DE102016204609A1

DE102016204609A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung

Info

Publication number: DE102016204609A1
Application number: DE102016204609.8A
Authority: DE
Inventors: Thomas Danne; Ralf Brandenburger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-03-21
Filing date: 2016-03-21
Publication date: 2017-09-21

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (10), wobei in einer Betriebsphase an mindestens einer Brennstoffzelle (12) eine aufgeprägte elektrische Spannung mit einem von einer ersten Elektrode (14) zu einer zweiten Elektrode (16) der mindestens einen Brennstoffzelle (12) abfallenden elektrischen Potential anliegt. Es wird vorgeschlagen, dass der ersten Elektrode (14) ein sauerstoffhaltiges Fluid zugeführt wird, wobei durch die anliegende elektrische Spannung und das Zuführen des sauerstoffhaltigen Fluids gezielt Wärme erzeugt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung, wobei in einer Betriebsphase an mindestens einer Brennstoffzelle eine aufgeprägte elektrische Spannung mit einem von einer ersten Elektrode zu einer zweiten Elektrode der mindestens einen Brennstoffzelle abfallenden elektrischen Potential anliegt.
Stand der Technik
Die WO 2011/137916 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle, wobei eine Brennstoffzelle von außen eine Spannung angelegt wird, um einen Restsauerstoff aus einem Anodenpfad elektrochemisch zu entfernen.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung hat demgegenüber den Vorteil, dass der ersten Elektrode ein sauerstoffhaltiges Fluid zugeführt wird, wobei durch die anliegende elektrische Spannung und das Zuführen des sauerstoffhaltigen Fluids gezielt Wärme erzeugt wird. So kann die erzeugte Wärme nachhaltig genutzt werden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung möglich. So ist es vorteilhaft, wenn der ersten Elektrode Luft zugeführt wird, wodurch eine besonders effektive Sauerstoffzufuhr zur ersten Elektrode ermöglicht wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn in der genannten Betriebsphase gezielt Wärme erzeugt wird, indem die anliegende Spannung und/oder die Menge an zugeführtem sauerstoffhaltigen Fluid, bzw. zugeführter Luft, variiert werden, vorzugsweise stetig und/oder stufenweise erhöht werden. So kann die Erzeugung von Wärme gezielt gesteuert werden.
In einer vorteilhaften Ausführung, handelt es sich bei der genannten Betriebsphase um eine Startphase oder eine Stand-by-Phase, durch die gezielt erzeugte Wärme besonders effektiv genutzt werden kann.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die mindestens eine Brennstoffzelle in der genannten Betriebsphase, insbesondere der Startphase, auf zumindest eine Betriebstemperatur, insbesondere zwischen 400°C und 700°C, vorzugsweise 600°C, erwärmt wird, wodurch die mindestens eine Brennstoffzelle besonders effektiv aufgeheizt werden kann.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die mindestens eine Brennstoffzelle in der genannten Betriebsphase, insbesondere der Stand-by-Phase, bei einer Warmhaltetemperatur, insbesondere zwischen 400°C und 700°C, vorzugweise bei 650°C, warm gehalten wird, wodurch die mindestens eine Brennstoffzelle besonders effektiv in einem für einen Normalbetrieb geeigneten Zustand gehalten werden kann.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere ein Verfahren nach der vorangehenden Beschreibung, welches sich dadurch auszeichnet, dass das Verfahren zumindest mit dem folgenden Verfahrensschritt erfolgt:

a) Anlegen einer elektrischen Spannung, vorzugsweise von 330 V, insbesondere einer Spannung oberhalb der Leerlaufspannung, an mindestens eine Brennstoffzelle mit einem von einer ersten Elektrode zu einer zweiten Elektrode der mindestens einen Brennstoffzelle abfallenden elektrischen Potential und Zuführen eines sauerstoffhaltigen Fluids zur ersten Elektrode, um gezielt Wärme zu erzeugen,

Besonders vorteilhaft ist es, wenn, insbesondere in einer Startphase, ein Verfahrensschritt

b) Aufheizen der mindestens einen Brennstoffzelle auf eine Anfangstemperatur, insbesondere von mindestens 120°C, idealerweise von mindestens 220°C,

In einer vorteilhaften Ausführung erfolgt ein Verfahrensschritt

c) Erhöhen der elektrischen Spannung, vorzugsweise auf 360 V, insbesondere nach Verfahrensschritt a) und/oder b), wodurch eine besonders große Menge an Wärme gezielt erzeugt werden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung erfolgt ein Verfahrensschritt

d) Regulieren der Menge an zugeführtem sauerstoffhaltigem Fluid, bzw. Luft, vorzugsweise auf 124 Normliter pro Minute in einer Startphase und/oder auf 20,9 Normliter pro Minute in einer Stand-by-Phase,

In einer besonders vorteilhaften Ausführung erfolgt ein Verfahrensschritt

e) Abtrennen der elektrischen Spannung und/oder Beenden des Zuführens von sauerstoffhaltigem Fluid zur ersten Elektrode, beispielsweise wenn in einer Startphase eine Betriebstemperatur zwischen 400°C und 700°C, idealerweise von 600°C, erreicht ist, oder wenn eine Stand-by-phase beendet werden soll,

Die Erfindung betrifft auch eine Brennstoffzellenvorrichtung welche mit einem Verfahren nach der vorangehenden Beschreibung betrieben wird.
Zeichnungen
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung;
2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens für eine Startphase; und
3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens für eine Stand-by-Phase gezeigt.
Beschreibung
In 1 ist eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung 10 gezeigt. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 weist eine Brennstoffzelle 12 mit einer ersten Elektrode 14, einer zweiten Elektrode 16 und einem zwischen der ersten Elektrode 14 und der zweiten Elektrode 16 angeordneten Elektrolyten 18 auf. Im gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Brennstoffzelle 12 um eine Hochtemperaturbrennstoffzelle auf Feststoffoxid-Basis, einer sogenannten Solid-Oxid-Fuel-Sell (SOFC).
Alternativ ist es aber auch denkbar dass die Brennstoffzellenvorrichtung 10 einen Brennstoffzellenstack mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen 12 aufweist.
Weiter weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine Zufuhreinrichtung 20 auf welche strömungstechnisch der ersten Elektrode 14 zugeordnet ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der ersten Zufuhreinrichtung 20 um eine Brennstoffzufuhr 21, mittels welcher der ersten Elektrode 14 der Brennstoffzelle 12 Brennstoff zuführbar ist. Die Zufuhreinrichtung 20 umfasst ein Eingangsventil 22 zur Regulierung der Menge eines zugeführten Brennstoffs, eine Entschwefelungseinheit 24 zur Entschwefelung des zugeführten Brennstoffs, einen Verdichter 26 zur Erhöhung des Drucks des zugeführten Brennstoffs, eine Verdampfungseinheit 28 mit einer Wasserzufuhr 30 zur Beimischung von Wasserdampf zum zugeführten Brennstoff, sowie einen Reformer 31 zur Reformierung des zugeführten Brennstoffs. Je nach Brennstoffzellentyp oder der Qualität des zugeführten Brennstoffs können diese Komponenten variieren. Es ist denkbar, dass bei einem System mit Anodenabgasrezirkulation die Verdampfungseinheit 28 entfällt.
Des Weiteren weist die Brennstoffzellenvorrichtung eine zweite Zufuhreinrichtung 32 auf, welche strömungstechnisch der zweiten Elektrode 16 zugeordnet ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der zweiten Zufuhreinrichtung 32 um eine Luftzufuhr 33, mittels welcher der zweiten Elektrode 16 Luft zuführbar ist. Die Luftzufuhr 33 weist einen weiteren Verdichter 29 zur Regulierung des Zuflusses an zugeführter Luft auf. Darüber hinaus ist in der Luftzufuhr 32 eine elektrische Heizeinheit 39 angeordnet.
Weiter weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine erste Abgaseinrichtung 34 auf, welche strömungstechnisch der ersten Elektrode 14 zugeordnet ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der ersten Abgaseinrichtung 34 um eine Abgasleitung 35 mittels welcher Abgas von der ersten Elektrode 14 abführbar ist.
Darüber hinaus weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine zweite Abgaseinrichtung 36 auf, welche strömungstechnisch der zweiten Elektrode 16 zugeordnet ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der zweiten Abgaseinrichtung 36 um eine Luftabführleitung 37 mittels welcher unverbrauchte Luft von der zweiten Elektrode 16 abführbar ist.
Ferner weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10 einen Nachbrenner 38 auf. Der Nachbrenner 38 ist mit der ersten Abgaseinrichtung 34 und der zweiten Abgaseinrichtung 36 strömungstechnisch verbunden. So ist ein von der ersten Elektrode 14 kommendes Abgas mit der von der zweiten Elektrode 16 kommenden, unverbrauchten Luft verbrennbar.
Außerdem weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine dritte Abgaseinrichtung 40 auf mittels welcher ein durch eine Verbrennung im Nachbrenner 38 entstehendes Abgas abführbar ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Abgaseinrichtung 40 um eine weitere Abgasleitung 41.
In der Abgaseinrichtung 40 ist strömungstechnisch eine Wärmeabnahme 42 angeordnet. Die Wärmeabnahme 42 umfasst einen Wärmetauscher 44, mittels welchem Wärme aus dem Abgas der dritten Abgaseinrichtung 40 entnommen werden kann und einer Wärmeeinrichtung 46, im gezeigten Ausführungsbeispiel einer Heizung 48, zugeführt werden kann.
Darüber hinaus weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10 weitere Wärmetauscher 50, 52, 54, welche so angeordnet sind, dass Wärme die in den Abgasen der Abgaseinrichtungen 34, 36, 40 enthalten ist auf die Zugeführten Stoffe der Zufuhreinrichtungen 20, 32 übertragbar ist, um somit eine Vorwärmung der zugeführten Stoffe vorzunehmen.
Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 weist ferner auch einen Wechselrichter 56 auf, welcher mit der Brennstoffzelle 12, bzw. mit der ersten und zweiten Elektrode 14, 16, elektrotechnisch verbunden ist. Der Wechselrichter 56 ist mittels elektrischer Leitungen 58, 60 mit der Brennstoffzelle 12 verbunden. Alternativ zum Wechselrichter kann auch ein Umrichter oder eine geeignete Batterieeinheit verwendet werden.
Mit Hilfe des Wechselrichters 56 kann je nach Betriebsweise der Brennstoffzellenvorrichtung 10 der Brennstoffzelle 12 Strom zugeführt oder entnommen werden. Bei einem zur Brennstoffzelle 12 zugeführten oder von der Brennstoffzelle 12 entnommenen elektrischen Strom handelt es sich dabei stets um einen Gleichstrom.
Wird der Brennstoffzelle Strom entnommen, so erzeugt die Brennstoffzelle 12 selbst eine elektrische Spannung. Im gezeigten Fall handelt es sich dabei auch um eine Gleichspannung.
In einem Normalbetrieb wird mittels der Brennstoffzellenvorrichtung 10, bzw. mittels der Brennstoffzelle 12, Strom und Wärme erzeugt. Dabei wird der Brennstoffzellenvorrichtung 10 Brennstoff, im gezeigten Ausführungsbeispiel zumindest im Wesentlichen Erdgas (CH₄), zugeführt. Der Brennstoff wird durch die Entschwefelungseinheit 24 entschwefelt und dem Verdampfer zugeführt. Mittels des Verdampfers wird dem Brennstoff Wasserdampf beigemischt, woraufhin der mit Wasserdampf angereicherte Brennstoff im Reformer 31 reformiert wird. Im gezeigten Ausführungsbeispiel entsteht bei der Reformierung des Brennstoffs Wasserstoff (H₂). Der reformierte Brennstoff, bzw. der Wasserstoff, wird daraufhin der ersten Elektrode 14 der Brennstoffzelle 12 zugeführt. Gleichzeitig wird der zweiten Elektrode 16 der Brennstoffzelle 12 Luft, bzw. Sauerstoff, zugeführt. Im Normalbetrieb fungiert die erste Elektrode 14 als eine Anode und die zweite Elektrode 16 als eine Kathode.
Entsprechend wird im Normalbetrieb der reformierte Brennstoff, bzw. der Wasserstoff, in der Brennstoffzelle 12 elektrochemisch umgesetzt wobei die Wärme und der Strom erzeugt werden. Der erzeugte Strom, bzw. der erzeugte Gleichstrom, wird durch den Wechselrichter 56 entnommen, zu einem Wechselstrom umgewandelt und kann dann je nach Bedarf in ein Stromnetz eingespeist werden oder einem Verbraucher zur Verfügung gestellt werden.
So ist unter einem Normalbetrieb ein planmäßiger, stromerzeugender Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 10 bei üblicher Beanspruchung zu verstehen. Insbesondere ist das Brennstoffzellensystem 10 im Normalbetrieb auch in der Lage den maximal möglichen Wirkungsgrad zu erreichen.
Wird entgegen dem Normalbetrieb der Brennstoffzelle Strom zugeführt, so wird der Brennstoffzelle 12 eine elektrische Spannung aufgeprägt. Unter einer aufgeprägten elektrischen Spannung ist dabei eine von außen angelegte elektrische Spannung zu verstehen. So kann unter einer aufgeprägten elektrischen Spannung auch eine aufgezwungene elektrische Spannung verstanden werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung 10 erfolgt nun derart, dass in einer Betriebsphase an der Brennstoffzelle 12 eine aufgeprägte elektrische Spannung mit einem von der ersten Elektrode 14 zu der zweiten Elektrode 16 der Brennstoffzelle 12 abfallenden elektrischen Potential anliegt. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der ersten Elektrode 14 ein sauerstoffhaltiges Fluid zugeführt wird, wobei durch die anliegende elektrische Spannung und das Zuführen des sauerstoffhaltigen Fluids gezielt Wärme erzeugt wird, wodurch ein nachhaltiger Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung ermöglicht wird.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Brennstoffzelle 12 mittels des Wechselrichters 36 eine elektrische Spannung aufgeprägt, die aus einem äußeren Stromnetz bezogen wird. Dabei transformiert der Wechselrichter eine für das Stromnetz übliche Wechselspannung zu einer Gleichspannung, welche dann an der Brennstoffzelle 12 anliegt.
Anders als beim stromerzeugenden Normalbetrieb wird, in welchem der ersten Elektrode 14 reformierter Brennstoff zugeführt wird, wird in der genannten Betriebsphase des erfindungsgemäßen Verfahrens der ersten Elektrode 14 Luft zugeführt. Aufgrund des verhältnismäßig hohen Sauerstoffanteils in Luft ist dabei eine besonders effektive Wärmerzeugung möglich. Gleichzeitig wird der zweiten Elektrode 16 Luft zugeführt.
Durch die aufgeprägte elektrische Spannung und dem damit verbundenen abfallenden elektrischen Potential wird der Sauerstoff, welcher der ersten Elektrode 14 zugeführt wird, ionisiert und kann damit durch den Elektrolyten 18 diffundieren.
Entsprechend kommt es in der genannten Betriebsphase an der ersten Elektrode 14 zu folgender Teilreaktion: 4e^– + O₂ → 2O^2–
An der zweiten Elektrode 16 hingegen kommt es in der genannten Betriebsphase zu folgender Teilreaktion: 2O^2– → 4e^– + O₂
Ein von der ersten Elektrode 14 zur zweiten Elektrode 16 abfallendes Potential kann dabei – gegenüber einem Normalbetrieb – als ein Negativpotential aufgefasst werden.
Der maximal mögliche Ionenstrom durch den Elektrolyten 18 wird dabei durch den an der ersten Elektrode 14 vorliegenden Sauerstoff bestimmt.
Für das Zuführen von Luft zu der ersten Elektrode 14, weist die in 1 gezeigte Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine Verbindungsleitung 62 auf, welche die zweite Zufuhreinrichtung 32 mit der ersten Zufuhreinrichtung 20 strömungstechnisch miteinander verbindet. So kann Luft aus der zweiten Zufuhreinrichtung 32 der ersten Zufuhreinrichtung 20 und somit auch der ersten Elektrode 14 zugeführt werden. So wird durch die Verbindungsleitung 62 eine technisch einfache Zufuhr von Luft, bzw. Sauerstoff, zur ersten Elektrode 14 ermöglicht.
Darüber hinaus ist in der Verbindungsleitung 62 ein Ventil 64 angeordnet, mittels welchem die Luftzufuhr zur ersten Elektrode 14 geregelt, bzw. gesteuert, werden kann. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Ventil 64 um ein Proportionalventil.
Es wird in der genannten Betriebsphase gezielt Wärme erzeugt, indem die anliegende Spannung und/oder die Menge an zugeführtem sauerstoffhaltigen Fluid, bzw. zugeführter Luft, variiert werden, wodurch die gezielt erzeugte Wärme in der genannten Betriebsphase reguliert werden kann.
Für das gezeigte Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der genannten Betriebsphase um eine Startphase oder eine Stand-by-Phase, in welchen die gezielt erzeugte Wärme besonders effektiv zum Aufwärmen oder Warmhalten der Brennstoffzelle 12 genutzt wird.
Im Fall der Startphase werden die anliegende Spannung und/oder die Menge an zugeführter Luft stetig und/oder stufenweise erhöht, wodurch ein gezieltes Aufheizen der Brennstoffzelle 12 stattfindet.
In der Startphase wird die Brennstoffzelle 12 auf eine Betriebstemperatur zwischen 400°C und 700°C erwärmt. So erreicht die Brennstoffzelle 12 auf technisch elegante Weise eine für einen Normalbetrieb benötigte Betriebstemperatur von 400°C bis 700°C. Für das gezeigte Ausführungsbeispiel wird die anliegende Spannung und/oder die Menge an zugeführter Luft zur ersten Elektrode 14 so lange aufrecht erhalten, bis eine Betriebstemperatur von 600°C erreicht ist, bei welcher die Brennstoffzelle in einem Normalbetrieb einen besonders hohen Wirkungsgrad erreichen kann.
Im Fall der Stand-by-Phase wird die Brennstoffzelle 12 bei einer Warmhaltetemperatur zwischen 400°C und 700°C warm gehalten, so dass die Brennstoffzellenvorrichtung 10 bei Bedarf schnell in einen Normalbetrieb wechseln kann. Für den gezeigten Fall wird die Brennstoffzelle 12 bei einer Warmhaltetemperatur von 650°C warm gehalten, von welcher die Brennstoffzellenvorrichtung 10 besonders schnell in einen Normalbetrieb mit einem hohen Wirkungsgrad wechseln kann.
Die Regelung, bzw. Steuerung, der anliegenden aufgeprägten Spannung und/oder der Menge an zugeführter Luft zur ersten Elektrode 14 erfolgt mittels einer Regeleinheit 66. Die Regeleinheit 66 ist dafür über eine Kommunikationsleitung 68 mit dem Wechselrichter 56, über eine Kommunikationsleitung 70 mit dem Ventil 64, über einer Kommunikationsleitung 72 mit einem Temperatursensor 74 und mit einer Kommunikationsleitung 76 mit der elektrischen Heizeinheit 39 verbunden. Der Temperatursensor 74 befindet sich entsprechend in der Nähe der Brennstoffzelle 12, so dass eine Temperatur der Brennstoffzelle effizient gemessen werden kann. Die Regeleinheit 66 kann auch als Steuerungseinheit aufgefasst werden. Entsprechend erfolgt das erfindungsgemäße Verfahren mittels der Regeleinheit 66.
In 2 und 3 sind schematische Darstellungen zweier Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Für die gezeigten Ausführungsbeispiele bezeichnen die Punkte S den Start des erfindungsgemäßen Verfahrens und die Punkt E das Ende des erfindungsgemäßen Verfahrens. Es ist aber auch denkbar, dass das erfindungsgemäße Verfahren als ein Teil eines oder einer Vielzahl von übergeordneten Verfahren erfolgt, weshalb die Punkte S, E nicht als abschließend betrachtet werden müssen.
Wie in 2 und 3 gezeigt, weist das Verfahren den folgenden Verfahrensschritt auf:

a) Anlegen einer elektrischen Spannung, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel einer Spannung von U_el = 330 V oberhalb einer Leerlaufspannung, an die Brennstoffzelle 12 mit einem von der ersten Elektrode 14 zu der zweiten Elektrode 16 der Brennstoffzelle 12 abfallenden elektrischen Potential und Zuführen eines sauerstoffhaltigen Fluids, bzw. Luft, zur ersten Elektrode 14, um gezielt Wärme zu erzeugen.

In der genannten Betriebsphase wird zumindest im Wesentlichen kein Brennstoff zugeführt. D. h. für die in der 1 gezeigte Brennstoffzellenvorrichtung 10 ist das Eingangsventil 22 während der genannten Betriebsphase geschlossen. Alternativ ist es aber auch möglich, dass in der genannten Betriebsweise teilweise Brennstoff zugeführt wird, insofern eine Zufuhr von Brennstoff sinnvoll erscheint. Beispielsweise könnte dies für einen Übergang in eine andere Betriebsphase, wie den Normalbetrieb, sinnvoll sein.
Wie schon erwähnt handelt es sich bei der genannten Betriebsphase um eine Startphase und/oder eine Stand-by-Phase. So erfolgt der Verfahrensschritt a) im gezeigten Ausführungsbeispiel sowohl in der Startphase, als auch in der Stand-by-Phase.
In 2 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens für eine Startphase gezeigt. Im Fall der Startphase erfolgt vor dem Verfahrensschritt a) ein Verfahrensschritt

b) Aufheizen der Brennstoffzelle 12 auf eine Anfangstemperatur von mindestens 120°C, im gezeigten Ausführungsbeispiel von mindestens 220°C,

18

12

Das Aufheizen der Brennstoffzelle 12 gemäß Verfahrensschritt b) erfolgt für das gezeigte Ausführungsbeispiel mittels der Heizeinheit 39. Es erfolgt derart, dass der Brennstoffzelle 12 über die zweite Zufuhreinrichtung 32, bzw. über die Luftzufuhr 33, Luft zugeführt wird, welche durch die elektrische Heizeinheit 39 erwärmt wird. Durch die erwärmte Luft wird dann auch die Brennstoffzelle 12 erwärmt. Ist eine Anfangstemperatur von mehr als 220°C erreicht, so erfolgt anschließend Verfahrensschritt a).
In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel für eine Startphase erfolgt nach Verfahrensschritt a) und b) ein Verfahrensschritt

c) Erhöhen der elektrischen Spannung auf U_el = 360 V,

Alternativ ist es auch denkbar die elektrische Spannung nicht zu erhöhen. So könnte die in Verfahrensschritt a) angelegte Spannung gleich gehalten werden. Denkbar wäre aber die zur ersten Elektrode 14 zugeführte Menge an sauerstoffhaltigem Fluid, bzw. Luft, zu erhöhen.
Bei einer Brennstoffzellenvorrichtung 10, wie sie in 1 gezeigt ist, wird die elektrische Spannung mittels des Wechselrichters 56 der Brennstoffzelle 12 aufgeprägt, bzw. aufgezwungen. Dadurch entsteht das von der ersten Elektrode 14 zur zweiten Elektrode 16 abfallende elektrische Potential. Entsprechend handelt es sich bei dem elektrischen Potential um ein elektrisches Feld, welches negativ geladene Sauerstoff-Ionen von der ersten Elektrode 14 zur zweiten Elektrode 16 durch den Elektrolyten 18 diffundieren lässt.
Der Wechselrichter 56 fungiert als Gleichspannungs-Netzteil. So wird die elektrische Spannung mittels des Wechselrichters 56 direkt aus dem externen Stromnetz bereitgestellt. Die Erhöhung der elektrischen Spannung bis zu dem Sollwert U_el,soll = 360 V wird mittels der Regeleinheit 66 gesteuert.
In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel für eine Startphase erfolgt nach Verfahrensschritt a), b) und c) ein Verfahrensschritt

d) Regulieren einer Menge an zugeführtem sauerstoffhaltigem Fluid, bzw. Luft, im gezeigten Ausführungsbeispiel auf V ._Fluid = 124 Nl/min.

Alternativ ist es aber auch denkbar, dass der Verfahrensschritt d) vor dem Verfahrensschritt c) erfolgt. Ebenso ist es denkbar, dass die Verfahrensschritte c) und d) zumindest im Wesentlichen parallel, bzw. gleichzeitig, erfolgen.
Das Regulieren der Menge an zugeführtem sauerstoffhaltigem Fluid, bzw. Luft, zur ersten Elektrode 16, gemäß Verfahrensschritt d), erfolgt mittels Regelung des Ventils 64.
Bei der Regulierung der Menge an zugeführtem sauerstoffhaltigem Fluid, bzw. Luft, wird das Verhältnis zwischen dem elektrischen Strom I_BZ, welcher aus der aufgeprägten elektrischen Spannung resultiert, und dem Volumenstrom V ._Fluid, welcher der Menge an zugeführtem sauerstoffhaltigem Fluid, bzw. Luft, in Normlitern (NI) pro Minute entspricht, beachtet. Dabei wird folgende Gleichung zugrunde gelegt:
Dabei ist I_BZ der elektrische Strom, welcher aus der aufgeprägten Spannung resultiert, V ._Fluid der Volumenstrom, welcher der Menge an zugeführtem sauerstoffhaltigem Fluid in Normlitern pro Minute entspricht, s_BZ die Anzahl an Brennstoffzellen, x der Anteil an Sauerstoff in dem sauerstoffhaltigen Fluid, y die Anzahl an Elektronen, das an einer elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle 12 partizipiert (gemäß der Teilreaktion an der ersten Elektrode 14), und F die Faraday-Konstante (F = 96485,3365 C / mol = 71,7897 A / Nl/min).
Die Einheit Normliter (NI) bezeichnet eine Volumenangabe eines Fluids im Normzustand. Der Normzustand ist unter anderem in der DIN 1945 definiert, in welcher man von einem Normdruck von P_n = 1 bar und einer Normtemperatur von T_n = 20°C ausgeht. Im Normzustand entspricht ein Normliter einem Liter oder 1 / 22,4 mol.
In den gezeigten Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Sollwert
für das Verhältnis
vorgegeben. So werden die Menge an zugeführtem sauerstoffhaltigem Fluid und die aufgeprägte elektrische Spannung derart reguliert, dass ein Istwert
dem Sollwert
angepasst wird. Der Istwert
wird durch Messung des elektrischen Stroms I_BZ und des Volumenstrom V ._Fluid bestimmt. Der Sollwert
hingegen wird analytisch ermittelt.
Alternativ kann für die Bestimmung des Istwerts
der Strom I_BZ aus der angelegten elektrischen Spannung bzw. der Volumenstrom der zugeführten Luft V ._Fluid analytisch ermittelt werden.
In dem in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen wird Luft als sauerstoffhaltiges Fluid einer einzelnen Brennstoffzelle zugeführt. So ist s_BZ = 1, x = 0,21 und y = 4. Damit ergibt sich ein Sollwert von
In einer alternativen Ausführungsform wird eine Vielzahl von Brennstoffzellen verwendet. Idealerweise werden 300 Brennstoffzellen verwendet, wodurch der Wirkungsgrad effizient gesteigert wird. In diesem Fall ist s_BZ = 300, x = 0,21 und = 4, wonach sich ein Sollwert von
ergibt.
Der elektrische Strom I_BZ entspricht unter anderem auch dem Ladungsträgertransport pro Zeit, welcher aus der Diffusion der Sauerstoff-Ionen durch den Elektrolyten resultiert. Dabei ist die Diffusion der Sauerstoff-Ionen durch die zugeführte Menge an sauerstoffhaltigem Fluid limitiert, d. h. in anderen Worten, es kann nur so viel Strom fließen wie viel Ladungsträger durch Sauerstoff-Ionen transportiert werden können.
In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel für eine Startphase erfolgt nach den Verfahrensschritten a), b), c) und d) ein Verfahrensschritt

e) Abtrennen der elektrischen Spannung und Beenden des Zuführens von sauerstoffhaltigem Fluid zur ersten Elektrode 14, wenn in der Startphase eine Betriebstemperatur von 600°C erreicht ist,

10

Das Abtrennen der elektrischen Spannung erfolgt dadurch, dass über den Wechselrichter 56 keine elektrische Spannung mehr der Brennstoffzelle 12 aufgezwungen wird. Entsprechend wird der Wechselrichter 56 so umgeschaltet, dass er durch die Brennstoffzelle 12 erzeugten Strom abführt, statt der Brennstoffzelle 12 Strom zuzuführen.
Das Beenden des Zuführens von sauerstoffhaltigem Fluid zur ersten Elektrode 16 erfolgt dadurch, dass das Ventil 64 geschlossen wird.
Entsprechend wird nach Verfahrensschritt e) der Normalbetrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 10 eingeleitet, indem der ersten Elektrode 14 mittels der ersten Zufuhreinrichtung 20 reformierter Brennstoff zugeführt wird. Wie schon in der vorangehenden Beschreibung erläutert, wird im Normalbetrieb mittels der Brennstoffzellenvorrichtung 10, bzw. mittels der Brennstoffzelle 12, Strom und Wärme erzeugt.
Neben der Brennstoffzelle 12 wird in der start-Phase auch der Reformer 31 erwärmt. Kann jedoch nach einer bestimmten Zeitspanne die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 12, im Ausführungsbeispiel von 600°C, oder eine Betriebstemperatur des Reformers 31, im Ausführungsbeispiel von 300°C, nicht erreicht werden, so wird mittels der elektrischen Heizeinheit 39 zusätzlich geheizt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt vor dem zusätzlichen Heizen mit der elektrischen Heizeinheit 39 ein Abtrennen der elektrischen Spannung und Beenden des Zuführens von sauerstoffhaltigem Fluid zur ersten Elektrode 14. Anschließend wird die Brennstoffzellenvorrichtung 10 in einen Normalbetrieb übergeführt.
Befindet sich die Brennstoffzellenvorrichtung 10 schon in einer Betriebsphase, wie dem Normalbetrieb, kann diese auch bei Bedarf in einen Stand-by-Betrieb, bzw. eine Stand-by-Phase, versetzt werden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Brennstoffzellenvorrichtung 10 erfolgt dies automatisch oder manuell.
So wird die gezeigte Brennstoffzellenvorrichtung 10 automatisch in eine Stand-by-Phase versetzt, wenn keine Wärmeanforderung an die Brennstoffzellenvorrichtung 10 besteht. Dies kann beispielsweise an sehr warmen Tagen der Fall sein, an denen nicht geheizt werden muss. Auch kann dies der Fall sein, wenn Nutzer abwesend sind und dadurch keine Wärmeanforderung an die Brennstoffzellenvorrichtung 10 besteht. Entsprechend kann unter einem Stand-by-Betrieb, bzw. einer Stand-by-Phase, ein Abwesenheitsbetrieb, bzw. eine Abwesenheits-Phase, verstanden werden. Für die gezeigte Brennstoffzellenvorrichtung 10 kann ein Abwesenheitsbetrieb sowohl automatisch als auch durch den Nutzer manuell eingestellt, bzw. eingeleitet, werden.
Dabei ist es auch denkbar, dass die Brennstoffzellenvorrichtung 10 direkt aus einer Start-Phase in eine Stand-by-phase versetzt wird.
In 3 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens für eine Stand-by-Phase gezeigt. Im Fall der Stand-by-Phase wird vor Verfahrensschritt a) eine Zufuhr von Brennstoff zur ersten Elektrode 14 unterbrochen, sofern sich die Brennstoffzellenvorrichtung 10 in einer Betriebsphase, wie dem Normalbetrieb befindet, in welcher Brennstoff zur ersten Elektrode 14 zugeführt wird. Die Zufuhr von Brennstoff wird unterbrochen, indem das Eingangsventil 22 geschlossen wird.
Im Fall der Stand-by-Phase erfolgt nach dem Unterbrechen der Zufuhr von Brennstoff der Verfahrensschritt

a) Anlegen einer elektrischen Spannung, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel einer Spannung von U_el = 330 V oberhalb einer Leerlaufspannung, an die Brennstoffzelle 12 mit einem von der ersten Elektrode 14 zu einer zweiten Elektrode 16 der mindestens einen Brennstoffzelle abfallenden elektrischen Potential und Zuführen eines sauerstoffhaltigen Fluids zur ersten Elektrode, um gezielt Wärme zu erzeugen,

12

In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel für die Stand-by-Phase erfolgt nach Verfahrensschritt a) der Verfahrensschritt

c) Erhöhen der elektrischen Spannung auf U_el = 360 V,

12

Nach Verfahrensschritt a) und c) erfolgt in dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel für die Stand-by-Phase der Verfahrensschritt

d) Regulieren einer Menge an zugeführtem sauerstoffhaltigem Fluid, bzw. Luft, im gezeigten Ausführungsbeispiel auf V ._Fluid = 20,9 Nl/min,

12

Gleichzeitig wird der zweiten Elektrode 16 Luft über die zweite Zufuhreinrichtung zugeführt. In der Stand-by-Phase werden ca. 100 Normliter pro Minute der zweiten Elektrode 16 zugeführt, wodurch eine Homogenisierung der Temperaturverteilung in der Brennstoffzellenvorrichtung 10, bzw. der Brennstoffzelle 12, erfolgt.
Soll die Stand-by-Phase beendet werden, beispielsweise wenn eine konkrete Wärmeanforderung an die Brennstoffzellenvorrichtung 10 besteht, erfolgt wie in 3 gezeigt nach den Verfahrensschritten a), c) und d) der Verfahrensschritt

10

Selbstverständlich ist es auch denkbar, dass die Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Bedarf in einer anderen Reihenfolge erfolgen, als sie für die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele erfolgen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2011/137916 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 1945 [0067]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (10), wobei in einer Betriebsphase an mindestens einer Brennstoffzelle (12) eine aufgeprägte elektrische Spannung mit einem von einer ersten Elektrode (14) zu einer zweiten Elektrode (16) der mindestens einen Brennstoffzelle (12) abfallenden elektrischen Potential anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Elektrode (14) ein sauerstoffhaltiges Fluid zugeführt wird, wobei durch die anliegende elektrische Spannung und das Zuführen des sauerstoffhaltigen Fluids gezielt Wärme erzeugt wird.
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Elektrode (14) Luft zugeführt wird.
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der genannten Betriebsphase gezielt Wärme erzeugt wird, indem die anliegende Spannung und/oder die Menge an zugeführtem sauerstoffhaltigen Fluid, bzw. zugeführter Luft, variiert werden, vorzugsweise stetig und/oder stufenweise erhöht werden.
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der genannten Betriebsphase um eine Startphase oder eine Stand-by-Phase handelt.
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Brennstoffzelle (12) in der genannten Betriebsphase, insbesondere der Startphase, auf zumindest eine Betriebstemperatur, insbesondere zwischen 400°C und 700°C, vorzugsweise 600°C, erwärmt wird.
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Brennstoffzelle (12) in der genannten Betriebsphase, insbesondere der Stand-by-Phase, bei einer Warmhaltetemperatur, insbesondere zwischen 400°C und 700°C, vorzugweise bei 650°C, warm gehalten wird.
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (10), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zumindest mit dem folgenden Verfahrensschritt erfolgt: a) Anlegen einer elektrischen Spannung, vorzugsweise von 330 V, insbesondere einer Spannung oberhalb der Leerlaufspannung, an mindestens eine Brennstoffzelle (12) mit einem von einer ersten Elektrode (14) zu einer zweiten Elektrode (16) der mindestens einen Brennstoffzelle (12) abfallenden elektrischen Potential und Zuführen eines sauerstoffhaltigen Fluids zur ersten Elektrode (14), um gezielt Wärme zu erzeugen.
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere in einer Startphase, ein Verfahrensschritt b) Aufheizen der mindestens einen Brennstoffzelle (12) auf eine Anfangstemperatur, insbesondere von mindestens 120°C, idealerweise von mindestens 220°C, vorzugsweise vor Verfahrensschritt a), erfolgt.
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verfahrensschritt c) Erhöhen der elektrischen Spannung, vorzugsweise auf 360 V insbesondere nach Verfahrensschritt a) und/oder b), erfolgt.
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verfahrensschritt d) Regulieren einer Menge an zugeführtem sauerstoffhaltigem Fluid, bzw. Luft, vorzugsweise auf 124 Normliter pro Minute in einer Startphase und/oder auf 20,9 Normliter pro Minute in einer Stand-by-Phase, insbesondere nach Verfahrensschritt a), b) und/oder c), erfolgt.
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verfahrensschritt e) Abtrennen der elektrischen Spannung und/oder Beenden des Zuführens von sauerstoffhaltigem Fluid zur ersten Elektrode, beispielsweise wenn in einer Startphase eine Betriebstemperatur zwischen 400°C und 700°C, Idealerweise von 600°C, erreicht ist, oder wenn eine Stand-by-phase beendet werden soll, insbesondere nach einem der Verfahrensschritte a), b), c) und/oder d), erfolgt.
Brennstoffzellenvorrichtung (10) welche mit einem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche betrieben wird.