply section comprises an air line, bypass line and a warm-up line, with the bypass line and the warm-up line branching off from the air line. This makes it possible to optimally set a temperature in the cathode section and thus subsequently in particular also in the entire fuel cell stack. Preferably, a control device such as a valve is provided in each of these lines or in at least one of them in order to be able to set a flow rate through at least one of the lines. The warm-up line branches off from the air line and in particular a heating element, such as an electric heater or a burner, is arranged in this. Downstream of the heating element, the warm-up line rejoins the air line, with the air line leading in the direction of the cathode section. The bypass line also branches off from the air line, with this leading in particular not to the cathode section but to an oxidation catalyst arranged downstream of the fuel cell stack. This makes it possible to regulate a temperature in the oxidation catalyst. Upstream of the oxidation catalyst, it can be provided that the bypass line is merged with one or more lines of the cathode discharge section and/or anode discharge section.
Günstig ist es, wenn der Anodenzuführabschnitt eine Brennstoffleitung und eine davon abzweigende Teilleitung aufweist. Über diese Teilleitung kann vorteilhaft ein Teil des Brennstoffes in Richtung des Oxidationskatalysators gefördert werden, um eine Verbrenndung im selben zu optimieren. Über die Brennstoffleitung wird Brennstoff in Richtung des Anodenabschnittes geleitet. It is advantageous if the anode feed section has a fuel line and a partial line branching off from it. Part of the fuel can advantageously be conveyed towards the oxidation catalyst via this partial line in order to optimise combustion in the same. Fuel is conveyed towards the anode section via the fuel line.
Vorteilhaft ist es, wenn ein Oxidationskatalysator vorgesehen ist, wobei Leitungen des Anodenabführabschnitts und des Kathodenabführabschnitts zum Oxidationska-It is advantageous if an oxidation catalyst is provided, wherein lines of the anode discharge section and the cathode discharge section lead to the oxidation catalyst.
Günstig ist es dabei, wenn die Bypassleitung zumindest teilweise und die Teilleitung der Brennstoffleitung zum Oxidationskatalysator geführt sind. Dadurch kann eine Verbrennung und/oder eine Temperatur im Oxidationskatalysator effizient gesteuert It is advantageous if the bypass line and the part of the fuel line are at least partially routed to the oxidation catalyst. This allows combustion and/or a temperature in the oxidation catalyst to be efficiently controlled.
und/oder verändert werden. and/or changed.
Von Vorteil ist es, wenn stromabwärts des Oxidationskatalysators der Abgasabschnitt angeordnet ist. Stromabwärts des Oxidationskatalysators wird in einer Abgasleitung das Abgas an die Umgebung geführt. Die Abgasleitung passiert bevorzugt eine warme Seite eines Wärmetauschers, wobei eine kalte Seite dieses Wärmetauschers in der Luftleitung angeordnet ist. Dadurch ist es möglich, die Restwärme des Abgases an die Luft der Luftleitung zu übertragen und dem Kathodenabschnitt so eine insbesondere optimal vorgewärmte bzw. temperierte Luft zuzuführen. Stromab-It is advantageous if the exhaust section is arranged downstream of the oxidation catalyst. Downstream of the oxidation catalyst, the exhaust gas is led to the environment in an exhaust line. The exhaust line preferably passes through a warm side of a heat exchanger, with a cold side of this heat exchanger being arranged in the air line. This makes it possible to transfer the residual heat of the exhaust gas to the air in the air line and thus to supply the cathode section with air that is particularly optimally preheated or tempered. Downstream
wärts des Wärmetauschers ist das zweite Gebläse im Abgasabschnitt angeordnet. The second fan is arranged in the exhaust section downstream of the heat exchanger.
Zweckmäßig ist es dabei weiter, wenn stromaufwärts des Oxidationskatalysators, insbesondere im Kathodenabführabschnitt und/oder Anodenabführabschnitt, zumindest ein Drosselelement angeordnet ist. Das Drosselelement kann bevorzugt als Drosselklappe ausgebildet sein, welche insbesondere im Anodenabführabschnitt stromaufwärts des Oxidationskatalysators angeordnet ist. Durch das Drosselelement ist es möglich, ein relatives Druckniveau sowohl in den Anodenabschnitten als auch in den Kathodenabschnitten zu regeln und/oder zu steuern. It is further expedient if at least one throttle element is arranged upstream of the oxidation catalyst, in particular in the cathode discharge section and/or anode discharge section. The throttle element can preferably be designed as a throttle valve, which is arranged in particular in the anode discharge section upstream of the oxidation catalyst. The throttle element makes it possible to regulate and/or control a relative pressure level in both the anode sections and the cathode sections.
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 Flugzeu-A fuel cell system according to the invention is advantageously used as a stationary system or in a motor vehicle. The fuel cell system according to the invention can also advantageously be used in marine applications or aircraft.
gen verwendet werden. be used.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Further advantages, features and details of the invention emerge from the
nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung Ausfüh-following description, in which, with reference to the drawing, execution
rungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben ist. Es zeigt schematisch: Examples of implementation of the invention are described in detail. It shows schematically:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensys-Fig. 1 is a schematic representation of a fuel cell system according to the invention.
tems. tems.
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1 mit einem Brennstoffzellenstapel 2 umfassend einen Anodenabschnitt 3 und einen Kathodenabschnitt 4. Es ist weiter ein Anodenzuführabschnitt 5, ein Anodenabführabschnitt 6, ein Kathodenzuführabschnitt 7, ein Kathodenabführabschnitt 8, ein Rezirkulationsabschnitt 9 und ein Abgasabschnitt 10 vorgesehen. Fig. 1 shows a fuel cell system 1 according to the invention with a fuel cell stack 2 comprising an anode section 3 and a cathode section 4. Furthermore, an anode feed section 5, an anode discharge section 6, a cathode feed section 7, a cathode discharge section 8, a recirculation section 9 and an exhaust gas section 10 are provided.
Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst zwei Gebläse 11, 12, wobei ein erstes Gebläse 11 im Kathodenzuführabschnitt 7 und ein zweites Gebläse 12 im Abgasabschnitt 10 angeordnet ist. The fuel cell system 1 comprises two fans 11, 12, wherein a first fan 11 is arranged in the cathode supply section 7 and a second fan 12 is arranged in the exhaust section 10.
Luft wird von einer Luftquelle 22 im Kathodenzuführabschnitt 7 durch das erste Gebläse 11 in Richtung des Kathodenabschnittes 4 gefördert. Der Kathodenzuführabschnitt 7 trennt sich stromabwärts der Luftquelle 22 in eine Luftleitung 13, welche direkt zum Kathodenabschnitt 4 gleitet wird, in eine Bypassleitung 14 und eine Aufwärmleitung 15 auf. Die Luft in der Bypassleitung 14 wird nicht in Richtung des Kathodenabschnittes geführt, sondern diese wird einem Oxidationskatalysator 18 zugeführt. In der Aufwärmleitung ist ein Heizelement 23 angeordnet, wodurch die Luft in dieser Leitung aufgewärmt wird. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Brennstoffzellenstapel 2 noch nicht eine Betriebstemperatur aufweist. Stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels 2 werden die Luftleitung 13 und die Aufwärmleitung 15 wieder im Kathodenzuführabschnitt 7 zusammengeführt. Air is conveyed from an air source 22 in the cathode feed section 7 through the first fan 11 in the direction of the cathode section 4. The cathode feed section 7 splits downstream of the air source 22 into an air line 13, which is guided directly to the cathode section 4, a bypass line 14 and a warm-up line 15. The air in the bypass line 14 is not guided in the direction of the cathode section, but is fed to an oxidation catalyst 18. A heating element 23 is arranged in the warm-up line, whereby the air in this line is warmed up. This is particularly advantageous when the fuel cell stack 2 does not yet have an operating temperature. Upstream of the fuel cell stack 2, the air line 13 and the warm-up line 15 are brought together again in the cathode feed section 7.
Es ist weiter eine Brennstoffquelle 24 vorgesehen, von welcher Brennstoff in einer Brennstoffleitung 16 des Anodenzuführabschnittes 5 in Richtung des Anodenabschnitt 3 geleitet wird. Der Anodenzuführabschnitt 5 umfasst weiter eine Teilleitung 17, welche von der Brennstoffleitung 16 abzweigt und in welcher Brennstoff in Richtung des Oxidationskatalysators 18 geführt wird. A fuel source 24 is also provided, from which fuel is guided in a fuel line 16 of the anode feed section 5 in the direction of the anode section 3. The anode feed section 5 further comprises a partial line 17 which branches off from the fuel line 16 and in which fuel is guided in the direction of the oxidation catalyst 18.
Der Oxidationskatalysator 18 ist im Abgasabschnitt 10 angeordnet und dazu ausgebildet, im Brennstoffzellenstapel 2 nicht vollständig verbrannten Brennstoff vollständig zu verbrennen. Um optimale Bedingungen zu schaffen, wird diesem neben Ka-The oxidation catalyst 18 is arranged in the exhaust section 10 and is designed to completely burn fuel that has not been completely burned in the fuel cell stack 2. In order to create optimal conditions, in addition to the catalyst,
Stromaufwärts des Drosselelementes 21 trennt sich der Rezirkulationsabschnitt 9 vom Anodenabführabschnitt 8 ab, wobei im Rezirkulationsabschnitt 9 ein Rezirkulationsgebläse 29 angeordnet ist, durch welches ein Teil des Anodenabgases wieder in Richtung des Anodenabschnittes 3 rezirkuliert wird. Stromabwärts des Rezirkulationsgebläses 29 führt eine Leitung des Rezirkulationsabschnittes 9 in den Brennstoffzuführabschnittes 8, wobei an dieser Vereinigung auch eine weitere Teilluftleitung 25 in den Brennstoffzuführabschnitt 8 führt. Diese weitere Teilluftleitung 25 zweigt vom Kathodenzuführabschnitt 7 ab. Upstream of the throttle element 21, the recirculation section 9 separates from the anode discharge section 8, with a recirculation fan 29 being arranged in the recirculation section 9, through which part of the anode exhaust gas is recirculated in the direction of the anode section 3. Downstream of the recirculation fan 29, a line from the recirculation section 9 leads into the fuel supply section 8, with another partial air line 25 also leading into the fuel supply section 8 at this junction. This further partial air line 25 branches off from the cathode supply section 7.
Stromabwärts des Oxidationskatalysators 18 wird das vollständig verbrannte Abgas im Abgasabschnitt 10 in Richtung Umgebung 26 geführt. Im Abgasabschnitt 10 ist das als Sauggebläse ausgebildete zweite Gebläse 12 angeordnet. Downstream of the oxidation catalyst 18, the completely combusted exhaust gas is guided in the exhaust section 10 towards the environment 26. The second fan 12, designed as a suction fan, is arranged in the exhaust section 10.
Bevor das Abgas an die Umgebung 26 abgegeben wird, wird diesem über ein Wärmeableiter 30 noch Restwärme entzogen. Die Kühlvorrichtung ist stromaufwärts des zweiten Gebläses 12 angeordnet. Vom Wärmeableiter 30 ist einerseits Wärme über Leitungen Wärme in eine Wärmevorrichtung 31 und andererseits wird dem Abgas auch noch kondensiertes Wasser abgeschieden, welches in einem Wasserbehälter 32 gesammelt wird. Before the exhaust gas is released into the environment 26, residual heat is extracted from it via a heat dissipator 30. The cooling device is arranged upstream of the second fan 12. On the one hand, heat is transferred from the heat dissipator 30 via lines to a heating device 31 and on the other hand, condensed water is also separated from the exhaust gas and collected in a water tank 32.
Im Brennstoffzellensystem 1 gemäß der Fig. 1 sind weitere Elemente wie ein Reformer 27, Ventile und/oder Drosselelemente und Wärmetauscher 28a, 28b, 28c vorgesehen. In the fuel cell system 1 according to Fig. 1, further elements such as a reformer 27, valves and/or throttle elements and heat exchangers 28a, 28b, 28c are provided.
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