DE102017107293A1 - Brennstoffzellenvorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung - Google Patents

Brennstoffzellenvorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung Download PDF

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Abstract

Um eine Brennstoffzellenvorrichtung, umfassend eine elektrochemisch aktive Brennstoffzelleneinheit, deren Anodenseite von einem über eine Brenngaszuführung einem Brenngas-Einlass der Brennstoffzelleneinheit zuführbaren Brenngas und deren Kathodenseite von einem über eine Oxidationsmittelzuführung einem Oxidationsmittel-Einlass der Brennstoffzelleneinheit zuführbaren Oxidationsmittel durchströmbar ist, zu schaffen, mittels welcher die Rußbildungsneigung in der Brennstoffzelleneinheit reduziert werden kann, ohne die Lebensdauer der Brennstoffzellenvorrichtung zu stark zu verringern, wird vorgeschlagen, dass das Brenngas in der Anodenseite der Brennstoffzelleneinheit im Gegenstrom zu dem Oxidationsmittel in der Kathodenseite der Brennstoffzelleneinheit geführt ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung, welche eine elektrochemisch aktive Brennstoffzelleneinheit umfasst, deren Anodenseite von einem über eine Brenngaszuführung einem Brenngas-Einlass der Brennstoffzelleneinheit zuführbaren Brenngas und deren Kathodenseite von einem über eine Oxidationsmittelzuführung einem Oxidationsmitteleinlass der Brennstoffzelleneinheit zuführbaren Oxidationsmittel durchströmbar ist.
  • Bei einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einer SOFC(„Solid Oxide Fuel Cell“)-Brennstoffzelleneinheit erfolgt die Medienversorgung der Brennstoffzelleneinheit, insbesondere des Brennstoffzellen-Stacks, nach dem Gleichstrom-Prinzip. Dabei werden ein als Brenngas dienendes Reformat auf der Anodenseite der Brennstoffzelleneinheit und als Oxidationsmittel dienende Luft auf der Kathodenseite der Brennstoffzelleneinheit in derselben Strömungsrichtung durch die Brennstoffzelleneinheit geleitet.
  • Die durch die Brennstoffzelleneinheit strömenden Gase auf der Anodenseite und auf der Kathodenseite werden durch Interkonnektoren gasdicht voneinander getrennt. Die Medienführung ist damit einem Plattenwärmeübertrager vergleichbar.
  • Die Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit wird in einem SOFC(„Solid Oxide Fuel Cell“)-System in der Regel über die Eintrittstemperatur und den Massenstrom des Oxidationsmittels, insbesondere der in die Kathodenseite eingespeisten Luft, geregelt.
  • Die in der Brennstoffzelleneinheit entstehende thermische Verlustleistung wird zum größten Teil durch den Kathodenabgas-Massenstrom abgeführt.
  • Folglich ergibt sich im stationären Lastbetrieb der Brennstoffzelleneinheit eine Temperaturdifferenz zwischen dem Einströmbereich und dem Ausströmbereich der Brennstoffzelleneinheit. Im stationären Betrieb liegt die Temperatur der Brennstoffzelleneinheit im Eintrittsbereich des Brenngases und des Oxidationsmittels typischerweise um etwa 100°C bis 200°C niedriger als im Austrittsbereich dieser Medien.
  • Die Wärmetauschereigenschaft der Brennstoffzelleneinheit führt in Kombination mit der Temperaturregelung dazu, dass der Volumenstrom des Reformats, der etwa ein Viertel des Volumenstroms der Luft beträgt, am Brenngas-Einlass der Brennstoffzelleneinheit abgekühlt wird und dann dem Temperaturverlauf des Volumenstroms des Oxidationsmittels folgt. Demgemäß ist die Temperatur des Reformats im stationären Lastbetrieb am Brenngas-Einlass der Brennstoffzelleneinheit geringer als am Anodenabgas-Auslass der Brennstoffzelleneinheit.
  • Wenn die Brennstoffzellenvorrichtung mit Kohlenwasserstoffen, beispielsweise mit Propangas, als Brennstoff betrieben wird, so ist die beschriebene Abkühlung des Reformats am Brenngas-Einlass der Brennstoffzelleneinheit problematisch, weil diese das thermodynamische Reformatgleichgewicht beeinflusst und, abhängig vom Betriebspunkt der Brennstoffzelleneinheit, zur Kohlenstoffbildung führen kann.
  • Der in der Gasphase entstehende Kohlenstoff lagert sich dabei in die Struktur des Anodenmaterials ein und führt zu einer Volumenausdehnung dieses Festkörpers. Daraus resultierende Risse im Elektrolyten können Gasleckagen verursachen, welche die Brennstoffzelleneinheit schädigen oder gar zerstören.
  • Dabei erfolgt eine Kohlenstoffeinlagerung bevorzugt im elektrochemisch nicht aktiven Bereich der Anode, beispielsweise im Fügebereich der elektrochemischen Zellen der Brennstoffzelleneinheit, da hier kein Wasser aus der elektrochemischen Reaktion zur Verfügung steht, welches das Reformatgleichgewicht in positiver Weise beeinflussen könnte.
  • Versuche haben ergeben, dass das stöchiometrische Luftverhältnis oder die Luftzahl λ des Reformats, welches als Brenngas der Brennstoffzelleneinheit zugeführt wird, ein maßgeblicher Parameter hinsichtlich der Kohlenstoffbildungsneigung ist und im Gleichstrombetrieb einer SOFC(„Solid Oxide Fuel Cell“)-Brennstoffzelleneinheit mindestens 0,35 betragen muss. Gleichzeitig muss eine Austrittstemperatur des Anodenabgases von mindestens 800°C zugelassen werden, damit die Brennstoffzelleneinheit im Bereich des Brenngas-Einlasses nicht zu stark abkühlt. Betriebspunkte unterhalb dieser Grenzwerte führen zu einer direkten Schädigung der Brennstoffzelleneinheit durch Kohlenstoffbildung, woraus eine deutliche Spannungsdegradation resultiert. Betriebspunkte mit λ < 0,35 und einer Austrittstemperatur des Anodenabgases von weniger als 800°C führen zu keinem stabilen Betrieb der Brennstoffzelleneinheit.
  • Bei einer Luftzahl λ des Reformats von 0,35 liegt die Temperatur des Oxidationskatalysators in der Reformiervorrichtung aber bei über 1.000°C, was aufgrund der hohen thermischen Belastung des Katalysators keinen stabilen Langzeitbetrieb über mehr als 1.000 Betriebsstunden zulässt.
  • Eine Absenkung des Luftverhältnisses λ des Reformats führt jedoch zu einem Zielkonflikt in Bezug auf das insbesondere bei einer ASC(„Anode-Supported Cell“)-Brennstoffzelleneinheit angestrebte Temperaturniveau im Bereich von ungefähr 650°C bis ungefähr 780°C, da die Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit für niedrigere Luftverhältnisse λ signifikant angehoben werden müsste, um die Bildung von Kohlenstoff in der Brennstoffzelleneinheit zu verhindern.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzellenvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welcher die Rußbildungsneigung in der Brennstoffzelleneinheit reduziert werden kann, ohne die Lebensdauer der Brennstoffzellenvorrichtung zu stark zu verringern.
  • Diese Aufgabe wird bei einer Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Brenngas in der Anodenseite der Brennstoffzelleneinheit im Gegenstrom zu dem Oxidationsmittel in der Kathodenseite der Brennstoffzelleneinheit geführt ist.
  • Insbesondere ist also vorgesehen, dass die Strömungsrichtung des Brenngases durch die Anodenseite der Brennstoffzelleneinheit der Strömungsrichtung des Oxidationsmittels durch die Kathodenseite der Brennstoffzelleneinheit entgegengesetzt ist.
  • Durch die Nutzung des Gegenstrom-Prinzips wird der Effekt der thermischen Wechselwirkung zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite der Brennstoffzelleneinheit in positiver Weise genutzt, da die thermische Verlustleistung der Brennstoffzelleneinheit von der Austrittsseite des Kathodenabgases auf die Eintrittsseite des Brenngases oder des Reformats übertragen wird, wodurch die Eintrittstemperatur des Brenngases oder Reformats steigt.
  • Je höher die Temperatur des Brenngases oder des als Brenngas dienenden Reformats ist, desto weiter entfernt sich das Brenngas- oder Reformatgleichgewicht vom Kohlenstoffbildungspotential.
  • Die höhere Temperatur des Brenngases oder Reformats am Brenngas-Einlass der Brennstoffzelleneinheit vergrößert das Betriebspunktfenster, wodurch insbesondere die Luftzahl des eine Reformiervorrichtung der Brennstoffzellenvorrichtung verlassenden Reformats reduziert werden kann, ohne dass die Gefahr von Kohlenstoffbildung in der Brennstoffzelleneinheit besteht. Dadurch sinkt die thermische Belastung des Oxidationskatalysators in der Reformiervorrichtung, und gleichzeitig kann der Wirkungsgrad der Reformiervorrichtung ansteigen.
  • Ferner kann auch die Austrittstemperatur des Kathodenabgases der Brennstoffzelleneinheit reduziert werden, was vor dem Hintergrund einer Reduktion der thermomechanischen Dauerbelastung der Brennstoffzelleneinheit anzustreben ist. Dabei verschiebt sich das thermodynamische Gleichgewicht aufgrund des höheren Temperaturniveaus des Brenngases oder Reformats am Brenngas-Einlass der Brennstoffzelleneinheit nicht in das Kohlenstofffenster.
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennstoffzelleneinheit einen ersten Endbereich und einen dem ersten Endbereich entgegengesetzten zweiten Endbereich aufweist, wobei die Oxidationsmittelzuführung an dem ersten Endbereich an die Kathodenseite der Brennstoffzelleneinheit angeschlossen ist und die Brenngaszuführung an dem zweiten Endbereich an die Anodenseite der Brennstoffzelleneinheit angeschlossen ist.
  • Im Betrieb der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung kann insbesondere die Temperatur des Brenngases am Brenngas-Einlass der Brennstoffzelleneinheit höher sein als die Temperatur des Anodenabgases an einem Anodenabgas-Auslass der Brennstoffzelleneinheit.
  • Insbesondere kann vorgesehen sein, dass im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung die Temperatur des Brenngases am Brenngas-Einlass der Brennstoffzelleneinheit höher ist als 740°C, vorzugsweise höher ist als 750°C.
  • Die Temperatur des Anodenabgases an einem Anodenabgas-Auslass der Brennstoffzelleneinheit kann im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung niedriger sein als 760°C, insbesondere niedriger als 730°, besonders bevorzugt niedriger als 700°C.
  • Ferner kann vorgesehen sein, dass im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung die Temperatur des Kathodenabgases an einem Kathodenabgas-Auslass der Brennstoffzelleneinheit niedriger ist als 800°C, insbesondere niedriger als 790°C.
  • Die Brennstoffzelleneinheit der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung ist vorzugsweise als eine SOFC(„Solid Oxide Fuel Cell“)-Brennstoffzelleneinheit ausgebildet.
  • Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Brennstoffzelleneinheit der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung als ASC(„Anode-Supported Cell“)-Brennstoffzelleneinheit ausgebildet ist.
  • Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung ist vorzugsweise mit einem Brenngas betreibbar, welches Propan umfasst.
  • Besonders günstig ist es, wenn die Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brenngas betreibbar ist, welches zum Großteil aus Propan besteht.
  • Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brenngas betreibbar ist, welches im Wesentlichen vollständig aus Propan besteht.
  • Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung weist vorzugsweise eine Quelle für Propan auf, aus welcher Propan einer Reformiervorrichtung der Brennstoffzellenvorrichtung und/oder einer Brenngaszuführung der Brennstoffzelleneinheit zuführbar ist.
  • Wenn die Brennstoffzellenvorrichtung eine Reformiervorrichtung umfasst, mittels welcher ein Reformat als Brenngas für Brennstoffzelleneinheit bereitstellbar ist, so ist es günstig, wenn im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung das die Reformiervorrichtung verlassende Reformat eine Luftzahl λ von 0,34 oder weniger, insbesondere von 0,32 oder weniger, besonders bevorzugt von ungefähr 0,31, aufweist.
  • Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung ein erstes Gasverteilermodul, durch welches das Oxidationsmittel der Brennstoffzelleneinheit zuführbar und das Anodenabgas aus der Brennstoffzelleneinheit abführbar ist, und ein zweites Gasverteilermodul, durch welches das Brenngas der Brennstoffzelleneinheit zuführbar und das Kathodenabgas aus der Brennstoffzelleneinheit abführbar ist, umfasst.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung zu schaffen, welches es ermöglicht, die Rußbildungsneigung in der Brennstoffzellenvorrichtung möglichst gering zu halten, ohne die Lebensdauer der Brennstoffzellenvorrichtung zu stark zu verringern.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung, welche eine elektrochemisch aktive Brennstoffzelleneinheit umfasst, deren Anodenseite von einem über eine Brenngaszuführung einem Brenngas-Einlass der Brennstoffzelleneinheit zugeführten Brenngas und deren Kathodenseite von einem über eine Oxidationsmittelzuführung einem Oxidationsmittel-Einlass der Brennstoffzelleneinheit zugeführten Oxidationsmittel durchströmt wird, gelöst, welches Folgendes umfasst:
    • - Führen des Brenngases in der Anodenseite der Brennstoffzelleneinheit im Gegenstrom zu dem Oxidationsmittel in der Kathodenseite der Brennstoffzelleneinheit.
  • Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Temperatur des Brenngases am Brenngas-Einlass der Brennstoffzelleneinheit höher ist als die Temperatur des Anodenabgases an einem Anodenabgas-Auslass der Brennstoffzelleneinheit.
  • Die Temperatur des Brenngases am Brenngas-Einlass der Brennstoffzelleneinheit ist vorzugsweise höher als 740°C, insbesondere höher als 750°C.
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Brennstoffzelleneinheit als Brenngas ein von einer Reformiervorrichtung bereitgestelltes Reformat zugeführt wird, wobei das die Reformiervorrichtung verlassende Reformat eine Luftzahl λ von 0,34 oder weniger, insbesondere von 0,32 oder weniger, besonders bevorzugt von ungefähr 0,31, aufweist.
  • Weitere besondere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind bereits vorstehend im Zusammenhang mit besonderen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung erläutert worden.
  • Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung eignet sich insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung.
  • Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennstoffzelleneinheit mit einer Betriebstemperatur von weniger als 800°C (im stationären Zustand) betrieben wird und dass als Brenngas ein Reformat mit einer Luftzahl λ von weniger als 0,35 zugeführt wird, wobei das Reformat aus einem Kohlenwasserstoff, insbesondere Propan, enthaltenden Brennstoff erzeugt wird.
  • Vorzugsweise ist die Brennstoffzellenvorrichtung als eine SOFC(„Solid Oxide Fuel Cell“)-Brennstoffzellenvorrichtung ausgebildet.
  • Ferner weist die Brennstoffzellenvorrichtung vorzugsweise keine Anodenabgasrückführung auf. Hierdurch wird eine Erhöhung der Systemkomplexität der Brennstoffzellenvorrichtung vermieden.
  • Das Risiko der Kohlenstoffbildung in der Brennstoffzelleneinheit wird durch den Gegenstrombetrieb der Brennstoffzelleneinheit in hohem Maße reduziert.
  • Dies eröffnet neue Freiheitsgrade in Bezug auf das Betriebspunktfenster, in welchem die Brennstoffzellenvorrichtung betrieben wird.
  • Insbesondere kann der untere Grenzwert für die Luftzahl λ einer Reformiervorrichtung der Brennstoffzellenvorrichtung auf einen Wert kleiner als 0,35, beispielsweise auf ungefähr 0,31, eingestellt werden.
  • Alternativ oder ergänzend hierzu kann die Temperatur des Kathodenabgases an einem Kathodenabgas-Auslass der Brennstoffzelleneinheit auf einen Wert von weniger als 800°C, beispielweise auf ungefähr 780°C, reduziert werden.
  • Trotz dieser Erweiterung des Betriebspunktfensters gibt es hierbei keine Anzeichen auf Kohlenstoffbildung in der Brennstoffzelleneinheit.
  • Die vorliegende Erfindung ermöglicht insbesondere bei einer SOFC(„Solid Oxide Fuel Cell“)-Brennstoffzellenvorrichtung mit einer ASC(„Anode-Supported Cell“)-Brennstoffzelleneinheit einen stabilen Betrieb in einem erweiterten Betriebspunktfenster bei einer adäquaten Reformiervorrichtungs-Luftzahl sowie bei einer moderaten Temperatur der Brennstoffzelleneinheit, auch ohne Zuhilfenahme einer (potentiell komplexen) Anodenabgasrückführung.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels.
  • In der Zeichnung zeigt:
    • 1 eine schematische Prinzipdarstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung, die eine elektrochemisch aktive Brennstoffzelleneinheit und eine Reformiervorrichtung zum Bereitstellen eines Reformats für die Brennstoffzelleneinheit umfasst, wobei das Reformat in einer Anodenseite der Brennstoffzelleneinheit im Gegenstrom zu dem Oxidationsmittel in einer Kathodenseite der Brennstoffzelleneinheit geführt wird.
  • Eine in 1 dargestellte, als Ganzes mit 102 bezeichnete Brennstoffzellenvorrichtung umfasst eine elektrochemisch aktive Brennstoffzelleneinheit 106, welche insbesondere einen Brennstoffzellenstapel aus elektrochemisch aktiven Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheiten umfassen kann, und eine Reformiervorrichtung 104 zum Bereitstellen eines Reformats für die Brennstoffzelleneinheit 106.
  • Die Brennstoffzellenvorrichtung 102 kann ferner einen Restgasbrenner 108 und einen Abgas-Wärmeübertrager 110 umfassen.
  • Die Reformiervorrichtung 104 ist mit einer Anodenseite 112 der Brennstoffzelleneinheit 106 über eine Brenngaszuführung 114 verbunden, über welche das von der Reformiervorrichtung 104 bereitgestellte Reformat als Brenngas der Anodenseite 112 der Brennstoffzelleneinheit 106 zugeführt wird.
  • Die Brennstoffzellenvorrichtung 102 umfasst ein erstes Gasverteilermodul 115, das einem ersten Endbereich 117 der Brennstoffzelleneinheit 106 benachbart ist, und ein zweites Gasverteilermodul 119, das einem zweiten Endbereich 121 der Brennstoffzelleneinheit 106 benachbart ist.
  • Ein Endabschnitt der Brenngaszuführung 114 verläuft durch das zweite Gasverteilermodul 119 bis zu einem Brenngas-Einlass 123 der Brennstoffzelleneinheit 106.
  • Das für die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelleneinheit 106 benötigte Oxidationsmittel, beispielsweise Luft, wird über eine Oxidationsmittel-Zuführleitung 116 der Kaltseite des Abgas-Wärmeübertragers 110 zugeführt.
  • Am Oxidationsmittel-Eingang des Abgas-Wärmeübertragers 110 kann das Oxidationsmittel beispielsweise Raumtemperatur aufweisen.
  • Der warmen Seite des Abgas-Wärmeübertragers 110 wird über eine Abgas-Leitung 118 ein Abgas des Restgasbrenners 108 zugeführt, welches im Restgasbrenner 108 durch Nachverbrennung des in der Brennstoffzelleneinheit 106 nicht vollständig umgesetzten Brenngases erzeugt wird.
  • Die im Restgasbrenner 108 bei der Nachverbrennung des Brenngases entstehende Prozesswärme wird in dem Abgas-Wärmeübertrager 110 von dem Abgas des Restgasbrenners 108 zumindest teilweise auf das Oxidationsmittel übertragen, wobei das Abgas von einer Eingangstemperatur von beispielsweise mehr als 950°C auf eine Ausgangstemperatur von beispielsweise ungefähr 200°C abgekühlt wird.
  • Das abgekühlte Abgas wird aus dem Abgas-Wärmeübertrager 110 über eine Abgas-Abführleitung 120 abgeführt.
  • Das Oxidationsmittel wird im Abgas-Wärmeübertrager 110 erwärmt, wobei das Ausmaß der Erwärmung vom Betriebszustand der Brennstoffzelleneinheit 106 abhängt.
  • Das im Abgas-Wärmeübertrager 110 erwärmte Oxidationsmittel wird über eine Oxidationsmittelzuführung 122 der Kathodenseite 124 der Brennstoffzelleneinheit 106 zugeführt.
  • Ein Endabschnitt der Oxidationsmittelzuführung 122 verläuft durch das erste Gasverteilermodul 115 bis zu einem Oxidationsmittel-Einlass 125 der Brennstoffzelleneinheit 106.
  • Das in der Brennstoffzelleneinheit 106 unvollständig umgesetzte Oxidationsmittel gelangt als Kathodenabgas von einem Kathodenabgas-Auslass 126 der Brennstoffzelleneinheit 106 über eine Kathodenabgasabführung 128 zu einem Kathodenabgas-Einlass 130 des Restgasbrenners 108.
  • Ein Anfangsabschnitt der Kathodenabgasabführung 128 verläuft von dem Kathodenabgas-Auslass 126 durch das zweite Gasverteilermodul 119.
  • Das in der Brennstoffzelleneinheit 106 unvollständig umgesetzte Brenngas gelangt als Anodenabgas von einem Anodenabgas-Auslass 132 der Brennstoffzelleneinheit 106 über eine Anodenabgasabführung 134 zu einem Anodenabgas-Einlass 136 des Restgasbrenners 108.
  • Ein Anfangsabschnitt der Anodenabgasabführung 134 verläuft durch das erste Gasverteilermodul 115.
  • Im Restgasbrenner 108 wird das Anodenabgas mit dem Kathodenabgas nachverbrannt, und das hierdurch entstehende Abgas der Brennstoffzellenvorrichtung 102 wird über die Abgas-Leitung 118 dem Abgas-Wärmeübertrager 110 zugeführt, wie bereits vorstehend beschrieben.
  • In der Reformiervorrichtung 104 wird ein flüssiger oder gasförmiger Ausgangsbrennstoff, beispielsweise Erdgas, Propan, Butan oder Dieselkraftstoff, welcher der Reformiervorrichtung 104 über eine Brennstoffzuführleitung 146 zuführbar ist, durch teilweise Oxidation mittels eines Oxidationsmittels, welches der Reformiervorrichtung 104 durch eine Oxidationsmittelzuführleitung 148 zuführbar ist, in ein Reformat umgewandelt, welches in der Brennstoffzelleneinheit 106 elektrochemisch verstrombare Bestandteile, insbesondere H2 und CO, enthält.
  • Dadurch, dass die Oxidationsmittelzuführung 122 an dem ersten Endbereich 117 der Brennstoffzelleneinheit 106 an die Kathodenseite 124 der Brennstoffzelleneinheit 106 angeschlossen ist und die Brenngaszuführung 114 an dem zweiten Endbereich 121 an die Anodenseite 112 der Brennstoffzelleneinheit 106 angeschlossen ist, während die Kathodenabgasabführung 128 an dem zweiten Endbereich 121 der Brennstoffzelleneinheit 106 an die Kathodenseite 124 der Brennstoffzelleneinheit 106 angeschlossen ist und die Anodenabgasabführung 134 an dem ersten Endbereich 117 der Brennstoffzelleneinheit 106 an die Anodenseite 112 der Brennstoffzelleneinheit 106 angeschlossen ist, wird das Brenngas in der Anodenseite 112 der Brennstoffzelleneinheit 106 im Gegenstrom zu dem Oxidationsmittel in der Kathodenseite 124 der Brennstoffzelleneinheit 106 geführt.
  • Die Strömungsrichtung des Brenngases durch die Anodenseite 112 der Brennstoffzelleneinheit ist also der Strömungsrichtung des Oxidationsmittels durch die Kathodenseite 124 der Brennstoffzelleneinheit entgegengesetzt.
  • Durch dieses Gegenstrom-Prinzip wird erreicht, dass das Brenngas im Bereich des Brenngas-Einlasses 123 durch das heiße Kathodenabgas im Bereich des Kathodenabgas-Auslasses 126 erwärmt wird, statt - wie bei einer im Gleichstrom-Prinzip betriebenen Brennstoffzelleneinheit - durch das kalte Oxidationsmittel am Oxidationsmittel-Einlass 125 gekühlt zu werden.
  • Hierdurch steigt die Temperatur des als Brenngas dienenden Reformats beim Eintritt in die Anodenseite 112 der Brennstoffzelleneinheit 106 an.
  • Umso höher die Temperatur des Brenngases oder Reformats ist, desto weiter entfernt sich das Reformat- oder Brenngasgleichgewicht vom Kohlenstoffbildungspotential.
  • Die höhere Temperatur des Reformats oder Brenngases am Brenngas-Einlass 123 in die Anodenseite 112 der Brennstoffzelleneinheit 106 verringert daher die Rußbildungsneigung.
  • Hierdurch wird das Betriebspunktfenster der Brennstoffzelleneinheit 106 vergrößert, so dass die Luftzahl λ des aus der Reformiervorrichtung 104 gelangenden Reformats reduziert werden kann, insbesondere auf einen Wert von weniger als 0,35, insbesondere von weniger als 0,32, beispielsweise auf einen Wert von ungefähr 0,31, ohne dass die Gefahr von Kohlenstoffbildung auf der Anodenseite 112 der Brennstoffzelleneinheit 106 besteht.
  • Durch die Reduktion der Luftzahl des Reformats sinkt die thermische Belastung des Oxidationskatalysators, der in der Reformiervorrichtung 104 angeordnet ist.
  • Zugleich steigt der Wirkungsgrad der Reformiervorrichtung 104 an.
  • Ferner kann durch die Nutzung des Gegenstrom-Prinzips auch die Temperatur des Kathodenabgases im Bereich des Kathodenabgas-Auslasses 126 reduziert werden.
  • Hierdurch wird die thermomechanische Dauerbelastung der Brennstoffzelleneinheit 106 reduziert.
  • Durch das aufgrund des Gegenstrom-Prinzips höhere Temperaturniveau der Reformat- oder Brenngastemperatur am Brenngas-Einlass 123 der Brennstoffzelleneinheit 106 verschiebt sich das thermodynamische Gleichgewicht nicht in Richtung auf eine Kohlenstoffbildung.
  • Durch das Gegenstrom-Prinzip kann insbesondere die Rußbildungsneigung in der Brennstoffzelleneinheit 106 verringert werden, ohne dass zusätzliche Maßnahmen, beispielsweise die Zuführung von Wasser in die Brenngaszuführung 114 durch einen externen Wasseranschluss und/oder eine Rezyklierung von heißem Anodenabgas aus der Anodenabgasabführung 134 in die Reformiervorrichtung 104, realisiert werden.
  • Die Brennstoffzelleneinheit 106 kann insbesondere als eine Hochtemperatur-Brennstoffzelleneinheit, beispielsweise als eine SOFC(„Solid Oxide Fuel Cell“)-Brennstoffzelleneinheit, ausgebildet sein.
  • Die Brennstoffzellenvorrichtung 102 wird vorzugsweise mit Propan als Brennstoff betrieben.
  • Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 102 weist die Brennstoffzelleneinheit 106 vorzugsweise eine Betriebstemperatur von 780°C oder weniger und/oder das aus der Reformiervorrichtung 104 in die Brenngaszuführung 114 gelangende Reformat vorzugsweise eine Luftzahl λ von 0,31 oder weniger auf.

Claims (15)

  1. Brennstoffzellenvorrichtung, umfassend eine elektrochemisch aktive Brennstoffzelleneinheit (106), deren Anodenseite (112) von einem über eine Brenngaszuführung (114) einem Brenngas-Einlass (123) der Brennstoffzelleneinheit (106) zuführbaren Brenngas und deren Kathodenseite (124) von einem über eine Oxidationsmittelzuführung (122) einem Oxidationsmittel-Einlass (125) der Brennstoffzelleneinheit (106) zuführbaren Oxidationsmittel durchströmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Brenngas in der Anodenseite (112) der Brennstoffzelleneinheit (106) im Gegenstrom zu dem Oxidationsmittel in der Kathodenseite (124) der Brennstoffzelleneinheit (106) geführt ist.
  2. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (106) einen ersten Endbereich (117) und einen dem ersten Endbereich (117) entgegengesetzten zweiten Endbereich (121) aufweist, wobei die Oxidationsmittelzuführung (122) an dem ersten Endbereich (117) an die Kathodenseite (124) der Brennstoffzelleneinheit (106) angeschlossen ist und die Brenngaszuführung (114) an dem zweiten Endbereich (121) an die Anodenseite (112) der Brennstoffzelleneinheit (106) angeschlossen ist.
  3. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung (102) die Temperatur des Brenngases am Brenngas-Einlass (123) der Brennstoffzelleneinheit (106) höher ist als die Temperatur des Anodenabgases an einem Anodenabgas-Auslass (132) der Brennstoffzelleneinheit (106).
  4. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung (102) die Temperatur des Brenngases am Brenngas-Einlass (123) der Brennstoffzelleneinheit (106) höher ist als 740°C.
  5. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung (102) die Temperatur des Anodenabgases an einem Anodenabgas-Auslass (132) der Brennstoffzelleneinheit (106) niedriger ist als 760°C.
  6. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung (102) die Temperatur des Kathodenabgases an einem Kathodenabgas-Auslass (126) der Brennstoffzelleneinheit (106) niedriger ist als 800°C.
  7. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (106) als eine SOFC(„Solid Oxide Fuel Cell“)-Brennstoffzelleneinheit (106) ausgebildet ist.
  8. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (106) als eine ASC(„Anode-Supported Cell“)-Brennstoffzelleneinheit (106) ausgebildet ist.
  9. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenvorrichtung (102) mit einem Brenngas betreibbar ist, welches Propan umfasst.
  10. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenvorrichtung (102) eine Reformiervorrichtung (104) umfasst, mittels welcher ein Reformat als Brenngas für die Brennstoffzelleneinheit (106) bereitstellbar ist, wobei im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung (102) das die Reformiervorrichtung (104) verlassende Reformat eine Luftzahl (λ) von 0,34 oder weniger aufweist.
  11. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenvorrichtung (102) ein erstes Gasverteilermodul (115), durch welches das Oxidationsmittel der Brennstoffzelleneinheit (106) zuführbar und das Anodenabgas aus der Brennstoffzelleneinheit (106) abführbar ist, und ein zweites Gasverteilermodul (119), durch welches das Brenngas der Brennstoffzelleneinheit (106) zuführbar und das Kathodenabgas aus der Brennstoffzelleneinheit (106) abführbar ist, umfasst.
  12. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (102), welche eine elektrochemisch aktive Brennstoffzelleneinheit (106) umfasst, deren Anodenseite (112) von einem über eine Brenngaszuführung (114) einem Brenngas-Einlass (123) der Brennstoffzelleneinheit (106) zugeführten Brenngas und deren Kathodenseite (124) von einem über eine Oxidationsmittelzuführung (122) einem Oxidationsmittel-Einlass (125) der Brennstoffzelleneinheit (106) zugeführten Oxidationsmittel durchströmt wird, umfassend Folgendes: - Führen des Brenngases in der Anodenseite (112) der Brennstoffzelleneinheit (106) im Gegenstrom zu dem Oxidationsmittel in der Kathodenseite (124) der Brennstoffzelleneinheit (106).
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Brenngases am Brenngas-Einlass (123) der Brennstoffzelleneinheit (106) höher ist als die Temperatur des Anodenabgases an einem Anodenabgas-Auslass (132) der Brennstoffzelleneinheit (106).
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Brenngases am Brenngas-Einlass (123) der Brennstoffzelleneinheit (106) höher ist als 740°C.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzelleneinheit (106) als Brenngas ein von einer Reformiervorrichtung (104) bereitgestelltes Reformat zugeführt wird, wobei das die Reformiervorrichtung (104) verlassende Reformat eine Luftzahl (λ) von 0,34 oder weniger aufweist.
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