DE102016223436B4 - Device and method for operating a fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems (1) mit einem Brennstoff (27), welches Brennstoffzellensystem (1) zumindest eine Hochtemperaturbrennstoffzelle (10) mit zumindest einer in einem Kathodenraum (12) angeordneten Kathode (11), mit zumindest einer in einem Anodenraum (14) angeordneten Anode (13) sowie mit einem zwischen Kathodenraum (12) und Anodenraum (14) vorhandenen Elektrolyten (15) umfasst, wobei in einem Anodengaskreislauf (20) aus dem Anodenraum (14) der wenigstens einen Hochtemperaturbrennstoffzelle (10) rückgeführtes Anodenabgas (25) mit Brennstoff (27) gemischt und als Anodenzugas (30) mit zumindest einer Gasfördereinrichtung (50) einem Anodengaswärmeübertrager (70) zugeführt wird, in welchem das Anodenzugas (30) thermostatisiert wird, wobei weiters in zumindest einer Reformierungseinheit (60, 61) im Anodengaskreislauf (20) der Brennstoff (27) reformiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Reformierungseinheit (60, 61, 62, 63) in einem heißen Kreislaufabschnitt (210) des Anodengaskreislaufs (20) angeordnet ist, in welchem heißen Kreislaufabschnitt (210) im Brennstoffzellenbetrieb eine Anodengastemperatur (200) oberhalb der in der Reformierungseinheit (60, 61, 62, 63) erforderlichen Gleichgewichtstemperatur erreicht wird, sowie die zumindest eine Gasfördereinrichtung (50) in einem kühlen Kreislaufabschnitt (220) des Anodengaskreislaufs (20) angeordnet ist, in welchem kühlen Kreislaufabschnitt (220) im Brennstoffzellenbetrieb eine Anodengastemperatur (200) unterhalb der im heißen Kreislaufabschnitt (210) herrschenden Anodengastemperatur (200) erreicht wird, wobei die zumindest eine Reformierungseinheit (60) einen katalytischen Reformerwärmeübertrager (62) umfasst, in dem der Brennstoff (27) reformiert wird, wobei der Reformerwärmeübertrager (62) mit dem Anodengaswärmeübertrager (70) zu einem gemeinsamen Bauteil kombiniert und in einer Anodenzugasleitung (31) vor dem Anodenraum (14) angeordnet ist, wobei eine kalte Wärmeübertragerseite (71) und/oder eine heiße Wärmeübertragerseite (72) mit dem Reformerwärmeübertrager (62) gekoppelt ist bzw. sind und zu reformierender Brennstoff (27) heißem Anodenabgas (22) in einer Anodengasableitung (21) auf der heißen Wärmeübertragerseite (72) vor dem Anodengaswärmeüberträger (70) und/oder dem rückgeführten Anodenabgas (25) in einer Rezirkulationsleitung (24) auf der kalten Wärmeübertragerseite (71) vor dem Anodengaswärmeübertrager (70) zugeführt wird bzw. werden.Method for operating a fuel cell system (1) with a fuel (27), which fuel cell system (1) has at least one high-temperature fuel cell (10) with at least one cathode (11) arranged in a cathode chamber (12), with at least one cathode (11) arranged in an anode chamber (14) arranged anode (13) and with an electrolyte (15) present between the cathode compartment (12) and the anode compartment (14), wherein in an anode gas circuit (20) from the anode compartment (14) of the at least one high-temperature fuel cell (10) recirculated anode waste gas (25) mixed with fuel (27) and fed as anode feed gas (30) with at least one gas conveying device (50) to an anode gas heat exchanger (70), in which the anode feed gas (30) is thermostated, with further in at least one reforming unit (60, 61) in the anode gas circuit (20) the fuel (27) is reformed, characterized in that the at least one reforming unit (60, 61, 62, 63) is arranged in a hot circuit section (210) of the anode gas circuit (20), in which hot circuit section (210) during fuel cell operation, an anode gas temperature (200) above the equilibrium temperature required in the reforming unit (60, 61, 62, 63) is reached, and the at least one gas delivery device (50) is arranged in a cool circuit section (220) of the anode gas circuit (20), in which cool circuit section (220) in fuel cell operation an anode gas temperature (200) below the anode gas temperature (200) prevailing in the hot circuit section (210) is reached, wherein the at least one reforming unit (60) comprises a catalytic reformer heat exchanger (62) in which the fuel ( 27) is reformed, with the reformer heat exchanger (62) being combined with the anode gas heat exchanger (70) to form a common component and being arranged in an anode feed gas line (31) upstream of the anode chamber (14), with a cold heat exchanger side (71) and/or a hot heat exchanger side (72) is or are coupled to the reformer heat exchanger (62) and fuel (27) to be reformed hot anode waste gas (22) in an anode gas discharge line (21) on the hot heat exchanger side (72) before the anode gas heat exchanger (70) and/or the recirculated anode exhaust gas (25) in a recirculation line (24) on the cold heat exchanger side (71) before the anode gas heat exchanger (70) is or are supplied.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoff, welches Brennstoffzellensystem zumindest eine Hochtemperaturbrennstoffzelle mit zumindest einer in einem Kathodenraum angeordneten Kathode, mit zumindest einer in einem Anodenraum angeordneten Anode sowie mit einem zwischen Kathodenraum und Anodenraum vorhandenen Elektrolyten umfasst, wobei in einem Anodengaskreislauf aus dem Anodenraum der wenigstens einen Hochtemperaturbrennstoffzelle rückgeführtes Anodenabgas mit Brennstoff gemischt und dieses Gemisch als Anodenzugas mit zumindest einer Gasfördereinrichtung einem Anodengaswärmeübertrager zugeführt wird, in welchem das Anodenzugas thermostatisiert wird, wobei weiters in zumindest einer Reformierungseinheit im Anodengaskreislauf der Brennstoff reformiert wird. Ebenso werden im Rahmen der Erfindung Vorrichtungen zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoff angegeben.The invention relates to a method for operating a fuel cell system with a fuel, which fuel cell system comprises at least one high-temperature fuel cell with at least one cathode arranged in a cathode compartment, with at least one anode arranged in an anode compartment and with an electrolyte present between the cathode compartment and the anode compartment, with an anode gas circuit anode exhaust gas recirculated from the anode chamber of the at least one high-temperature fuel cell is mixed with fuel and this mixture is fed as anode feed gas with at least one gas delivery device to an anode gas heat exchanger, in which the anode feed gas is thermostated, the fuel also being reformed in at least one reforming unit in the anode gas circuit. Devices for operating a fuel cell system with a fuel are also specified within the scope of the invention.
Unter einer Hochtemperaturbrennstoffzelle versteht der Fachmann beispielsweise eine Schmelzkarbonatbrennstoffzelle (englisch: Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC), die bei Betriebstemperaturen etwa von 580°C bis 675°C arbeitet. Als Elektrolyt wird bei diesem Brennstoffzellentyp meist eine Alkalicarbonat-Mischschmelze aus Lithium- und Kaliumcarbonat verwendet. Ebenso handelt es sich bei Festoxidbrennstoffzellen (englisch: Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) um Hochtemperaturbrennstoffzellen. Festoxidbrennstoffzellen werden bei Betriebstemperaturen von etwa 650°C bis 1000°C betrieben.Those skilled in the art understand a high-temperature fuel cell to mean, for example, a molten carbonate fuel cell (MCFC), which operates at operating temperatures of approximately 580° C. to 675° C. In this type of fuel cell, an alkali carbonate mixed melt of lithium and potassium carbonate is usually used as the electrolyte. Solid oxide fuel cells (SOFC) are also high-temperature fuel cells. Solid oxide fuel cells operate at operating temperatures of about 650°C to 1000°C.
Der Elektrolyt dieses Zelltyps besteht aus einem festen keramischen Werkstoff, der in der Lage ist, Sauerstoff Ionen zu leiten, für Elektronen jedoch isolierend wirkt. An beiden Seiten der Elektrolytschicht sind die Elektroden, Kathode und Anode, angebracht. Sie sind gasdurchlässige elektrische Leiter. Der sauerstoffionenleitende Elektrolyt ist beispielsweise als dünne Membran vorgesehen, um die Sauerstoff Ionen energiearm transportieren zu können, was jedoch nur bei den genannten hohen Temperaturen funktioniert. Die dem Elektrolyt abgewandte, äußere Seite der Kathode wird von Luft umgeben, die äußere Anodenseite von Brenngas. Ungenutzte Luft und ungenutztes Brenngas sowie Verbrennungsprodukte werden abgesaugt. The electrolyte of this type of cell consists of a solid ceramic material that is able to conduct oxygen ions but has an insulating effect on electrons. The electrodes, cathode and anode, are attached to both sides of the electrolyte layer. They are gas-permeable electrical conductors. The oxygen-ion-conducting electrolyte is provided, for example, as a thin membrane in order to be able to transport the oxygen ions with little energy, but this only works at the high temperatures mentioned. The outer side of the cathode facing away from the electrolyte is surrounded by air, the outer anode side by fuel gas. Unused air and fuel gas as well as combustion products are extracted.
Brennstoffzellensysteme, die insbesondere als Hilfsstromversorgungseinrichtung in Kraftfahrzeugen oder als Stationärsysteme bzw. „stationäre Kraftwerke“ verwendet werden, und die üblicherweise zumindest eine Brennstoffzelle zum Erzeugen von elektrischem Strom aus Kathodenluft und Reformatgas umfassen, sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Eine derartige Brennstoffzelle ist dabei üblicherweise aus einer Vielzahl einzelner Brennstoffzellenelemente zusammengesetzt, die aufeinander gestapelt sind und als Brennstoffzellenstapel bezeichnet werden.Fuel cell systems, which are used in particular as an auxiliary power supply device in motor vehicles or as stationary systems or "stationary power plants", and which usually include at least one fuel cell for generating electricity from cathode air and reformate gas, are already known from the prior art. A fuel cell of this type is usually composed of a large number of individual fuel cell elements which are stacked on top of one another and are referred to as fuel cell stacks.
Zum Erzeugen von Reformatgas sind derartige Brennstoffzellensysteme mit einem Reformer ausgestattet, der aus einem Kraftstoff, meist einem Kohlenwasserstoff wie beispielsweise Diesel oder Erdgas, und aus Reformerluft und/oder aus Wasserdampf das Reformatgas erzeugt. Das Reformatgas enthält dann Wasserstoffgas und Kohlenmonoxid. Das Brennstoffzellensystem kann außerdem mit einer Luftversorgungseinrichtung ausgestattet sein, die mittels einer Luftfördereinrichtung aus einer Umgebung des Brennstoffzellensystems Umgebungsluft ansaugt und diese beispielsweise in Reformerluft und Kathodenluft unterteilt. Die Reformerluft kann dann über eine Reformerluftleitung dem Reformer zugeführt werden, während die Kathodenluft über eine Kathodenluftleitung einer Kathodenseite der wenigstens einen Brennstoffzelle zugeführt werden kann.To generate reformate gas, such fuel cell systems are equipped with a reformer that generates the reformate gas from a fuel, usually a hydrocarbon such as diesel or natural gas, and from reformer air and/or from water vapor. The reformate gas then contains hydrogen gas and carbon monoxide. The fuel cell system can also be equipped with an air supply device, which draws in ambient air from an area surrounding the fuel cell system by means of an air conveying device and divides it into reformer air and cathode air, for example. The reformer air can then be fed to the reformer via a reformer air line, while the cathode air can be fed to a cathode side of the at least one fuel cell via a cathode air line.
Üblicherweise ist es bei einem derartigen Brennstoffzellensystem vorgesehen, mit Hilfe einer Rezirkulationsleitung Anodengas einer Anodenseite der wenigstens einen Brennstoffzelle in Richtung zum Reformer zu führen, um so Anodenabgas von der jeweiligen Brennstoffzelle zum Reformer zurückführen zu können. Zum Antreiben des Anodenabgases ist in der Rezirkulationsleitung üblicherweise eine Gasfördereinrichtung zum Fördern von heißem Anodenabgas angeordnet, wobei dazu meist eine Rezirkulationspumpe oder ein Anodengasgebläse verwendet wird.In a fuel cell system of this type, it is usually provided to conduct anode gas from an anode side of the at least one fuel cell in the direction of the reformer with the aid of a recirculation line, in order to be able to return anode waste gas from the respective fuel cell to the reformer. To drive the anode waste gas, a gas conveying device for conveying hot anode waste gas is usually arranged in the recirculation line, with a recirculation pump or an anode gas blower usually being used for this purpose.
Weiters sind bereits verschiedene Varianten der Brennstoffzuführung zur Anode einer Brennstoffzelle bekannt. Üblicherweise ist dabei in einem Anodengaskreislauf stromaufwärts des Reformers die Gasfördereinrichtung angeordnet. Somit wird das Anodenzugas, also das Gemisch aus rückgeführtem Anodenabgas und eingespeistem Brennstoff, in der Gasfördereinrichtung weiter gemischt und von dieser dem nachgelagerten Reformer zugeführt. Dabei ist es notwendig, hohe Anodeneintrittstemperaturen zu erzielen, um in der Brennstoffzelle bzw. in einem Brennstoffzellenstapel die Entstehung von Thermospannungen zu verhindern. Umgekehrt ist bei der für die Rezirkulation des Anodengases erforderlichen Gasfördereinrichtung zu beachten, dass die Eintrittstemperatur des Anodengases in die Gasfördereinrichtung nicht zu hoch wird, um Beschädigungen zu verhindern und ordnungsgemäßen Betrieb der Gasfördereinrichtung sicher zu stellen.Furthermore, various variants of the fuel supply to the anode of a fuel cell are already known. The gas conveying device is usually arranged in an anode gas circuit upstream of the reformer. Thus, the anode feed gas, ie the mixture of recirculated anode waste gas and fuel fed in, is further mixed in the gas conveying device and fed from it to the downstream reformer. It is necessary to achieve high anode inlet temperatures in order to prevent thermal stresses from developing in the fuel cell or in a fuel cell stack. Conversely, in the case of the gas delivery device required for the recirculation of the anode gas, it must be ensured that the inlet temperature of the anode gas into the gas delivery device does not become too high, in order to prevent damage and to ensure proper operation of the gas delivery device.
US 2011 / 0 111 314 A1 betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.US 2011/0 111 314 A1 relates to a method according to the preamble of
Nachteilig bei den bisher bekannten Brennstoffzellensystemen ist daher, dass für einen sicheren Betrieb der Gasfördereinrichtung das heiße Anodengas abgekühlt bzw. die Gasfördereinrichtung separat gekühlt werden muss und damit das Anodengas, welches mit einem Brennstoff gemischt und als Anodenzugas dem Reformer zugeführt wird, zu kalt für die Reformierung ist. Weshalb das Anodenzugas vor dem Reformer wieder erhitzt werden oder der Reformer mit einer externen Heizung beheizt werden muss, was aufwendig und energetisch ungünstig ist.The disadvantage of the previously known fuel cell systems is that, for reliable operation of the gas delivery device, the hot anode gas has to be cooled or the gas delivery device has to be cooled separately, and the anode gas, which is mixed with a fuel and fed to the reformer as anode feed gas, is therefore too cold for the reformation is. This is why the anode feed gas has to be reheated before the reformer or the reformer has to be heated with an external heater, which is costly and energetically unfavorable.
Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoff anzugeben, welches die geschilderten Nachteile des Standes der Technik vermeidet und bei dem ein ordnungsgemäßer sowie energetisch optimierter Betrieb des Brennstoffzellensystems gewährleistet ist. Weiters ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, entsprechende Vorrichtungen zum Betrieb eines solchen Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoff bereitzustellen.It is therefore the object of the present invention to specify a method for operating a fuel cell system with a fuel which avoids the disadvantages of the prior art described and in which proper and energy-optimized operation of the fuel cell system is ensured. Furthermore, it is the object of the present invention to provide corresponding devices for operating such a fuel cell system with one fuel.
Die erstgenannte erfindungsgemäße Aufgabe betreffend ein Verfahren zum Betrieb eines gattungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoff, welches Brennstoffzellensystem zumindest eine Hochtemperaturbrennstoffzelle mit zumindest einer in einem Kathodenraum angeordneten Kathode, mit zumindest einer in einem Anodenraum angeordneten Anode sowie mit einem zwischen Kathodenraum und Anodenraum vorhandenen Elektrolyten umfasst, wobei in einem Anodengaskreislauf aus dem Anodenraum der wenigstens einen Hochtemperaturbrennstoffzelle rückgeführtes Anodenabgas mit Brennstoff gemischt und als Anodenzugas mit zumindest einer Gasfördereinrichtung einem Anodengaswärmeübertrager zugeführt wird, in welchem das Anodenzugas thermostatisiert wird, wobei weiters in zumindest einer Reformierungseinheit im Anodengaskreislauf der Brennstoff reformiert wird, wird dadurch gelöst, dass die zumindest eine Reformierungseinheit in einem heißen Kreislaufabschnitt des Anodengaskreislaufs angeordnet ist, in welchem heißen Kreislaufabschnitt im Brennstoffzellenbetrieb eine Anodengastemperatur oberhalb der in der Reformierungseinheit erforderlichen Gleichgewichtstemperatur erreicht wird, sowie die zumindest eine Gasfördereinrichtung in einem kühlen Kreislaufabschnitt des Anodengaskreislaufs angeordnet ist, in welchem kühlen Kreislaufabschnitt im Brennstoffzellenbetrieb eine Anodengastemperatur unterhalb der im heißen Kreislaufabschnitt herrschenden Temperatur erreicht wird, wobei die zumindest eine Reformierungseinheit einen katalytischen Reformerwärmeübertrager umfasst, in dem der Brennstoff reformiert wird, wobei der Reformerwärmeübertrager mit dem Anodengaswärmeübertrager zu einem gemeinsamen Bauteil kombiniert und in einer Anodenzugasleitung vor dem Anodenraum angeordnet ist, wobei eine kalte Wärmeübertragerseite und/oder eine heiße Wärmeübertragerseite mit dem Reformerwärmeübertrager gekoppelt ist bzw. sind und zu reformierender Brennstoff heißem Anodenabgas in einer Anodengasableitung auf der heißen Wärmeübertragerseite vor dem Anodengaswärmeübertrager und/oder dem rückgeführten Anodenabgas in einer Rezirkulationsleitung auf der kalten Wärmeübertragerseite vor dem Anodengaswärmeübertrager zugeführt wird bzw. werden.The first-mentioned object of the invention relates to a method for operating a generic fuel cell system with a fuel, which fuel cell system comprises at least one high-temperature fuel cell with at least one cathode arranged in a cathode compartment, with at least one anode arranged in an anode compartment and with an electrolyte present between the cathode compartment and the anode compartment, wherein mixed with fuel in an anode gas circuit from the anode space of the at least one high-temperature fuel cell and fed as anode feed gas with at least one gas delivery device to an anode gas heat exchanger, in which the anode feed gas is thermostated, with the fuel also being reformed in at least one reforming unit in the anode gas circuit, is thereby solved that the at least one reforming unit is arranged in a hot circuit section of the anode gas circuit, in which hot circuit section an anode gas temperature above the equilibrium temperature required in the reforming unit is reached during fuel cell operation, and the at least one gas conveying device is arranged in a cool circuit section of the anode gas circuit, in which cooling Circuit section in fuel cell operation, an anode gas temperature below the temperature prevailing in the hot circuit section is reached, the at least one reforming unit comprising a catalytic reformer heat exchanger in which the fuel is reformed, the reformer heat exchanger being combined with the anode gas heat exchanger to form a common component and in an anode feed gas line in front of the anode chamber is arranged, wherein a cold heat exchanger side and/or a hot heat exchanger side is/are coupled to the reformer heat exchanger and fuel to be reformed is hot anode exhaust gas in an anode gas discharge line on the hot heat exchanger side upstream of the anode gas heat exchanger and/or the recirculated anode exhaust gas in a recirculation line on the cold heat exchanger side is or are supplied before the anode gas heat exchanger.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können die üblicherweise bei einer Anodenrezirkulation auftretenden Zielkonflikte, nämlich möglichst hohe Anodeneintrittstemperaturen in den Brennstoffzellen zu gewährleisten, um Thermospannungen zu verhindern bzw. zu verringern und gleichzeitig die Anodengaseintrittstemperatur in eine Gasfördereinrichtung, beispielsweise ein Anodengasgebläse, möglichst niedrig zu halten, um das Material der Gasfördereinrichtung zu schonen und eine höhere Förderleistung bzw. größere Fördereffizienz zu erzielen, gemeinsam gelöst werden. Weiters wird für den Reformereinsatz gewährleistet, dass die für die Reformierung erforderlichen Betriebstemperaturen von zumindest 500°C ohne externe Beheizung erzielt werden, da der Reformer in einem heißen Kreislaufabschnitt angeordnet wird, in dem die für die Reformierung erforderliche Gleichgewichtstemperatur von etwa 470°C überschritten wird. Somit wird vorteilshaft die gewünschte Anodengaszusammensetzung für die Anodenreaktion im Anodenraum der Hochtemperaturbrennstoffzelle erreicht, ohne den Reformer extern beheizen zu müssen. With the method according to the invention, the conflicting goals that usually occur with anode recirculation, namely ensuring the highest possible anode inlet temperatures in the fuel cells in order to prevent or reduce thermal stresses and at the same time keep the anode gas inlet temperature in a gas conveying device, for example an anode gas blower, as low as possible in order to To protect the material of the gas conveying device and to achieve a higher conveying capacity or greater conveying efficiency, be solved together. Furthermore, when using the reformer, it is ensured that the operating temperatures of at least 500°C required for reforming are achieved without external heating, since the reformer is arranged in a hot circuit section in which the equilibrium temperature of around 470°C required for reforming is exceeded . The desired anode gas composition for the anode reaction in the anode compartment of the high-temperature fuel cell is thus advantageously achieved without having to heat the reformer externally.
Unteransprüchen und der Beschreibung dargelegt.Described subclaims and the description.
Besonders vorteilhaft kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in der zumindest einen Reformierungseinheit durch eine endotherme Dampfreformierung aus einem kohlenstoffhaltigen Gemisch enthaltend den Brennstoff sowie das rückgeführte Anodenabgas ein Reformatgas als Mischung von Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff hergestellt werden.Particularly advantageously, a reformate gas as a mixture of carbon monoxide and hydrogen can be produced in a method according to the invention in the at least one reforming unit by endothermic steam reforming from a carbonaceous mixture containing the fuel and the recirculated anode waste gas.
Die Dampfreformierung (englisch: Steam Reforming) ist ein Verfahren zur Herstellung von Synthesegas bzw. Reformatgas, einer Mischung von Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff aus kohlenstoffhaltigen Energieträgern wie Erdgas, Leichtbenzin, Methanol, Biogas oder Biomasse. Die Dampfreformierung ist ein allothermer Prozess, bei dem Methan und Wasserdampf zu Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff umgesetzt werden, und der nach der folgenden Gleichung abläuft:
Zur Steigerung der Wasserstoffausbeute kann das entstehende Kohlenmonoxid in einer weiteren Reaktion, der Wassergas-Shift-Reaktion, zu Kohlendioxid und weiterem Wasserstoff umgesetzt werden:
Dazu wird heißer Wasserdampf mit dem zu reformierenden Gas (zum Beispiel Erdgas) oder mit verdampfter Flüssigkeit (zum Beispiel Leichtbenzin) vermischt und unter ständiger Energiezufuhr an einem heterogenen Katalysator in der Gasphase umgesetzt.To do this, hot water vapor is mixed with the gas to be reformed (e.g. natural gas) or with vaporized liquid (e.g. light petrol) and reacted in the gas phase over a heterogeneous catalyst with a constant supply of energy.
Besonders zweckmäßig kann bei einem Verfahren gemäß der Erfindung sein, dass die Anodengastemperatur im heißen Kreislaufabschnitt des Anodengaskreislaufs, in welchem die zumindest eine Reformierungseinheit angeordnet ist, zumindest 500°C, bevorzugt zumindest 550°C, besonders bevorzugt zumindest 600°C, beträgt. In dieser Verfahrensvariante reicht die Anodengastemperatur im heißen Kreislaufabschnitt aus, um die dort angeordnete Reformierungseinheit zu beheizen und die erforderliche Temperatur für die Reformierung des Brennstoffs zu gewährleisten.In a method according to the invention, it can be particularly expedient for the anode gas temperature in the hot circuit section of the anode gas circuit, in which the at least one reforming unit is arranged, to be at least 500° C., preferably at least 550° C., particularly preferably at least 600° C. In this process variant, the anode gas temperature in the hot circuit section is sufficient to heat the reforming unit arranged there and to ensure the required temperature for reforming the fuel.
Ebenso von Vorteil kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren sein, dass die Anodengastemperatur im kühlen Kreislaufabschnitt des Anodengaskreislaufs, in welchem die zumindest eine Gasfördereinrichtung angeordnet ist, höchstens 470°C, bevorzugt höchstens 450°C, besonders bevorzugt höchstens 400°C, beträgt. Insbesondere wenn die Gasfördereinrichtung beispielsweise ein Anodengasgebläse ist, wird bei den vergleichsweise geringeren Temperaturen im kühlen Kreislaufabschnitt des Anodengaskreislaufs die Effizienz des Gebläses erhöht. Bei abnehmender Temperatur nimmt die Dichte des Gases zu und man braucht weniger Gebläseleistung, um den gleichen Massenstrom zu fördern. Die Standzeit der Gasfördereinrichtung wird dadurch vorteilhaft verlängert.It can also be advantageous in a method according to the invention that the anode gas temperature in the cool circuit section of the anode gas circuit, in which the at least one gas conveying device is arranged, is at most 470° C., preferably at most 450° C., particularly preferably at most 400° C. In particular when the gas delivery device is an anode gas fan, for example, the efficiency of the fan is increased at the comparatively lower temperatures in the cool circuit section of the anode gas circuit. As the temperature decreases, the density of the gas increases and less fan power is required to convey the same mass flow. This advantageously lengthens the service life of the gas conveying device.
In einer Variante kann bei einem Verfahren die zumindest eine Reformierungseinheit einen Reformer umfassen, der im Anodengaskreislauf in der Rezirkulationsleitung stromabwärts nach dem Anodengaswärmeübertrager sowie stromaufwärts vor der Gasfördereinrichtung angeordnet ist, wobei der zu reformierende Brennstoff dem heißen Anodenabgas in der Anodengasableitung vor dem Anodengaswärmeübertrager und/oder dem Anodenrecyclegas in der Rezirkulationsleitung vor dem Reformer zugeführt wird bzw. werden.In one variant, in a method the at least one reforming unit can comprise a reformer which is arranged in the anode gas circuit in the recirculation line downstream after the anode gas heat exchanger and upstream before the gas conveying device, with the fuel to be reformed being the hot anode waste gas in the anode gas discharge line before the anode gas heat exchanger and/or is or are fed to the anode recycle gas in the recirculation line before the reformer.
In dieser Variante kann die sonst notwendige lange Rezirkulationsstrecke des Anodengaskreislaufs eingespart werden, indem der Reformer direkt nach dem Anodengaswärmeübertrager bzw. unmittelbar stromabwärts nach einer T-förmigen Verzweigung der Anodenabgasleitung einerseits in die Anodengaszuleitung und andererseits in die Abgasleitung angeordnet ist. Der Reformer ist in dieser Variante vorteilhaft nicht mehr zusätzlich beheizt. Außerdem ist die Gasfördereinrichtung, beispielsweise das Anodengebläse, ebenfalls stromabwärts nach dem Reformer angeordnet. Die Zuführung von Brennstoff - vorzugsweise wird Erdgas als Brennstoff verwendet - erfolgt beispielsweise dem heißen Anodenabgas in der Anodengasableitung vor dem Anodengaswärmeübertrager. Vorteilhaft wird durch diese vergleichsweise frühe Beimischung des Brennstoffs in den Anodengaskreislauf stromaufwärts vor dem Reformer über die Leitungsstrecke bis zum Reformer eine gute Durchmischung mit Anodenabgas ermöglicht. Allerdings strömt bei dieser Art der Beimischung auch ein Teil des Brennstoffs in die Abgasleitung und gelangt damit nicht zum Reformer.In this variant, the otherwise necessary long recirculation section of the anode gas circuit can be saved by arranging the reformer directly after the anode gas heat exchanger or immediately downstream after a T-shaped branching of the anode exhaust gas line on the one hand in the anode gas supply line and on the other hand in the exhaust gas line. In this variant, the reformer is advantageously no longer additionally heated. In addition, the gas conveying device, for example the anode fan, is also arranged downstream of the reformer. The supply of fuel - preferably natural gas is used as fuel - takes place, for example, the hot anode exhaust gas in the anode gas discharge line before the anode gas heat exchanger. This comparatively early admixture of the fuel into the anode gas circuit upstream in front of the reformer via the line section to the reformer advantageously enables thorough mixing with the anode waste gas. However, with this type of admixture, part of the fuel also flows into the exhaust pipe and does not reach the reformer.
Alternativ oder in Ergänzung zur Beimischung des Brennstoffs in der Anodengasableitung kann der Brennstoff auch dem Anodenrecyclegas in der Rezirkulationsleitung vor dem Reformer zugeführt werden. Vorteilhaft gelangt somit der gesamte beigemischte Brennstoff in den Reformer. Allerdings ist dabei zu beachten, dass die Reformereintrittstemperatur des Anodenzugases aufgrund der Beimischung des kühleren Erdgases damit etwas geringer.As an alternative or in addition to the admixing of the fuel in the anode gas discharge line, the fuel can also be fed to the anode recycle gas in the recirculation line upstream of the reformer. The entire admixed fuel thus advantageously reaches the reformer. However, it should be noted that the reformer inlet temperature of the anode train gas is somewhat lower due to the admixture of the cooler natural gas.
Günstig an dieser Verfahrensvariante ist weiters, dass durch das Wegfallen der Reformerbeheizung auch die damit verbundenen Wärmeverluste deutlich verringert werden können. Die dadurch verbleibende Wärme steht für die Luftvorerwärmung kathodenseitig zur Verfügung. Dadurch ergibt sich eine höhere Kathodeneintrittstemperatur, die eine wesentliche Größe im Thermomanagement eines Brennstoffzellensystems ist.Another advantage of this variant of the process is that the heat losses associated with it can also be significantly reduced by eliminating the reformer heating. The heat that remains as a result is available on the cathode side for preheating the air. This results in a higher cathode inlet temperature, which is an essential variable in the thermal management of a fuel cell system.
Das Temperaturniveau in der Rezirkulationsleitung des Anodengases ist mit Temperaturen beispielsweise unter 300°C geringer, damit sind auch die Wärmeverluste geringer. Das niedrigere Eintrittstemperaturniveau an der Gasfördereinrichtung bzw. am Anodengasgebläse führt zu einer höheren Effizienz des Gebläses. Außerdem ist dadurch für das Anodengasgebläse weniger Kühlleistung notwendig und seine thermische Beanspruchung wird verringert, was einen längeren, störungsfreien Betrieb der Gasfördereinrichtung erlaubt.The temperature level in the recirculation line of the anode gas is lower with temperatures below 300° C., for example, so the heat losses are also lower. The lower inlet temperature level at the gas conveying device or at the anode gas fan leads to a higher efficiency of the fan. In addition, as a result, less cooling capacity is required for the anode gas fan and its thermal stress is reduced, which allows longer, trouble-free operation of the gas conveying device.
Aufgrund der höheren Reformereintrittstemperatur sind keine zusätzliche externe Reformerbeheizung bzw. keine Rohrleitungen oder regelbare Drosselklappen notwendig. Die Eintrittstemperatur des Anodenzugases in den Reformer ist höher und ausreichend für die Erreichung der Gleichgewichtstemperatur. Durch die fehlende Reformerbeheizung sinkt das Temperaturniveau im Anodenkreis. Das kann zwar zu niedrigeren Anodengaseintrittstemperaturen führen, die unter Umständen kritisch aufgrund von thermischen Spannungen für die Hochtemperaturbrennstoffzelle sein können, allerdings wird dieser Effekt durch die verringerten Wärmeverluste in der Rezirkulationsleitung ausgeglichen.Due to the higher reformer inlet temperature, no additional external reformer heating or pipes or controllable throttle valves are required. The entry temperature of the anode feed gas into the reformer is higher and sufficient to reach the equilibrium temperature. Due to the lack of reformer heating the temperature level in the anode circuit drops. Although this can lead to lower anode gas inlet temperatures, which under certain circumstances can be critical for the high-temperature fuel cell due to thermal stresses, this effect is compensated for by the reduced heat losses in the recirculation line.
Die erfindungsgemäße Verfahrensvariante unterscheidet sich von den zuvor genannten Varianten dadurch, dass Reformierungseinheit und Anodengaswärmeübertrager zu einem gemeinsamen Bauteil kombiniert sind. Dadurch wird eine höhere Reformereintrittstemperatur erzielt. Gleichzeitig können beide Pfade des Anodengaswärmeübertragers, also die kalte Wärmeübertragerseite und die heiße Wärmeübertragerseite, als Reformer ausgeführt werden, wodurch mehr Reformerfläche zur Verfügung steht und das Kombinationsbauteil kleiner ausgeführt werden kann. Es können aber auch entweder nur der Pfad der kalten Wärmeübertragerseite oder nur der Pfad der heißen Wärmeübertragerseite jeweils reformierend ausgeführt sein oder mit dem Reformerwärmeübertrager gekoppelt sein.The variant of the method according to the invention differs from the variants mentioned above in that the reforming unit and the anode gas heat exchanger are combined to form a common component. This achieves a higher reformer inlet temperature. At the same time, both paths of the anode gas heat exchanger, ie the cold heat exchanger side and the hot heat exchanger side, can be designed as reformers, which means that more reformer surface is available and the combination component can be made smaller. However, either only the path of the cold heat exchanger side or only the path of the hot heat exchanger side can be designed in a reforming manner or be coupled to the reformer heat exchanger.
Die Anodengaseintrittstemperatur in die Gasfördereinrichtung ist niedriger mit den vorher beschriebenen Vorteilen des geringeren Verschleißes sowie einer höheren Fördereffizienz und einer geringeren benötigten Kühlleistung. Weiters ist aufgrund des geringeren auftretenden Druckverlusts die benötigte Antriebsleistung der Gasfördereinrichtung geringer. Die Rezirkulationsleitung kann vergleichsweise kurz ausgeführt werden und die Temperatur des darin strömenden Mediums ist gering, wodurch sich vorteilhaft nur geringe Abwärmeverluste über die Rezirkulationsleitung ergeben.The anode gas inlet temperature in the gas conveying device is lower, with the previously described advantages of less wear and tear as well as higher conveying efficiency and a lower cooling capacity required. Furthermore, due to the lower pressure loss that occurs, the required drive power of the gas conveying device is lower. The recirculation line can be made comparatively short and the temperature of the medium flowing in it is low, which advantageously results in only low waste heat losses via the recirculation line.
In einer Weiterbildung kann in einer Verfahrensvariante der katalytische Reformerwärmeübertrager im Anodengaswärmeübertrager integriert sein, wobei die kalte Wärmeübertragerseite und/oder die heiße Wärmeübertragerseite den Brennstoff katalytisch reformierend ausgebildet ist bzw. sind.In a development, in a method variant, the catalytic reformer heat exchanger can be integrated in the anode gas heat exchanger, with the cold heat exchanger side and/or the hot heat exchanger side being designed to reform the fuel catalytically.
In einer weiteren alternativen Ausführung kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die zumindest eine Reformierungseinheit zumindest eine katalytische Reformeranode umfassen, die im Anodenraum der Hochtemperaturbrennstoffzelle angeordnet ist, wobei der Brennstoff der Rezirkulationsleitung des Anodengaskreislaufs zugeführt und im Anodenraum reformiert wird. Vorteilhaft kann in dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Reformer entfallen. Durch die katalytische Aktivität einer katalytischen Reformeranode kann die Reformierung des Anodenzugases auch vollständig im Anodenraum der Hochtemperaturbrennstoffzelle erfolgen.In a further alternative embodiment, the at least one reforming unit in a method according to the invention can comprise at least one catalytic reformer anode which is arranged in the anode space of the high-temperature fuel cell, the fuel being fed to the recirculation line of the anode gas cycle and being reformed in the anode space. A reformer can advantageously be omitted in this variant of the method according to the invention. Due to the catalytic activity of a catalytic reformer anode, the anode feed gas can also be reformed completely in the anode compartment of the high-temperature fuel cell.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann bei einem Verfahren die Anode der Hochtemperaturbrennstoffzelle als katalytische Reformeranode ausgebildet sein. Durch die katalytische Aktivität der Brennstoffzellenanode kann die Reformierung auch vollständig an der Anode der Hochtemperaturbrennstoffzelle ablaufen. Zu beachten ist dabei, dass aufgrund der endothermen Reformierungsreaktion hohe thermische Spannungen an der Anode auftreten können. Weiters können Brennstoffverunreinigungen wie beispielsweise Schwefel die katalytische Aktivität der Reformeranode beeinträchtigen. Durch den Einsatz von besonders robusten Reformeranoden, die weitestgehend inert gegenüber Katalysatorgiften des Anodenzugases bzw. des Brennstoffs sind, können auch in dieser Verfahrensvariante ausreichende Standzeiten für den Betrieb der Hochtemperaturbrennstoffzelle gewährleistet werden.In a preferred development of the invention, the anode of the high-temperature fuel cell can be designed as a catalytic reformer anode in a method. Due to the catalytic activity of the fuel cell anode, the reforming can also take place completely at the anode of the high-temperature fuel cell. It should be noted that due to the endothermic reforming reaction, high thermal stresses can occur at the anode. Furthermore, fuel contaminants such as sulfur can impair the catalytic activity of the reformer anode. Through the use of particularly robust reformer anodes, which are largely inert to catalyst poisons in the anode feed gas or the fuel, a sufficient service life for the operation of the high-temperature fuel cell can also be ensured in this process variant.
Zweckmäßig können bei einem Verfahren gemäß der Erfindung mehrere Reformierungseinheiten gleicher oder unterschiedlicher Bauart jeweils in heißen Kreislaufabschnitten des Anodengaskreislaufs angeordnet sein. Beispielsweise können im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Reformer, ein katalytischer Reformerwärmeübertrager und/oder eine katalytische Reformeranode, die im Anodenraum der Hochtemperaturbrennstoffzelle angeordnet ist, gemeinsam im Anodenkreislauf eingesetzt werden und jeweils reformierend wirken.In a method according to the invention, a plurality of reforming units of the same or different design can expediently be arranged in each case in hot circuit sections of the anode gas circuit. For example, within the scope of the method according to the invention, a reformer, a catalytic reformer heat exchanger and/or a catalytic reformer anode, which is arranged in the anode chamber of the high-temperature fuel cell, can be used together in the anode circuit and each have a reforming effect.
Die zuvor genannte Aufgabe der vorliegenden Erfindung, entsprechende Vorrichtungen zum Betrieb eines gattungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoff bereitzustellen, welches Brennstoffzellensystem zumindest eine Hochtemperaturbrennstoffzelle mit zumindest einer in einem Kathodenraum angeordneten Kathode, mit zumindest einer in einem Anodenraum angeordneten Anode sowie mit einem zwischen Kathodenraum und Anodenraum vorhandenen Elektrolyten umfasst, wobei in einem Anodengaskreislauf zur Rückführung von Anodenabgas aus dem Anodenraum eine Brennstoffzuleitung zur Beimischung von Brennstoff zum Anodengas mündet, wobei zumindest eine Gasfördereinrichtung zum Fördern des Gemischs als Anodenzugas in einen Anodengaswärmeübertrager, welcher in den Anodengaskreislauf verschalten ist, vorgesehen ist, sowie welches Brennstoffzellensystem weiterhin zumindest eine Reformierungseinheit zum Reformieren des Brennstoffs im Anodengaskreislauf umfasst, wird von einer Vorrichtung gelöst, bei welcher Vorrichtung die zumindest eine Reformierungseinheit in einem heißen Kreislaufabschnitt des Anodengaskreislaufs angeordnet ist, in welchem heißen Kreislaufabschnitt im Betrieb des Brennstoffzellensystems eine Anodengastemperatur oberhalb der in der Reformierungseinheit erforderlichen Gleichgewichtstemperatur eingestellt ist sowie die zumindest eine Gasfördereinrichtung in einem kühlen Kreislaufabschnitt des Anodengaskreislaufs angeordnet ist, in welchem kühlen Kreislaufabschnitt im Betrieb des Brennstoffzellensystems eine Anodengastemperatur unterhalb der im heißen Kreislaufabschnitt herrschenden Anodengastemperatur eingestellt ist, wobei die zumindest eine Reformierungseinheit einen katalytischen Reformerwärmeübertrager umfasst, wobei der Reformerwärmeübertrager mit dem Anodengaswärmeübertrager kombiniert oder in diesen integriert ist und in einerThe above-mentioned object of the present invention, to provide corresponding devices for operating a generic fuel cell system with a fuel, which fuel cell system has at least one high-temperature fuel cell with at least one cathode arranged in a cathode compartment, with at least one anode arranged in an anode compartment and with an existing one between the cathode compartment and the anode compartment Electrolytes, wherein a fuel supply line for adding fuel to the anode gas opens into an anode gas circuit for returning anode exhaust gas from the anode chamber, wherein at least one gas conveying device for conveying the mixture as anode feed gas into an anode gas heat exchanger, which is connected into the anode gas circuit, is provided, and which Fuel cell system further comprises at least one reforming unit for reforming the fuel in the anode gas circuit, is solved by a device, in which device the at least one reforming unit is arranged in a hot circuit section of the anode gas circuit, in which hot circuit section during operation of the fuel cell system an anode gas temperature is above that in the reforming unit required equilibrium temperature is set and the at least one gas conveying device is arranged in a cool circuit section of the anode gas circuit, in which cool circuit section an anode gas temperature is set during operation of the fuel cell system below the anode gas temperature prevailing in the hot circuit section, wherein the at least one reforming unit comprises a catalytic reformer heat exchanger, wherein the reformer heat exchanger is combined with the anode gas heat exchanger or is integrated into this and in one
Anodenzugasleitung vor dem Anodenraum angeordnet ist, wobei eine kalte Wärmeübertragerseite und/oder eine heiße Wärmeübertragerseite katalytisch reformierend ausgebildet oder mit dem Reformerwärmeübertrager gekoppelt ist bzw. sind und die Brennstoffzuleitung in eine Anodengasableitung vor dem Anodengaswärmeübertrager und/oder in eine Rezirkulationsleitung vor dem Reformerwärmeübertrager mündet.Anode feed gas line is arranged upstream of the anode chamber, with a cold heat exchanger side and/or a hot heat exchanger side being designed to be catalytically reforming or coupled to the reformer heat exchanger and the fuel supply line opening into an anode gas discharge line upstream of the anode gas heat exchanger and/or into a recirculation line upstream of the reformer heat exchanger.
Sinngemäß gelten die zuvor für die unterschiedlichen erfindungsgemäßen Verfahren genannten Vorteile und Wirkungen auch für die entsprechenden Vorrichtungen zum Betrieb eines gattungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoff.The advantages and effects mentioned above for the different methods according to the invention also apply analogously to the corresponding devices for operating a generic fuel cell system with one fuel.
Vorteilhaft kann bei einer Vorrichtung gemäß der Erfindung die zumindest eine Reformierungseinheit für eine endotherme Dampfreformierung ausgelegt sein, wobei die Anodengastemperatur im heißen Kreislaufabschnitt des Anodengaskreislaufs, in welchem die zumindest eine Reformierungseinheit angeordnet ist, zumindest 500°C, bevorzugt zumindest 550°C, besonders bevorzugt zumindest 600°C, beträgt.In a device according to the invention, the at least one reforming unit can advantageously be designed for endothermic steam reforming, with the anode gas temperature in the hot circuit section of the anode gas circuit in which the at least one reforming unit is arranged being at least 500° C., preferably at least 550° C., particularly preferably at least 600°C.
Zweckmäßig kann bei einer Vorrichtung zumindest eine Reformierungseinheit einen Reformer umfassen, der im Anodengaskreislauf in der Rezirkulationsleitung stromabwärts nach dem Anodengaswärmeübertrager sowie stromaufwärts vor der Gasfördereinrichtung angeordnet ist, wobei die Brennstoffzuleitung in die Anodengasableitung vor dem Anodengaswärmeübertrager und/oder in die Rezirkulationsleitung vor dem Reformer mündet.In a device, at least one reforming unit can expediently comprise a reformer, which is arranged in the anode gas circuit in the recirculation line downstream after the anode gas heat exchanger and upstream before the gas conveying device, with the fuel feed line opening into the anode gas discharge line before the anode gas heat exchanger and/or into the recirculation line before the reformer.
In einer Variante kann bei einer Vorrichtung die zumindest eine Reformierungseinheit zumindest eine katalytische Reformeranode umfassen, die im Anodenraum der Hochtemperaturbrennstoffzelle angeordnet ist, wobei vorzugsweise die Anode der Hochtemperaturbrennstoffzelle als katalytische Reformeranode ausgebildet ist, wobei die Brennstoffzuleitung in die Rezirkulationsleitung des Anodengaskreislaufs mündet.In one variant, the at least one reforming unit in a device can comprise at least one catalytic reformer anode, which is arranged in the anode chamber of the high-temperature fuel cell, with the anode of the high-temperature fuel cell preferably being designed as a catalytic reformer anode, with the fuel supply line opening into the recirculation line of the anode gas circuit.
Gemäß der Erfindung sind somit verschiedene Varianten des Anodengaskreislaufs bzw. unterschiedliche Ausführungen der Anordnung von Reformierungseinheit/Gasfördereinrichtung/Anodengaswärmeübertrager möglich, wie auch in der nachfolgenden Figurenbeschreibung ausgeführt wird.According to the invention, different variants of the anode gas circuit or different configurations of the arrangement of reforming unit/gas conveying device/anode gas heat exchanger are possible, as is also explained in the following description of the figures.
Grundsätzlich ist in allen Varianten sowohl des Verfahrens, als auch der Vorrichtung zum Betrieb des gattungsgemäßen Brennstoffzellensystems zumindest eine Reformierungseinheit vorgesehen, die aber beispielsweise als katalytischer Reformerwärmeübertrager oder als katalytische Reformeranode auch mit anderen Bauteilen kombiniert sein kann. Eine Reformierungseinheit ist notwendig, um die gewünschte Anodengaszusammensetzung sicherzustellen bzw. zu verhindern, dass es in der Brennstoffzelle zu einer unkontrollierten Reformierung kommt, die aufgrund ihres endothermen Charakters zu Thermospannungen und damit Beschädigungen der Brennstoffzelle führen könnte.In principle, at least one reforming unit is provided in all variants of both the method and the device for operating the generic fuel cell system, which can also be combined with other components, for example as a catalytic reformer heat exchanger or as a catalytic reformer anode. A reforming unit is necessary to ensure the desired anode gas composition or to prevent uncontrolled reforming from occurring in the fuel cell, which due to its endothermic character could lead to thermal stresses and thus damage to the fuel cell.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Erläuterung von in den Zeichnungen jeweils schematisch dargestellten, nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen. Die folgenden Ausführungen zu den Figurenbeschreibungen betreffen jeweils gleichsam Verfahren, als auch Vorrichtungen zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems. In den Zeichnungen zeigen jeweils in Darstellungen als vereinfachtes Verfahrensfließbild:
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1 ein Brennstoffzellensystem gemäß dem bekannten Stand der Technik, bei dem in einem Anodengaskreislauf stromaufwärts eines Reformers eine Gasfördereinrichtung angeordnet ist; - -
2 ineiner Detailansicht von 1 den Anodengaskreislauf gemäß dem Stand der Technik; - -
3 den Anodengaskreislauf eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Variante, wobei die Reformierungseinheit einen Reformer umfasst, der im Anodengaskreislauf in der Rezirkulationsleitung stromabwärts nach einem Anodengaswärmeübertrager sowie stromaufwärts vor einer Gasfördereinrichtung angeordnet ist, wobei der zu reformierende Brennstoff dem heißen Anodenabgas in der Anodenabgasleitung vor dem Anodengaswärmeübertrager zugeführt wird; - -
4 den Anodengaskreislauf eines Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten Variante, wobei ein Reformer im Anodengaskreislauf in der Rezirkulationsleitung stromabwärts nach einem Anodengaswärmeübertrager sowie stromaufwärts vor einer Gasfördereinrichtung angeordnet ist, wobei der zu reformierende Brennstoff dem rückgeführten Anodenabgas in der Rezirkulationsleitung vor dem Reformer zugeführt wird; - -
5 den Anodengaskreislauf eines Brennstoffzellensystems gemäß einer dritten Variante, wobei die Reformierungseinheit einen katalytischen Reformerwärmeübertrager umfasst, in dem der Brennstoff reformiert wird, wobei der Reformerwärmeübertrager mit dem Anodengaswärmeübertrager kombiniert oder in diesen integriert ist; - -
6 den Anodengaskreislauf eines Brennstoffzellensystems gemäß einer vierten Variante, wobei die Reformierungseinheit eine katalytische Reformeranode umfasst, die im Anodenraum der Hochtemperaturbrennstoffzelle angeordnet ist; - -
7 den in3 dargestellten Anodengaskreislauf eines Brennstoffzellensystems während des Anfahrens des Brennstoffzellensystems.
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1 a fuel cell system according to the known prior art, in which a gas delivery device is arranged in an anode gas circuit upstream of a reformer; - -
2 in a detailed view of1 the anode gas circuit according to the prior art; - -
3 the anode gas circuit of a fuel cell system according to a first variant, the reforming unit comprising a reformer which is arranged in the anode gas circuit in the recirculation line downstream after an anode gas heat exchanger and upstream before a gas conveying device, the fuel to be reformed being fed to the hot anode exhaust gas in the anode exhaust gas line before the anode gas heat exchanger ; - -
4 the anode gas circuit of a fuel cell system according to a second variant, wherein a reformer is arranged in the anode gas circuit in the recirculation line downstream of an anode gas heat exchanger and upstream of a gas delivery device, wherein the to be reformed fuel is added to the recirculated anode off-gas in the recirculation line before the reformer; - -
5 the anode gas circuit of a fuel cell system according to a third variant, wherein the reforming unit comprises a catalytic reformer heat exchanger in which the fuel is reformed, wherein the reformer heat exchanger is combined with the anode gas heat exchanger or is integrated into it; - -
6 the anode gas circuit of a fuel cell system according to a fourth variant, the reforming unit comprising a catalytic reformer anode which is arranged in the anode chamber of the high-temperature fuel cell; - -
7 the in3 illustrated anode gas circuit of a fuel cell system during start-up of the fuel cell system.
Beispielhaft ist in
Festoxidbrennstoffzellen 10 sind galvanische Zellen zur kontinuierlichen elektrochemischen Stromerzeugung, die üblicherweise als Brennstoffzellenstapel, sogenannte SOFC-Stacks, also als Zusammenschaltung mehrerer Hochtemperaturbrennstoffzellen 10, betrieben werden. Zur besseren Übersicht ist in
Hat das Sauerstoffmolekül die Grenzfläche zwischen Kathode und Elektrolyt erreicht, nimmt es zwei Elektronen auf, wird damit zum Ion und kann die Barriere durchdringen. An der Grenze zur Anode 13 angekommen, reagiert es katalytisch mit dem Brenngas unter Abgabe von Wärme und den entsprechenden Verbrennungsprodukten, und gibt wieder zwei Elektronen an die Anode ab. Voraussetzung dafür ist ein Stromfluss - der eigentliche Zweck der Hochtemperaturbrennstoffzelle - wobei der Stromfluss anderweitig genutzt werden kann.Once the oxygen molecule has reached the interface between the cathode and the electrolyte, it accepts two electrons, becoming an ion and can penetrate the barrier. Arrived at the boundary to the
Gemäß der in
Das Gemisch aus rückgeführtem Anodenabgas 25 und frischem Brennstoff 27, das Anodenzugas 29, wird nun in einer Anodengaszuleitung 28 mit einer Gasfördereinrichtung 50, die hier als Anodengasgebläse 50 ausgeführt ist, einer stromaufwärts des Anodengasgebläses 50 nachfolgenden Reformierungseinheit 60 mit einem Reformer 61 zugeführt. Weiters mündet in die Anodengaszuleitung 28 eine Wasserdampfleitung, die von einem Verdampfer 90 gespeist ist und mit der Wasserdampf 91 eingedüst werden kann. Das Anodenzugas 29 verlässt nach dem Reformierungsschritt im Reformer 61 diesen als reformiertes Anodenzugas 30 und gelangt in einer Anodenzugasleitung 31 in den Anodengaswärmeübertrager 70, wird in diesem aufgeheizt und als heißes Anodenzugas 32 dem Anodenraum 14 zugeführt. Ein Teil des heißen Anodenabgases 23 wird nicht rückgeführt, sondern in einer Abgasleitung 33 aus dem Anodengaskreislauf 20 ausgeschleust und verlässt diesen als Abgas 34.The mixture of recirculated
In der Rezirkulationsleitung 24 ist hier ein Druckmessgerät 40, beispielsweise ein Venturirohr 40, eingebaut, um mittels Differenzdruckmessung den Durchfluss im Anodengaskreislauf 20 zu messen. Dieses Druckmessgerät 40 ist optional und kann auch weggelassen werden. Als Brennstoff 27 wird hier Erdgas (englisch: Natural Gas, NG) in den Anodengaskreislauf 20 eingespeist. Mit dem stromaufwärts des Reformers 61 angeordneten Anodengasgebläse 50 wird die Anodengas- Rezirkulation aufrechtgehalten. Der Anodengaswärmeübertrager 70 ist zwischen Reformer 61 und Anodenraum 14 angeordnet. Wie in
In der in
Aus diesem Grund, bzw. um die eingangsseitig am Reformer 61 benötigte Temperatur der Reformierungsreaktion von zumindest 500°C zu substituieren, muss der Reformer 61 zusätzlich mit Brennerabgas 86 beheizt werden, das danach als abgekühltes Brennerabgas 87 das System 1 verlässt. Ein weiterer Nachteil der in den
Die Anodengastemperatur 200 in einem kühlen Kreislaufabschnitt 220 des Anodengaskreislaufs 20, der dem heißen Kreislaufabschnitt 210 in stromabwärtiger Richtung nachgeordnet und in welchem die Gasfördereinrichtung 50 angeordnet ist, beträgt hier höchstens 470°C. Die Anodengastemperatur 200 nach dem Anodengasgebläse 50 beträgt hier 270°C und wird in der Anodengaszuleitung 31 weiter abgekühlt, weshalb das Anodenzugas 30 vor dem Anodengaswärmeübertrager 70 an der kalten Wärmeübertragerseite 71 eine Anodengastemperatur 200 von rund 250°C aufweist. Das Anodenzugas 32 wird beim Passieren der vergleichsweise kalten Wärmeübertragerseite 71 erhitzt und weist nach dem Anodengaswärmeübertrager 70 eine Anodengastemperatur 200 von 700°C auf, mit welcher das aufgeheizte Anodenzugas 32 in den Anodenraum 14 gelangt. Bei Austritt des Anodengases aus dem Anodenraum der Hochtemperaturbrennstoffzelle 10 beträgt die Anodengastemperatur 200 in der Anodenabgasleitung 21 hier etwa 820°C. Das Anodenzugas 29, welches hier mit einer Anodengastemperatur 200 von rund 800°C in den Anodengaswärmeübertrager 70 gelangt, bildet somit dessen heiße Wärmeübertragerseite 72.The
Nach Passieren der vergleichsweise heißen Wärmeübertragerseite 72 des Anodengaswärmeübertragers 70 beträgt die Anodengastemperatur 200 des Anodenzugases 29 vor dem Reformer 60 hier etwa 560°C. Wie hier in
Besonders vorteilhaft ist hier an der in
Die Anodengastemperatur 200 nach dem Anodengasgebläse 50 beträgt hier 270°C und wird in der Anodengaszuleitung 31 weiter abgekühlt, weshalb das Anodenzugas 30 vor dem Anodengaswärmeübertrager 70 an der kalten Wärmeübertragerseite 71 eine Anodengastemperatur 200 von rund 250°C aufweist. Das Anodenzugas 32 wird beim Passieren der vergleichsweise kalten Wärmeübertragerseite 71 erhitzt und weist nach dem Anodengaswärmeübertrager 70 eine Anodengastemperatur 200 von 700°C auf, mit welcher das aufgeheizte Anodenzugas 32 in den Anodenraum 14 gelangt. Bei Austritt des Anodengases aus dem Anodenraum der Hochtemperaturbrennstoffzelle 10 beträgt die Anodengastemperatur 200 in der Anodenabgasleitung 21 hier etwa 820°C. Das Anodenzugas 29, welches hier mit einer Anodengastemperatur 200 von rund 800°C in den Anodengaswärmeübertrager 70 gelangt, bildet somit dessen heiße Wärmeübertragerseite 72.The
Nach Passieren der vergleichsweise heißen Wärmeübertragerseite 72 des Reformerwärmeübertragers 62 beträgt die Anodengastemperatur 200 des Anodenzugases 29 nach dem Reformer 60 hier etwa 470°C. Wie in
Die Temperatur 200 des Anodenzugases 29 vor dem Anodengasgebläse 50 beträgt etwa 340°C und sinkt nach dem Anodengasgebläse 50 auf eine Temperatur 200 von etwa 300°C ab. Das Anodenzugas 30 tritt somit an der kalten Wärmeübertragerseite 71 in den Anodengaswärmeübertrager 70 mit rund 300°C ein. Das Anodenzugas 32 wird beim Passieren der vergleichsweise kalten Wärmeübertragerseite 71 erhitzt und weist nach dem Anodengaswärmeübertrager 70 eine Anodengastemperatur 200 beispielsweise von etwa 780°C auf, mit welcher das aufgeheizte Anodenzugas 32 in den Anodenraum 14 gelangt. Die Reformierung erfolgt dabei an der katalytischen Reformeranode 63. Bei Austritt des reformierten Anodengases aus dem Anodenraum 14 der Hochtemperaturbrennstoffzelle 10 beträgt die Anodengastemperatur 200 in der Anodenabgasleitung 21 hier beispielsweise etwa 820°C.The
Der Anodenraum 14 samt der darin angeordneten katalytischen Reformeranode 63 befindet sich im heißen Kreislaufabschnitt 210 des Anodengaskreislaufs 20. Das heiße Anodenabgas 22, welches hier mit einer Anodengastemperatur 200 von rund 800°C in den Anodengaswärmeübertrager 70 gelangt, bildet somit dessen heiße Wärmeübertragerseite 72. Nach Passieren der vergleichsweise heißen Wärmeübertragerseite 72 des Anodengaswärmeübertragers 70 beträgt die Anodengastemperatur 200 des Anodenabgases 23 bzw. des Anodenrecyclegases 25 hier etwa 360°C. Wie in
Um dies zu verhindern, musste bisher Wasserdampf in einem Verdampferwärmetauscher erzeugt und gegebenenfalls dem System zugeführt werden, wodurch sich allerdings zusätzliche Investitions- und Betriebskosten sowie unerwünschte Druckverluste aufgrund der erforderlichen Vielzahl an Konditioniervorrichtungen ergeben.In order to prevent this, water vapor previously had to be generated in an evaporator heat exchanger and, if necessary, fed to the system, which, however, results in additional investment and operating costs as well as undesirable pressure losses due to the large number of conditioning devices required.
In
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