DE102013214056B4 - Festoxidbrennstoffzelle - Google Patents

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Abstract

Festoxidbrennstoffzelle (1) mit- einer Anode zum Zuführen eines Brennstoffs, insbesondere von Wasserstoff,- einer Anodenkammer (2) zum Aufnehmen der Anode mit zumindest zwei Anodenanschlüssen (3, 4) zum Durchleiten des Brennstoffs durch die Anodenkammer (2),- einer Kathode zum Zuführen eines Oxidationsmittels, insbesondere eines sauerstoffhaltigen Gasgemischs,- einer Kathodenkammer (5) zum Aufnehmen der Kathode mit zumindest zwei Kathodenanschlüssen (6, 7) zum Durchleiten des Oxidationsmittels durch die Kathodenkammer (5),- einer zwischen der Anodenkammer (2) und der Kathodenkammer (5) angeordneten oxidkeramischen Elektrolytmembran (8) zum Trennen der Anode von der Kathode,- einer Fördereinheit (9) zum Verhindern eines Eintretens von Sauerstoff in die Anodenkammer (2), wobei die Fördereinheit (9) eine Druckseite und eine Saugseite aufweist, welche mit mindestens einem der Anodenanschlüsse (3, 4) in Fluidverbindung steht,- wobei der mit der Fördereinheit (9) in Fluidverbindung stehende Anodenanschluss ein Restgasbrenneranschluss (4) zum Anschließen der Festoxidbrennstoffzelle (1) an einen Restgasbrenner (10) ist,- wobei die Druckseite der Fördereinheit (9) so angeordnet ist, dass der am Eintreten in die Anodenkammer (2) gehinderte Sauerstoff in eine Umgebung der Festoxidbrennstoffzelle (1) austreten kann,- wobei die Druckseite mit einer Abgasleitung (12) des Restgasbrenners (10) in Fluidverbindung steht.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Festoxidbrennstoffzelle. Sie betrifft ferner einen mit mindestens einer solchen Festoxidbrennstoffzelle ausgestatteten Brennstoffzellenstack. Schließlich betrifft die Erfindung ein mit einem solchen Brennstoffzellenstack ausgestattetes Brennstoffzellensystem.
  • Die Gewinnung von elektrischer Energie aus chemischen Energieträgern erfolgt herkömmlicherweise durch Verbrennung und Nutzung der entstehenden heißen Gase in einer Wärmekraftmaschine mit nachgeschaltetem Generator. Bei derartigen aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen wird chemische Energie durch Verbrennung zunächst in thermische Energie und diese dann weiter in mechanische Arbeit umgewandelt. Erst mittels der auf die beschriebene Weise erzeugten kinetischen Energie wird im Generator letztlich elektrischer Strom erzeugt.
  • Zur Effizienzsteigerung dieses Transformationsvorgangs wurden sogenannte Brennstoffzellen vorgeschlagen, welche in der Lage sind, chemische Energie unter Auslassung ihrer thermischen und kinetischen Zwischenstadien unmittelbar in elektrische Energie umzuformen. Der auf diesem Wege erreichbare Wirkungsgrad der Stromerzeugung ist im Wesentlichen allein durch die freie Enthalpie der chemischen Reaktion beschränkt und damit potenziell höher als bei der aus dem Stand der Technik bekannten Kombination einer Wärmekraftmaschine mit einem Generator. Vergleichsweise gut erforscht ist die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle.
  • Innerhalb der genannten Gattung ist insbesondere eine als Festoxidbrennstoffzelle (solid oxide fuel cell, SOFC) bezeichnete Hochtemperatur-Brennstoffzelle gebräuchlich, die typischerweise bei einer Temperatur zwischen 300 °C und 1000 °C betrieben wird. Dieser Zelltyp umfasst zunächst einen semipermeablen Elektrolyten oder lonenleiter aus einem festen keramischen Werkstoff, welcher in der Lage ist, Sauerstoffionen zu leiten, für Elektronen jedoch isolierend wirkt. Vorrangig kommt in dieser Funktion Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) zum Einsatz. Dieser Elektrolyt wird einerseits durch eine Kathode eingeschlossen, welche aus einem keramischen, für Ionen und für Elektronen leitfähigen Werkstoff, etwa Strontium-dotiertem Lanthanmanganat, gefertigt ist. Auf der der Kathode abgewandten Seite des Elektrolyts ist eine entsprechende Anode aus Nickel mit Yttrium-dotiertem Zirkondioxid (Cermet) angeordnet, welche ihrerseits Ionen und Elektronen leitet. Über diese beiden Elektroden werden der Festoxidbrennstoffzelle kontinuierlich Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als dessen Reaktionspartner zugeführt, welche in bekannter Weise zur Gewinnung elektrischer Energie zusammenwirken. Exemplarisch beschreibt WO 2011/137916 A1 den Betrieb einer derartigen Brennstoffzelle.
  • Aus der DE 11 2009 003 573 T5 ist eine Festoxidbrennstoffzelle bekannt, bei der zwischen dem Reformer und einem Anodeneinlass eine Barriere angeordnet ist. Die Barriere soll verhindern, dass Sauerstoff einlassseitig zur Anode gelangt. Außerdem kann zwischen der Barriere und der Brennstoffzelle eine Ansaugleitung angeordnet sein, die zu einem Nachbrenner führt.
  • Problematisch ist indes das Anfahren und Abschalten gattungsgemäßer Festoxidbrennstoffzellen. Insofern kann es zu einer Oxidationsreaktion des in der Anode enthaltenen Nickels kommen, welche die Anodenstruktur irreversibel schädigen kann.
  • Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Festoxidbrennstoffzelle bereitzustellen, deren Anode einen verbesserten Schutz gegen Oxidation genießt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt in der Schaffung eines entsprechenden Brennstoffzellenstacks. Schließlich ist eine dritte Aufgabe der Erfindung in der Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems mit einem solchen Brennstoffzellenstack begründet.
  • Diese Aufgaben werden durch eine Festoxidbrennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einen Brennstoffzellenstack mit den Merkmalen des Anspruchs 5 sowie ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
  • Ein Grundgedanke der Erfindung ist demnach, Sauerstoff am Eintreten in die Anodenkammer der Festoxidbrennstoffzelle zu hindern, indem diese um eine Fördereinheit zum Absaugen von Sauerstoff von den als Eintrittsstellen in Betracht kommenden Anodenanschlüssen ergänzt wird. Eine Berührungsreaktion der nickelhaltigen Anode, welche deren Struktur andernfalls unumkehrbar schädigen könnte, wird auf diesem Wege bereits im Ansatz vermieden, indem der als Oxidationsmittel verwendete Sauerstoff von den besagten Anschlüssen ferngehalten wird.
  • Erfindungsgemäß wird als Angriffspunkt für in Richtung der Anodenkammer zurückströmenden Sauerstoff ein zum Anschluss der Festoxidbrennstoffzelle an einen Restgasbrenner vorgesehener Restgasbrenneranschluss verwendet. Dieser Anschluss bietet sich in besonderem Maße zur Absaugung des Sauerstoffs mittels der Fördereinheit an. Zusätzlich kann diese optional auch auf einen zur Brennstoffzufuhr vorgesehenen Reformeranschluss der Festoxidbrennstoffzelle wirken. In beiden Konfigurationen wirkt die Fördereinheit einer drohenden Oxidation der Anode vor allem während der Aufwärm- oder Abkühlphase der entsprechend ausgestatteten Festoxidbrennstoffzelle entgegen.
  • Die Druckseite der Fördereinheit ist dabei erfindungsgemäß derart angeordnet, dass der am Eintreten in die Anodenkammer gehinderte Sauerstoff in eine Umgebung der Festoxidbrennstoffzelle austreten kann. Der Sauerstoff wird insbesondere an geeigneter Stelle in das die Festoxidbrennstoffzelle einschließende Leitungssystem abgeführt, von wo er in die Umgebung der Festoxidbrennstoffzelle entweichen kann. Da die Festoxidbrennstoffzelle in der oben beschriebenen Weise mit einem Restgasbrenner ausgestattet ist, wird erfindungsgemäß dessen Abgasleitung zur Fluidverbindung mit der Druckseite der Fördereinheit verwendet, sodass der überschüssige Sauerstoff unter Umgehung des Restgasbrenners in dessen Abgasstrom gefördert werden kann.
  • Auch für die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Fördereinheit selbst bieten sich dem Fachmann verschiedene konstruktive Optionen. So kann diese ihrerseits als weitere Festoxidbrennstoffzelle ausgeführt sein. In besonders vorteilhafter Weise lässt sich indes eine spezielle Lambdasonde in der Funktion einer „Sauerstoffpumpe“ einsetzen, wie sie WO 2011/137916 A1 offenbart. Diese Konfiguration birgt den weiteren Vorzug, dass die genannte Sonde zugleich als Zirkoniumdioxid-Sensor zum Messen des Sauerstoffgehalts am betreffenden Anschluss dienen kann.
  • Um in diesen Szenarien eine geeignete Betriebstemperatur der Fördereinheit zu gewährleisten, empfiehlt sich der Einsatz einer geeigneten Heizung. Deren Energiebedarf lässt sich in einer bevorzugten Ausführungsform verringern, indem die Fördereinheit konstruktiv in den Brennstoffzellenstack integriert wird, um die Betriebstemperatur beider Baugruppen einem gemeinsamen Temperaturniveau anzugleichen.
  • Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondem auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Die einzige 1 zeigt in einer Teilansicht den prinzipiellen Aufbau eines Brennstoffzellensystems mit einem Stack gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Als Brennstoffzellensystem wird in diesem Zusammenhang jegliches System erachtet, bei welchem elektrische Energie aus als Brennstoff dienenden Energieträgern, insbesondere Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid, durch eine Brennstoffzelle erzeugt wird. Diese Begriffsbestimmung erfasst somit gleichermaßen solche Ausführungsformen, bei welchen die wie beschrieben generierte elektrische Energie unmittelbar in elektrischen Verbrauchern in Bewegung umgewandelt, wie auch solche, bei welchen sie zeitweise in Batterien zwischengespeichert wird.
  • Zur Herstellung des als Brennstoff dienenden Wasserstoffs bedient sich das Brennstoffzellensystem 13 eines als partielle Oxidation bekannten petrochemischen Verfahrens. Ein hierzu vorgesehener Reformer 11 kann je nach Ausführungsform dabei grundsätzlich mit unterschiedlichen kohlenstoffhaltigen Energieträgern wie Erdgas, Leichtbenzin, Methanol, Benzin, Diesel, Biogas oder Biomasse gespeist werden. Vorliegend besitzt der Reformer 11 die Gestalt eines Diesel-Reformers, welcher aus einem Diesel-Luft-Gemisch unter Freisetzung von Kohlendioxid ein Synthesegas mit hohem Kohlenmonoxid- und Wasserstoffanteil erzeugt. In einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform mag das Brennstoffzellensystem 13 anstelle des Reformers 11 über entsprechende Druckgastanks ausgestattet sein, die an geeigneten Tankstellen mit fertigem Wasserstoff betankt werden.
  • Das Kernstück des in 1 bereichsweise illustrierten Brennstoffzellensystems 13 bildet indes ein erfindungsgemäßer Brennstoffzellenstack in Form einer Reihenschaltung von Brennstoffzellen. Als Brennstoffzelle ist dabei vorliegend jede galvanische Zelle zu verstehen, die die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Vorliegend wird dem Brennstoffzellenstack als Brennstoff über einen Reformeranschluss 3 vom Reformer 11 kohlenmonoxid- und wasserstoffreiches Synthesegas zugeführt, welches in chemisch-technischen Fachkreisen als Reformat bezeichnet wird.
  • Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist dabei lediglich eine einzige Festoxidbrennstoffzelle 1 des Brennstoffzellenstacks in der Abbildung wiedergegeben. In einer Kathodenkammer 5 dieser Zelle wird Wasserstoff und Kohlenmonoxid oxidiert, indem der in der Kathodenkammer 5 angeordneten Kathode Sauerstoffionen entzogen werden. Die auf diese Weise aus der Luft extrahierten Sauerstoffionen durchdringen eine die Kathodenkammer 5 einseitig begrenzende Elektrolytmembran 8 in Richtung einer der Anodenkammer 2 gegenüberliegenden Kathodenkammer 5. Gemäß dem Zelltyp der Feststoffoxidbrennstoffzelle 1 besteht die Elektrolytmembran 8 aus einem im Wesentlichen festen keramischen Werkstoff, welcher in der Lage ist, Sauerstoffionen zu leiten. Im vorliegenden Fall wird zu diesem Zweck Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) verwendet. Die Elektrolytmembran 8 ist damit nur für Sauerstoffionen durchlässig, wohingegen Elektronen durch einen in 1 nicht dargestellten elektrischen Leiter gezwungen werden, welcher dem Brennstoffzellensystem 13 als Quelle elektrischer Energie dienen kann. Der die Kathodenkammer 5 im Wege der Kathodenanschlüsse 6, 7 durchströmende, als Oxidationsmittel dienende Sauerstoff wird dabei reduziert, indem die zuvor dem Brennstoff entzogenen Elektronen der Kathode hinzugefügt werden. Die so auf negativ geladene Sauerstoffionen stoßenden Wasserstoffionen reagieren somit zu Wasser. Im Rahmen dieser sogenannten exothermen chemischen Reaktion wird gleichzeitig Wärme frei, die beispielsweise zum Beheizen einer Fahrgastzelle genutzt werden kann.
  • Eine Besonderheit der Festoxidbrennstoffzelle 1 liegt dabei in der vergleichsweise hohen Restbrennbarkeit der die Anodenkammer 2 durch den Restgasbrenneranschluss 4 verlassenden Abgase. Diese werden daher einem dem Brennstoffzellenstack nachgeordneten Restgasbrenner 10 zur Verwertung zugeführt, welcher mit der Kathodenkammer 5 der Festoxidbrennstoffzelle 1 zudem über den zweiten Kathodenanschluss 7 verbunden ist. Erfindungsgemäß steht der Restgasbrenneranschluss 4 dabei jedoch nicht nur mit dem Restgasbrenner 10 selbst, sondern über eine abzweigende Sauerstoffleitung ferner mit dessen Abgasleitung 12 in Fluidverbindung. Der entsprechende Leitungsabzweig bildet dabei gleichermaßen die Saugseite einer Sauerstoff durch die Sauerstoffleitung absaugenden Fördereinheit 9.
  • Als Fördereinheit ist dabei im gegebenen Szenario in einem weiten Wortsinn jegliche Vorrichtung zu verstehen, die Sauerstoff vom Restgasbrenneranschluss 4 abzusaugen und in vorgesehener Strömungsrichtung durch die Sauerstoffleitung abzuführen vermag. Vorliegend ist die Fördereinheit 9 dabei als Lambdasonde (λ-Sonde) ausgeführt, deren Wirkprinzip auf der Spannung eines die Saugseite von der Druckseite der Fördereinheit 9 trennenden Festkörperelektrolyten in Gestalt einer Membran aus Zirkoniumdioxid beruht und die somit als sogenannte Nernstsonde zu klassifizieren ist. Dieser Werkstoff besitzt bei der im Restgasstrom der Festoxidbrennstoffzelle 1 auftretenden Betriebstemperatur, die sich typischerweise oberhalb von 300 °C bewegt, die vorteilhafte Fähigkeit, Sauerstoffionen elektrolytisch transportieren zu können und somit gleichsam als „Sauerstoffpumpe“ unerwünschten Sauerstoff auf die der Referenzseite der Lambdasonde entsprechende Druckseite der somit gebildeten Fördereinheit zu fördern. Entsprechende Nernstsonden werden in der Sensorik als Zirkoniumdioxid-Sensoren mit metallisch versiegelter Referenz (MSRS) bezeichnet.

Claims (8)

  1. Festoxidbrennstoffzelle (1) mit - einer Anode zum Zuführen eines Brennstoffs, insbesondere von Wasserstoff, - einer Anodenkammer (2) zum Aufnehmen der Anode mit zumindest zwei Anodenanschlüssen (3, 4) zum Durchleiten des Brennstoffs durch die Anodenkammer (2), - einer Kathode zum Zuführen eines Oxidationsmittels, insbesondere eines sauerstoffhaltigen Gasgemischs, - einer Kathodenkammer (5) zum Aufnehmen der Kathode mit zumindest zwei Kathodenanschlüssen (6, 7) zum Durchleiten des Oxidationsmittels durch die Kathodenkammer (5), - einer zwischen der Anodenkammer (2) und der Kathodenkammer (5) angeordneten oxidkeramischen Elektrolytmembran (8) zum Trennen der Anode von der Kathode, - einer Fördereinheit (9) zum Verhindern eines Eintretens von Sauerstoff in die Anodenkammer (2), wobei die Fördereinheit (9) eine Druckseite und eine Saugseite aufweist, welche mit mindestens einem der Anodenanschlüsse (3, 4) in Fluidverbindung steht, - wobei der mit der Fördereinheit (9) in Fluidverbindung stehende Anodenanschluss ein Restgasbrenneranschluss (4) zum Anschließen der Festoxidbrennstoffzelle (1) an einen Restgasbrenner (10) ist, - wobei die Druckseite der Fördereinheit (9) so angeordnet ist, dass der am Eintreten in die Anodenkammer (2) gehinderte Sauerstoff in eine Umgebung der Festoxidbrennstoffzelle (1) austreten kann, - wobei die Druckseite mit einer Abgasleitung (12) des Restgasbrenners (10) in Fluidverbindung steht.
  2. Festoxidbrennstoffzelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinheit (9) eine weitere Festoxidbrennstoffzelle umfasst.
  3. Festoxidbrennstoffzelle (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinheit (9) eine Lambdasonde mit - einer Zirkoniummembran, welche einseitig mit der Druckseite in Fluidverbindung steht, und - einer durch die Zirkoniummembran von der Druckseite getrennten metallisch versiegelten Referenz umfasst, welche mit der Saugseite in Fluidverbindung steht.
  4. Festoxidbrennstoffzelle (1) nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Zirkoniumdioxid-Sensor zum Messen des Sauerstoffs am Anodenanschluss (3, 4), wobei der Zirkoniumdioxid-Sensor die Lambdasonde umfasst.
  5. Brennstoffzellenstack mit einer Mehrzahl in Reihe geschalteter Brennstoffzellen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Brennstoffzellen eine Festoxidbrennstoffzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ist.
  6. Brennstoffzellenstack nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Heizung zum Beheizen der Fördereinheit (9) auf eine vorgegebene Arbeitstemperatur.
  7. Brennstoffzellenstack nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinheit (9) derart in den Brennstoffzellenstack integriert ist, dass die Fördereinheit (9) und die Brennstoffzellen eine im Wesentlichen gleiche Arbeitstemperatur aufweisen.
  8. Brennstoffzellensystem (13) mit einem Brennstoffzellenstack nach einem der Ansprüche 5 bis 7.
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