CN110088957A - 燃料电池装置和用于起动燃料电池装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池装置，其设置用于用天然气（12）运行，该燃料电池装置带有：燃料电池单元（14）；接在该燃料电池单元（14）之前的阳极气体处理器（16），该阳极气体处理器设置用于处理用于使用在燃料电池单元（14）中的天然气（12）；以及带有燃烧器单元（18），该燃烧器单元在燃料电池单元（14）正常运行期间设置用于，燃烧留在燃料电池单元（14）的阳极废气（20）中的能燃烧的物质。建议将燃烧器单元（18）在起动燃料电池单元（14）期间设置用于将燃料电池单元（14）加热到标称运行温度。

Description

燃料电池装置和用于起动燃料电池装置的方法

背景技术

已知一种燃料电池装置，该燃料电池装置设置用于用天然气运行，该燃料电池装置带有：燃料电池单元；接在该燃料电池单元之前的阳极气体处理器，该阳极气体处理器设置用于，处理用于使用在燃料电池单元中的天然气；以及带有燃烧器单元，该燃烧器单元在燃料电池单元正常运行期间设置用于，燃烧留在燃料电池单元的阳极废气中的能燃烧的物质。

发明内容

本发明基于一种燃料电池装置，其设置用于用天然气运行，该燃料电池装置带有：燃料电池单元；接在该燃料电池单元之前的阳极气体处理器，该阳极气体处理器设置用于，处理用于使用在燃料电池单元中的天然气；以及带有燃烧器单元，该燃烧器单元在燃料电池单元正常运行期间设置用于，燃烧留在燃料电池单元的阳极废气中的能燃烧的物质。

建议将燃烧器单元在起动燃料电池单元期间设置用于把燃料电池单元加热到标称运行温度。

“燃料电池装置”在上下文中应当尤其理解为一种在使用至少一个燃料电池单元的情况下静态地和/或移动地获取特别是电能和/或热能的装置。“天然气”在上下文中应当尤其理解为气体和/或气体混合物、特别是天然气混合物，其优选至少包括烷烃、特别是甲烷、乙烷、丙烷和/或丁烷。此外，天然气可以具有其它的组分(Bestandteile)，如特别是二氧化碳和/或氮气和/或氧气和/或硫化合物。“燃料电池单元”在上下文中应当尤其理解为带有至少一个燃料电池的单元，其设置用于，将至少一种特别是连续地输送的燃烧气体的、特别是氢气的和/或一氧化碳的以及至少一种阴极气体的、特别是氧气的至少一个化学的反应能特别是转化成电能。至少一个燃料电池优选构造成固态氧化物燃料电池（SOFC）。至少一个燃料电池单元优选包括多个燃料电池，所述燃料电池尤其布置在一个燃料电池堆中。“设置”尤其应当理解为专门编程、设计和/或装备。“一物体设置用于某一特定的功能”，尤其应当理解为，该物体在至少一个使用状态和/或运行状态下履行和/或实施这个特定的功能。

“阳极气体处理器”在上下文中尤其应当理解为一单元，该单元设置用于，在传送给燃料电池单元的阳极以使用在在燃料电池单元内进行的反应中之前，处理所述天然气。阳极气体处理器尤其设置用于，特别是将天然气和/或燃烧气体和/或含燃烧气体的气体混合物加热到反应温度和/或将天然气转化（überführen）成燃烧气体和/或燃烧气体混合物。阳极气体处理器尤其可以构造成结构性的单元。“结构性的单元”在上下文中应当尤其理解为能预安装的和/或优选被预安装的单元，该单元将多个子单元，特别是脱硫单元、氧化单元和重整器单元，和/或组件、例如流体连接结构，和/或传感器和/或传热器这样集合在一起，使得这个单元优选能作为整体带到总系统中、特别是带到燃料电池系统中和/或能作为整体从总系统中移除。

“燃料电池单元的正常运行”在上下文中应当理解为一种运行状态，在该运行状态下，燃料电池单元具有其标称运行温度并且可以输出最大的电功率。“起动燃料电池单元”尤其应当理解为一个过程，该过程尤其设置用于将燃料电池单元加热到其标称运行温度。燃烧器单元在燃料电池单元正常运行期间将至少一部分阳极废气输送给燃料电池单元。燃烧器单元设置用于，燃烧留在燃料电池单元的阳极废气中的能燃烧的物质、特别是没有转化的氢气和/或一氧化碳。用于运行燃烧器单元所需的氧气以燃料电池单元的阴极废气的形式输送给燃烧器单元。在起动燃料电池单元期间，燃烧器单元设置用于，至少有助于将燃料电池单元加热到其标称运行温度。在起动燃料电池单元期间，将至少一种不同于阳极废气的燃料和针对用于燃烧所需的氧气输送给燃烧器单元。通过燃烧获得的热能至少部分间接地或直接地输送给燃料电池单元以用于加热。燃烧器单元备选或附加地能够包括至少一个电加热器，其设置用于，在起动燃料电池单元期间有助于将燃料电池单元加热到其标称运行温度。通过该电加热器获得的热能至少部分间接地或直接地输送给燃料电池单元以用于加热。

通过这种设计方案可以提供一种具有有利的运行特性的所属类型的燃料电池装置。尤其可以通过将燃烧器单元既用作在燃料电池单元正常运行期间的补充燃烧器也用作在起动燃料电池单元期间的启动燃烧器，有利地取消了单独的启动燃烧器。由此能实现有利的成本节省和/或空间节省和/或有利地降低保养耗费。

此外建议，燃烧器单元具有至少一个天然气输入管路，该天然气输入管路设置用于，在起动燃料电池单元期间将天然气输送给燃烧器单元。天然气输入管路尤其具有至少一个特别是构造成比例阀的阀，该阀设置用于，调节天然气至燃烧器单元的体积流量。所述阀尤其设置用于在起动燃料电池单元期间被打开。所述阀尤其设置用于在燃料电池单元正常运行期间被关闭。在燃料电池单元正常运行期间尤其没有天然气通过天然气输入管路输送给燃烧器单元。在起动燃料电池单元期间尤其能够用温度控制地和/或用时间控制地进行天然气到燃烧器单元的输送。天然气在起动燃料电池单元期间备选或附加地首先能够通过燃料电池单元的阳极引导（leiten）并且紧接着输送给燃烧器单元。由此能在起动燃料电池单元期间有利地向燃烧器单元简单地和/或可靠地供应燃料。此外，燃烧器单元可以通过天然气的输送而有利地被点火用于起动燃料电池单元。

在本发明的一种优选的设计方案中建议，燃料电池装置具有至少一个传热器，其设置用于，将燃烧器单元的废气的热能至少部分传递给输送给燃料电池单元的阴极的氧化气体。“传热器”在上下文中尤其应当理解为一单元，该单元设置用于，特别是在逆流运行、交叉流运行和/或顺流运行中将热朝着温度梯度（Temperaturgefälles）的方向在至少两个特别是流体的物质流之间传递。传热器尤其设置用于，将热从至少一个流体的物质流、特别是燃烧器单元的废气，尤其传递给输送给燃料电池单元的阴极的氧化气体。传热器尤其设置用于，既在燃料电池单元起动期间也在其正常运行期间被燃烧器单元的废气和阴极气体穿流。传热器尤其设置用于，在起动燃料电池单元期间将燃烧器单元的废气的用于把燃料电池单元加热到其标称运行温度的热传递给阴极气体。在燃料电池单元正常运行期间，传热器尤其设置用于，通过传递燃烧器单元的废气的热将阴极气体加热到过程温度。由此可以在起动燃料电池单元期间有利地将燃料电池单元简单地和/或有效地加热到标称运行温度并且在燃料电池单元正常运行期间有利地将阴极气体简单地和/或有效地加热到过程温度。

此外建议，燃料电池装置具有再循环回路，该再循环回路在燃料电池单元正常运行期间设置用于，将燃料电池单元的至少一部分阳极废气输送给阳极气体处理器。“再循环回路”在上下文中尤其应当理解为一连接单元，其设置用于运输特别是液态的和/或气态的物质和/或物质混合物。再循环回路尤其包括至少一个中空管路、例如至少一个管道和/或软管管路。再循环回路尤其设置用于，将燃料电池单元的特别是含有水蒸气和/或含有氢气和/或含有一氧化碳的废气的、特别是阳极废气的体积流量的特别是固定的百分比在输入侧输送给阳极气体处理器。由此可以将用于处理天然气所需的水蒸气和/或氢气输送给阳极气体处理器。此外可以有利地提高燃料电池装置的燃料利用率。

此外建议，阳极气体处理具有设置用于实施部分氧化的氧化单元和设置用于至少部分重整天然气的重整器单元。“重整器单元”在上下文中应当尤其理解为特别是通过蒸汽重整、通过部分氧化、通过绝热的重整和/或通过蒸汽重整与CO₂-干燥重整的组合，用于至少一种处理至少一种含碳氢化合物的燃料、特别是天然气的一种化学技术的单元，其尤其用于获取燃烧气体、特别是氢气和/或用于裂解较高链的烷烃。“氧化单元”在上下文中应当尤其理解为一单元，其设置用于，将天然气特别是借助热部分氧化和/或催化部分氧化在添加氧气、特别是空气中含有的氧气的情况下至少部分转化成燃烧气体、特别是氢气和/或含有燃烧气体的气体混合物。氧化单元尤其使得能在起动燃料电池装置期间获取氢气，在起动燃料电池装置期间，太小份额的水蒸气提供用于重整器单元。在存在足够量的水蒸气时，借助重整器单元的蒸汽重整相比借助氧化单元的部分氧化尤其具有更大的氢气收益（Wasserstoffausbeute）。此外，阳极气体处理器包括脱硫单元。“脱硫单元”在上下文中应当尤其理解为一单元，其设置用于，优选通过至少一个物理的和/或化学的吸附方法和/或吸收方法将天然气内的硫化合物的体积份额和/或摩尔份额尤其降低到一个固定的极限值之下并且将其优选至少基本上从天然气清除（entfernen）。脱硫单元尤其可以构造成加氢脱硫单元。“加氢脱硫单元”在上下文中尤其应当理解为一脱硫单元，其设置用于，在添加氢气的情况下将天然气脱硫到一个预先确定的极限值之下并且优选至少尽可能脱硫。在此，尤其在第一过程步骤中，天然气的硫成分与氢气反应成硫化氢和无硫的碳氢化合物。在第二过程步骤中，硫化氢尤其可以通过吸收、例如在氧化锌-床中、在固体的硫化物（Sulfidverbindung）中化合。脱硫单元尤其在流动技术上接在氧化单元之前并且重整器单元在流动技术上接在氧化单元之后。由此可以有利地处理天然气。

在本发明的另一种优选的设计方案中建议，燃料电池单元的阳极和阳极气体处理器至少暂时基本上是抗氧化的和/或燃料电池单元的阳极的和阳极气体处理器的氧化至少尽可能是可逆的。这尤其可以通过熟练地选择催化剂-材料和/或阳极的功能层-材料达到。阳极的功能层备选或附加地可以设计得极薄，由此可以减小氧化时的体积变化的负面效果。当燃料电池单元的阳极和阳极气体处理器在开始起动时不需要还原性的大气时，尤其可以在起动燃料电池单元期间将氮气导入到阳极路径中。当燃料电池单元的阳极和阳极气体处理器在开始起动时是抗氧化的或者阳极的和阳极气体处理器的氧化在燃料电池单元的起动的更为后面的阶段中至少尽可能是可逆的时，备选可以在起动燃料电池单元期间尤其将空气导入到阳极路径中和/或使处在阳极路径中的气体在阳极路径中再循环。由此可以在起动燃料电池单元期间有利地取消将保护气体或合成气体导入到阳极路径中，由此可以有利地节省成本和/或有利地简单地构建燃料电池装置。

此外建议了一种用于起动燃料电池装置的方法，该燃料电池装置带有燃料电池单元和带有燃烧器单元，所述燃烧器单元在燃料电池单元正常运行期间设置用于燃烧留在燃料电池单元的阳极废气中的能燃烧的物质，在所述方法中，在至少一个方法步骤中，借助燃烧器单元将燃烧电池单元在起动期间加热到标称运行温度。通过将燃烧器单元既用作在燃料电池单元正常运行期间的补充燃烧器也用作在起动燃料电池单元期间的启动燃烧器，可以有利地取消单独的启动燃烧器。由此能实现有利的成本节省和/或空间节省和/或有利地降低保养耗费。

此外建议，在开始加热燃料电池单元时，将氮气或空气导入到阳极路径中或者使在阳极路径中存在的气体再循环。由此可以有利地简化燃料电池单元的起动。

此外建议，在进入所述燃料电池单元的电流运行前不久，将天然气和/或空气计量到阳极路径中。由此能有利地简化燃料电池单元的起动。

按本发明的燃料电池装置在此应当不局限于上述应用和实施方式。按本发明的燃料电池装置尤其可以为了履行一种在此文中说明的工作方式而具有数量不同于此文中提到的各个元件、构件和单元的数量。

附图说明

由随后的附图说明得出其它的优点。在附图中示出了本发明的两个实施例。附图、说明书和权利要求包含大量组合的特征。对本领域技术人员来说既能适宜地单独观察所述特征并且也能将所述特征概括成合理的其它组合。

图1是燃料电池装置的示意图，带有燃料电池单元、阳极气体处理器和燃烧器单元；以及

图2是用于起动（Anfahren）燃料电池装置的方法的流程图。

具体实施方式

图1是燃料电池装置10的示意图，该燃料电池装置设置用于用天然气12运行。燃料电池装置10备选可以用甲烷运行。燃料电池装置10具有燃料电池单元14。该燃料电池单元14在此被简化地作为燃料电池42示出。但燃料电池单元适宜地构造成带有多个燃料电池的燃料电池堆。燃料电池单元14具有阳极38和阴极28。在燃料电池单元14正常运行期间，将从天然气12获取的重整物44输送给阳极38。在燃料电池单元14正常运行期间将阴极气体30、特别是空气中含有的氧气输送给阴极28。

此外，燃料电池装置10具有阳极气体处理器16，该阳极气体处理器设置用于，处理用于使用在燃料电池单元14中的天然气12。阳极气体处理器16在流动技术上接在燃料电池单元14的阳极38之前。阳极气体处理器16包括氧化单元34和重整器单元36。阳极气体处理器16额外地可以包括在此没有示出的脱硫单元。氧化单元34和重整器单元36在阳极气体处理器16内在流动技术上彼此串联。重整器单元36在流动技术上接在氧化单元34之后。氧化单元34设置用于，借助部分氧化在添加来自周围空气的氧气的情况下将天然气12部分转化成氢气和/或一氧化碳。接在氧化单元34之后的重整器单元36尤其构造成蒸汽重整器单元。所述重整器单元36设置用于，特别是借助蒸汽重整将长链的碳氢化合物裂解（aufzuspalten）成甲烷、氢气、一氧化碳以及二氧化碳。这样获得的重整物44被输送给燃料电池单元14的阳极38。尤其在起动燃料电池单元14期间，提供太小份额的水蒸气用于运行重整器单元36和/或太小份额的氢气用于运行燃料电池单元14。氧化单元34尤其在起动燃料电池单元14期间使得能在使用空气中的氧气的情况下从周围空气获取氢气。这样获取的氢气可以用于燃料电池单元14的起动运行（Anlaufbetrieb）。氧化单元34和重整器单元36分别具有电加热器48、50。天然气12在燃料电池单元14运行期间通过供应管路52馈入到燃料电池装置10中。天然气12借助压缩机54被输送。在进入阳极气体处理器16之前，天然气12借助传热器56被加热到过程温度。阴极气体30经由另一条供应管路58馈入到燃料电池装置10中。阴极气体30借助压缩机60输送。此外，燃料电池装置10具有设置用于将空气64馈入到阳极路径40中的空气输入管路62和设置用于将保护气体68馈入到阳极路径40中的保护气体输入管路66。

此外，燃料电池装置10包括接在燃料电池单元14之后的燃烧器单元18。该燃烧器单元18在燃料电池单元14正常运行期间将一部分阳极废气20输送给燃料电池单元14。燃烧器单元18设置用于，燃烧留在燃料电池单元14的阳极废气20中的能燃烧的物质、特别是没有转化的氢气。用于运行燃烧器单元18所需的氧气以阴极废气76的形式输送给燃烧器单元18。燃烧器单元18还在起动燃料电池单元14期间设置用于将燃料电池单元14加热到标称运行温度。燃烧器单元18具有至少一个天然气输入管路22，所述至少一个天然气输入管路设置用于，在起动燃料电池单元14期间将天然气12特别是直接输送给燃烧器单元18。在起动燃料电池单元14期间，天然气12被输送给燃烧器单元18，该燃烧器单元设置用于在起动燃料电池单元14期间加热阴极气体30。通过经加热的阴极气体30将燃料电池单元14加热到标称运行温度。燃料电池装置10具有传热器24，该传热器设置用于，将燃烧器单元18的废气26的热能至少部分传递给输送给燃料电池单元14的阴极28的阴极气体30。

燃料电池装置10还具有再循环回路32，该再循环回路设置用于部分再循环燃料电池单元14的含氢和含水的阳极废气20。再循环回路32尤其设置用于，将燃料电池单元14的阳极废气20至少部分送回用于与天然气12混合。此外，压缩机46布置在再循环回路32中。通过阳极废气20的再循环可以将来自燃料电池单元14中的反应过程的水蒸气用于在重整器单元36内重整天然气12。此外，没有转化的氢气可以送回到燃料电池单元14，由此可以提高燃料利用率。

图2示出了用于起动燃料电池装置10的方法的流程图。在所述方法的第一阶段70中进行燃烧器单元18的点火。通过天然气输入管路22向燃烧器单元18传送（zuleiten）天然气12用于实施燃烧。燃烧器单元18的废气26被输送给传热器24用于加热阴极气体30。用于保护免受氧化的保护气体68通过保护气体输入管路66导入到阳极路径40中。通过重整器单元36的电加热器48加热阳极路径40。若燃料电池单元14的阳极38和阳极气体处理器16至少暂时基本上是抗氧化的和/或燃料电池单元14的阳极38的和阳极气体处理器16的氧化在所述方法的其它阶段中至少尽可能是可逆的，那么可以取消保护气体68的导入。当燃料电池单元14的阳极38和阳极气体处理器16不需要还原性的大气（Atmosphäre）时，尤其可以在第一阶段70期间将氮气导入到阳极路径40中。备选可以在第一阶段70期间将空气64导入到阳极路径40中和/或处在阳极路径40中的气体可以在阳极路径40中再循环。

在第二阶段72中，借助电加热器50将氧化单元34加热到大于300℃的温度。由天然气12和空气64构成的混合物被馈入到阳极路径40中。一旦在氧化单元34内开始部分氧化，那么就可以关断电加热器50并且必要时终止保护气体68的传送。再循环回路32的压缩机46被接通并且再循环率被调到约50%。

在第三阶段74中开始燃料电池单元14的电流运行（Strombetrieb）。燃烧器单元18越来越多地通过阳极废气20的输送而运行。天然气12至燃烧器单元18的输送被逐步减少并且最终被完全终止。

若燃料电池单元14的阳极38和阳极气体处理器16至少直至一温度都是抗氧化的（在该温度时实现了燃料电池单元14的电流运行），和/或燃料电池单元14的阳极38的和阳极气体处理器16的氧化在电流运行期间至少尽可能是可逆的，那么第一阶段70和第二阶段72就可以如下那样被合并。接通再循环回路32的压缩机46。启动（gestartet）氧化单元34的和重整器单元36的电加热器48、50。在开始电流运行前不久将天然气12和空气64或者仅将天然气12计量到阳极路径40中，接着立刻开始第三阶段74。

Claims (9)

1.燃料电池装置，其设置用于用天然气（12）运行，所述燃料电池装置带有：燃料电池单元（14）；接在所述燃料电池单元（14）之前的阳极气体处理器（16），所述阳极气体处理器设置用于处理用于使用在所述燃料电池单元（14）中的天然气（12）；以及带有燃烧器单元（18），所述燃烧器单元在燃料电池单元（14）正常运行期间设置用于，燃烧留在燃料电池单元（14）的阳极废气（20）中的能燃烧的物质，其特征在于，所述燃烧器单元（18）在起动燃料电池单元（14）期间设置用于将所述燃料电池单元（14）加热到标称运行温度。

2.按照权利要求1所述的燃料电池装置，其特征在于，所述燃烧器单元（18）具有至少一个天然气输入管路（22），其设置用于在起动所述燃料电池单元（14）期间将天然气（12）输送给所述燃烧器单元（18）。

3.按照权利要求1或2所述的燃料电池装置，其特征在于至少一个传热器（24），其设置用于，将所述燃烧器单元（18）的废气（26）的热能至少部分传递给输送给所述燃料电池单元（14）的阴极（28）的阴极气体（30）。

4.按照前述权利要求中任一项所述的燃料电池装置，其特征在于再循环回路（32），所述再循环回路在所述燃料电池单元（14）正常运行期间设置用于，将所述燃料电池单元（14）的至少一部分阳极废气（20）输送给阳极气体处理器（16）。

5.按照前述权利要求中任一项所述的燃料电池装置，其特征在于，所述阳极气体处理器（16）具有设置用于实施部分氧化的氧化单元（34）和设置用于至少部分重整天然气（12）的重整器单元（36）。

6.按照前述权利要求中任一项所述的燃料电池装置，其特征在于，所述燃料电池单元（14）的阳极（38）和所述阳极气体处理器（16）至少暂时基本上是抗氧化的和/或所述燃料电池单元（14）的阳极（38）的和所述阳极气体处理器（16）的氧化至少尽可能是可逆的。

7.用于起动特别是按照前述权利要求中任一项所述的燃料电池装置（10）的方法，所述燃料电池装置带有燃料电池单元（14）和带有燃烧器单元（18），所述燃烧器单元在燃料电池单元（14）正常运行期间设置用于，燃烧留在燃料电池单元（14）的阳极废气（20）中的能燃烧的物质，其特征在于，燃料电池单元（14）在起动期间借助燃烧器单元（18）加热到标称运行温度。

8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，在开始加热所述燃料电池单元（14）时，将氮气或空气（64）导入到阳极路径（40）中或者使在该阳极路径（40）中存在的气体再循环。

9.按照权利要求7或8所述的方法，其特征在于，在进入所述燃料电池单元（14）的电流运行前不久，将天然气（12）和/或空气（64）计量到阳极路径（40）中。