DE102011122162A1 - Brennstoffzellenvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzellenvorrichtung (1), insbesondere eine SOFC-Brennstoffzellenvorrichtung, mindestens umfassend eine erste Versorgungsleitung (2) zum Zuführen eines ersten Stoffes zu einer Kathode (4) und eine zweite Versorgungsleitung (6) zum Zuführen eines zweiten Stoffes zu einer Anode (8), wobei mittels der Anode (4) und der Kathode (8) zur Erzeugung von elektrischer Energie zumindest eine Veränderung des zweiten Stoffes erfolgt. Aufgabe der Erfindung ist es, eine optimierte Brennstoffzellenvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung bereitzustellen, damit einerseits eine ausreichende Versorgung der Brennstoffzellenvorrichtung mit Gas und Luft sowie andererseits eine Wirkungsgradverbesserung bei Erhöhung der Lebensdauer der Zellen ermöglicht wird. Gekennzeichnet ist die Erfindung dadurch, dass in einer Abführleitung mindestens ein Verdichter (10) zum Fördern beider durch die Kathode (4) und Anode (8) hindurchgeführten Stoffe angeordnet ist, und dass mindestens eine Regelungseinrichtung (14) zum Steuern von einer in mindestens einer der Versorgungsleitungen (2, 6) angeordneten Ventileinrichtung (16) zur Beeinflussung der Durchlassmenge vorgesehen ist.

Description

  • Die Erfindung ist auf eine Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere eine SOFC-Brennstoffzellenvorrichtung, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere einer SOFC-Brennstoffzellenvorrichtung, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7 gerichtet.
  • Wegen ihres Potenzials zur Senkung des CO2-Ausstoßes für die Bereitstellung von Strom und Wärme spielt die Kraft-Wärme-Kopplung eine zunehmend wichtigere Rolle im Energiemarkt. Dabei sind Brennstoffzellen-Anlagen auf Basis von keramischen Zellen (SOFC), die bei hoher Temperatur (650–1000°C) betrieben werden, wegen ihres hohen elektrischen Wirkungsgrads besonders interessant. Wichtigste Herausforderungen sind die Erreichung eines möglichst hohen elektrischen Wirkungsgrads bei gleichzeitig hoher Lebensdauer der Zellen.
  • Im Stand der Technik sind die Verdichter einer Brennstoffzellenanordnung vor der Hotbox angeordnet. Damit wird die Hotbox bei leichtem Überdruck gegenüber der Umgebung betrieben. Da keine Druckhaltung vorhanden ist, entspricht der Betriebsdruck dem Druck, der sich über die Strömungswiderstände der Rohre und Komponenten aufbaut.
  • Die DE 195 45 186 A1 offenbart ein solches Verfahren zum Betreiben einer Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage. Gemäß dieser Schrift erfolgt die Einbringung des Oxidants in die Kathode über eine Zuführleitung, in der vor der Kathode ein Wärmetauscher und davor stets ein Verdichter zum Komprimieren des Oxidants vorgesehen ist.
  • Die DE 196 37 207 C2 offenbart ebenfalls eine mit Überdruck arbeitende Anlage. So wird das Brenngas nach dem Rücklauf aus einem ersten Brennstoffzellenblock mittels eines Verdampfers und eines Wäschers derart aufbereitet, dass es einem zweiten Brennstoffzellenblock in Form von Wasserstoff zugeführt wird. Als Oxidant wird Luft verwendet, die dem ersten Brennstoffzellenblock verdichtet zugeführt wird, wobei die dem zweiten Brennstoffzellenblock zugeführte Luft als Abluft nachfolgend dem ersten Brennstoffzellenblock zugeführt wird.
  • Weiterhin offenbart die DE 102 58 196 A1 einen Gegenstand, gemäß dem die von einer Brennstoffzelle erzeugte Wärme zur Aufheizung eines Fahrzeuginnenraums verwendet wird. Die Brennstoffzelle wird dazu mittels eines Verdichters mit komprimierter Luft und mit Brennstoff versorgt.
  • Aus der EP 1 172 874 A2 ist eine Vorrichtung bekannt, gemäß der die beiden Verdichter durch einen hinter der Hotbox angeordneten Verdichter ersetzt sein können. Gemäß der EP 1 172 874 A2 erfolgt die Erzeugung von elektrischer Energie mittels einer Hochtemperaturbrennstoffzelle. Der entstehende Abgasstrom wird zur Temperierung einer Wasserversorgung eingesetzt. Dies erfolgt durch einen Wärmetauscher, der die Wärme des Abgasstroms teilweise auf das Wasser überträgt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine optimierte Brennstoffzellenvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung bereitzustellen, damit einerseits eine ausreichende Versorgung der Brennstoffzellenvorrichtung mit Gas und Luft sowie andererseits eine Wirkungsgradverbesserung bei Erhöhung der Lebensdauer der Zellen ermöglicht wird.
  • Die zuvor gestellte Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere eine SOFC-Brennstoffzellenvorrichtung, die zumindest eine erste Versorgungsleitung zum Zuführen eines ersten Stoffes, insbesondere eines Oxids, zu einer Kathode und eine zweite Versorgungsleitung zum Zuführen eines zweiten Stoffes, insbesondere eines Brennstoffes, zu einer Anode umfasst, gelöst. Mittels der Anode und der Kathode erfolgt zur Erzeugung von elektrischer Energie zumindest eine Veränderung des zweiten Stoffes. Weiterhin ist in einer Abführleitung mindestens ein Verdichter zum Fördern beider durch die Kathode und Anode hindurchgeführten Stoffe angeordnet.
  • Erfindungsgemäß ist mindestens eine Regelungseinrichtung zum Steuern von einer in mindestens einer der Versorgungsleitungen angeordneten Ventileinrichtung zur Beeinflussung der Durchlassmenge vorgesehen.
  • Bevorzugt ist die Brennstoffzellenvorrichtung zum Beispiel in Brennstoffzellen-Heizgeräten, Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen, Blockheizkraftwerken unterschiedlicher Leistungsklassen (0,5–1000 kW) einsetzbar.
  • Vorteile des saugenden Systems liegen in der Einsparung eines Verdichters und, je nach Aufbau und Dichtkonzept der Hotbox, darin, dass bei Leckagen keine Gase austreten können, sondern Umgebungsluft nach innen gesaugt wird.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist jeweils eine Regelungseinrichtung zum Steuern von jeweils einer in jeder Versorgungsleitung angeordneten Ventileinrichtung zur Beeinflussung der Durchflussmenge vorgesehen.
  • Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da eine aktive, insbesondere selbsttätige, Anpassung beider Stoff- bzw. Fluidströme möglich ist.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind in den Versorgungsleitungen Mittel zum Ausgeben von Messwerten und zur Ermittlung von Regelabweichungen vorgesehen. Als Mittel zum Ausgeben sind bevorzugt Sensoreinrichtungen, wie zum Beispiel Druckfühler, Temperaturfühler und/oder Durchflussmesser, vorgesehen.
  • Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da Veränderungen in einer oder in beiden Zuführleitungen, insbesondere umgehend, erfassbar sind. Somit ist jederzeit eine Neueinstellung bzw. Anpassung an die veränderten Zustände realisierbar.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die zweite Versorgungsleitung ebenfalls mit einer Wasserversorgung zum Vermischen des zweiten Stoffs mit Wasser gekoppelt. Im Fluidtransportweg des Stoffgemischs aus Wasser und dem zweiten Stoff vor der Anode ist ein Reformer angeordnet. Es ist hierbei denkbar, dass eine Wasserpumpe zum Fördern des Wassers in der Zuführleitung vorgesehen ist, wobei besonders bevorzugt der Transport bzw. die Förderung des Wassers aufgrund des durch den Verdichter erzeugten Unterdrucks erfolgt.
  • Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da durch die Zuführung des Wassers zu einem kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff, dieses Gemisch vor der elektrochemischen Reaktion in der Hochtemperaturbrennstoffzelle einen Reformierungsprozess, bei dem als gasförmige Reformationsprodukte z. B. CO, H2, CO2 und H2O entstehen, durchlaufen kann.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in der ersten Versorgungsleitung vor der Kathode ein durch die Abwärme der Vorrichtung temperierbarer Wärmetauscher zum Erhitzen des ersten Stoffs angeordnet.
  • Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da der erste Stoff so auf eine für den Brennstoffzellenprozess erforderliche Temperatur erwärmbar ist, wodurch die Abwärme der Brennstoffzelle keine reine Verlustwärme darstellt, sondern zur Verbesserung des Wirkungsgrads der Gesamtanlage einsetzbar ist.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in der Fluidtransportrichtung nach der Kathode und Anode eine Nachbrennzone zum Verbrennen der unveränderten Stoffanteile vorgesehen.
  • Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da der im zweiten Stoff verbliebene Energiegehalt ausnutzbar ist. Die bei der Verbrennung entstehende Wärme ist dann zum Beispiel zum Temperieren der Stoffe, insbesondere zum Temperieren des zweiten Stoffs, einsetzbar.
  • Die Erfindung ist ebenfalls auf ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere eine SOFC-Brennstoffzellenvorrichtung, gerichtet. Das Verfahren umfasst mindestens den Schritt des Zuführens eines ersten Stoffes mittels einer ersten Zuführleitung, insbesondere eines Oxids, zu einer Kathode und den Schritt des Zuführens eines zweiten Stoffs mittels einer zweiten Zuführleitung, insbesondere eines Brennstoffs, zu einer Anode. Dabei erfolgt mittels der Anode und der Kathode in einem weiteren Schritt zur Erzeugung von elektrischer Energie zumindest eine Veränderung des Brennstoffs in einer elektrochemischen Reaktion, wobei ein Verdichter zum Abführen der Stoffe, die durch die Kathode und Anode hindurchgeführt werden, mit einer Abführleitung gekoppelt ist.
  • Erfindungsgemäß wird die Steuerung des mindestens einen Verdichters in einer Abführleitung sowie von einer in mindestens einer der Versorgungsleitungen angeordneten Ventileinrichtung zur Beeinflussung der Durchlassmenge durch mindestens eine Regelungseinrichtung durchgeführt.
  • Es wird somit ein Regelkonzept, mit dem im Saugsystem der Brennstoffzellenvorrichtung ein möglichst effizienter Betrieb gewährleistet werden kann, bereitgestellt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in jeder Versorgungsleitung mindestens eine Ventileinrichtung angeordnet und mindestens eine Ventileinrichtung ist zum Ermöglichen eines maximalen Durchflusses eines Stoffes stets vollständig geöffnet.
  • Die Erfindung verhindert somit, dass im Saugsystem nie beide Regelventile gleichzeitig den Durchfluss androsseln, so dass der Verdichter nie gegen beide Regelventile arbeiten muss. Dadurch wird der Stromverbrauch des Verdichters minimiert, was den Wirkungsgrad des Gesamtsystems maximiert. Gleichzeitig wird sichergestellt, dass immer ausreichend Luft und Gas zur Verfügung gestellt werden, um den Brennstoffzellen-Stack nicht zu schädigen.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird mindestens einer Regelungseinrichtung mindestens ein Sollwert vorgegeben und besonders bevorzugt wird jeder Regelungseinrichtung mindestens ein Sollwert vorgegeben. Der Sollwert für die Luft kann dazu beispielsweise aus einer übergeordneten Temperaturregelung kommen. Weiterhin kann der Sollwert für die Zufuhr des zweiten Stoffs aus einer Steuerungseinrichtung abgeleitet oder manuell vorgegeben werden.
  • Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da so eine Steuerung der Vorrichtung unter Berücksichtigung diverser Größen, insbesondere der Stoffeigenschaften, der Größe der Brennstoffzelle, der Durchflussgeschwindigkeit, etc., automatisiert, teilautomatisiert oder manuell vorgenommen werden kann.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird durch mindestens eine weitere Regelungseinrichtung in Abhängigkeit von mindestens einer Regelabweichung und bevorzugt von mehreren Regelabweichungen sowie von mindestens einem Sollwert und bevorzugt von mehreren Sollwerten ein Stellwertsignal für den Verdichter generiert. Die Regelabweichung wird dabei über den Messwert bestimmt. Dann wird über die weiteren Regelungseinrichtungen ein Stellwertsignal für den Verdichter generiert. Das größere der beiden Stellwertsignale wird dann über eine Maximum-Funktion an den Verdichter gegeben. Bevorzugt ist eine weitere Regelungseinrichtung der ersten Regelungseinrichtung zugeordnet bzw. mit dieser kommunizierend verbunden. Und weiterhin ist bevorzugt der zweiten Regelungseinrichtung eine andere weitere Regelungseinrichtung zugeordnet bzw. damit kommunizierend verbunden.
  • Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da so stets sichergestellt wird, dass zumindest ein Ventil bzw. eine Ventileinrichtung vollständig geöffnet ist.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden zur Regelung der Ventileinrichtung zu den Sollwerten Offsets über die Veränderung der Messwerte addiert, wobei diese Offsets bevorzugt größer als die Toleranz der Messungen sind, aber bevorzugt so klein sind, dass sie den sicheren Systembetrieb nicht beeinflussen. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Regelungseinrichtungen und/oder die weiteren Regelungseinrichtungen mit anti-windup-Funktionen ausgestattet. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da so eine Begrenzung der Integration auf die Stellgrößengrenzen erfolgt, damit die Integration des Reglers nicht weiter arbeitet, ohne dass die Stellgröße zunimmt. Ansonsten würde beim kleiner werden der Regelabweichung beim Rücklauf eine ungewollte Verzögerung der Stellgröße erfolgen. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird als Sollwert ein Wert für den durch den Verdichter erzeugten Unterdruck in der Versorgungsleitung vorgegeben, damit nach dem ersten und zweiten Fluid ein weiteres einem Reformer zuzuführendes Fluid, insbesondere Wasser, gefördert wird.
  • Anstelle der direkten Regelung des Verdichters kann somit auch ein Sollwert für den Druck erzeugt werden und in einer untergeordneten Regelschleife einer Druckregelung verwendet werden. Dies entspricht einer Kaskadenregelung. Die unterlagerte Druckregelung erlaubt es daher auch, einen Mindestunterdruck einzustellen, der ausreicht, um das Wasser für den Reformer anzusaugen. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da die Pumpe, insbesondere Wasserpumpe, zum Bereitstellen des mit dem ersten Stoff vermischbaren Fluids, insbesondere des Wasser, eingespart werden kann.
  • Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften vorliegender Erfindung werden anhand nachfolgender Beschreibung anliegender Zeichnungen erläutert, in welchen beispielhaft Brennstoffzellenvorrichtungen dargestellt sind. Bauteile der Brennstoffzellenvorrichtungen, welche in den Figuren im Wesentlichen hinsichtlich ihrer Funktion übereinstimmen, können hierbei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sein, wobei diese Bauteile nicht in allen Figuren beziffert oder erläutert sein müssen. Es zeigt:
  • 1: eine aus dem Stand der Technik bekannte Brennstoffzellenvorrichtung als Fließbild; und
  • 2: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung.
  • Gemäß der in 1 dargestellten Brennstoffzellenvorrichtung 1 erfolgt die Erzeugung elektrischer Energie in einer Hotbox 58. Die Hotbox 58 kennzeichnet einen Bereich der Vorrichtung 1 der Temperaturen zwischen 650°C und 1000°C aufweist. In der Hotbox 58 ist zum einen eine Kathode 4 und zum anderen eine Anode 8, insbesondere in Form eines tubularen Stacks, angeordnet.
  • Der Kathode 4 ist über eine Zuleitung 2 ein erster Stoff, insbesondere ein erstes Fluid, zuführbar. Das erste Fluid ist ein Gas, insbesondere Luft oder Sauerstoff. Das erste Fluid ist über eine Zuführeinrichtung 45, insbesondere eine Luftzuführeinrichtung, in die Zuführleitung 2 einbringbar und wird dort mittels eines Verdichters 46 komprimiert. Das Bezugszeichen 51 kennzeichnet den Wärmeübergang von der Kathode 4 auf das in der Zuführleitung 2 geführte Fluid, wodurch eine Aufheizung des Fluids erfolgt.
  • Der Anode 8 ist ein zweites Fluid zuführbar. Das zweite Fluid ist hierbei ebenfalls ein Gas, insbesondere ein kohlenstoffhaltiges Gas, wie zum Beispiel Erdgas oder Biogas. Das Gas ist mittels einer Ventileinrichtung 40, einem Desulphator 42 und einem Verdichter 44 vor Eintritt in den Hotboxbereich 58 aufbereitbar bzw. komprimierbar. Zu dem zweiten Fluid ist über eine weitere Leitungsverbindung Wasser, insbesondere erhitztes Wasser oder Wasserdampf, in die Zuführleitung 6 einbringbar. Das Fluidgemisch ist zur weiteren Aufbereitung durch einen Wärmetauscher 56 und durch einen Reformer 54 führbar.
  • Die beiden Fluide reagieren im tubularen Stack zur Erzeugung der elektrischen Energie miteinander. In der Verbrennungszone 52 werden die aus der zuvor erfolgen Reaktion verbleibenden Stoffe verbrannt. Die dadurch entstehende Wärme wird zum Beispiel zum Aufheizen des zweiten Fluids in dem Wärmetauscher 56 verwendet. Weiterhin erfolgt die Einleitung des Verbrennungsgases in den Reformer 54. Das den Reformer 54 und den Wärmetauscher 56 passierende Verbrennungsgas ist in der Abführleitung 12 zum Erwärmen des ersten Fluids durch den Wärmetauscher 50 führbar. Außerhalb der Hotbox 58 ist ein weiterer Wärmetauscher 33 an der Leitung 12 vorgesehen. Insbesondere dient dieser zum Temperieren eines in der Zuführleitung 32 zu diesem und in der Abführleitung 34 weg von dem Wärmetauscher 33 geführten Stoffes. Hierdurch erfolgt somit bevorzugt eine Abkühlung des Verbrennungsgases. Das Verbrennungsgas ist über die mit dem Bezugszeichen 35 gekennzeichnete Leitung aus der Vorrichtung 1 ausleitbar, wobei der Wasseranteil mittels eines Kondensators 36 davon abgeschieden wird.
  • Durch die Ventileinrichtung 47 ist die Zuführung von Wasser zu einer Wasseraufbereitungseinrichtung 48 steuerbar, in die ebenfalls das im Kondensator 36 abgeschiedene Wasser einbringbar ist. Die Wasseraufbereitungseinrichtung 48 verlässt das Wasser nebel- oder dampfförmig, wobei es mittels des Verdichters 49 weiter aufbereitet wird, bevor es mit dem zweiten Fluid vermischt wird.
  • Somit wird gemäß dem Stand der Technik ein offener tubularer Stack verwendet. Über den Verdichter 44 wird Gas, über den Verdichter 46 Luft zugeführt, die dann im Stack elektrochemisch zu Strom und Wärme umgesetzt werden. Überschüssiges Gas wird mit überschüssiger Luft in der Nachbrennzone 52 verbrannt. Durch die beiden Verdichter 44, 46 können die Durchflüsse von Gas und Luft unabhängig voneinander vorgegeben werden. Sollwerte für die Durchflüsse werden aus dem Strom der Brennstoffzelle über die Konstanten Gasnutzungsgrad (FU = fuel utilisation) und Luftnutzungsgrad (AU = air utilisation) berechnet. Messstellen liefern den Messwert für jeweils einen geschlossenen Regelkreis. Mit zwei Aktoren und zwei Regelgrößen (Gas- und Luftdurchfluss) ist das System 1 zu jeder Zeit voll bestimmt.
  • In 2 ist die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung 1 in einem Fließbild bzw. Regelschema dargestellt. Die Einrichtung zum Fördern 10, insbesondere ein Verdichter 10, wird hierbei als Stellglied für die Durchflüsse beider Stoffe bzw. Fluide, d. h. für die Gaszufuhr 38 und die Luftzufuhr 45, verwendet, indem der größere Stellgrößenausgang der beiden Regler 26, 27 verwendet wird. Gleichzeitig wirkt je ein Regler 14, 18 auf die beiden Ventileinrichtungen 16, 20 bzw. Stellventile 16, 20. Der Sollwert für die Ventile 16, 20 wird etwas höher gewählt als der für den Verdichter 10, so dass mindestens ein Ventil 16, 20 immer in der vollständig geöffneten Stellung ist.
  • Die Sollwerte für Luft- und Gaszufuhr werden gemäß den Bezugszeichen 30, 31 vorgegeben. Der Sollwert für die Luft und/oder das Gas kann seinerseits jedoch bevorzugt wieder aus einer übergeordneten Temperaturregelung kommen bzw. abgeleitet werden. Die Regelabweichung wird über den Messwert, insbesondere durch das erste und zweite Mittel zum Erfassen und Ausgeben von Messwerten 22, 24, bestimmt. Dann wird über die Regler 26 und 27 ein Stellwertsignal für den Verdichter 10 generiert. Das größere der beiden Stellwertsignale wird dann über die Maximum-Funktion 25 an den Verdichter 10 gegeben. Die Regler 26 und 27 sind bevorzugt als Regler ohne integrierenden Anteil oder mit anti-windup ausgestattet, da einer der beiden Regler 26, 27, nämlich der mit dem kleineren Stellwertsignal, immer eine Regelabweichung sieht.
  • Zu den Sollwerten wird jeweils ein mit dem Bezugszeichen 28 gekennzeichnetes Offset ΔFair und ein mit dem Bezugszeichen 29 gekennzeichnetes Offset ΔFgas addiert. Diese Offsets 28, 29 sind bevorzugt größer als die Toleranz der Messungen, aber so klein, dass sie den sicheren Systembetrieb nicht beeinflussen. Aus der Summe von Sollwert 31 und Offset 29 bzw. 30, 28 werden dann über die Regler 14 und 18 die Regelventile 16, 20 geregelt. Auch diese Regler 14, 18 sind bevorzugt mit anti-windup-Funktionen ausgerüstet. Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung 1 eine weitere Ventileinrichtung 21, die z. B. im Sinne der Ventileinrichtung 40 (vgl. 1) versehen sein kann.
  • Die ebenfalls aus der 1 bekannte Wasseraufbereitung 48 kann mit einem Absperrventil 47 funktional verbunden sein und ist gemäß der vorliegenden Erfindung derart mit der Fördereinrichtung 10 gekoppelt, dass das aufbereitete Wasser ausschließlich aufgrund des durch die Fördereinrichtung 10 erzeugten Unterdrucks in der Zuführleitung, insbesondere zum Reformer, förderbar ist. Anstelle der direkten Regelung des Verdichters 10 kann hierzu bevorzugt auch ein Sollwert für den Druck erzeugt werden und in einer untergeordneten Regelschleife kann eine Druckregelung verwendet werden. Die unterlagerte Druckregelung erlaubt es daher, einen Mindestunterdruck einzustellen, der ausreicht, um das Wasser für den Reformer anzusaugen. Damit kann erfindungsgemäß die Pumpe der Wasserdosierung (vgl. 1) eingespart werden.
  • In Richtung der Abgasweiterleitung 35 kann hinter der Fördereinrichtung 10 im Sinne von 1 bevorzugt ein weitere Wärmetauscher 33 (nicht gezeigt) zum Reduzieren der Abgastemperatur angeordnet sein.
  • Durch das Bezugszeichen 60 ist ein Inverter gekennzeichnet und durch das Bezugszeichen 62 wird angezeigt, dass die gestrichelt dargestellten Verbindungen bevorzugt zum Übertragen von Signalen vorgesehen sind.
  • Die Hotbox 58 ist bevorzugt im Wesentlichen so oder genauso, wie in 1 dargestellt, aufgebaut.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennstoffzellenvorrichtung
    2
    Erste Versorgungsleitung
    4
    Kathode
    6
    Zweite Versorgungsleitung
    8
    Anode
    10
    Einrichtung zum Fördern
    12
    Abführleitung
    14
    Erste Regelungseinrichtung
    16
    Erste Ventileinrichtung
    18
    Zweite Regelungseinrichtung
    20
    Zweite Ventileinrichtung
    21
    Weitere Ventileinrichtung
    22
    Erstes Mittel zum Ausgeben von Messwerten
    24
    Zweites Mittel zum Ausgeben von Messwerten
    25
    Maximalfunktion
    26
    Weitere Regelungseinrichtung
    27
    Weitere Regelungseinrichtung
    28
    ΔF Luft
    29
    ΔF Gas
    30
    Sollwertvorgabe FLuft
    31
    Sollwertvorgabe FGas
    32
    Weitere Fluidzuführung
    33
    Wärmetauscher
    34
    Weitere Fluidabführung
    35
    Abgasweiterleitung
    36
    Kondensator
    38
    Gaszuführung
    40
    Ventileinrichtung
    42
    Desulphator
    44
    Verdichter
    45
    Luftzuführung
    46
    Verdichter
    47
    Absperrventil
    48
    Wasseraufbereitung
    50
    Wärmetauscher
    51
    Vorheizung
    52
    Verbrennungszone
    54
    Reformer
    56
    Wärmetauscher
    58
    Hotbox
    60
    Inverter/Umrichter
    62
    Signalführende Verbindung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 19545186 A1 [0004]
    • DE 19637207 C2 [0005]
    • DE 10258196 A1 [0006]
    • EP 1172874 A2 [0007, 0007]

Claims (14)

  1. Brennstoffzellenvorrichtung (1), insbesondere eine SOFC-Brennstoffzellenvorrichtung, mindestens umfassend eine erste Versorgungsleitung (2) zum Zuführen eines ersten Stoffes zu einer Kathode (4) und eine zweite Versorgungsleitung (6) zum Zuführen eines zweiten Stoffes zu einer Anode (8), wobei mittels der Anode (4) und der Kathode (8) zur Erzeugung von elektrischer Energie zumindest eine Veränderung des zweiten Stoffes erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Abführleitung mindestens ein Verdichter (10) zum Fördern beider durch die Kathode (4) und Anode (8) hindurchgeführten Stoffe angeordnet ist, und dass mindestens eine Regelungseinrichtung (14) zum Steuern von einer in mindestens einer der Versorgungsleitungen (2, 6) angeordneten Ventileinrichtung (16) zur Beeinflussung der Durchlassmenge vorgesehen ist.
  2. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Regelungseinrichtung (14), (18) zum Steuern von jeweils einer in jeder Versorgungsleitung (2), (6) angeordneten Ventileinrichtung (16), (20) zur Beeinflussung der Durchflussmenge vorgesehen ist.
  3. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Versorgungsleitungen (2), (6) Mittel zum Ausgeben von Messwerten (22), (24) und zur Ermittlung von Regelabweichungen vorgesehen sind.
  4. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Versorgungsleitung (6) ebenfalls mit einer Wasserversorgung zum Vermischen des zweiten Stoffs mit Wasser gekoppelt ist und im Fluidtransportweg des Stoffgemischs aus Wasser und dem zweiten Stoff vor der Anode (8) ein Reformer (54) angeordnet ist.
  5. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Versorgungsleitung (2) vor der Kathode (4) ein durch die Abwärme der Vorrichtung (1) temperierbarer Wärmetauscher (50) zum Erhitzen des ersten Stoffs angeordnet ist.
  6. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Fluidtransportrichtung nach der Kathode (4) und Anode (8) eine Nachbrennzone (53) zum Verbrennen der unveränderten Stoffanteile vorgesehen ist.
  7. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (1), insbesondere eine SOFC-Brennstoffzellenvorrichtung, mindestens umfassend den Schritt des Zuführens eines ersten Stoffes mittels einer ersten Zuführleitung (2) zu einer Kathode (4) und den Schritt des Zuführens eines zweiten Stoffs mittels einer zweiten Zuführleitung (6) zu einer Anode (8), wobei mittels der Anode (8) und der Kathode (4) in einem weiteren Schritt zur Erzeugung von elektrischer Energie zumindest eine Veränderung des Brennstoffs erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung eines mit einer Abführleitung (12) gekoppelten Verdichters (10) zum Abführen der Stoffe, die durch die Kathode (4) und Anode (8) hindurchgeführt werden, und von einer in mindestens einer der Versorgungsleitungen (2, 6) angeordneten Ventileinrichtung (16, 20) zur Beeinflussung der Durchlassmenge durch mindestens eine Regelungseinrichtung (14) durchgeführt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Versorgungsleitung (2), (6) mindestens eine Ventileinrichtung (16), (20) angeordnet ist und mindestens eine Ventileinrichtung (16), (20) zum Ermöglichen eines maximalen Durchflusses eines Stoffes stets vollständig geöffnet ist.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer Regelungseinrichtung (14), (18) mindestens ein Sollwert (30), (31) vorgebbar ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Regelungseinrichtung (14), (18) mindestens ein Sollwert (30), (31) vorgebbar ist.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch mindestens eine weitere Regelungseinrichtung (26) in Abhängigkeit von mindestens einer Regelabweichung sowie von mindestens einem Sollwert ein Stellwertsignal für den Verdichter (10) generierbar ist.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung der Ventileinrichtung (16), (20) zu den Sollwerten Offsets über die Veränderung der Messwerte addierbar sind, die größer sind als die Toleranzen der Messungen.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtungen (14), (18) und/oder die weiteren Regelungseinrichtungen (26) mit anti-windup-Funktionen ausgestattet sind.
  14. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Sollwert ein Wert für den durch den Verdichter (10) erzeugten Unterdruck in der Versorgungsleitung vorgegeben wird, damit neben dem ersten und zweiten Stoff ein weiterer einem Reformer (54) zuzuführender Stoff, insbesondere Wasser, gefördert wird.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102018201040A1 (de) 2018-01-24 2019-07-25 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Fahrzeug
WO2021089611A1 (de) 2019-11-07 2021-05-14 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellensystem

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19545186A1 (de) 1995-12-04 1997-06-05 Siemens Ag Verfahren zum Betreiben einer Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage und Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage
DE19637207C2 (de) 1996-09-12 1998-07-02 Siemens Ag Anlage und Verfahren zur Energieerzeugung
DE10107127A1 (de) * 2000-02-16 2001-09-13 Nissan Motor Brennstoffzellensystem und Verfahren
EP1172874A2 (de) 2000-07-12 2002-01-16 Sulzer Hexis AG Anlage mit Hochtemperatur-Brennstoffzellen
US20020034669A1 (en) * 2000-07-18 2002-03-21 Tomoki Kobayashi Gas-supplying apparatus for fuel cell
DE10258196A1 (de) 2002-12-12 2004-07-08 Webasto Thermosysteme International Gmbh System mit einem Verbrennungsmotor und einer Brennstoffzelle
US20050164058A1 (en) * 2004-01-28 2005-07-28 Dong-Hun Lee Fuel cell system

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19545186A1 (de) 1995-12-04 1997-06-05 Siemens Ag Verfahren zum Betreiben einer Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage und Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage
DE19637207C2 (de) 1996-09-12 1998-07-02 Siemens Ag Anlage und Verfahren zur Energieerzeugung
DE10107127A1 (de) * 2000-02-16 2001-09-13 Nissan Motor Brennstoffzellensystem und Verfahren
EP1172874A2 (de) 2000-07-12 2002-01-16 Sulzer Hexis AG Anlage mit Hochtemperatur-Brennstoffzellen
US20020034669A1 (en) * 2000-07-18 2002-03-21 Tomoki Kobayashi Gas-supplying apparatus for fuel cell
DE10258196A1 (de) 2002-12-12 2004-07-08 Webasto Thermosysteme International Gmbh System mit einem Verbrennungsmotor und einer Brennstoffzelle
US20050164058A1 (en) * 2004-01-28 2005-07-28 Dong-Hun Lee Fuel cell system

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102018201040A1 (de) 2018-01-24 2019-07-25 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Fahrzeug
WO2019145301A1 (de) 2018-01-24 2019-08-01 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein fahrzeug
WO2021089611A1 (de) 2019-11-07 2021-05-14 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellensystem

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