DE102011085758A1

DE102011085758A1 - Brennstoffzellensystem mit verbesserter Anodenabgasverbrennung

Info

Publication number: DE102011085758A1
Application number: DE102011085758A
Authority: DE
Inventors: Ralf Brandenburger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-11-04
Filing date: 2011-11-04
Publication date: 2013-05-08

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1), umfassend – eine Brennstoffzelle (2) mit einer Anode (3) und einer Kathode (4), wobei zwischen der Anode (3) und der Kathode (4) ein Elektrolyt (5) angeordnet ist; und – einen Nachbrenner (25) zum Verbrennen von in Anodenabgas enthaltenen Brennstoffen unter Verwendung von Kathodenabgas als Oxidationsmittel, – eine Anodenabgasführung (26) zum Führen von Anodenabgas zu dem Nachbrenner (25), und – eine Kathodenabgasführung (23) zum Führen von Kathodenabgas zu dem Nachbrenner (25), wobei – eine mit der Kathodenabgasführung (23) stromabwärts der Brennstoffzelle (2) und stromaufwärts des Nachbrenners (25) verbundene Bypassführung (27) vorgesehen ist, durch welche Kathodenabgas an dem Nachbrenner (25) vorbei führbar ist, und wobei – stromabwärts der Brennstoffzelle (2) wenigstens eine Fördervorrichtung (28) zum Fördern von Kathodenabgas vorgesehen ist Ein derartiges Brennstoffzellensystem (1) erlaubt eine Zuführung an Kathodenabgas zu dem Nachbrenner (25) im Wesentlichen unabhängig von dem Kathodengasstrom und ist dabei ferner wartungsarm. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems.
Stand der Technik
Wegen ihres Potentials zur Senkung des Kohlendioxid-Ausstoßes für die Bereitstellung von Strom und Wärme spielt die Kraft-Wärme-Kopplung eine zunehmend wichtigere Rolle im Energiemarkt. Dabei sind Brennstoffzellensysteme insbesondere auf Basis von keramischen Zellen, beziehungsweise Festoxidbrennstoffzellen (SOFC), die bei hohen Temperaturen von beispielsweise 650°C bis 1000°C betrieben werden können, wegen ihres hohen elektrischen Wirkungsgrads und ihrer meist langen Lebensdauer besonders interessant.
Festoxidbrennstoffzellen beispielsweise werden meist mit einem Brenngasnutzungsgrad betrieben, der unter einem theoretisch möglichen Wert liegt. Eine Überschreitung eines derartigen Betriebspunktes kann unter Umständen zu Beschädigungen oder Degradation führen. Folglich reagiert ein Teil des Brennstoffgases beziehungsweise Anodengases, wie etwa Wasserstoff (H₂) oder Kohlenmonoxid (CO) nicht, sondern tritt unverbraucht aus dem Anodenausgang als Anodenabgas wieder aus. Diese Restbrennstoffe können aus Sicherheits- und Gesundheitsschutzgründen in einem Nachbrenner verbrannt werden, da beispielsweise Wasserstoff hochentzündlich und Kohlenmonoxid hochentzündlich und toxisch ist.
Die Druckschrift DE 100 06 006 A1 beschreibt einen Kraft-Wärme-Kopplungsapparat beziehungsweise eine Brennstoffzelle. Ein derartiger Kraft-Wärme-Kopplungsapparat kann je nach Bedarf elektrische Energie und/oder Wärme als Nutzenergie bereitstellen. Um den Betriebszustand der Brennstoffzelle zu wählen, kann ein Brenner so eingestellt werden, dass er im überstöchiometrischen oder im unterstöchiometrischen Bereich arbeitet. Dazu ist der Brenner stromaufwärts der Brennstoffzelle angeordnet. Bezüglich der Abgase der Brennstoffzelle ist an letztere ein Abgassammler angeschlossen, der die Abgase in einen Kamin ableitet.
Die Druckschrift DE 10 2006 046 258 A1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem, bei dem in einem Nachbrenner eine Umsetzung von Anodenabgas der Brennstoffzelle beziehungsweise von noch in dem Anodenabgas enthaltenem Wasserstoff erfolgt, um Schadstoffemissionen der Brennstoffzelle zu reduzieren und um die in dem Anodenabgas chemisch gebundene Energie effizient ausnutzen zu können. Dabei kann ein Bypassventil zum Steuern einer Kathodenabgasströmung durch den Bypass vorgesehen sein, mit deren Hilfe sich das Kathodenabgas gezielt auf den Bypass und auf den Brennraum aufteilen lässt.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem, umfassend

– eine Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode, wobei zwischen der Anode und der Kathode ein Elektrolyt angeordnet ist; und
– einen Nachbrenner zum Verbrennen von in Anodenabgas enthaltenen Brennstoffen unter Verwendung von Kathodenabgas als Oxidationsmittel,
– eine Anodenabgasführung zum Führen von Anodenabgas zu dem Nachbrenner, und
– eine Kathodenabgasführung zum Führen von Kathodenabgas zu dem Nachbrenner, wobei
– eine mit der Kathodenabgasführung stromabwärts der Brennstoffzelle und stromaufwärts des Nachbrenners verbundene Bypassführung vorgesehen ist, durch welche Kathodenabgas an dem Nachbrenner vorbei führbar ist, und wobei
– stromabwärts der Brennstoffzelle wenigstens eine Fördervorrichtung zum Fördern von Kathodenabgas vorgesehen ist.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann als zentrale Einheit somit eine Brennstoffzelle umfassen. Diese ist in ihrer Ausführung nicht beschränkt und kann beispielsweise bezüglich Art und Material der Anode beziehungsweise Kathode, bezüglich Art und Material des Elektrolyten sowie bezüglich des Anoden- und Kathodengases frei wählbar sein. Beispielsweise kann die Brennstoffzelle eine Festoxidbrennstoffzelle sein. Dabei kann zwischen der Anode und der Kathode in an sich bekannter Weise ein Elektrolyt angeordnet sein.
Weiterhin kann das Brennstoffzellensystem zweckmäßigerweise eine Anodengasquelle und eine Kathodengasquelle umfassen. Die Art der jeweiligen Gasquelle ist nicht beschränkend. Beispielsweise kann die Anodengasquelle eine Quelle für Wasserstoff oder ein Wasserstoff-haltiges Gas sein wohingegen die Kathodengasquelle beispielsweise eine Quelle für ein Sauerstoff-haltiges Gas, wie etwa Luft, sein kann. Dementsprechend kann am Anodenausgang Wasserstoff- und/oder Kohlenmonoxid-haltiges Gas vorliegen, wohingegen am Kathodenausgang Sauerstoff-haltiges Gas vorliegen kann. Die Anodengasquelle und die Kathodengasquelle sind dabei mit der Anode beziehungsweise mit der Kathode derart verbunden, etwa über eine geeignete Anodengasleitung beziehungsweise Kathodengasleitung, so dass Anodengas beziehungsweise Kathodengas zu der Anode beziehungsweise zu der Kathode führbar beziehungsweise leitbar ist.
Weiterhin sind das Anodenabgas und das Kathodenabgas zu einem stromabwärts der Brennstoffzelle angeordneten Nachbrenner führbar. Dazu können eine Anodenabgasführung zum Führen von Anodenabgas zu dem Nachbrenner und eine Kathodenabgasführung zum Führen von Kathodenabgas zu dem Nachbrenner vorgesehen sein. Dadurch kann das Anodenabgas, beziehungsweise die in dem Anodenabgas enthaltenen Brennstoffe, wie etwa Wasserstoff oder Kohlenmonoxid, unter Verwendung von Kathodenabgas als Sauerstoffquelle beziehungsweise Oxidationsmittel verbrannt beziehungsweise oxidiert werden. Folglich kann ein Nachbrenner im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln beziehungsweise Umsetzen von Anodenabgas beziehungsweise den in dem Anodenabgas enthaltenen Brennstoffen beziehungsweise Schadstoffen sein. Somit können durch ein Verbrennen beziehungsweise durch eine Oxidation noch in dem Anodenabgas enthaltene Brenngase beziehungsweise Brennstoffe mit Kathodenabgas als Oxidationsmittel unschädlich gemacht werden.
Dies kann insbesondere deshalb vorteilhaft sein, da Brennstoffzellen oftmals mit einem Brenngasnutzungsgrad arbeiten, der in einem Bereich von unter 100%, beispielsweise bei 65% bis 70%, je nach Art und Auslegung der Brennstoffzelle, liegen kann. Der Brenngasnutzungsgrad beziehungsweise die Brenngasausnutzung FU der Brennstoffzelle kann dabei insbesondere folgendermaßen definiert sein: FU = ńO^2–/ńO^2–, pot. wobei ńO^2– den Sauerstoffionen-Molenstrom durch den Elektrolyt, proportional zu dem elektrischen Strom, und ńO^2– _,pot den theoretisch möglichen Sauerstoffionen-Molenstrom, abhängig von der Menge der Reaktionspartner, definieren kann. In anderen Worten kann die Brenngasausnutzung definiert werden als das Verhältnis von durch Sauerstoffionen oxidierten Brennstoff zu dem zugeführten Brennstoff, wobei die Menge an vorhandenen Sauerstoffionen insbesondere proportional zu dem fließenden elektrischen Strom sein kann. Bei einer auf den Stack beziehungsweise einen Brennstoffzellenstapel bezogenen Brenngasausnutzung (FU_stack) wird dabei der Stapel, bei einer auf das Gesamtsystem bezogenen Brenngasausnutzung (FU_system) das Gesamtsystem betrachtet.
Um den Verbrennungsprozess besonders effizient steuern zu können, kann ferner eine mit der Kathodenabgasführung stromabwärts der Brennstoffzelle und stromaufwärts des Nachbrenners verbundene Bypassführung vorgesehen sein, durch welche Kathodenabgas an dem Nachbrenner entlang beziehungsweise vorbei führbar ist. Dadurch kann in geeigneter Weise nur ein Teil des Kathodenabgases durch den Nachbrenner geführt werden, wohingegen ein weiterer Teil des Kathodenabgases durch die Bypassführung an dem Nachbrenner vorbeiführbar ist. Letzteres kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere bedeuten, dass ein Teil des Kathodenabgases den Nachbrenner überbrückend führbar ist, und etwa stromabwärts des Nachbrenners dem durch den Nachbrenner geführten Abgas zugesetzt wird, oder auch gänzlich isoliert aus dem Brennstoffzellensystem entfernbar sein kann.
Folglich kann durch die Bypassführung erreicht werden, dass die Abluft der Kathode nicht vollständig und ausschließlich für eine Verbrennung des Anodenabgases in den Nachbrenner geleitet wird, sondern dass der Kathodenabgasstrom in geeigneter Weise aufteilbar ist, so dass die Zufuhr des Kathodenabgases zu dem Nachbrenner insbesondere unabhängig einer Kathodengaszufuhr der Brennstoffzelle einstellbar ist.
Dies kann deshalb von Vorteil sein, da grundsätzlich die kathodengasseitige Gaszufuhr, wie etwa Luftzufuhr, sehr großzügig ausgelegt werden kann. In anderen Worten kann mit einer Überstöchiometrie beziehungsweise mit einem Überschuss an Kathodengas in der Brennstoffzelle gearbeitet werden, so dass die kathodengasseitige Luftzufuhr in weiten Bereich variiert werden kann. Beispielsweise kann dabei mit einem Lambda-Wert des Nachbrenners von > 2 gearbeitet werden, wobei der Lambda-Wert insbesondere folgendermaßen definiert sein kann: λ_Brenner = 2ń_O2,Brenner/(ń_CO,Brenner + ń_H2,Brenner)
Dabei entspricht ń_O2,Brenner der Sauerstoffzufuhr des Nachbrenners (Kathodenabgas) und ń_CO,Brenner beziehungsweise ń_H2,Brenner der Zufuhr der Verbrennungsedukte Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu dem Nachbrenner, also dem zugeführten Anodenabgas für den Fall, dass in dem Anodenabgas als Verbrennungsedukte lediglich Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthalten sind, wobei die obengenannte Formel bei weiteren Brennstoffen wie gewünscht erweiterbar ist.
Die Eigenschaft der veränderbaren Kathodengaszufuhr bei einem großen Lambda-Wert kann in der Form genutzt werden, dass durch die Variation des Kathodengaszuflusses die Temperatur der Brennstoffzelle beziehungsweise des Brennstoffzellenstacks variierbar beziehungsweise regelbar ist, etwa um etwa die Brennstoffzelle durch das kalte eingeführte Kathodengas zu kühlen. Hier kann auf die Gasausnutzung (AU, Air Utilisation) zurückgegriffen werden für das Verhältnis der für den aktuellen Stromfluss und etwa der in Reihe geschalteten Zellen notwendige Luftmenge zu der tatsächlich bereitgestellten Luftmenge.
Um etwa den Druck beziehungsweise den Massenfluss durch den Nachbrenner beziehungsweise durch die Bypassführung möglichst genau einstellen zu können, kann stromabwärts der Brennstoffzelle wenigstens eine Fördervorrichtung zum Fördern von Kathodenabgas vorgesehen sein. Dadurch ist der gefördert Fluss an Kathodenabgas nicht mehr ausschließlich von der Kathodengasquelle beziehungsweise einer mit der Kathodengasquelle verbundenen Fördervorrichtung einstellbar, die stromaufwärts der Brennstoffzelle angeordnet ist. Störeinflüsse, etwa der Brennstoffzelle beziehungsweise der in der Brennstoffzelle ablaufenden elektrochemischen Reaktionen, können so vermieden werden. Somit kann stets eine geeignete Menge an Kathodengas dem Nachbrenner zugeführt werden, so dass dieser stets wie gewünscht und mit einem geeigneten Verhältnis von zu verbrennendem Gas, also Anodenabgas, und Oxidationsmittel, also Kathodenabgas, arbeiten kann.
Eine genaue Einstellung der dem Nachbrenner zugeführten Gase kann insbesondere deshalb von Vorteil sein, weil das Anodenabgas ein sogenanntes Schwachgas ist. Der Heizwert dieses Gases kann etwa, je nach System und Betriebspunkt, bei 5–30 Vol.-% im Vergleich zu beispielsweise Methan als Brenngas liegen. Eine Verbrennung des Schwachgases kann daher an den Nachbrenner hohe Anforderungen bezüglich der Dosierung der Sauerstoffmenge, also des Kathodenabgases, sowie der Eindüsung des Gases mit Bezug auf Druckverluste stellen. Letzteren etwa kann durch das Vorsehen der weiteren Fördervorrichtung stromaufwärts des Nachbrenners effektiv entgegengewirkt werden.
Die durch eine Verbrennung des Anodenabgases erzeugte Wärme kann dabei für systeminterne Zwecke oder etwa für externe Nutzwärme verwendet werden.
Die stromabwärts der Brennstoffzelle angeordnete wenigstens eine Gasfördervorrichtung braucht daher nicht mehr den Druckabfall über den gesamten Kathodenpfad inklusive Nachbrenner zu überwinden, so dass ein etwaiger Druckverlust durch den Nachbrenner nicht mehr schädlich zu sein braucht. Darüber hinaus kann etwa die wenigstens eine Gasfördervorrichtung stromaufwärts der Brennstoffzelle kleiner dimensioniert werden. Weiterhin kann der Verschleiß reduziert werden, wodurch die Wartungsintervalle verlängert werden können, was den Betrieb eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems besonders kostengünstig gestalten kann.
Insbesondere durch das Vorsehen wenigstens einer Fördervorrichtung stromabwärts der Brennstoffzelle können somit auch Brennerkonzepte mit einem höheren Druckbedarf realisiert werden, da der Druck des Nachbrenners selektiv und alleine durch den Betrieb der weiteren Fördervorrichtung oder der weiteren Fördervorrichtungen und insbesondere in Abhängigkeit der Positionierung letzterer einstellbar ist. Darüber hinaus kann die durch den Nachbrenner verursachte Druckerhöhung etwa durch eine vorgeschaltete Fördervorrichtung aufgebraucht werden. Das weitere System, also insbesondere die Brennstoffzelle als solche, kann in einem davon abweichenden Druckbereich betrieben werden, der im Wesentlichen unabhängig von dem Druckbereich des Nachbrenners sein kann.
Dabei kann die Funktion der Fördervorrichtung oder der Fördervorrichtungen in Abhängigkeit des Bedarfs an Kathodenabgas in dem Nachbrenner einstellbar sein. Als insbesondere Regelgröße kann daher beispielsweise die Brennertemperatur gewählt werden, und braucht nicht an den Luftbedarf in der Brennstoffzelle, also insbesondere deren Kühlung, angepasst werden. Die Luftmenge, beziehungsweise die Menge an Kathodenabgas, in dem Nachbrenner kann durch eine Fördervorrichtung selektiv eingestellt wie etwa geregelt werden, wobei sie dem Bedarf des Nachbrenners optimal angepasst werden kann.
Durch das Vorsehen wenigstens einer Gasfördervorrichtung stromabwärts der Brennstoffzelle kann ferner der Druckwiderstand beispielsweise in der Kathodengasleitung- beziehungsweise Kathodenabgasführung gering gehalten werden, was die Regelbarkeit der mit der Kathodengasquelle verbundenen Gasfördervorrichtung verbessert. Darüber hinaus ist die Summe der Leistungen sämtlicher Fördervorrichtungen unter Verwendung des gleichen Nachbrennerprinzips geringer als die Leistung jeder einzelnen Fördervorrichtung, da die Menge, die durch den Nachbrennerwiderstand geführt ist, geringer ist.
Folglich kann das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem insbesondere besonders energieeffizient zu betreiben.
Insgesamt kann das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem insbesondere das Verhalten eines Nachbrenners im Teillastbereich verbessern, und der Verbrennungsvorgang kann im Hinblick auf Emissionen optimiert werden.
Im Rahmen einer Ausgestaltung kann eine Fördervorrichtung in der Kathodenabgasführung stromabwärts der Bypassführung und stromaufwärts des Nachbrenners und/oder in der Bypassführung angeordnet sein. Bei einer Positionierung einer Fördervorrichtung in der Kathodenabgasführung kann die Fördervorrichtung somit im Wesentlichen unmittelbar vor beziehungsweise stromaufwärts des Nachbrenners angeordnet sein. Dadurch kann erreicht werden, dass keine oder zumindest nur vernachlässigbare Störeinflüsse zwischen der Fördervorrichtung und dem Nachbrenner auftreten. Eine Einstellung der Kathodengaszufuhr beziehungsweise der Dosierung mit geeignetem Druck beziehungsweise mit geeigneter Druckerhöhung zu dem Nachbrenner ist so besonders genau möglich. Ferner kann durch eine Positionierung einer Fördervorrichtung in der Bypassführung ebenfalls eine sehr exakte Einstellung der Aufteilung des Kathodenabgasstroms und damit eine vorteilhafte und genaue Eindüsung des Kathodenabgases in Bypassleitung beziehungsweise in den Nachbrenner realisiert werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann eine Fördervorrichtung stromabwärts des Nachbrenners angeordnet sein. In dieser Ausgestaltung ist eine Verwendung einer derart positionierten Fördervorrichtung unabhängig von der Temperatur des Kathodenabgases möglich, wodurch der Nachbrenner auch unter Verwendung von kostengünstigen Fördervorrichtungen mit heißer Kathodenabluft versorgt werden kann. Dadurch kann der Nachbrenner noch effizienter arbeiten, wobei der Nachbrenner in dieser Ausgestaltung an die Druckverhältnisse der Brennstoffzelle beziehungsweise der Kathodenabgasführung angepasst sein kann. Dabei kann eine Fördervorrichtung insbesondere stromaufwärts oder unter Verwendung etwa geeigneter Ventile stromabwärts einer möglichen Zusammenführung von Bypassführung und Abgasführung des Nachbrenners angeordnet sein. Ferner kann in der Abgasführung des Nachbrenners eine Kühleinrichtung, wie etwa ein Wärmetauscher vorgesehen sein, welcher das Abgas kühlt, bevor es auf die Fördervorrichtung trifft.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann in der Kathodenabgasführung und/oder in der Bypassführung stromabwärts und/oder in einer Verbindung der Kathodenabgasführung und der Bypassführung eine Vorrichtung zum selektiven Führen des Kathodenabgases in die Bypassführung und/oder in den Nachbrenner vorgesehen sein. Dies ist eine besonders einfache und kostengünstige und ferner genaue Variante, den Kathodenabgasstrom auf Bypassführung und Nachbrenner aufteilen zu können und so den Bedarf an Sauerstoff beziehungsweise an Kathodenabgas in dem Nachbrenner gezielt und selektiv einstellen zu können. In dieser Ausgestaltung kann die Fördervorrichtung somit unterstützt werden und ein selektives Führen des Kathodenabgases nicht beispielsweise alleine durch Letztere erfolgen, was den Verschleiß des Brennstoffzellensystems weiter reduzieren und das Führen des Kathodenabgasstromes besonders genau gestalten kann.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Vorrichtung zum selektiven Führen des Kathodenabgases wenigstens ein Ventil und/oder wenigstens einen Massenstrombegrenzer aufweisen. Derartige Vorrichtungen sind besonders langzeitstabil auch bei hohen Temperaturen, was die Langlebigkeit des Brennstoffzellensystems weiter verbessert und damit die Wartungsintervalle verlängert. Darüber hinaus ist durch derartige Vorrichtungen ein besonders exaktes Einstellen der Gasflüsse in den Bypass beziehungsweise in den Nachbrenner möglich.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann stromaufwärts wenigstens einer Fördervorrichtung zum Fördern von Kathodenabgas und stromabwärts der Brennstoffzelle eine Kühlvorrichtung, insbesondere ein Wärmetauscher, angeordnet sein. In dieser Ausgestaltung kann das stromabwärts der Brennstoffzelle meist warme beziehungsweise heiße Kathodenabgas insbesondere in der Kathodenabgasführung oder in der Abgasführung des Nachbrenners gekühlt werden. Dadurch können die Anforderungen an die Fördervorrichtung deutlich gesenkt werden, was ein Verwenden von kostengünstigen Fördervorrichtungen, wie etwa von Gebläsen, ermöglicht. Beispielsweise kann das Kathodenabgas durch die Kühlvorrichtung auf eine Temperatur von ≤ 150°C kühlbar sein. Insbesondere bei der Verwendung eines Wärmetauschers als Kühlvorrichtung kann der Wärmetauscher unter Abkühlung des heißen Kathodenabgases zu systeminternen Wärmerückgewinnung dienen, was einen Betrieb des Brennstoffzellensystems in dieser Ausgestaltung besonders energieeffizient macht. Dabei kann für den Fall, dass eine Mehrzahl an Fördervorrichtungen vorgesehen ist, vor jeder oder vor einzelnen der vorgesehenen Fördervorrichtungen eine Kühlvorrichtung vorgesehen sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann das Abgas des Brennstoffzellensystems stromaufwärts eines Ausgangs auf eine Temperatur abkühlbar sein, die unterhalb des Taupunktes von Wasser liegt. Dadurch ist die Kondensationsenthalpie des im Abgas enthaltenen Wassers zur Effizienzsteigerung der Wärmerückgewinnung nutzbar. Dabei kann das Abgas vorzugsweise das Abgas des Nachbrenners und das Abgas der Bypassführung umfassen und/oder der Ausgang kann insbesondere ein Ausgang des Brennstoffzellensystems sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann wenigstens ein Sensor zum qualitativen und/oder quantitativen Ermitteln der Bestandteile des Anodenabgases stromaufwärts und/oder stromabwärts des Nachbrenners vorgesehen sein. In dieser Ausgestaltung kann bei einer Positionierung des Sensors stromaufwärts des Nachbrenners die Zufuhr an Kathodenabgas zu dem Nachbrenner auf die tatsächlich zu verbrennenden Bestandteile angepasst werden, was besonders gute Ergebnisse der Verbrennung ermöglicht. Bei einer Positionierung des Sensors stromabwärts des Nachbrenners kann ferner auf noch stromabwärts des Nachbrenners enthaltene Brennstoffe reagiert und so der Betriebspunkt des Nachbrenners eingestellt werden. Dadurch ist eine besonders effektive Verbrennung der in dem Anodenabgas enthaltenen Schadstoffe beziehungsweise Brennstoffe möglich. Dabei kann eine frei wählbare Anzahl an Sensoren vorgesehen sein. Beispielsweise kann etwa für jeden zu erwartenden Bestandteile ein jeweiliger Sensor vorgesehen sein, oder es kann weiter beispielhaft für sämtliche der zu erwartenden Bestandteile nur ein Sensor vorgesehen sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann das Brennstoffzellensystem einen Reformer zum Aufbereiten von Anodengas aufweisen. Diese Ausgestaltung ist insbesondere von Vorteil für die Verwendung einer Brennstoffzelle, welche mit Erdgas als Brenngas beziehungsweise Brennstoff arbeitet. Hier können unter Umständen die im Erdgas enthaltenen Kohlenwasserstoffverbindungen an der Anode beispielsweise einer Hochtemperaturbrennstoffzelle nicht oder nur bedingt reaktionsfähig sein. Sie können jedoch durch eine Reformierungsreaktion beispielsweise in Wasserstoff und Kohlenmonoxid umgewandelt werden. Eine derartige Reformierung kann dabei neben einer Reaktion auf der katalytischen Anodenoberfläche insbesondere in dem vor dem Anodeneingang angeordneten Reformer beziehungsweise Prereformer ablaufen. Auch bei einem derartigen Brennstoffzellensystem können die stromabwärts der Brennstoffzelle in dem Anodenabgas befindlichen unverbrauchten Brennstoffe in dem Nachbrenner wirkungsvoll verbrannt werden.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, umfassend die Verfahrensschritte:

– Leiten von Anodenabgas von einer Brennstoffzelle zu einem Nachbrenner;
– Leiten von Kathodenabgas von der Brennstoffzelle zu dem Nachbrenner; und
– Verbrennen von in dem Anodenabgas enthaltenen Brennstoffen in dem Nachbrenner unter Verwendung von Kathodenabgas als Oxidationsmittel; wobei
– das Kathodenabgas stromaufwärts des Nachbrenners geteilt wird in einen durch eine Bypassführung geführten Kathodenabgasstrom und in einen in den Nachbrenner geführten Kathodenabgasstrom, wobei
– das Kathodenabgas durch wenigstens eine stromabwärts der Brennstoffzelle angeordnete Fördervorrichtung zum Fördern von Kathodenabgas gefördert wird.

Ein derartiges Verfahren erlaubt eine effektive und sichere Verbrennung von in Anodenabgas enthaltenen Brennstoffen unter Verwendung von Kathodenabgas in einem Nachbrenner, wobei die Zufuhr von Kathodenabgas in den Nachbrenner im Wesentlichen unabhängig von dem der Brennstoffzelle zugeführten Kathodengas ist. Dadurch kann bei jedem Betriebszustand der Brennstoffzelle eine sichere und effektive Verbrennung von in dem Anodenabgas enthaltenen Schadstoffen erreicht werden. Bezüglich weiterer Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die Vorteile des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems verwiesen.
Im Rahmen einer Ausgestaltung kann die Menge an dem Nachbrenner zugeführten Kathodenabgas in Abhängigkeit der Arbeitstemperatur des Nachbrenners und/oder der Menge an dem Nachbrenner zugeführten Brennstoffe und/oder der Menge an in der Abluft des Nachbrenners enthaltenen Brennstoffe eingestellt werden. Dadurch kann eine Verbrennung beziehungsweise Umsetzung der in dem Anodenabgas enthaltenen Brennstoffe besonders effektiv und effizient realisiert werden. Das Anodenabgas kann dadurch besonders verlässlich von Schadstoffen befreit werden. Dabei kann durch eine Ansteuerung der Gasfördervorrichtung oder der Gasfördervorrichtungen besonders dynamisch und sicher auf sich verändernde Brennstoffkonzentrationen oder Brennertemperaturen geantwortet werden. Dabei ist die Temperatur des Nachbrenners ein Indikator für das Luft/Brennstoffverhältnis, welches ebenfalls stromaufwärts und/oder stromabwärts des Nachbrenners durch eine Lambdasonde ermittelbar ist.
Zeichnungen und Beispiele
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems; und
2 ein beispielhaftes Diagramm zeigend die Sättigungsmenge von Wasserdampf in Luft bei unterschiedlichen Temperaturen.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1. Derartige Brennstoffzellensysteme 1 können beispielsweise Verwendung finden als stationäre oder mobile Brennstoffzellensysteme. Beispielsweise können erfindungsgemäße Brennstoffzellensysteme 1 in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden.
Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst gemäß 1 eine Brennstoffzelle 2, wie etwa eine Festoxidbrennstoffzelle, mit einer Anode 3 und einer Kathode 4. Zwischen der Anode 3 und der Kathode 4 ist dabei ein Elektrolyt 5 angeordnet. Zweckmäßigerweise umfasst das Brennstoffzellensystem 1 ferner einen elektrischen Anschluss 6 zum Abgreifen elektrischer Energie. Dabei kann nur eine Brennstoffzelle 2 vorgesehen sein, oder eine Mehrzahl, einen Brennstoffzellenstapel ausbildenden Brennstoffzellen 2.
Das Brennstoffzellensystem 1 kann weiterhin einen Anodenkreislauf 7 zum Rezirkulieren von Anodenabgas umfassen. Der Anodenkreislauf 7 kann dabei etwa eine Rezirkulationsleitung 8 umfassen, welche einen Anodenabgasausgang 9 mit einem Anodengaseingang 10 fluidisch außerhalb der Brennstoffzelle 2 verbindet.
In dem Anodenkreislauf 7 kann ferner eine geeignete Fördervorrichtung 36, wie beispielsweise ein Gebläse, ein Verdichter beziehungsweise eine Pumpe sowie ein Wärmetauscher 37 vorgesehen sein. Ferner kann das Brennstoffzellensystem 1 in Abhängigkeit des gewünschten verwendeten Brenngases einen Reformer 11 zur Durchführung einer Reformierungsreaktion und zum Aufbereiten von Anodengas aufweisen, der beispielsweise in dem Anodenkreislauf 7 stromaufwärts des Anodengaseingangs 10 angeordnet sein kann.
Das Brennstoffzellensystem 1 kann ferner eine Anodengasquelle 12, wie beispielsweise eine Erdgasquelle aufweisen, die mit dem Anodengaseingang 10 fluidisch verbunden ist. Beispielsweise kann die Anodengasquelle 12 über eine Anodengasleitung 13 mit dem Anodenkreislauf 7 beziehungsweise der Rezirkulationsleitung 8 verbunden sein. Zweckmäßigerweise kann das Anodengas dabei den Reformer 11 durchlaufen. In der Anodengasleitung 13 können etwa eine Entschwefelungsvorrichtung 14 sowie eine geeignete Fördervorrichtung 15, wie beispielsweise ein Gebläse, ein Verdichter beziehungsweise eine Pumpe, vorgesehen sein. Darüber hinaus kann eine Wassereintragvorrichtung vorgesehen sein, die beispielsweise in der Anodengasleitung 13 angeordnet sein kann. Das Wasser kann in gereinigter und deionisierter Form in das Anodengas eingetragen werden. Dazu kann die Wassereintragvorrichtung beispielsweise ein Verdampfer sein. Als Heizquellen für den Verdampfer kommen in rein beispielhafter Weise eine elektrische Heizung oder etwa die Nutzung von in dem System erzeugter Wärme, wie beispielsweise Abwärme der Brennstoffzelle 2 in Frage.
Weiterhin kann das Brennstoffzellensystem 1 eine Kathodengasquelle 16 aufweisen. Diese kann beispielsweise eine Luftquelle, wie etwa Umgebungsluft, umfassen oder sein. Das Kathodengas kann etwa mit einer geeigneten Fördervorrichtung 17, wie beispielsweise einem Gebläse, einem Verdichter beziehungsweise einer Pumpe, in eine beziehungsweise in einer Kathodengasleitung 18 gefördert werden. Die Kathodengasleitung 18 kann ferner mit einem Kathodengaseingang 19 der Brennstoffzelle 2 verbunden sein. In der Kathodengasleitung 18 können dabei ein oder eine Mehrzahl an Wärmetauschern 20, 21 angeordnet sein. Durch diese Wärmetauscher 20, 21 kann etwa eine Kathodengasvorwärmung und gleichermaßen bei einer entsprechenden Anbindung eine Abgaskühlung realisiert werden. Dadurch können thermische Verluste gering gehalten werden, was eine Einhaltung der erforderlichen Brennstoffzellentemperatur erleichtert. Darüber hinaus kann eine Materialbeanspruchung durch zu hohe Abgastemperaturen vermindert werden.
Eine mit einem Kathodenabgasausgang 22 verbundene Kathodenabgasführung 23 kann, beispielsweise über Wärmetauscher 20, 24 mit einem Nachbrenner 25 verbunden sein, so dass Kathodenabgas zu dem Nachbrenner 25 führbar ist. Durch den Nachbrenner 25 kann beispielsweise unter Verwendung von Kathodenabgas als Oxidationsmittel in dem Anodenabgas enthaltenes Kohlenmonoxid (CO) zu Kohlendioxid (CO₂) oder Wasserstoff (H₂) zu Wasser oxidiert werden, wodurch der Austritt toxischer Abgase reduziert oder vollständig verhindert werden kann. Hierzu ist Anodenabgas durch eine Anodenabgasleitung 26, die etwa an die Rezirkulationsleitung 8 angeschlossen sein kann, beispielsweise durch das Vorsehen entsprechender Ventile, zu dem Nachbrenner 25 führbar.
Um Kathodenabgas in einer gewünschten Menge, die unabhängig sein kann von dem Bedarf an Kathodengas in der Brennstoffzelle 2, in den Nachbrenner 25 führen zu können, ist eine mit einer Kathodenabgasführung 23 stromabwärts der Brennstoffzelle 2 und stromaufwärts des Nachbrenners 25 verbundene Bypassführung 27 vorgesehen, durch welche Kathodenabgas an dem Nachbrenner 25 entlang- beziehungsweise vorbeiführbar ist. Dabei kann eine Vorrichtung zum selektiven Führen des Kathodenabgases in die Bypassführung 27 und/oder in den Nachbrenner 25 vorgesehen sein. Die Vorrichtung zum selektiven Führen des Kathodenabgases kann dabei wenigstens ein Ventil und/oder wenigstens einen Massenstrombegrenzer aufweisen oder sein und/oder in der Kathodenabgasführung 23 und/oder in der Bypassführung 27 stromabwärts einer oder an beziehungsweise in der Verbindung letzterer angeordnet sein.
Stromabwärts der Brennstoffzelle 2 ist ferner wenigstens eine Fördervorrichtung 28 zum Fördern von Kathodenabgas vorgesehen, um im Wesentlichen unabhängig von dem Bedarf der Brennstoffzelle 2 und daher nicht alleine durch das Fördern der Fördervorrichtung 17 Kathodenabgas in den Nachbrenner 25 zu leiten. Dabei kann nur eine oder aber eine Mehrzahl an Fördervorrichtungen vorgesehen sein, die bedarfsabhängig angeordnet sein können.
Beispielsweise kann eine oder mehrere Fördervorrichtungen 28 in der Kathodenabgasleitung 23 stromabwärts der Bypassführung 27 und stromaufwärts des Nachbrenners 25, wie dies in 1 gezeigt ist, und/oder in der Bypassführung 27 angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ können eine oder mehrere Fördervorrichtungen 28 oder eine oder mehrere weitere, nicht dargestellte Fördervorrichtungen stromabwärts des Nachbrenners 25 angeordnet sein, etwa stromabwärts des Wärmetauschers 21 oder einer weiteren Kühlvorrichtung.
1 zeigt weiterhin, dass stromaufwärts einer oder mehrerer der wenigstens einen Fördervorrichtung 28 zum Fördern von Kathodenabgas eine Kühlvorrichtung 29, insbesondere ein Wärmetauscher, angeordnet sein kann. Durch diese kann das Kathodenabgas kühlbar sein, etwa auf eine Temperatur, die in einem Bereich von ≤ 150 °C liegt.
Weiterhin kann wenigstens ein nicht dargestellter Sensor zum qualitativen und/oder quantitativen Ermitteln der Bestandteile des Anodenabgases stromaufwärts und/oder stromabwärts des Nachbrenners 25 vorgesehen sein.
Stromabwärts des Nachbrenners 25 kann eine Abgasleitung 30 vorgesehen sein, welche insbesondere über den Wärmetauscher 21 mit einem Ausgang 31 verbunden sein kann. Stromaufwärts des Ausgangs 31 des Brennstoffzellensystems kann ein weiterer Wärmetauscher 32 vorgesehen sein, der mit einer Heizung 33 verbunden ist. Dadurch kann beispielsweise die Abwärme des Brennstoffzellensystems 1 genutzt werden.
Zur Effizienzsteigerung der Wärmerückgewinnung kann eine weitere Kühleinrichtung, wie insbesondere ein weiterer Wärmetauscher 34, insbesondere in der Abgasleitung 30 vorgesehen sein, der mit der Heizung 33, dem Wärmetauscher 32 und/oder einem Wasserabscheider 35 verbunden sein kann. Dadurch kann das Abgas des Brennstoffzellensystems 1 beziehungsweise des Nachbrenners 25 stromaufwärts des Ausgangs 31 auf eine Temperatur abkühlbar sein, die unterhalb des Taupunktes von Wasser liegt. Der Taupunkt beziehungsweise die Taupunkttemperatur kann dabei insbesondere von dem Partialdruck, also dem Anteil der Gesamtmenge, des Wassers im Kathodenabgas abhängen.
Dies ist in 2 gezeigt, die ein Diagramm des Wassergehalts, welcher dem Partialdruck entspricht, beispielsweise des Abgases, in Abhängigkeit der Sättigungstemperatur und damit qualitativ der Taupunkttemperatur schematisch darstellt. Bei größerem Partialdruck an Wasserdampf kann die Taupunkttemperatur ansteigen, was den Wirkungsgrad der Wärmeauskopplung, beispielsweise durch den Wärmetauscher 34 erhöhen kann. Dabei beschreibt die X-Achse in 2 die Temperatur in °C, wohingegen die Y-Achse den Wassergehalt in Gramm pro Kubikmeter bezeichnet. Bei der in 1 beschriebenen Anordnung kann der Wassergehalt am Wasserabscheider 35 höher sein, als bei herkömmlichen Systemen ohne Kathodenabluftverwertung, wodurch gemäß 1 eine höhere Taupunkttemperatur möglich ist. Dadurch ist erfindungsgemäß die Auskondensierung des Wassers im Abgas erleichtert, was den Wirkungsgrad der Wärmeauskopplung erhöhen kann.
Ein geeignetes Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems 1, umfasst die Verfahrensschritte:

– Leiten von Anodenabgas von einer Brennstoffzelle 2 zu einem Nachbrenner 25;
– Leiten von Kathodenabgas von der Brennstoffzelle 2 zu dem Nachbrenner 25; und
– Verbrennen von in dem Anodenabgas enthaltenen Brennstoffen in dem Nachbrenner 25 unter Verwendung von Kathodenabgas als Oxidationsmittel; wobei
– das Kathodenabgas stromaufwärts des Nachbrenners 25 geteilt wird in einen durch eine Bypassführung 27 geführten Kathodenabgasstrom und in einen in den Nachbrenner 25 geführten Kathodenabgasstrom, wobei
– das Kathodenabgas durch wenigstens eine stromabwärts der Brennstoffzelle 2 angeordnete Fördervorrichtung 28 zum Fördern von Kathodenabgas gefördert wird.

Dabei kann die Menge an dem Nachbrenner 25 zugeführten Kathodenabgas in Abhängigkeit der Arbeitstemperatur des Nachbrenners 25 und/oder der Menge an dem Nachbrenner 25 zugeführten Anodenabgases, insbesondere durch Ansteuern der Gasfördervorrichtung 28, eingestellt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10006006 A1 [0004]
DE 102006046258 A1 [0005]

Claims

Brennstoffzellensystem, umfassend – eine Brennstoffzelle (2) mit einer Anode (3) und einer Kathode (4), wobei zwischen der Anode (3) und der Kathode (4) ein Elektrolyt (5) angeordnet ist; und – einen Nachbrenner (25) zum Verbrennen von in Anodenabgas enthaltenen Brennstoffen unter Verwendung von Kathodenabgas als Oxidationsmittel, – eine Anodenabgasführung (26) zum Führen von Anodenabgas zu dem Nachbrenner (25), und – eine Kathodenabgasführung (23) zum Führen von Kathodenabgas zu dem Nachbrenner (25), wobei – eine mit der Kathodenabgasführung (23) stromabwärts der Brennstoffzelle (2) und stromaufwärts des Nachbrenners (25) verbundene Bypassführung (27) vorgesehen ist, durch welche Kathodenabgas an dem Nachbrenner (25) vorbei führbar ist, und wobei – stromabwärts der Brennstoffzelle (2) wenigstens eine Fördervorrichtung (28) zum Fördern von Kathodenabgas vorgesehen ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei eine Fördervorrichtung (28) in der Kathodenabgasführung (23) stromabwärts der Bypassführung (27) und stromaufwärts des Nachbrenners (25) und/oder in der Bypassführung (27) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Fördervorrichtung (28) stromabwärts des Nachbrenners (25) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in der Kathodenabgasführung (23) und/oder in der Bypassführung (27) stromabwärts und/oder in einer Verbindung der Kathodenabgasführung (23) und der Bypassführung (27) eine Vorrichtung zum selektiven Führen des Kathodenabgases in die Bypassführung (27) und/oder in den Nachbrenner (25) vorgesehen ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei die Vorrichtung zum selektiven Führen des Kathodenabgases wenigstens ein Ventil und/oder wenigstens einen Massenstrombegrenzer aufweist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei stromaufwärts wenigstens einer Fördervorrichtung (28) zum Fördern von Kathodenabgas und stromabwärts der Brennstoffzelle (2) eine Kühlvorrichtung (29), insbesondere ein Wärmetauscher, angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Abgas des Brennstoffzellensystems (1) stromaufwärts eines Ausgangs (31) auf eine Temperatur abkühlbar ist, die unterhalb des Taupunktes von Wasser liegt.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei wenigstens ein Sensor zum qualitativen und/oder quantitativen Ermitteln der Bestandteile des Anodenabgases stromaufwärts und/oder stromabwärts des Nachbrenners (25) vorgesehen ist.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), umfassend die Verfahrensschritte: – Leiten von Anodenabgas von einer Brennstoffzelle (2) zu einem Nachbrenner (25); – Leiten von Kathodenabgas von der Brennstoffzelle (2) zu dem Nachbrenner (25); und – Verbrennen von in dem Anodenabgas enthaltenen Brennstoffen in dem Nachbrenner (25) unter Verwendung von Kathodenabgas als Oxidationsmittel; wobei – das Kathodenabgas stromaufwärts des Nachbrenners (25) geteilt wird in einen durch eine Bypassführung (27) geführten Kathodenabgasstrom und in einen in den Nachbrenner (25) geführten Kathodenabgasstrom, wobei – das Kathodenabgas durch wenigstens eine stromabwärts der Brennstoffzelle (2) angeordnete Fördervorrichtung (28) zum Fördern von Kathodenabgas gefördert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Menge an dem Nachbrenner (25) zugeführten Kathodenabgas in Abhängigkeit der Arbeitstemperatur des Nachbrenners (25) und/oder der Menge an dem Nachbrenner (25) zugeführten Brennstoffe und/oder der Menge an in der Abluft des Nachbrenners (25) enthaltenen Brennstoffe eingestellt wird.