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Stand der Technik
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Es ist bereits eine Brennstoffzellenvorrichtung bekannt, welche dazu vorgesehen ist, mit einem fluidischen Brennstoff betrieben zu werden, mit einer Brennstoffzelleneinheit.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einer Brennstoffzellenvorrichtung, welche dazu vorgesehen ist, mit einem fluidischen Brennstoff betrieben zu werden, mit einer Brennstoffzelleneinheit.
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Es wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest einen Schutzgasbrenner aufweist, welcher dazu vorgesehen ist, zumindest temporär ein Schutzgas zum Schutz zumindest der Brennstoffzelleneinheit zu erzeugen.
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Unter einer „Brennstoffzellenvorrichtung“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein, insbesondere funktionstüchtiger, Bestandteil, insbesondere eine Konstruktions- und/oder Funktionskomponente, eines Brennstoffzellensystems verstanden werden. Unter einem „Brennstoffzellensystem“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein System zu einer stationären und/oder mobilen Gewinnung, insbesondere elektrischer und/oder thermischer Energie, unter Verwendung zumindest einer Brennstoffzelleneinheit verstanden werden. Unter einer „Brennstoffzelleneinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit mit zumindest einer Brennstoffzelle verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, zumindest eine chemische Reaktionsenergie zumindest eines, insbesondere kontinuierlich zugeführten, Brenngases, insbesondere Wasserstoff, und zumindest eines Oxidationsmittels, insbesondere Sauerstoff, insbesondere in elektrische Energie umzuwandeln. Die zumindest eine Brennstoffzelle kann insbesondere als Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) ausgebildet sein. Vorzugsweise umfasst die zumindest eine Brennstoffzelleneinheit eine Vielzahl von Brennstoffzellen, welche insbesondere in einem Brennstoffzellenstack angeordnet sind. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt.
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Unter einem „fluidischen Brennstoff“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein gasförmiger oder flüssiger kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff verstanden werden. Insbesondere kann die Brennstoffzellenvorrichtung dazu vorgesehen sein, mit einem Erdgas betrieben zu werden. Unter einem „Erdgas“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Gas und/oder Gasgemisch, insbesondere ein Naturgasgemisch, verstanden werden, welches vorzugsweise zumindest ein Alkan, insbesondere Methan, Ethan, Propan und/oder Butan, umfasst. Ferner kann das Erdgas weitere Bestandteile aufweisen, wie insbesondere Kohlenstoffdioxid und/oder Stickstoff und/oder Sauerstoff und/oder Schwefelverbindungen. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, die Brennstoffzellenvorrichtung mit einem anderen insbesondere gasförmigen Brennstoff und/oder flüssigen Brennstoff, beispielsweise LPG, Benzin oder Diesel, zu betreiben. Unter einem „Schutzgasbrenner“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Brenner verstanden werden, welcher dazu vorgesehen ist, in zumindest einem Betriebszustand der Brennstoffzelleneinheit durch Verbrennung zumindest eines Brennstoffs ein Schutzgas zu erzeugen. Insbesondere ist das Schutzgas zumindest im Wesentlichen von einem Verbrennungsabgas des Schutzgasbrenners gebildet. Unter einem „Schutzgas“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Gas oder Gasgemisch verstanden werden, welches dazu vorgesehen ist, Komponenten der Brennstoffzellenvorrichtung zumindest weitgehend vor Beschädigungen durch zumindest ein Schadgas zu schützen. Insbesondere ist das Schutzgas dazu vorgesehen, insbesondere nickelhaltige Komponenten der Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere der Brennstoffzelleneinheit, zumindest weitgehend vor einer Oxidation zu schützen. Insbesondere ist das Schutzgas dazu vorgesehen, eine reduzierende Atmosphäre innerhalb zu schützender Komponenten der Brennstoffzellenvorrichtung auszubilden. Das Schutzgas ist insbesondere dazu vorgesehen, zumindest den zu schützenden Komponenten der Brennstoffzellenvorrichtung zugeführt zu werden. Das Schutzgas ist insbesondere dazu vorgesehen, eine Schadgaskonzentration, insbesondere eine Sauerstoffkonzentration, zumindest im Wesentlichen in zumindest einer zu schützenden Komponente der Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere in zumindest einer Komponente der Brennstoffzelleneinheit, zu reduzieren. Ferner ist das Schutzgas insbesondere dazu vorgesehen, vor einem Systemstart und/oder vor einer Brennstoffzelleneinheit-Lastaufschaltung Wasser und/oder ein Brenngas für einen Reformerbetrieb und/oder für eine Brennstoffzelleneinheit-Lastaufschaltung bereitzustellen.
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Ferner kann die Brennstoffzellenvorrichtung insbesondere eine Entschwefelungseinheit, eine Reformereinheit und einen Rezikulationskreis umfassen. Unter einer „Entschwefelungseinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, vorzugsweise durch zumindest ein physikalisches und/oder chemisches Adsorptionsverfahren und/oder Absorptionsverfahren, einen Volumen- oder Molanteil an Schwefelverbindungen in dem fluidischen Brennstoff unter einen festgelegten Grenzwert zu senken und vorzugsweise zumindest im Wesentlichen aus dem fluidischen Brennstoff zu entfernen. Unter einer „Reformereinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine chemisch-technische Einheit zu zumindest einer Aufbereitung zumindest eines kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffs, insbesondere durch eine Dampfreformierung, durch eine partielle Oxidation, durch eine autotherme Reformierung und/oder durch eine Kombination einer Dampfreformierung mit einer CO2-Trockenreformierung, insbesondere zur Gewinnung des zumindest einen Brenngases, insbesondere Wasserstoff, verstanden werden. Vorzugsweise ist die Reformereinheit als Dampfreformereinheit ausgebildet. Unter einem „Rezirkulationskreis“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Verbindungseinheit verstanden werden, die zu einem Transport von insbesondere flüssigen und/oder gasförmigen Stoffen und/oder Stoffgemischen vorgesehen ist. Insbesondere umfasst der zumindest eine erste Rezirkulationskreis und/oder der zumindest eine zweite Rezirkulationskreis zumindest eine Hohlleitung, beispielsweise zumindest eine Rohr- und/oder Schlauchleitung. Der zumindest eine erste Rezirkulationskreis ist insbesondere dazu vorgesehen, der Reformereinheit einen insbesondere festgelegten Prozentsatz eines für einen Reformationsprozess benötigten, insbesondere wasserdampfhaltigen Abgases der Brennstoffzelle, insbesondere eines Anodenabgases zuzuführen.
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Durch eine derartige Ausgestaltung kann eine gattungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung mit vorteilhaften Betriebseigenschaften bereitgestellt werden. Insbesondere kann durch eine Erzeugung eines Schutzgases mittels eines Schutzgasbrenners ein vorteilhaft zuverlässiger Schutz von Komponenten der Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere ein vorteilhafter Schutz vor Oxidation, und somit eine vorteilhaft lange Standzeit der Brennstoffzellenvorrichtung, erreicht werden.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das Schutzgas in zumindest einem Betriebszustand der Brennstoffzelleneinheit dazu vorgesehen ist, zumindest einer Anode der Brennstoffzelleneinheit zugeführt zu werden. Insbesondere kann das Schutzgas der Anode der Brennstoffzelleneinheit unmittelbar oder mittelbar, insbesondere über eine Reformereinheit, der Brennstoffzellenvorrichtung zugeführt werden. Insbesondere weisen die Anode der Brennstoffzelleneinheit und/oder die Reformereinheit zumindest eine nickelhaltige Komponente mit einer katalytischen Wirkung auf. Insbesondere ist das Schutzgas dazu vorgesehen, die nickelhaltigen Komponenten der Anode und/oder der Reformereinheit zumindest weitgehend vor einer Oxidation zu schützen. Hierdurch kann eine Schwächung einer katalytischen Wirkung und/oder einer mechanischen Stabilität der nickelhaltigen Komponenten vorteilhaft vermieden werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass der Schutzgasbrenner dazu vorgesehen ist, das Schutzgas zumindest während eines Hochfahrens und/oder eines Herunterfahrens der Brennstoffzelleneinheit insbesondere kontinuierlich zu erzeugen. Insbesondere ist das Schutzgas dazu vorgesehen, zu schützenden Komponenten der Brennstoffzellenvorrichtung während eines Hochfahrens und/oder eines Herunterfahrens der Brennstoffzelleneinheit insbesondere kontinuierlich zugeführt zu werden. Insbesondere ist der Schutzgasbrenner dazu vorgesehen, das Schutzgas während einer Aufheizphase und/oder während einer Abkühlphase der Brennstoffzelleneinheit zu erzeugen. Insbesondere ist der Schutzgasbrenner dazu vorgesehen, während eines Hochfahrens der Brennstoffzelleneinheit so lange das Schutzgas zu erzeugen bis eine ausreichende Menge an Brenngas zum Betrieb der Brennstoffzelleneinheit und/oder eine ausreichende Menge an Wasser zum Betrieb der Reformereinheit innerhalb der Brennstoffzellenvorrichtung zur Verfügung steht. Insbesondere ist der Schutzgasbrenner während eines Normalbetriebs der Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere während eines Normalbetriebs der Brennstoffzelleneinheit, außer Betrieb. Hierdurch kann während eines Hochfahrens und/oder eines Herunterfahrens der Brennstoffzelleneinheit ein vorteilhafter Schutz von Komponenten, insbesondere von nickelhaltigen Komponenten, der Brennstoffzellenvorrichtung erreicht werden.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Schutzgasbrenner dazu vorgesehen ist, das Schutzgas zumindest in Abhängigkeit von einer Temperatur der Brennstoffzelleneinheit zu erzeugen. Insbesondere ist der Schutzgasbrenner dazu vorgesehen, das Schutzgas zu erzeugen, wenn die Temperatur der Brennstoffzelleneinheit in einem Temperaturbereich liegt, in welchem nickelhaltige Komponenten der Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere Komponenten der Brennstoffzelleneinheit, in Anwesenheit von Sauerstoff zu Nickeloxid reagieren. Insbesondere ist der Schutzgasbrenner bei einem Hochfahren der Brennstoffzelleneinheit dazu vorgesehen, das Schutzgas bereits vor Erreichen einer Oxidationstemperatur, ab welcher nickelhaltige Komponenten mit Sauerstoff reagieren, zu erzeugen. Insbesondere ist der Schutzgasbrenner dazu vorgesehen, das Schutzgas vor Erreichen der Oxidationstemperatur der nickelhaltigen Komponenten zu erzeugen, so dass bei Erreichen der Oxidationstemperatur eine reduzierende Atmosphäre innerhalb der nickelhaltigen Komponenten vorliegt. Bei einem Herunterfahren der Brennstoffzelleneinheit ist der Schutzgasbrenner insbesondere dazu vorgesehen, das Schutzgas so lange zu erzeugen, bis die Temperatur Brennstoffzelleneinheit unter die Oxidationstemperatur der nickelhaltigen Komponenten gefallen ist. Hierdurch kann eine vorteilhafte Steuerung und/oder Regelung des Schutzgasbrenners und ein vorteilhaft zuverlässiger Schutz der nickelhaltigen Komponenten vor Oxidation erreicht werden.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Schutzgasbrenner dazu vorgesehen ist, das Schutzgas durch eine Verbrennung von dem fluidischen Brennstoff und Luft zu erzeugen. Vorzugsweise ist der Schutzgasbrenner dazu vorgesehen, das Schutzgas durch eine unterstöchiometrische Verbrennung von dem fluidischen Brennstoff und Luft zu erzeugen. Insbesondere ist das Schutzgas von einem Abgas des Verbrennungsprozesses gebildet. Vorzugsweise ist das Schutzgas zumindest wasserstoff- und/oder kohlenstoffmonoxidhaltig. Zudem kann das Schutzgas Wasser-, Kohlenstoffdioxid- und/oder Stickstoffanteile aufweisen. Hierdurch kann auf vorteilhaft einfache Weise das Schutzgas erzeugt werden. Durch die Verwendung des fluidischen Brennstoffs und Luft zur Erzeugung des Schutzgases entfällt vorteilhaft die Notwendigkeit zur Zuführung zusätzlicher Medien.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass der Schutzgasbrenner zumindest eine Brennstoffzuleitung und zumindest eine Luftzuleitung aufweist. Insbesondere ist die Brennstoffzuleitung des Schutzgasbrenners mit einer Brennstoffzuleitung eines Brennstoffzellensystems koppelbar. Die Luftzuleitung des Schutzgasbrenners ist insbesondere mit einer Luftzuleitung eines Brennstoffzellensystems koppelbar. Hierdurch kann eine vorteilhaft einfache Einbindung des Schutzgasbrenners in ein Brennstoffzellensystem ermöglicht werden.
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Des Weiteren wird ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellenvorrichtung vorgeschlagen, welche dazu vorgesehen ist, mit einem fluidischen Brennstoff betrieben zu werden, mit einer Brennstoffzelleneinheit, wobei zumindest temporär ein Schutzgas zum Schutz der Brennstoffzelleneinheit erzeugt wird. Hierdurch kann ein vorteilhaft zuverlässiger Schutz von Komponenten der Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere ein vorteilhafter Schutz vor Oxidation, und somit eine vorteilhaft lange Standzeit der Brennstoffzellenvorrichtung erreicht werden.
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Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten abweichende Anzahl aufweisen.
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Zeichnung
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzellenvorrichtung, welche eine Brennstoffzelleneinheit und einen Schutzgasbrenner umfasst, und
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2 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzellenvorrichtung, welche eine Brennstoffzelleneinheit, einen Schutzgasbrenner und einen Rezirkulationskreis zur teilweisen Rezirkulation eines Schutzgases umfasst.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 22a mit einer Brennstoffzellenvorrichtung 10a. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10a ist dazu vorgesehen, mit einem fluidischen Brennstoff 24a, beispielsweise Erdgas, betrieben zu werden. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10a weist eine Brennstoffzelleneinheit 12a auf. Die Brennstoffzelleneinheit 12a ist hier vereinfacht als eine Brennstoffzelle 26a dargestellt. Zweckmäßig ist jedoch eine Ausbildung einer Brennstoffzelleneinheit als ein Brennstoffzellenstack mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen. Die Brennstoffzelleneinheit 12a weist eine Anode 16a und eine Kathode 28a auf. Der Anode 16a wird während eines Betriebs der Brennstoffzelleneinheit 12a ein aus dem Brennstoff 24a gewonnenes Brenngas 52a, insbesondere Wasserstoff, zugeführt. Der Kathode 28a wird während eines Betriebs der Brennstoffzelleneinheit 12a ein Kathodengas 30a, insbesondere Luftsauerstoff, zugeführt. Ferner weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10a eine der Brennstoffzelleneinheit 12a strömungstechnisch vorgeschaltete Entschwefelungseinheit 32a auf. Die Entschwefelungseinheit 32a ist dazu vorgesehen, den Brennstoff 24a zumindest teilweise zu entschwefeln. Zur Gewinnung des Brenngases 52a weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10a eine der Entschwefelungseinheit 32a strömungstechnisch nachgeschaltete Reformereinheit 34a auf.
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Der Brennstoff 24a wird während eines Betriebs der Brennstoffzelleneinheit 12a über eine Versorgungsleitung 46a in das Brennstoffzellensystem 22a eingespeist. Der Brennstoff 24a wird mittels eines Verdichters 48a gefördert. Vor Eintritt in die Reformereinheit 34a wird der Brennstoff 24a mittels eines Wärmeübertragers 50a auf eine Prozesstemperatur erwärmt. Das aus der Reformereinheit 34a austretende Brenngas 52a wird vor Eintritt in die Anode 16a der Brennstoffzelleneinheit 12a mittels eines weiteren Wärmeübertragers 54a temperiert. Das Kathodengas 30a wir über eine weitere Versorgungsleitung 56a in das Brennstoffzellensystem 22a eingespeist. Das Kathodengas 30a wird mittels eines Verdichters 58a gefördert. Vor Eintritt in die Kathode 28a der Brennstoffzelleneinheit 12a wird das Kathodengas 30a mittels eines weiteren Wärmeübertragers 60a erwärmt.
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Ferner weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10a einen Nachbrenner 40a auf. Der Nachbrenner 40a ist der Brennstoffzelleneinheit 12a strömungstechnisch nachgeschaltet. Dem Nachbrenner 40a wird ein Teil eines Anodenabgases 36a der Brennstoffzelleneinheit 12a zugeführt. Der Nachbrenner 40a ist dazu vorgesehen, in dem Anodenabgas 36a der Brennstoffzelleneinheit 12a verbliebene brennbare Stoffe, insbesondere nicht umgesetzten Wasserstoff, zu verbrennen. Ein für einen Betrieb des Nachbrenners 40a benötigter Sauerstoff wird dem Nachbrenner 40a in Form eines Kathodenabgases 68a der Brennstoffzelleneinheit 12a zugeführt. Ein Abgas 42a des Nachbrenners 40a wird aus dem Brennstoffzellensystem 22a ausgeleitet. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10a weist ferner einen Rezirkulationskreis 44a auf, welcher zu einer teilweisen Rezirkulation des wasserstoff- und wasserhaltigen Anodenabgases 36a der Brennstoffzelleneinheit 12a vorgesehen ist. Der Rezirkulationskreis 44a ist insbesondere dazu vorgesehen, das Anodenabgas 36a der Brennstoffzelleneinheit 12a zumindest teilweise zur Vermischung mit dem Brennstoff 24a zurückzuführen. Innerhalb des Rezirkulationskreises 44a ist ein Wärmeübertrager 62a angeordnet, welcher dazu vorgesehen ist das Anodenabgas 36a zu kühlen. Ferner ist ein Verdichter 70a in dem Rezirkulationskreis 44a angeordnet. Durch die Rezirkulation des Anodenabgases 36a kann Wasserdampf aus einem Reaktionsvorgang in der Brennstoffzelleneinheit 12a zur Reformierung des Brennstoffs 24a innerhalb der Reformereinheit 34a verwendet werden. Ferner kann nicht umgesetzter Wasserstoff in die Brennstoffzelleneinheit 12a zurückgeführt werden, wodurch ein Brennstoffnutzungsgrad erhöht werden kann.
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Ferner weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10a einen Schutzgasbrenner 14a auf, welcher dazu vorgesehen ist, zumindest temporär ein Schutzgas 38a zum Schutz zumindest der Brennstoffzelleneinheit 12a zu erzeugen. Der Schutzgasbrenner 14a ist dazu vorgesehen, das Schutzgas 38a während eines Hochfahrens und/oder eines Herunterfahrens der Brennstoffzelleneinheit 12a zu erzeugen. Während eines Hochfahrens wird der Brennstoff 24a und die Luft 66a einem Startbrenner 64a der Brennstoffzellenvorrichtung 10a, welcher dazu vorgesehen ist das Kathodengas 30a während des Hochfahrens aufzuheizen, zugeführt. Über das aufgeheizte Kathodengas 30a wird die Brennstoffzellenvorrichtung 10a, insbesondere die Brennstoffzelleneinheit 12a, auf eine Betriebstemperatur erwärmt. Der Schutzgasbrenner 14a ist dazu vorgesehen, das Schutzgas 38a zumindest in Abhängigkeit von einer Temperatur der Brennstoffzelleneinheit 12a zu erzeugen. Kurz bevor nickelhaltige Komponenten der Brennstoffzellenvorrichtung 10a, insbesondere die Anode 16a der Brennstoffzelleneinheit 12a, eine Temperatur erreichen, bei welcher der Nickel unter Anwesenheit von Sauerstoff zu Nickeloxid reagieren würde, wird dem Schutzgasbrenner 14a entschwefelter Brennstoff 24a und Luft 66a zugeführt. Der Schutzgasbrenner 14a weist hierzu eine Brennstoffzuleitung 18a und eine Luftzuleitung 20a auf. Der Schutzgasbrenner 14a ist dazu vorgesehen, das Schutzgas 38a durch eine unterstöchiometrische Verbrennung des Brennstoffs 24a und der Luft 66a zu erzeugen. Durch partielle Oxidation bildet sich bei der unterstöchiometrischen Verbrennung das Schutzgas 38a, welches aus Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid, Wasser, Kohlenstoffdioxid und Stickstoff besteht. Das Schutzgas 38a wird der Brennstoffzelleneinheit 12a anodenseitig zugeführt. Das Schutzgas 38a schützt die Brennstoffzellenvorrichtung 10a vor Oxidation, bis die für den Start der Brennstoffzelleneinheit 12a notwendige Temperatur erreicht ist. Die notwendige Menge an Schutzgas 38a hängt von der gesamten Sauerstoff-Leckage im Brennstoffzellensystem 22a und einer gewählten Luftzahl für die partielle Oxidation bzw. einer resultierenden Schutzgas-Zusammensetzung ab.
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Vor dem Start der Brennstoffzelleneinheit 12a wird die erzeugte Menge an Schutzgas 38a erhöht, um ausreichend Wasserstoff und/oder Wasser für den Start bereitzustellen. Sobald eine ausreichende Menge an Wasserstoff die Brennstoffzelleneinheit 12a erreicht, wird Strom von der Brennstoffzelleneinheit 12a gezogen, wodurch sich Wasserdampf und Kohlenstoffdioxid bildet. Durch den Rezirkulationskreis 44a gelangt ein Teil des so entstandenen Wasserdampfs in die Reformereinheit 34a. Sobald dort Wasser eintrifft, kann entschwefelter Brennstoff 24a zugeführt werden. Die Menge wird hierbei langsam erhöht. Das im Schutzgas 38a erhaltene Wasser unterstützt außerdem den Start der Reformierung. Die Reformierungsreaktion in der Reformereinheit 34a führt nun zur Bildung von weiterem Wasserstoff, was in der Brennstoffzelleneinheit 12a wiederum zur Bildung von weiterem Wasser führt. Einmal gestartet, verstärkt sich der Effekt selbst. Die Menge von Schutzgas 38a wird entsprechend reduziert. Das Brennstoffzellensystem 22a kann somit auf einen stationären Betriebszustand gebracht werden.
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Zum sicheren Herunterfahren des Brennstoffzellensystems 22a wird ebenfalls der Schutzgasbrenner 14a in Betrieb genommen. Auf diese Weise kann das Brennstoffzellensystem 22a unter einer reduzierenden Atmosphäre abgekühlt werden, wodurch schädliche Oxidationsreaktionen vermieden werden.
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In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen und die Zeichnungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung der anderen Ausführungsbeispiele, insbesondere der 1, verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in 1 nachgestellt. In dem Ausführungsbeispiel der 2 ist der Buchstabe a durch den Buchstaben b ersetzt.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer alternativen Brennstoffzellenvorrichtung 10b. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10b ist dazu vorgesehen, mit einem fluidischen Brennstoff 24b, beispielsweise Erdgas, betrieben zu werden. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10b weist eine Brennstoffzelleneinheit 12b auf. Die Brennstoffzelleneinheit 12b ist hier vereinfacht als eine Brennstoffzelle 26b dargestellt. Zweckmäßig ist jedoch eine Ausbildung einer Brennstoffzelleneinheit als ein Brennstoffzellenstack mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen. Die Brennstoffzelleneinheit 12b weist eine Anode 16b und eine Kathode 28b auf. Der Anode 16b wird während eines Betriebs der Brennstoffzelleneinheit 12b ein aus dem Brennstoff 24b gewonnenes Brenngas 52b, insbesondere Wasserstoff, zugeführt. Der Kathode 28b wird während eines Betriebs der Brennstoffzelleneinheit 12b ein Kathodengas 30b, insbesondere Luftsauerstoff, zugeführt.
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Ferner weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10b einen Schutzgasbrenner 14b auf, welcher dazu vorgesehen ist, zumindest temporär ein Schutzgas 38b zum Schutz zumindest der Brennstoffzelleneinheit 12b zu erzeugen. Der Schutzgasbrenner 14b ist dazu vorgesehen, das Schutzgas 38b während eines Hochfahrens und/oder eines Herunterfahrens der Brennstoffzelleneinheit 12b zu erzeugen. Der Schutzgasbrenner 14b ist vorzugsweise als ein katalytischer Brenner ausgebildet. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10b weist einen Rezirkulationskreis 72b auf, welcher dazu vorgesehen ist, zumindest einen Teil des Schutzgases 38b zu rezirkulieren. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10b weist eine Fluidfördereinheit 74b auf, welche dazu vorgesehen ist, das zu rezirkulierende Schutzgas 14b zu fördern. Die Fluidfördereinheit 74b ist vorzugsweise als ein Injektor ausgebildet. Der Brennstoffzellenvorrichtung 10b wird über die Fluidfördereinheit 74b ein Brennstoff 18b und Luft 66b zugeführt und durch die Fluidfördereinheit 74b mit rezirkuliertem Schutzgas 38b vermischt. Das Gemisch 78b aus Brennstoff 24b, Luft 66b und rezirkuliertem Schutzgas 38b wird dem Schutzgasbrenner 14b zugeführt. Aus dem Schutzgasbrenner 14b tritt heißes Schutzgas 38b aus. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10b weist eine dem Schutzgasbrenner 14b nachgeschaltete Kühleinheit 80b auf, welche dazu vorgesehen ist, das heiße Schutzgas 38b zu kühlen. Ein Teil des gekühlten Schutzgases 38b wird rezirkuliert. Ein weiterer Teil des gekühlten Schutzgases 38b wird der Anode 16b der Brennstoffzelleneinheit 12b zugeführt. Durch die Rezirkulation eines Teils des gekühlten Schutzgases 38b wird dem Verbrennungsprozess im Schutzgasbrenner 14b ein inertes Gas hinzugefügt und damit durch die vergrößerte Wärmekapazität eine Verbrennungstemperatur verringert. Hierdurch können Temperaturspitzen im Schutzgasbrenner 14b reduziert werden, wodurch Komponenten geschützt werden können und/oder eine Realisierung eines erhöhten Kohlenstoff-zu-Sauerstoff-Verhältnisses ermöglicht wird. Ferner kann mittels der Kühleinheit 80b bei einem Start der Brennstoffzelleneinheit 12b auf Temperaturbedürfnisse der Brennstoffzelleneinheit 12b reagiert werden. Insbesondere kann eine Kühlleistung der Kühleinheit an Temperaturanforderungen der Brennstoffzelleneinheit 12b angepasst werden.
