DE102011088120A1 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zu dessen Betrieb - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Brennstoffzellensystem, insbesondere eine Hochtemperaturbrennstoffzelle beschrieben, umfassend eine Brennstoffzelle (12) mit einem anodischen Bereich (62) und einem kathodischen Bereich (60), wobei dem anodischen Bereich (62) ein Brenngas zugeführt wird und ein anodisches Abgas abgeführt wird und wobei dem kathodischen Bereich (60) ein sauerstoffhaltiges Gas zugeführt wird und ein kathodisches Abgas abgeführt wird, und mit einer Rezirkulationseinheit (30, 34), mittels der zumindest ein Teil des anodischen Abgases, das den anodischen Bereich (62) der Brennstoffzelle (12) verlässt, dem anodischen Bereich (62) der Brennstoffzelle (12) erneut zugeführt werden kann. Dabei ist eine Steuerungseinheit vorgesehen ist, mittels der die Rezirkulationseinheit (30, 34) gesteuert wird, wobei die Steuerung der Rezirkulationseinheit (30, 34) auf der Basis eines Brenngasnutzungsgrades (FU) und/oder auf der Basis eines Sauerstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnisses (O/C) des dem anodischen Bereich (62) zugeführten Brenngases erfolgt, wobei als Brenngasnutzungsgrad (FU) das Verhältnis der innerhalb des anodischen Bereichs (62) umgesetzten Gasmenge zu der dem anodischen Bereich (62) insgesamt zugeführten Gasmenge herangezogen wird und wobei als Sauerstoffzu-Kohlenstoff-Verhältnis (O/C) das Verhältnis der Summe von freiem und gebundenem Sauerstoff zu der Summe an freiem und gebundenem Kohlenstoff eines dem anodischen Bereich (62) der Brennstoffzelle (12) zugeführten Brenngases herangezogen wird, und dass der Brenngasnutzungsgrad (FU) und/oder das Sauerstoff-zu-Kohlenstoffverhältnis (O/C) des dem anodischen Bereich (62) der Brennstoffzelle (12) zugeführten Brenngases auf der Basis einer im anodischen Bereich (62) der Brennstoffzelle (12) herrschenden Temperatur (Tan), eines des dem anodischen Bereich (62) zugeführten Brenngases zuzuordnender absoluten Feuchtewertes (aH) und/oder auf der Basis eines an der Brennstoffzelle (12) anliegenden Stroms (I) bestimmt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem sowie auf ein Verfahren zum Betrieb desselben und dessen Verwendung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
  • Stand der Technik
  • Aufgrund ihres Potenzials zur Senkung des CO2-Ausstoßes bei der Bereitstellung von Strom spielen Brennstoffzellensysteme für zukünftige Anwendungen eine große Rolle. Dies gilt u.a. für den Bereich der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), wobei Brennstoffzellensysteme neben Strom auch Wärme erzeugen. Diese letztgenannten Brennstoffzellensysteme sind beispielsweise auf Basis keramischer Zellen aufgebaut, sogenannter Solid Oxide Fuel Cells (SOFC), die bei höheren Temperaturen von 650 bis 1000 Grad Celsius betrieben werden.
  • Ein derartiges KWK-Brennstoffzellensystem wandelt die in einem Brennstoff, wie beispielsweise Erdgas, enthaltene chemische Energie in Strom und Wärme um. Dies erfolgt innerhalb eines Brennstoffzellenstacks im Rahmen einer chemischen Reaktion, wobei der Brennstoff als Reduktionsmittel mit beispielsweise dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff als Oxidationsmittel reagiert. Dabei ist der Brennstoffzellenstack in einen Anoden- und einen Kathodenbereich untergliedert, die mittels eines Elektrolyten voneinander getrennt sind. Die Energieerzeugung in Bezug auf Strom und Wärme erfolgt im Wesentlichen durch die nachfolgend aufgeführten chemischen Reaktionen.
    Anodenseitig: H2 + O2– → H2O + 2e– und CO + O2– → CO2 + 2e– (1)
    Kathodenseitig: ½O2 + 2e– → O2– (2)
  • Handelsübliches Erdgas besteht überwiegend aus Alkanen. Die vorgenannten, durch die Gleichungen (1) und (2) beschriebenen Reaktionen setzen jedoch die Existenz von Wasserstoff bzw. Kohlenmonoxid als Edukt voraus. Somit ist eine Vorverarbeitung des dem KWK-Brennstoffzellensystems zuzuführenden Erdgases erforderlich. Zwar findet diese Umwandlung teilweise auch innerhalb des Brennstoffzellenstacks selber statt, überwiegend werden jedoch bei KWK-Brennstoffzellensystemen mit einem vorgeschalteten Reaktor, einem sogenannten Reformer, die nachfolgend aufgeführten Reformierungsreaktionen durchgeführt, die grundsätzlich jedoch auch innerhalb des Brennstoffzellenstacks selbst an der Anodenoberfläche des SOFC-Brennstoffzellenstacks ablaufen können:
    Dampf-Methanereformierung: CH4 + H2O → CO + 3H2 (3)
    Wasser-Shift-Reaktion: CO + H2O ⇔ CO2 + H2 (4)
  • Es ist ersichtlich, dass für die Reformierungsreaktionen (3) und (4) auch Wasser als Edukt benötigt wird. Grundsätzlich wird die Umwandlung eines wie auch immer gearteten Brennstoffs in Wasserstoff und Kohlenmonoxid unter Anwesenheit von Wasser als Dampf-Reformierung (Steam Reforming) bezeichnet.
  • Die übliche Betriebsweise eines Brennstoffzellensystems geht allgemein dahin, einem Brennstoffzellenstack eine größere Menge an Brennstoff zur Verfügung zu stellen als theoretisch nötig wäre. Die Güte eines Brennstoffzellenstacks richtet sich somit nach dem Verhältnis des Anteils des in der Brennstoffzelle selbst umgesetzten Brennstoffs zu der Gesamtmenge an Brennstoff, die dem Brennstoffzellenstack zugeführt wird. Dieses Verhältnis wird als Fuel Utilisation (FU) bezeichnet. Die jeweiligen Hersteller eines Brennstoffzellenstacks geben zur Charakterisierung des Brennstoffzellenstacks eine obere Grenze FUmax an. Diese obere Grenze liegt für übliche SOFC-Brennstoffzellenstacks bei 65 bis 85 %. Theoretisch kann eine reale Fuel Utilisation (FU) wie folgt hergeleitet werden: Für einen gegebenen Strom I gibt es einen entsprechenden notwendigen Elektronenmolenstrom:
    Figure 00030001
  • Dabei ist nc die Anzahl von Zellen im Brennstoffzellenstack und F ist die Faraday-Konstante. Strom wir dann generiert, wenn der Brennstoff im Brennstoffzellenstack genug Elektronen zur Verfügung stellt, um die elektrochemischen Reaktionen (1) und (2) zu ermöglichen. Die Anzahl der zur Verfügung stehenden Elektronen wird folgendermaßen berechnet:
    Figure 00030002
  • Dabei ist ṅNG der Erdgasmolenstrom, xi,NG der Molanteil des Stoffes i im Brennstoff Erdgas (NG) und Ne–,i die Valenz vom Stoff i im Erdgas. Das Verhältnis zwischen den Größen ṅe–,IST und ṅe–,möglich ergibt dann die Fuel Utilisation (FU):
    Figure 00030003
  • Der innerhalb eines Brennstoffzellenstacks nicht umgesetzte Brennstoff, charakterisiert als Gesamtbrennstoffstrom multipliziert mit (1 – FU), wird üblicherweise in einem dem Brennstoffzellenstack in Strömungsrichtung nachgelagerten Nachbrenner verbrannt. Die dabei gewonnene Energie wird dann über Wärmetauscher dem Brennstoffzellenstack, dem Reformierungsreaktor und/oder den zur Reaktion nötigen Edukten wie Erdgas, Luft oder Wasser zugeführt.
  • Erdgas enthält neben Methan auch schwerere Alkane wie Ethan, Butan oder Propan. Die Reformierung solcher Moleküle im Brennstoffzellenstack kann den Brennstoffzellenstack beschädigen. Üblicherweise erfolgt die Reformierung dieser Alkane vor dem Brennstoffzellenstack in einem Vorreformer:
    Ethanreformierung: C2H6 + 2H2O → 2CO + 5H2 (8)
    Propanreformierung: C3H8 + 3H2O → 3CO + 7H2 (9)
    Buthanreformierung: C4H10 + 4H2O → 4CO + 9H2 (10)
  • Die allgemeine Reformierungsreaktion für das Alkan CnH2n+2 lautet:
    Reformierung allgemein: CnH2n+2 + nH2O → nCO + (2n + 1)H2 (11)
  • Die vorbeschriebenen chemischen Reaktionen kennzeichnen eine Dampfreformierung, wobei Wasser mit Alkanen reagiert, um Wasserstoff und Kohlenmonoxide zu erzeugen. Die Alkane können alternativ auch mittels Sauerstoff reformiert werden. Man spricht dann von einer partiellen Oxidation (POX). Für Methan lautet die chemische Reaktion:
    Partielle Methanreformierung CH4 + ½O2 → CO + 2H2 (12)
  • Die allgemeine partielle Alkanreformierungsreaktion lautet:
    Partielle Alkanreformierung CnH2n+2 + n/2O2 → nCO + (n + 1)H2 (13)
  • Je nach Reformierungstyp muss vor dem Vorreformer Luft oder Wasser zugeführt werden.
  • Weiterhin muss für einen erfolgreichen Betrieb eines Brennstoffzellensystems sichergestellt werden, dass es weder im Reformer noch im Brennstoffzellenstack zu einer Kohlenstoffablagerung während der dort ablaufenden Reformierungsreaktionen kommt. Um dies zu verhindern, werden der Vorreformer bzw. der Brennstoffzellenstack mit Brenngasgemischen beaufschlagt, die bestimmte Grenzen hinsichtlich ihres Verhältnisses von Sauerstoffgehalt zu Kohlenstoffgehalt, bzw. ihres O/C-Verhältnisses oder der Oxygen-to-Carbon-Ratio aufweisen. Das O/C-Verhältnis ist folgendermaßen definiert:
    Figure 00050001
  • Dabei ist ṅO der O-Atommolenstrom und ṅC ist der C-Atommolenstrom. Bei Unterschreitung eines kritischen O/C-Wertes vor dem Vorreformer besteht die Gefahr von Kohlenstoffablagerungen. Es gilt: O/Ckrit = f(T). Allgemein gilt für einen sicheren Systembetrieb: O/Ckrit = 1,8.
  • Weiterhin ist es bekannt, insbesondere die beim Betrieb des Brennstoffzellensystems anfallenden anodischen Abgase der Brennstoffzelle, die wirkungsgradbedingt noch Reste von nicht verbrauchtem Brenngas sowie größere Mengen an Wasserdampf enthalten, zumindest partiell einer Rezirkulation zu unterwerfen und die darin enthaltenen Gaskomponenten somit einer erneuten Verwertung innerhalb des Brennstoffzellenstacks zuführen zu können.
  • Diesbezüglich ist beispielsweise der DE 10 2009 036 197 A1 ein Brennstoffzellensystem zu entnehmen, dessen Steuerungselektronik es ermöglicht, auf Sensoren im Bereich der Anodenrezirkulation zu verzichten. Eine ähnliche Lösung ist beispielsweise den Dokumenten DE 10 2006 071 614 A1 , der DE 10 2006 017 616 A1 und der DE 10 2006 017 617 A1 zu entnehmen, wobei jedoch beispielsweise im Bereich des Anodenausgangs der dort beschriebenen Brennstoffzellen ein Temperatursensor angeordnet ist, um die Temperatur der Brennstoffzellen im Anodenbereich genauer bestimmen zu können.
  • Ein weiteres Brennstoffzellensystem ist der DE 10 2006 029 451 A1 zu entnehmen; dieses weist über Temperatursensoren hinaus zusätzlich einen Lambda-Sensor auf, um gezielt den Lambda-Wert des Anodenabgases bestimmen zu können.
  • Eine weitere Möglichkeit, Brennstoffzellensysteme mit hoher Genauigkeit betreiben zu können, ist der DE 11 2006 002 715 T5 zu entnehmen, wobei die an der Anode einer Brennstoffzelle anliegende Gaszusammensetzung mittels Stromsensoren und Temperatursensoren gesteuert wird. All den beschriebenen Lösungen gemeinsam ist deren relativ komplexer Aufbau und der damit verbundene hohe Steuerungsaufwand.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung zu stellen, das ein Rezirkulationssystem für Anodenabgase einer Brennstoffzelle umfasst, wobei die Steuerung dieses Rezirkulationssystems in einfacher Weise gewährleistet ist.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch ein Brennstoffzellensystem bzw. durch ein Verfahren zum Betrieb desselben mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
  • Dabei erfolgt die Steuerung der Rezirkulationseinheit zur Rezirkulation von zumindest einem Teil der anodischen Abgase einer Brennstoffzelle auf der Basis einfach zugänglicher Kenngrößen einer Brennstoffzelle. Dieses sind im vorliegenden Fall eine Temperatur, die aktuell im anodischen Bereich der Brennstoffzelle herrscht, ein Feuchtigkeitswert, der einem dem anodischen Bereich der Brennstoffzelle zuzuführenden Brenngas zuzuordnen ist, und/oder ein an dem anodischen Bereich der Brennstoffzelle anliegender Strom.
  • Die Steuerung erfolgt durch Ermittlung von Steuergrößen in Form des Brenngasnutzungsgrads bzw. der sogenannten Fuel Utilisation (FU) und/oder des in dem dem anodischen Bereich der Brennstoffzelle zuzuführenden Brenngas aktuell herrschenden Sauerstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnises (O/C). Dabei ist als Brennstoffnutzungsgrad bzw. Fuel Utilisation das Verhältnis der Menge an aktuell im anodischen Bereich der Brennstoffzelle umgesetztem Brenngas zu dem insgesamt dem anodischen Bereich der Brennstoffzelle zugeführten Brenngas zu verstehen. Weiterhin wird unter dem Sauerstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnis das Verhältnis der Summe aus freiem und gebundenem Sauerstoff zu der Summe aus freiem und gebundenem Kohlenstoff innerhalb des dem anodischen Bereich einer Brennstoffzelle zuzuführenden Brenngases verstanden. Dieses Verhältnis wird insbesondere in dem betreffenden Brenngas im Vorfeld eines Vorreformers des Brennstoffzellensystems bestimmt, wobei das Sauerstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnis O/C größer als eine kritisches bzw. minimales Sauerstoff-zu Kohlenstoff-Verhältnis O/Ckrit. sein sollte.
  • Da sich die Temperatur innerhalb des anodischen Bereichs einer Brennstoffzelle mittels eines einzigen Temperatursensors bestimmen lässt, bzw. die dem anodischen Bereich der Brennstoffzelle zuzuführenden Brenngas zuzuordnende absolute Feuchtigkeit mittels eines einzigen Feuchtigkeitssensors, lässt sich auf diesem Wege mittels jeweils eines einzigen Sensors eine Steuerung einer Rezirkulationseinheit für eine Brennstoffzelle realisieren. Gleiches gilt für den an der Brennstoffzelle anliegenden Strom, der sich mittels eines einzigen Stromsensors bestimmen lässt.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • So ist von Vorteil, wenn die über die Rezirkulationseinheit dem Anodenbereich der Brennstoffzelle wieder zugeführte Menge an Anodenabgas ausschließlich auf der Basis einer im Anodenbereich der Brennstoffzelle herrschenden aktuellen Temperatur, auf der Basis eines aktuell an der Brennstoffzelle anliegenden Stroms sowie auf Basis einer aktuell der Brennstoffzelle zugeführten Menge an Brenngas bei bekannter Brenngaszusammensetzung gesteuert wird, da diese Messgrößen in einfacher Weise ermittelt und nachverfolgt werden können.
  • Dieser Ausführungsform liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Gaszusammensetzung eines den Anodenbereich der Brennstoffzelle verlassenden Anodenabgases im Wesentlichen als eine Funktion der an der Anode herrschenden Temperatur, des an der Brennstoffzelle anliegenden Stroms, der der Anode der Brennstoffzelle zugeführten Menge an Brenngas sowie einer zunächst als konstant anzunehmenden Gaszusammensetzung des Brenngases ist. Ist die Zusammensetzung des Anodenabgases bekannt, so kann die Menge an rezirkuliertem bzw. zurückgeführtem Anodenabgas, das erneut dem Anodenbereich der Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt wird, optimiert werden, da die Gaszusammensetzung des dem Anodenbereich der Brennstoffzelle zur Verfügung gestellten Brenngasgemisches als Mischung von frischem Brenngas und rezirkuliertem Anodenabgas dann exakt eingestellt werden kann.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Rezirkulationseinheit des Brennstoffzellensystems auf Basis eines absoluten Feuchtewertes zu steuern, der dem der Brennstoffzelle zuzuführenden Brenngasgemisch zugeordnet ist, und weiterhin auf der Basis des an der Brennstoffzelle anliegenden Stroms und der der Brennstoffzelle zugeführten Volumenmenge an Brenngas. Diese Ausführungsform macht sich die Erkenntnis zunutze, dass die Gaszusammensetzung des den Anodenbereich des Brennstoffzellensystems verlassenden Anodenabgases eine Funktion einer absoluten Feuchte des dem Brennstoffzellensystem zugeführten Brenngases, eines aktuell an der Brennstoffzelle anliegenden Stroms und eines aktuell der Brennstoffzelle zugeführten Volumenstroms an Brenngas ist. Weiterhin ist diese Gaszusammensetzung abhängig von der Ausgangsgaszusammensetzung des dem Brennstoffzellensystem zugeführten Brenngases, die näherungsweise als konstant angenommen werden kann. Die auf diese Weise berechnete aktuelle Zusammensetzung des Anodenabgases wird von der Steuerung der Rezirkulationseinheit dahingehend genutzt, den Volumenstrom an rezirkuliertem Anodenabgas so einzustellen, dass der Brennstoffzelle ein optimiertes Brenngasgemisch aus frischem Brenngas und rezirkuliertem Anodenabgas zur Verfügung gestellt wird.
  • Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird zur Steuerung der Rezirkulationseinheit des Brennstoffzellensystems als Messgröße ausschließlich der an der Brennstoffzelle anliegende Strom herangezogen. Dieser Vorgehensweise liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der durch die Rezirkulationseinheit dem Anodenbereich der Brennstoffzelle wieder zugeführte Volumenstrom an Anodenabgas eine Funktion eines Soll-Sauerstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnisses bzw. Soll-Brennstoffnutzungsgrades und eines aktuell an der Brennstoffzelle anliegenden Stroms sowie der als konstant anzunehmenden Zusammensetzung des dem Brennstoffzellensystem zugeführten Brenngases darstellt. Gleichermaßen ist der Volumenstrom des dem Brennstoffzellensystem zugeführten frischen Brenngases eine Funktion eines Soll-Sauerstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnisses bzw. eines Soll-Brenngasnutzungsgrades und eines aktuell in der Brennstoffzelle fließenden Stroms sowie der Zusammensetzung des Brenngases, die als konstant angenommen werden kann. Somit sind das Soll-Sauerstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnis, der Soll-Brenngasnutzungsgrad und die Zusammensetzung des dem Brennstoffzellensystem zugeführten Brenngases als Konstanten anzunehmen, und der Volumenstrom an rezirkuliertem Anodenabgas wird als Funktion des an der Brennstoffzelle anliegenden Stroms gesteuert. Diese Ausführungsform lässt sich technisch besonders einfach umsetzen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
  • 2 die schematische Darstellung einer Brennstoffzelle als Bestandteil des Brennstoffzellensystems gemäß 1,
  • 3 die schematische Darstellung einer Rezirkulationseinheit gemäß einer ersten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems gemäß 1,
  • 4 die schematische Darstellung einer Rezirkulationseinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems gemäß 1 und
  • 5 die schematische Darstellung einer Rezirkulationseinheit gemäß einer dritten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems gemäß 1.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung abgebildet. Dabei umfasst das Brennstoffzellensystem 10 eine Brennstoffzelle 12, die mit einem Brennstoff, wie beispielsweise Erdgas NG, Wasserstoff oder Methanol, über einen Verdichter 14 versorgt wird. Dabei wird der Brennstoff Erdgas NG im Brennstoffzellensystem 10 beispielsweise mit einem Volumenstrom ṅNG der Brennstoffzelle 12 zugeführt. Der Brennstoff Erdgas NG weist dabei die Erdgaszusammensetzung xi,NG auf. Da Erdgas üblicherweise aus Sicherheitsgründen odorierende Schwefelverbindungen enthält, weist das Brennstoffzellensystem 10 zusätzlich vorzugsweise eine Entschwefelungseinheit 16 auf. Diese beugt einer Vergiftung der in der Brennstoffzelle 12 zum Einsatz kommenden Katalysatoren durch Schwefel vor.
  • Da Erdgas NG nicht direkt der elektrochemischen Umsetzung in der Brennstoffzelle 12 zugänglich ist, umfasst das Brennstoffzellensystem 10 weiterhin bspw. einen Vorreformer 18, in dem eine Reformierung der im Erdgas enthaltenen Alkane stattfindet. Dies kann beispielsweise in Form einer Dampfreformierung unter Zusatz von Wasser geschehen. Darüber hinaus ist jedoch auch eine Reformierung mittels Sauerstoff möglich in Form einer partiellen Oxidation (POX). In den Zufuhrpfad für den Brennstoff Erdgas NG ist weiterhin beispielsweise ein Feuchtigkeitssensor 20 integriert, der vorzugsweise zwischen der Entschwefelungseinheit 16 und dem Vorreformer 18 an dem Zuführungspfad des Erdgases positioniert ist. Mittels des Feuchtigkeitssensors 20 kann die absolute Feuchte aH des der Brennstoffzelle zuzuführenden Brennstoffs in Form von Erdgas NG bestimmt werden.
  • Da für die in der Brennstoffzelle 12 stattfindende elektrochemische Oxidation des Brennstoffs auch Sauerstoff benötigt wird, umfasst das Brennstoffzellensystem 10 darüber hinaus einen Verdichter 22 für die Zuführung von Luft zur Brennstoffzelle 12. Die bei der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle 12 entstehenden Abgase werden beispielsweise einem Brenner 24 zugeführt und zur Wärmeerzeugung genutzt. Die Abgase des Brenners 24 verlassen das Brennstoffzellensystem 10 beispielsweise über eine Abgasleitung 26. Die mittels des Brenners 24 erzeugte Verbrennungswärme wird beispielsweise zur Erwärmung von unter hohen Temperaturen betriebenen Komponenten des Brennstoffzellensystems 10 genutzt, wie beispielsweise der Brennstoffzelle 12 oder des Vorreformers 18.
  • Da üblicherweise die Brennstoffzelle 12 des Brennstoffzellensystems 10 mit einem Brenngasüberschuss betrieben wird, weist das die Brennstoffzelle 12 verlassende Anodenabgas in einer Anodenabgasleitung 28 einen merklichen Anteil von weiterhin umsetzbaren Kohlenwasserstoffen bzw. von Wasserstoff auf. Diese Brennstoffanteile können über einen Rezirkulationspfad 30 einer Brennstoffzufuhr 32 der Brennstoffzelle 12 wieder zugeführt werden. Die Menge an rezirkuliertem Anodenabgas der Brennstoffzelle 12 wird beispielsweise über einen Verdichter 34, der in den Rezirkulationspfad 30 integriert ist, oder über ein geeignetes in die Anodenabgasleitung 28 integriertes und nicht dargestelltes Dreiwegeventil gesteuert. Der Verdichter 34 kann alternativ auch in die Brennstoffzufuhr 32 oder in die Anodenabgasleitung 28 integriert sein.
  • Durch die partielle Rezirkulation von Anodenabgas stellt sich in der Brennstoffzufuhr 32 in Strömungsrichtung nach Einmündung des Rezirkulationspfades 30 in die Brennstoffzufuhr 32 ein charakteristisches Sauerstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnis O/C ein. Dieses wird insbesondere in der Brennstoffzufuhr dem Vorreformer 18 in Strömungsrichtung vorgelagert bestimmt bzw. eingestellt.
  • Die den Betrieb der Brennstoffzelle 12 charakterisierenden Größen sind neben der Temperatur Tan im anodischen Bereich der Brennstoffzelle 12 und dem Brennstoffnutzungsgrad FU auch der resultierende, an der Brennstoffzelle 12 anliegende Gleichstrom I, der beispielsweise einem DC/AC-Wandler 36 zugeführt wird. Der dabei resultierende Wechselstrom AC kann elektrischen Lasten innerhalb und außerhalb des Brennstoffzellensystems 10 zugeführt werden. Weiterhin umfasst das Brennstoffzellensystem 10 ein Gehäuse 40, insbesondere zum Schutz und zur Wärmeisolierung unter erhöhter Temperatur betriebener Komponenten des Brennstoffzellensystems 10.
  • In 2 ist schematisch der Aufbau einer Brennstoffzelle als Bestandteil eines Brennstoffzellensystems gemäß 1 näher beschrieben. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten wie in 1.
  • Die Brennstoffzelle 12 ist vorzugsweise als sogenannte Hochtemperaturbrennstoffzelle mit einer Betriebstemperatur von 650 bis 1000 Grad Celsius ausgeführt. Sie umfasst einen kathodischen Bereich 60, in dem insbesondere die kathodische Reduktion von Luftsauerstoff erfolgt und einen anodischen Bereich 62, in dem die anodische Oxidation von Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Wasserstoff erfolgt. Dabei umfasst der kathodische Bereich 60 eine Kathode 64 und der anodische Bereich 62 eine Anode 66. Die Kathode 64 umfasst beispielsweise Lanthan-Manganoxid, das beispielsweise auf Yttriumstabilisiertem Zirkondioxid geträgert ist. Die Anode 66 umfasst beispielsweise Nickel, das auf Yttrium-stabilisiertem Zirkondioxid geträgert ist. Der anodische Bereich 62 und der kathodische Bereich 60 sind über einen ionenleitenden Elektrolyten 68 miteinander in Kontakt, wobei der Elektrolyt 68 beispielsweise aus einem Yttrium-stabilisierten Zirkondioxid ausgeführt ist. Der zwischen der Kathode 64 und der Anode 66 anliegende Strom wird beispielsweise über eine elektrische Last 70 abgeführt.
  • In 3 ist ein Ausschnitt des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß 1 im Bereich des Rezirkulationspfades dargestellt. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten wie in den 1 und 2.
  • Das Brennstoffzellensystem 10 enthält einen Rezirkulationspfad 30, mittels dem den anodischen Bereich 62 der Brennstoffzelle 12 verlassendes Anodenabgas rezirkuliert werden kann.
  • Die Steuerung des Verdichters 34 erfolgt dabei vorteilhafterweise mittels eines nicht dargestellten geeigneten Steuergeräts und wird vorzugsweise dahingehend optimiert, dass die über den Rezirkulationspfad 30 der Brennstoffzufuhr 32 zugeführte Menge an Anodenabgas ṅrecy so optimiert ist, dass in der Brennstoffzufuhr 32 ein Gemisch optimaler Zusammensetzung dem anodischen Bereich 62 der Brennstoffzelle 12 zugeführt wird.
  • Die Gaszusammensetzung xi nach der Anode 66 hängt ausschließlich von vier Größen ab: Dem Erdgasmolenstrom ṅNG, der ursprünglichen Erdgaszusammensetzung xi,NG, dem an der Brennstoffzelle 12 anliegenden Gleichstrom I und der an der Anode 66 der Brennstoffzelle 12 herrschenden Temperatur Tan.
  • Die Berechnung von xi bezieht sich auf die thermodynamischen Gleichgewichte der Reformierungsreaktion (11) und der Wasser-Shift-Reaktion:
    Wasser-Shift-Reaktion CO + H2O ↔ CO2 + H2 (15)
  • Die Berechnung kann durch folgende Gleichung dargestellt werden: xi = f1(ṅNG, xi,NG, I, Tan) (16)
  • Unter der Annahme dass die Temperatur an der Anode 66 der Brennstoffzelle 12 hoch genug ist (Tan > 700°C), kann die chemische Reaktion (11) als vollständig betrachtet werden: Alle Alkanen werden vollständig reformiert. In diesem Fall ist es möglich, die Gleichgewichte der Reaktionen (11) und (15) analytisch zu lösen und somit die Gaszusammensetzung xi zu berechnen: Das heißt, die Gaszusammensetzung xi wird nicht über ein iteratives Verfahren berechnet.
  • Eine weitere Methode, um die Gaszusammensetzung xi zu berechnen, besteht darin, die absolute Feuchte aH des dem anodischen Bereich 62 der Brennstoffzelle 12 zuzuführenden Brennstoffs bspw. unter Verwendung des Feuchtesensors 20 zu bestimmen. Diese Variante ist in 4 näher beschrieben. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten wie in den 1–3.
  • Die gewonnene Information über die absolute Feuchte aH und eine Massenbilanz der C-Atome, O-Atome und H-Atome im Anodenabgas der Anodenabgasleitung 28 erlauben die vollständige analytische Berechnung der Gaszusammensetzung xi im Anodenabgas: xi = f2(ṅNG, xi,NG, I, aH) (17)
  • Nachdem man die Gaszusammensetzung xi berechnet hat, kann man die Größen O/C und FU folgendermaßen berechen:
    Figure 00150001
    wobei nc die Anzahl von Zellen im Stack ist, F die Faradaykonstante ist, Ne–,i die Valenz des Stoffes i ist und Ni,C die Anzahl von C-Atomen im Stoff i ist. Darüber hinaus bezeichnen xCO, xCO2, xH2, xH2O die Molenbrüche von Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff bzw. Wasser im Rezirkulationspfad 30. Das Gleichungssystem (18) und (19) kann nach ṅrecy und ṅNG aufgelöst werden: ṅrecy = f3(O/C, FU, I, xi, xi,NG) (20) ṅNG = f4(O/C, FU, I, xi, xi,NG) (21)
  • Somit lässt sich sowohl die Menge an der Brennstoffzelle zuzuführendem Erdgas ṅNG als auch die Menge an zu rezirkulierendem Anodenabgas ṅrecy gemäß einer ersten Methode vorzugsweise ausschließlich auf Basis der Temperatur an der Anode 66 oder gemäß einer zweiten Methode vorzugsweise ausschließlich auf der Basis der in dem der Brennstoffzelle 12 zuzuführenden Brennstoffgemisch vorliegenden Feuchte aH bestimmen, wobei das Brennstoffgemisch vorzugsweise bereits zumindest Anteile an rezirkuliertem Anodenabgas im Ort der Messung aufweist.
  • Die zwei vorbeschriebenen Methoden setzen zur Steuerung der Menge an der Brennstoffzelle zuzuführendem Ergas ṅNG bzw. der Menge an zu rezirkulierendem Anodenabgas ṅrecy entweder die Messung der Temperatur Tan im Bereich der Anode 66 oder die Messung der absoluten Feuchte aH in der Brennstoffzufuhr 32 in Strömungsrichtung vor dem anodischen Bereich 62 der Brennstoffzelle 12 voraus, um die Größen O/C und FU als Hilfsgrößen zur Berechnung der Menge an der Brennstoffzelle zuzuführendem Ergas ṅNG bzw. der Menge an zu rezirkulierendem Anodenabgas ṅrecy bestimmen zu können.
  • Die nachfolgend beschriebene dritte Methode verzichtet vorzugsweise auf diese beiden Messungen zur Bestimmung der Größen O/C und FU. Es wird lediglich eine Bestimmung des an der Brennstoffzelle anliegenden Gleichstroms I herangezogen. Diese Variante ist in 5 näher beschrieben. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten wie in den 1–4.
  • Eine Massenbilanz der Stoffumsetzung an der Anode 66 als Differenzbetrachtung der Zusammensetzung des Brennstoffgemischs in der Brennstoffzufuhr 32 einerseits und der Zusammensetzung des Anodenabgases andererseits führt zu den gewünschten Stellgrößen ṅNG bzw. ṅrecy in Abhängigkeit von dem an der Brennstoffzelle anliegenden Gleichstrom I und von den Sollwerten O/C und FU:
    Figure 00160001
    wobei
    Figure 00160002
    und
  • Figure 00160003
  • Daraus ergibt sich: ṅrecy = f3(O/C, FU, I, xi,NG) (24) ṅNG = f4(O/C, FU, I, xi,NG) (25) wobei die einzige Messgröße der an der Brennstoffzelle 12 anliegende Gleichstrom I ist.
  • So wird ermöglicht, dass die Steuerung der Rezirkulationseinheit bzw. der Menge an zu rezirkulierendem Anodenabgas ṅrecy oder der Menge an der Brennstoffzelle zuzuführendem Ergas ṅNG ausschließlich auf Basis einer im anodischen Bereich 62 der Brennstoffzelle 12 vorliegenden Temperatur Tan, des an der Brennstoffzelle 12 anliegenden Stroms I und der dem anodischen Bereich 62 der Brennstoffzelle 12 zugeführten Menge an Brenngas gesteuert wird.
  • Weiterhin ist es alternativ möglich, dass die Steuerung der Rezirkulationseinheit bzw. der Menge an zu rezirkulierendem Anodenabgas ṅrecy oder der Menge an der Brennstoffzelle zuzuführendem Ergas ṅNG ausschließlich auf der Basis eines Feuchtewertes aH des dem anodischen Bereich 62 der Brennstoffzelle 12 zugeführten Brenngases, des an der Brennstoffzelle 12 anliegenden Stroms I und der dem anodischen Bereich 62 der Brennstoffzelle 12 zugeführten Menge an Brenngas gesteuert wird.
  • Eine dritte Alternative besteht darin, dass die Steuerung der Rezirkulationseinheit bzw. der Menge an zu rezirkulierendem Anodenabgas ṅrecy oder der Menge an der Brennstoffzelle zuzuführendem Ergas ṅNG ausschließlich auf der Basis des an der Brennstoffzelle 12 anliegenden Stroms I gesteuert wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (8)

  1. Brennstoffzellensystem, insbesondere Hochtemperaturbrennstoffzelle, umfassend eine Brennstoffzelle (12) mit einem anodischen Bereich (62) und einem kathodischen Bereich (60), wobei dem anodischen Bereich (62) ein Brenngas zugeführt wird und ein anodisches Abgas abgeführt wird und wobei dem kathodischen Bereich (60) ein sauerstoffhaltiges Gas zugeführt wird und ein kathodisches Abgas abgeführt wird, und mit einer Rezirkulationseinheit (30, 34), mittels der zumindest ein Teil des anodischen Abgases, das den anodischen Bereich (62) der Brennstoffzelle (12) verlässt, dem anodischen Bereich (62) der Brennstoffzelle (12) erneut zugeführt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerungseinheit vorgesehen ist, mittels der die Rezirkulationseinheit (30, 34) gesteuert wird, wobei die Steuerung der Rezirkulationseinheit (30, 34) auf der Basis eines Brenngasnutzungsgrades (FU) und/oder auf der Basis eines Sauerstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnisses (O/C) des dem anodischen Bereich (62) zugeführten Brenngases erfolgt, wobei als Brenngasnutzungsgrad (FU) das Verhältnis der innerhalb des anodischen Bereichs (62) umgesetzten Gasmenge zu der dem anodischen Bereich (62) insgesamt zugeführten Gasmenge herangezogen wird und wobei als Sauerstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnis (O/C) das Verhältnis der Summe von freiem und gebundenem Sauerstoff zu der Summe an freiem und gebundenem Kohlenstoff eines dem anodischen Bereich (62) der Brennstoffzelle (12) zugeführten Brenngases herangezogen wird, und dass der Brenngasnutzungsgrad (FU) und/oder das Sauerstoff-zu-Kohlenstoffverhältnis (O/C) des dem anodischen Bereich (62) der Brennstoffzelle (12) zugeführten Brenngases auf der Basis einer im anodischen Bereich (62) der Brennstoffzelle (12) herrschenden Temperatur (Tan), eines des dem anodischen Bereich (62) zugeführten Brenngases zuzuordnender absoluten Feuchtewertes (aH) und/oder auf der Basis eines an der Brennstoffzelle (12) anliegenden Stroms (I) bestimmt wird.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Rezirkulationseinheit (30, 34) zusätzlich auf der Basis der Zusammensetzung des dem anodischen Bereich (62) der Brennstoffzelle (12) zugeführten Brenngases erfolgt.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Rezirkulationseinheit (30, 34) ausschließlich auf Basis einer im anodischen Bereich (62) der Brennstoffzelle (12) vorliegenden Temperatur (Tan), des an der Brennstoffzelle (12) anliegenden Stroms (I) und der dem anodischen Bereich (62) der Brennstoffzelle (12) zugeführten Menge an Brenngas erfolgt.
  4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Rezirkulationseinheit (30, 34) ausschließlich auf der Basis eines absoluten Feuchtewertes (aH) des dem Anodenbereich (62) der Brennstoffzelle (12) zuzuführenden Brenngases, des an der Brennstoffzelle (12) anliegenden Stromes (I) und der dem anodischen Bereich (62) der Brennstoffzelle (12) zugeführten Menge an Brenngas erfolgt.
  5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Rezirkulationseinheit (30, 34) ausschließlich auf der Basis eines an der Brennstoffzelle (12) anliegenden Stromes (I) erfolgt.
  6. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Anodenabgas, das den anodischen Bereich der Brennstoffzelle (12) verlässt, über eine die Anodenabgasleitung (28) des anodischen Bereichs (62) mit einer Brennstoffzufuhr (32) des anodischen Bereichs (62) verbindenden Rezirkulationspfad (30) der Brenngaszufuhr (32) des anodischen Bereichs (62) der Brennstoffzelle wieder zugeführt wird, wobei eine Rezirkulationspumpe (34) in den Rezirkulationspfad (30) oder in die Brennstoffzufuhr (32) stromabwärts der Zuführung des anodischen Abgases in die Brenngaszufuhr (32) integriert ist.
  7. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer Brennstoffzufuhr (32) einer Brennstoffzelle (12) Anodenabgas, das einen anodischen Bereich (62) der Brennstoffzelle (12) verlässt, wieder zugeführt wird, wobei der Volumenstrom an wieder zugeführtem anodischem Abgas in Abhängigkeit von einer Temperatur (Tan) des anodischen Bereichs (62) der Brennstoffzelle (12), in Abhängigkeit eines absoluten Feuchtewertes (aH) des dem anodischen Bereich (62) der Brennstoffzelle (12) zugeführten Brenngases und/oder des an der Brennstoffzelle (12) anliegenden Stroms (I) reguliert wird.
  8. Verwendung eines Brennstoffzellensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder eines Verfahrens nach Anspruch 7 in Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen zur Gewinnung von elektrischer und thermischer Energie.
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