DE102006031717A1 - Method for the at least temporary shutdown of a solid oxide fuel cell - Google Patents
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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.The invention relates to a method for the at least temporary shutdown of a fuel cell formed by a stack of solid oxide fuel cells (SOFC stack), except for an operating condition in which an electrical load is connected to the fuel cell supplied with its operating materials, while in the stopped State neither applied electric load nor supplies are supplied, with an intended shutdown, the shutdown of the electrical load and the fuel supply is not abrupt, but the fuel cell for a certain period of time under initiation of at least one measure to reduce the temperature of the fuel single cells continue to operate becomes. The measure for reducing the temperature consists primarily in a reduction of the applied electrical load, in addition to a reduction in the amount of fuel supplied and / or increase in the amount of air supplied, and further, the temperature of the supplied air can be reduced.
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
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.The usual operating temperature a solid oxide fuel cell, so a ceramic high-temperature fuel cell (SOFC), lies in the range between 750 and 850 ° C. Should the fuel cell system switched off, i. shut down at least temporarily or for a short time As a rule, both the fuel cell applied to the fuel cell will and the therein obtained in fuel cell operation electrical Energy consuming electric load off as well as the Fuel supply of the fuel cell is stopped, i. the Supply of air and fuel gas ended. The temperature of the SOFC stack and other system components then decreases - depending on the quality of the respective thermal Isolation - slow from.
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.
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.The Flooding with inert gas, however, offers no absolute security against Reoxidation processes in the fuel cell, as, for example, after flooding due to a particular mode of operation of the overall system, such as. if burning occurs in a reformer upstream of the fuel cell carried out by soot, again get oxygen into the still relatively hot fuel cell can, or there are not generally excludable leaks.
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.Therefore The object of the invention is to provide a safer method show with the help of which the probability of occurrence of harmful said reoxidation processes can be significantly reduced.
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.to solution this task is proposed that in an intended Shut down the shutdown of the electrical load and the fuel supply not abruptly, but that the fuel cell for a certain Period of time with the initiation of at least one measure to reduce the Temperature of the fuel single cells continues to operate. A such action exists in the wake of the system initially in particular in one Reduction of the applied electrical load, in the framework of which For example, an accumulator, as well as the fuel cell is connected to a (common) electrical network, is charged more. alternative or additionally The amount of at least one of the supplied operating materials can be suitable changed be, with the supplied Fuel quantity reduced and / or the amount of oxygen supplied, in particular Air volume, increased can be. Furthermore, the temperature of the supplied air be lowered.
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.It it was recognized that the reoxidation tendency at the anodes of solid oxide fuel single cells with higher Component temperature disproportionately increases, whereas at lower component temperatures hardly or only negligible in their effect Reoxidation processes are observed. Therefore, the safest is measure to prevent harmful Reoxidation processes in that already when stopping the fuel cell sufficiently low component temperatures are present. In this sense should or should the fuel cell, more precisely its individual cells already brought to lower temperatures before stopping become. So it should still while of the operation, if desired Shutting down is foreseeable, so to speak a forced cooling of the fuel cell can be performed.
Für die dem
Fachmann bekannten PEM-Brennstoffzellen ist entsprechendes bekannt; vgl.
bspw. die
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.In the method according to the invention, the problem of reoxidizing the fuel cell anodes is at least significantly mitigated by adapting the operating mode of the system, namely when the shutdown of the system is initiated by a controlled forced cooling of the stack. Here, the fuel cell stack to a lower temperature level, so for example. In the magnitude of 600 ° C, at which the risk of reoxidation at the anode can be mitigated or completely avoided, this temperature level should preferably be sufficiently high, in order to also quickly and efficiently heating the stack for re-commissioning enable.
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.The so-called forced cooling of the fuel cell stack can, for example, by lowering the temperature of the the cathode of each single fuel cell supplied air or oxygen flow and / or by reducing internal heat release in the fuel cell stack be achieved. Therefor the supply of fuel gas to the fuel cell can be reduced, preferably accompanied by a reduction of the electrical output Performance of the fuel cell stack, a reduction of the applied electrical load corresponds. Will that be the fuel cell supplied Fuel gas produced in an upstream reformer, so this is whose performance is reduced. additionally can the cooling the cathode air by a corresponding adjustment of the amount of cathode air or further measures, such as a reduction in the system transferred to the cathode air heat be achieved.
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.By the proposed method may have an undesirable reoxidation tendency at the anodes the fuel-single cells at least significantly reduced to completely prevented become. This is a degradation of the fuel cell stack due to reoxidation of the anode avoided and the long-term stability of the system will be raised. The consequences are an increase the reliability and thus reduction of warranty costs as well as a higher one Lifetime of the system. Advantageously, by dispensing with expensive Oxygen gate materials the manufacturing costs of the fuel cell system be significantly reduced or there are no complex measures for the generation of rinsing benötigtem Inert gas (cited prior art) required, wherein quite a lot of details deviating from the above explanations may be designed without departing from the content of the claims.
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WO2008006455A1 (en) | 2008-01-17 |
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