DE102006031717A1

DE102006031717A1 - Verfahren zum zumindest kurzzeitigen Stillsetzen einer Festoxid-Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102006031717A1
Application number: DE102006031717A
Authority: DE
Inventors: Lutz Dr. Hartmann; Joachim Tachtler; Helmut Korthals
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2006-07-08
Filing date: 2006-07-08
Publication date: 2008-01-10
Also published as: WO2008006455A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum zumindest kurzzeitigen Stillsetzen einer durch einen Stapel von Festoxid-Brennstoff-Einzelzellen (SOFC-Stack) gebildeten Brennstoffzelle, augehend von einem Betriebszustand, in dem an der mit ihren Betriesstoffen versorgten Brennstoffzelle eine elektrische Last angeschlossen ist, während im stillgesetzten Zustand weder eine elektrische Last anliegt noch Betriebsstoffe zugeführt werden, wobei mit einem beabsichtigten Stillsetzen die Abschaltung der elektrischen Last und der Betriebsstoffzufuhr nicht schlagartig erfolgt, sondern die Brennstoffzelle für eine gewisse Zeitspanne unter Einleitung zumindest einer Maßnahme zur Verringerung der Temperatur der Brennstoff-Einzelzellen weiter betrieben wird. Die Maßnahme zur Verringerung der Temperatur besteht vorrangig in einer eine Herabsetzung der angelegten elektrischen Last, darüber hinaus in einer Verringerung der zugeführten Brennstoffmenge und/oder Erhöhung der zugeführten Luftmenge, wobei weiterhin die Temperatur der zugeführten Luft herabgesetzt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum zumindest kurzzeitigen Stillsetzen einer durch einen Stapel von Festoxid-Brennstoff-Einzelzellen (SOFC-Stack) gebildeten Brennstoffzelle, ausgehend von einem Betriebszustand, in dem an der mit ihren Betriebsstoffen versorgten Brennstoffzelle eine elektrische Last angeschlossen ist, während im stillgesetzten Zustand weder eine elektrische Last anliegt noch Betriebsstoffe zugeführt werden. Zum technischen Umfeld wird insbesondere auf die EP 1 032 952 B1 verwiesen.
Die übliche Betriebstemperatur einer Festoxid-Brennstoffzelle, also einer keramischen Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SOFC), liegt im Bereich zwischen 750 und 850 °C. Soll das Brennstoffzellen-Systems abgeschaltet, d.h. zumindest zeitweise oder kurzzeitig stillgesetzt werden, so wird in der Regel sowohl die an die Brennstoffzelle angelegte und die darin bei Brennstoffzellen-Betrieb gewonnene elektrische Energie abgreifende elektrische Last ausgeschaltet als auch die Betriebsstoff-Versorgung der Brennstoffzelle abgebrochen, d.h. die Zufuhr von Luft und Brenngas beendet. Die Temperatur des SOFC-Stacks und anderer Systemkomponenten sinkt anschließend – je nach Güte der jeweiligen thermischen Isolation – langsam ab.
Insbesondere während dieser Abkühlphase sollte ein Eindringen von Luftsauerstoff in den SOFC-Stack verhindert werden, da es ansonsten zu einer unkontrollierten Reoxidation an der Anode jeder Einzelzelle kommen kann. Bei einer solchen Reoxidation kann das Volumen der Nickel-Anode durch die Umwandlung von Nickel zu Nickeloxid nämlich massiv zunehmen, was zu mechanischen Spannungen führt, die eine Degradation oder einen Bruch der Anode zur Folge haben können. Daher wird im Stand der Technik der Brennstoffzellen-Stack nach Abschalten mit einem Inertgas geflutet (vgl. bspw. die o.g. EP 1 032 952 B1 ) oder es wird die Brennstoffzelle mit Hilfe von sog. Gattermaterialien vor Oxidationsprozessen geschützt.
Das Fluten mit Inertgas bietet jedoch keine absolute Sicherheit gegen Reoxidationsprozesse in der Brennstoffzelle, da bspw. nach dem Fluten aufgrund einer bestimmten Betriebsart des Gesamtsystems, so bspw. wenn in einem der Brennstoffzelle vorgeschalteten Reformer ein Abbrennen von Ruß durchgeführt wird, wieder Sauerstoff in die dann noch relativ heiße Brennstoffzelle gelangen kann, oder es liegen nicht generell ausschließbare Leckagen vor.
Daher hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, ein sichereres Verfahren aufzuzeigen, mit Hilfe dessen die Wahrscheinlichkeit für ein Auftreten schädlicher genannter Reoxidationsprozesse deutlich herabgesetzt werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, dass bei einem beabsichtigten Stillsetzen die Abschaltung der elektrischen Last und der Betriebsstoffzufuhr nicht schlagartig erfolgt, sondern dass die Brennstoffzelle für eine gewisse Zeitspanne unter Einleitung zumindest einer Maßnahme zur Verringerung der Temperatur der Brennstoff-Einzelzellen weiter betrieben wird. Eine solche Maßnahme besteht bei Nachlauf des Systems zunächst insbesondere in einer Herabsetzung der angelegten elektrischen Last, im Rahmen dessen beispielsweise ein Akkumulator, der ebenso wie die Brennstoffzelle an einem (gemeinsamen) elektrischen Netz hängt, verstärkt aufgeladen wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Menge zumindest eines der zugeführten Betriebsstoffe geeignet verändert werden, wobei die zugeführte Brennstoffmenge herabgesetzt und/oder die zugeführte Sauerstoffmenge, insbesondere Luftmenge, erhöht werden kann. Weiterhin kann die Temperatur der zugeführten Luft herabgesetzt werden.
Es wurde erkannt, dass die Reoxidations-Neigung an den Anoden der Festoxid-Brennstoff-Einzelzellen mit höherer Bauteiltemperatur überproportional zunimmt, wohingegen bei niedrigeren Bauteiltemperaturen kaum oder nur in ihrer Wirkung vernachlässigbare Reoxidationsprozesse zu beobachten sind. Daher besteht die sicherste Maßnahme zur Verhinderung schädlicher Reoxidationsprozesse darin, dass bereits beim Stillsetzen der Brennstoffzelle ausreichend niedrige Bauteiltemperaturen vorliegen. In diesem Sinne soll bzw. sollen die Brennstoffzelle, genauer deren Einzelzellen vor dem Stillsetzen bereits auf niedrigere Temperaturen gebracht werden. Es soll also noch während des Betriebs, wenn ein gewünschtes Stillsetzen absehbar ist, quasi eine Zwangskühlung der Brennstoffzelle durchgeführt werden.
Für die dem Fachmann bekannten PEM-Brennstoffzellen ist entsprechendes bekannt; vgl. bspw. die US 6,093,500 . Eine PEM-Brennstoffzelle unterscheidet sich jedoch von einer SOFC-Brennstoffzelle in wesentlichen Punkten, so nicht nur im grundsätzlichen Aufbau, sondern auch in der Höhe der Betriebstemperatur. Letztere liegt im Bereich zwischen 70°C und maximal 200°C und muss durch kontinuierliche Kühlung eingestellt bzw. sichergestellt werden.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird die Problematik der Reoxidation der Brennstoffzellen-Anoden durch Anpassung der Betriebsweise des Systems zumindest deutlich entschärft, nämlich wenn das Abfahren des Systems durch eine kontrollierte Zwangskühlung des Stacks eingeleitet wird. Dabei soll der Brennstoffzellen-Stack auf ein niedrigeres Temperaturniveau, so bspw. in der Größenordnung von 600°C, abgekühlt werden, bei welchem die Gefahr der Reoxidation an der Anode abgeschwächt oder vollständig vermieden werden kann, wobei dieses Temperaturniveau vorzugsweise ausreichend hoch sein soll, um auch wieder ein schnelles und effizientes Aufheizen des Stacks für eine Wieder-Inbetriebnahme zu ermöglichen.
Die sog. Zwangskühlung des Brennstoffzellen-Stacks kann bspw. durch Temperaturabsenkung des der Kathode jeder Brennstoff-Einzelzelle zugeführten Luft- oder Sauerstoffstroms und/oder durch Reduktion der internen Wärmefreisetzung im Brennstoffzellen-Stack erreicht werden. Hierfür kann die Zufuhr von Brenngas zur Brennstoffzelle herabgesetzt werden, vorzugsweise einhergehend mit einer Reduktion der abgegebenen elektrischen Leistung des Brennstoffzellen-Stacks, was einer Herabsetzung der angelegten elektrischen Last entspricht. Wird das der Brennstoffzelle zugeführte Brenngas in einem vorgeschalteten Reformer erzeugt, so wird hierzu dessen Leistung reduziert. Zusätzlich kann die Abkühlung der Kathodenluft durch eine entsprechende Anpassung der Kathodenluftmenge oder weitere Maßnahmen, wie eine Reduzierung der im System an die Kathodenluft übertragenen Wärmemenge erreicht werden.
Durch das vorgeschlagene Verfahren kann eine unerwünschte Reoxidations-Neigung an den Anoden der Brennstoff-Einzelzellen zumindest deutlich reduziert bis vollständig verhindert werden. Damit wird eine Degradation des Brennstoffzellen-Stacks infolge von Reoxidation der Anode vermieden und die Langzeitstabilität des Systems wird erhöht. Die Folgen sind eine Erhöhung der Zuverlässigkeit und damit Reduktion von Gewährleistungskosten sowie eine höhere Lebensdauer des Systems. Vorteilhafterweise können durch Verzicht auf teure Sauerstoff-Gattermaterialien die Herstellkosten des Brennstoffzellensystems deutlich reduziert werden bzw. es sind keine aufwändigen Maßnahmen zur Erzeugung von zur Spülung benötigtem Inertgas (vgl. zitierter Stand der Technik) erforderlich, wobei durchaus eine Vielzahl von Details abweichend von obigen Erläuterungen gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims

Verfahren zum zumindest kurzzeitigen Stillsetzen einer durch einen Stapel von Festoxid-Brennstoff-Einzelzellen (SOFC-Stack) gebildeten Brennstoffzelle, ausgehend von einem Betriebszustand, in dem an der mit ihren Betriebsstoffen versorgten Brennstoffzelle eine elektrische Last angeschlossen ist, während im stillgesetzten Zustand weder eine elektrische Last anliegt noch Betriebsstoffe zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem beabsichtigten Stillsetzen die Abschaltung der elektrischen Last und der Betriebsstoffzufuhr nicht schlagartig erfolgt, sondern dass die Brennstoffzelle für eine gewisse Zeitspanne unter Einleitung zumindest einer Maßnahme zur Verringerung der Temperatur der Brennstoff-Einzelzellen weiter betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Maßnahme zur Verringerung der Temperatur eine Herabsetzung der angelegten elektrischen Last ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Maßnahme zur Verringerung der Temperatur die Menge zumindest eines der zugeführten Betriebsstoffe geeignet verändert wird, d.h. die zugeführte Brennstoffmenge herabgesetzt und/oder die zugeführte Sauerstoffmenge, insbesondere Luftmenge, erhöht wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Maßnahme zur Verringerung der Temperatur der Brennstoff-Einzelzellen die Temperatur der zugeführten Luft herabgesetzt wird.