DE102017107294A1

DE102017107294A1 - Brennstoffzellenvorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung

Info

Publication number: DE102017107294A1
Application number: DE102017107294.2A
Authority: DE
Inventors: Moritz Pausch; Marco Hoffmann; Thomas Kiefer; Matthias Boltze
Original assignee: ElringKlinger AG; New Enerday GmbH
Current assignee: SunFire GmbH
Priority date: 2017-04-05
Filing date: 2017-04-05
Publication date: 2018-10-11

Abstract

Um eine Brennstoffzellenvorrichtung, umfassend eine elektrochemisch aktive Brennstoffzelleneinheit, deren Anodenseite von einem über eine Brenngaszuführung zuführbaren Brenngas und deren Kathodenseite von einem Oxidationsmittel durchströmbar ist, zu schaffen, mittels welcher die Rußbildungsneigung in der Brennstoffzelleneinheit reduziert werden kann, wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung eine Anodenabgasrückführung umfasst, mittels welcher ein Teil eines Anodenabgases einer Anodenabgasabführung, welche vom Anodenabgas der Brennstoffzelleneinheit durchströmbar ist, stromabwärts von der Anodenseite der Brennstoffzelleneinheit entnehmbar und der Brenngaszuführung stromaufwärts von der Anodenseite der Brennstoffzelleneinheit zuführbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung, welche eine elektrochemisch aktive Brennstoffzelleneinheit umfasst, deren Anodenseite von einem über eine Brenngaszuführung zuführbaren Brenngas und deren Kathodenseite von einem Oxidationsmittel durchströmbar ist.
Eine Brennstoffzellenvorrichtung wandelt elektrische Energie direkt in chemische Energie um. Durch eine sogenannte kalte Verbrennung werden verlustbehaftete Zwischenschritte, insbesondere thermische oder mechanische Prozessstufen, ausgelassen.
Als Oxidationsmittel kann auf der Kathodenseite der Brennstoffzelleneinheit gewöhnlicher Luftsauerstoff verwendet werden.
Als Brenngase auf der Anodenseite der Brennstoffzelleneinheit werden bei Niedrigtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtungen, insbesondere bei PEMFC(„Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell“)-Brennstoffzellenvorrichtungen, häufig vorteilhaft reiner Wasserstoff und bei Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtungen, insbesondere bei SOFC(„Solid Oxide Fuel Cell“)-Brennstoffzellenvorrichtungen, vorteilhaft Kohlenwasserstoffe, beispielsweise Erdgas, Propan, Butan oder Dieselkraftstoff, eingesetzt.
Bei der Verwendung von kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffen, beispielsweise Erdgas, Propan, Butan oder Dieselkraftstoff, kann der jeweilige Brennstoff grundsätzlich direkt der Anodenseite der Brennstoffzelleneinheit zugeführt werden. Der Brennstoff wird auf der Anodenoberfläche gegebenenfalls verdampft und anschließend reformiert.
Aufgrund verschiedener verfahrenstechnischer Nachteile, insbesondere hinsichtlich der Anfahrstrategie der Brennstoffzellenvorrichtung, der Regelungstechnik sowie thermodynamischer und/oder thermomechanischer Effekte, wird der Brennstoff jedoch üblicherweise in einer der Brennstoffzelleneinheit vorgeschalteten Reformiervorrichtung reformiert.
In der Reformiervorrichtung wird der Brennstoff (insbesondere ein kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff wie beispielsweise Erdgas, Propan, Butan oder Dieselkraftstoff) durch die Zuführung des Oxidationsmittels, beispielsweise Luft, partiell oxidiert, das heißt teilweise verbrannt. Die Luftzahl λ beschreibt das Verhältnis des Oxidationsmittels Luft zum Brenngas und definiert den Grad der Verbrennung.
Das die Reformiervorrichtung verlassende Produkt des Reformiervorgangs enthält im Wesentlichen brennbare Anteile (insbesondere H₂ und CO) und nicht-brennbare Anteile (insbesondere H₂O und CO₂). Das Verhältnis dieser Anteile des Reformats wird über die Luftzahl bestimmt. Die brennbaren Anteile des Reformats können in der der Reformiervorrichtung nachgeschalteten Brennstoffzelleneinheit verstromt, das heißt weiter oxidiert, werden. In der Praxis werden in der Brennstoffzelleneinheit etwa 70 % bis 80 % des brennbaren Anteils des Reformats umgesetzt. Dies stellt einen Kompromiss aus möglichst hohem Wirkungsgrad und möglichst niedrigem verfahrenstechnischem Aufwand dar. In der Brennstoffzelleneinheit nicht umgesetzte Brenngase werden üblicherweise, beispielsweise über eine Gasverteilerplatte, einem der Brennstoffzelleneinheit nachgeschalteten Restgasbrenner zugeführt und dort nachverbrannt.
Je niedriger die Luftzahl gewählt wird, desto geringer ist der Verbrennungsgrad beim Reformiervorgang. Folglich steigt mit sinkender Luftzahl der Anteil der brennbaren Teile in dem die Reformiervorrichtung verlassenden Reformat. Ferner nimmt die beim Reformiervorgang entstehende Wärmemenge aufgrund des geringeren Umfangs der partiellen Verbrennung ab.
Durch eine geringere Luftzahl des Reformats steigt die elektrische Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung, weil der Brennstoffzelleneinheit mehr verstrombares Brenngas zur Verfügung gestellt wird. Außerdem wirkt sich eine geringe Luftzahl positiv auf die Lebensdauer der Reformiervorrichtung, insbesondere eines darin enthaltenen Katalysators, aus.
Eine geringe Luftzahl des Reformats erhöht jedoch die Rußbildungsneigung in der Brennstoffzelleneinheit. Weil das Gas unmittelbar stromabwärts von der Reformiervorrichtung deutlich wärmer ist als am Einlass der Brennstoffzelleneinheit, ist eine Rußbildung in der Reformiervorrichtung unwahrscheinlicher als eine Rußbildung in der Brennstoffzelleneinheit.
Umgekehrt bedeutet eine Erhöhung der Luftzahl des Reformats mehr Abwärme und damit eine höhere thermische Belastung der Reformiervorrichtung, sowie eine Verringerung der Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung, weil der Brennstoffzelleneinheit weniger brennbare Anteile im Reformat zur Verfügung gestellt werden. Dafür wird die Rußbildungsneigung verringert.
Ob ein kohlenwasserstoffhaltiges Brenngas zur Rußbildung neigt, ist im Wesentlichen vom Sauerstoff/Kohlenstoff-Verhältnis (O/C-Verhältnis) des Brenngases und von der Temperatur des Brenngases abhängig. Je höher das O/C-Verhältnis ist, desto geringer ist die Rußbildungsneigung. Das O/C-Verhältnis wird durch die Luftzahl der Reformiervorrichtung, durch den Wasserdampfanteil und durch das verwendete Brenngas (beispielsweise Erdgas, Propan, Butan oder verdampfter Dieselkraftstoff) bestimmt. Je höher die Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit liegt, desto geringer ist die Rußbildungsneigung.
Eine Rußbildung in einer Brennstoffzelleneinheit, insbesondere in einer SOFC(„Solid Oxide Fuel Cell“)-Brennstoffzelleneinheit, führt zu einer Einlagerung von Kohlenstoff in das Nickelmaterial der Anode oder des Anodensubstrats.
Dies kann zu einer Volumenänderung der Anode und im weiteren Verlauf zum sogenannten „Metal Dusting“ führen. Dabei sprengt der im Nickelmaterial eingelagerte Kohlenstoff die Nickelkörner des Nickelmaterials bei einem Temperaturwechsel der Brennstoffzelleneinheit, beispielsweise bei einem Start-Stopp-Betrieb.
Eine solche Kohlenstoffeinlagerung kann durch eine Veränderung der Mikrostruktur des Anodenmaterials zu einem Leistungsabfall der Brennstoffzelleneinheit führen und/oder durch die Volumenänderung der Anode und/oder des Anodensubstrats eine mechanische Überbeanspruchung der Fügeverbindungen der Anode und/oder eine mechanische Überbeanspruchung des Elektrolyten bewirken. Hieraus können Undichtigkeiten bis hin zu einem katastrophalen Versagen der Brennstoffzelleneinheit resultieren.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzellenvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welcher die Rußbildungsneigung in der Brennstoffzelleneinheit reduziert werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einer Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Brennstoffzellenvorrichtung eine Anodenabgasrückführung umfasst, mittels welcher ein Teil eines Anodenabgases einer Anodenabgasabführung, welche vom Anodenabgas der Brennstoffzelleneinheit durchströmbar ist, stromabwärts von der Anodenseite der Brennstoffzelleneinheit entnehmbar und der Brenngaszuführung stromaufwärts von der Anodenseite der Brennstoffzelleneinheit zuführbar ist.
Das rückgeführte Anodenabgas enthält aufgrund der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelleneinheit gebildeten Wasserdampf. Durch die Rückführung des Anodenabgases in das Brenngas stromaufwärts von der Anodenseite der Brennstoffzelleneinheit wird der Wasserdampfanteil im Brenngas am Eingang der Anodenseite der Brennstoffzelleneinheit erhöht, wodurch die Rußbildungsneigung sinkt.
Ein weiterer positiver Effekt der erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer Brennstoffzellenvorrichtung kann eine Erhöhung des Brenngasnutzungsgrades sein, da das Anodenabgas auch nicht umgesetzten Wasserstoff und nicht umgesetztes Kohlenmonoxid enthält, welche durch die Anodenabgasrückführung dem Brenngas wieder zugeführt werden und somit elektrochemisch umgesetzt werden können.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung eine Ansaugvorrichtung zum Ansaugen von Anodenabgas aus der Anodenabgasabführung in die Anodenabgasrückführung umfasst.
Die Ansaugvorrichtung ist vorzugsweise als eine passive Ansaugvorrichtung ausgebildet. Eine solche passive Ansaugvorrichtung weist keinen aktiven Antrieb, insbesondere keinen elektrischen, pneumatischen oder hydraulischen Antrieb, auf und benötigt daher nur geringen zusätzlichen Bauraum und keinen zusätzlichen Wartungsaufwand. Ferner sind die Zusatzkosten durch eine solche passive Ansaugvorrichtung nur gering.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Ansaugvorrichtung eine Venturi-Düse und/oder einen Ejektor umfasst.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Ansaugvorrichtung von dem der Anodenseite der Brennstoffzelleneinheit zuzuführenden Brenngas durchströmt wird und so ausgebildet ist, dass durch das Hindurchströmen des Brenngases, insbesondere durch eine Düse der Ansaugvorrichtung, ein Unterdruck erzeugt wird, beispielsweise aufgrund des Venturi-Effektes, durch welchen das Anodenabgas , beispielsweise durch einen Ansaugeinlass der Ansaugvorrichtung, in die Ansaugvorrichtung angesaugt wird.
Die Ansaugvorrichtung benötigt besonders wenig zusätzlichen Bauraum, wenn sie vorteilhafterweise in einem Gasverteilermodul oder einer Gasverteilerplatte der Brennstoffzellenvorrichtung angeordnet ist. Ein solches Gasverteilermodul wird vorzugsweise von dem der Anodenseite der Brennstoffzelleneinheit zuzuführenden Brenngas und/oder von dem der Kathodenseite der Brennstoffzelleneinheit zuzuführenden Oxidationsmittel durchströmt.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn mittels der Anodenabgasrückführung ein Anteil von mindestens ungefähr 1 Massenprozent, vorzugsweise mindestens ungefähr 2 Massenprozent, des aus der Anodenseite der Brennstoffzelleneinheit ausströmenden Anodenabgases zu der Brenngaszuführung zurückführbar ist.
Ferner hat es sich als günstig erwiesen, wenn mittels der Anodenabgasrückführung ein Anteil von höchstens ungefähr 12 Massenprozent, vorzugsweise höchstens ungefähr 10 Massenprozent, des aus der Anodenseite der Brennstoffzelleneinheit ausströmenden Anodenabgases zu der Brenngaszuführung zurückführbar ist.
Wenn die Brennstoffzellenvorrichtung einen Restgasbrenner und/oder einen Abgas-Wärmeübertrager umfasst, so ist die Anodenabgasrückführung vorzugsweise stromaufwärts von dem Restgasbrenner und/oder stromaufwärts von dem Abgas-Wärmeübertrager an die Anodenabgasabführung angeschlossen.
Hierdurch wird der zurückzuführende Teil des Anodenabgases einschließlich des darin enthaltenen Wasserdampfes vorzugsweise unmittelbar stromabwärts von der Anodenseite der Brennstoffzelleneinheit entnommen.
Wenn die Brennstoffzellenvorrichtung eine Reformiervorrichtung umfasst, mittels welcher ein Reformat als Brenngas für die Brennstoffzelleneinheit bereitstellbar ist, so ist die Anodenabgasrückführung vorzugsweise stromabwärts von der Reformiervorrichtung an die Brenngaszuführung angeschlossen. Hierdurch wird erreicht, dass der zurückzuführende Teil des Anodenabgases einschließlich des darin enthaltenen Wasserdampfes direkt stromaufwärts von der Anodenseite der Brennstoffzelleneinheit in die Brenngaszuführung eingespeist wird.
Für eine kompakte Bauweise der Brennstoffzellenvorrichtung ist es besonders günstig, wenn die Anodenabgasrückführung innerhalb eines Gasverteilermoduls der Brennstoffzellenvorrichtung an die Brenngaszuführung angeschlossen ist.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung ist vorzugsweise als eine Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere als eine SOFC(„Solid Oxide Fuel Cell“)-Brennstoffzellenvorrichtung, ausgebildet.
Die Brennstoffzellenvorrichtung umfasst vorzugsweise eine elektrochemisch aktive Brennstoffzelleneinheit, insbesondere einen Brennstoffzellen-Stack, die vorzugsweise als eine Hochtemperatur-Brennstoffzelleneinheit, insbesondere als eine SOFC(„Solid Oxide Fuel Cell“)-Brennstoffzelleneinheit, ausgebildet ist.
Die Anodenabgasrückführung der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung ermöglicht es, eine solche Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere eine SOFC(„Solid Oxide Fuel Cell“)-Brennstoffzellenvorrichtung, mit einer Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit von 820°C oder weniger (im stationären Gleichgewichtszustand), insbesondere von 780°C oder weniger, und mit einer Luftzahl des Reformats stromabwärts von der Reformiervorrichtung (λ) von 0,4 oder weniger, insbesondere von 0,31 oder weniger, rußfrei und vorzugsweise ohne weitere Maßnahmen zur Reduzierung der Rußbildungsneigung zu betreiben.
Insbesondere ist es nicht erforderlich, zur Reduzierung der Rußbildungsneigung in der Brennstoffzelleneinheit, heißes Anodenabgas im Bereich zwischen der Brennstoffzelleneinheit und dem Restgasbrenner abzuzweigen und in die Reformiervorrichtung einzuspeisen.
Ferner ist es nicht erforderlich, aus dem Anodenabgas der Brennstoffzelleneinheit Wasser auszukondensieren, in einem Wassertank zu speichern und aus dem Wassertank nach Bedarf der Reformiervorrichtung zuzuführen.
Außerdem ist es nicht erforderlich, der Brennstoffzellenvorrichtung über einen externen Wasseranschluss Wasser zur Verfügung zu stellen, welches in die Reformiervorrichtung oder in die Brenngaszuführung zu der Brennstoffzelleneinheit einspeisbar ist.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung umfasst vorzugsweise eine Reformiervorrichtung, mittels welcher ein aus einem Brennstoff durch partielle Oxidation erzeugtes Reformat als Brenngas für die Brennstoffzelleneinheit der Brennstoffzellenvorrichtung bereitstellbar ist.
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.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung, welche eine elektrochemisch aktive Brennstoffzelleneinheit, deren Anodenseite von einem über eine Brenngaszuführung zugeführten Brenngas und deren Kathodenseite von einem Oxidationsmittel durchströmt wird, gelöst, welches Folgendes umfasst:

- Entnehmen eines Teils eines Anodenabgases aus einer Anodenabgasabführung, welche vom Anodenabgas der Brennstoffzelleneinheit durchströmt wird, stromabwärts von der Anodenseite der Brennstoffzelleneinheit; und
- Zuführen des Teils des Anodenabgases zu der Brenngaszuführung stromaufwärts von der Anodenseite der Brennstoffzelleneinheit.

Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Luftzahl λ des der Anodenseite der Brennstoffzelleneinheit zugeführten Gemisches aus Brenngas und Anodenabgas 0,4 oder weniger, insbesondere 0,31 oder weniger, beträgt.
Insbesondere dann, wenn die Brennstoffzellenvorrichtung als eine Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtung ausgebildet ist, ist ferner vorzugsweise vorgesehen, dass die Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit 820°C oder weniger, insbesondere 780°C oder weniger, beträgt (im stationären Gleichgewichtszustand).
Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung eignet sich insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung ist vorzugsweise ein passives Systems, welches keinen aktiven Antrieb für die Zuführung eines Teils des Anodenabgases aus der Anodenabgasabführung zu der Brenngaszuführung aufweist.
Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung ist Wasserdampf zur Vermeidung von Rußbildung in der Brennstoffzelleneinheit stromaufwärts von der Anodenseite der Brennstoffzelleneinheit in die Brenngaszuführung einleitbar.
Vorzugsweise wird das Anodenabgas mit dem darin enthaltenen Wasserdampf nicht in eine der Brennstoffzelleneinheit vorgeschaltete Reformiervorrichtung eingeleitet.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung wird vorzugsweise mit Propan als Brennstoff oder Brenngas betrieben. Dabei beträgt die Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit, insbesondere des Brennstoffzellen-Stacks, vorzugsweise 820°C oder weniger, insbesondere 780°C oder weniger, und/oder die Luftzahl λ des aus der Reformiervorrichtung ausströmenden Reformats und/oder die Luftzahl des der Brennstoffzelleneinheit zugeführten Gemisches aus Reformat und rückgeführtem Anodenabgas vorzugsweise 0,4 oder weniger, insbesondere 0,31 oder weniger.
Besonders günstig ist es, wenn die Zuführung des Anodenabgases in die Brenngaszuführung in ein Gasverteilermodul oder eine Gasverteilerplatte der Brennstoffzellenvorrichtung integriert ist.
Ferner ist es günstig, wenn eine Entnahmestelle, an welcher ein Teil des Anodenabgases aus der Anodenabgasabführung der Brennstoffzellenvorrichtung entnehmbar ist, in ein Gassammlermodul oder eine Gassammlerplatte der Brennstoffzellenvorrichtung integriert ist.
Das Anodenabgas wird vorzugsweise stromabwärts von der Anodenseite der Brennstoffzelleneinheit und stromaufwärts von einem Restgasbrenner entnommen und vorzugsweise, insbesondere passiv, stromabwärts von der Reformiervorrichtung und stromaufwärts von einem Brenngaseinlass der Anodenseite der Brennstoffzelleneinheit in die Brenngaszuführung eingespeist, um die Rußbildung in der Brennstoffzelleneinheit zu reduzieren.
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 die Brennstoffzellenvorrichtung eine Anodenabgasrückführung umfasst, mittels welcher ein Teil eines Anodenabgases einer Anodenabgasabführung, welche vom Anodenabgas der Brennstoffzelleneinheit durchströmbar ist, stromabwärts von der Anodenseite der Brennstoffzelleneinheit entnehmbar und einer Brenngaszuführung der Brennstoffzelleneinheit stromaufwärts von der Anodenseite der Brennstoffzelleneinheit zuführbar ist.

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.
Ein Endabschnitt der Brenngaszuführung 114 verläuft durch ein Gasverteilermodul 115 der Brennstoffzellenvorrichtung 102.
In dem durch das Gasverteilermodul 115 verlaufenden Abschnitt der Brenngaszuführung ist eine Ansaugvorrichtung 117 angeordnet, welche vorzugsweise als eine passive Ansaugvorrichtung ausgebildet ist und insbesondere eine Venturi-Düse und/oder einen Ejektor umfassen kann.
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 Oxidationsmittel-Leitung 122 der Kathodenseite 124 der Brennstoffzelleneinheit 106 zugeführt.
Das in der Brennstoffzelleneinheit 106 unvollständig umgesetzte Oxidationsmittel gelangt von einem Oxidationsmittel-Auslass 126 der Brennstoffzelleneinheit 106 über eine Oxidationsmittel-Leitung 128 zu einem Oxidationsmittel-Einlass 130 des Restgasbrenners 108.
Das in der Brennstoffzelleneinheit 106 unvollständig umgesetzte Brenngas gelangt von einem Anodenabgas-Auslass 132 der Brennstoffzelleneinheit 106 über eine Anodenabgasabführung 134 zu einem Anodenabgas-Einlass 136 des Restgasbrenners 108.
Im Restgasbrenner 108 wird das Anodenabgas mit dem Oxidationsmittel 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 Anodenabgasabführung 134 ist eine Entnahmestelle 138 für Anodenabgas angeordnet, an welcher ein Teil des Anodenabgases der Brennstoffzelleneinheit 106 aus der Anodenabgasabführung 134 entnehmbar und durch eine Anodenabgas-Rückführleitung 140 der Brenngaszuführung 114 stromaufwärts von der Anodenseite 112 der Brennstoffzelleneinheit 106 zuführbar ist.
Insbesondere mündet die Anodenabgas-Rückführleitung 140 an einem Ansaugeinlass 142 der Ansaugvorrichtung 117, die in der Brenngaszuführung 114 vorgesehen ist.
Die Entnahmestelle 138, die Anodenabgas-Rückführleitung 140, der Ansaugeinlass 142 und die Ansaugvorrichtung 117 bilden Bestandteile einer Anodenabgasrückführung 144 der Brennstoffzellenvorrichtung 102.
Die Entnahmestelle 138 kann in einer Gassammelplatte oder in einem Gassammelmodul 143 der Brennstoffzellenvorrichtung 102 angeordnet sein.
Die Entnahmestelle 138 in der Anodenabgasabführung 134 und/oder die Ansaugvorrichtung 117 ist vorzugsweise so ausgebildet, dass im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 102 mindestens ungefähr 1 Massenprozent, insbesondere mindestens ungefähr 2 Massenprozent, des aus der Anodenseite 112 der Brennstoffzelleneinheit 104 in die Anodenabgasabführung 134 ausströmenden Anodenabgases in die Anodenabgas-Rückführleitung 140 eintritt und aus der Anodenabgas-Rückführleitung 140 in die Brenngaszuführung 114 zurückgeführt wird.
Ferner ist die Entnahmestelle 138 in der Anodenabgasabführung 134 und/oder die Ansaugvorrichtung 117 so ausgebildet, dass im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 102 höchstens ungefähr 12 Massenprozent, insbesondere höchstens ungefähr 10 Massenprozent, des aus der Anodenseite 112 der Brennstoffzelleneinheit in die Anodenabgasabführung 134 ausströmenden Anodenabgases in die Anodenabgas-Rückführleitung 140 eintritt und aus der Anodenabgas-Rückführleitung 140 in die Brenngaszuführung 114 zurückgeführt wird.
Die Anodenabgasrückführung 144 ist stromaufwärts von dem Restgasbrenner 108 und/oder stromaufwärts von dem Abgas-Wärmeübertrager 110 an die Anodenabgasabführung 134 angeschlossen.
Ferner ist die Anodenabgasrückführung 144 stromabwärts von der Reformiervorrichtung 104 an die Brenngaszuführung 114 angeschlossen.
In der Reformiervorrichtung 104 wird ein flüssiger oder gasförmiger Ausgangsbrennstoff, beispielsweise Erdgas, Propan, Butan oder Dieselkraftstoff, welcher der Reformiervorrichtung 104 über eine Brennstoffzuführung 146 zuführbar ist, durch teilweise Oxidation mittels eines Oxidationsmittels, welches der Reformiervorrichtung 104 durch eine Oxidationsmittelzuführung 148 zuführbar ist, in ein Reformat umgewandelt, welches in der Brennstoffzelleneinheit 106 elektrochemisch verstrombare Bestandteile, insbesondere H₂ und CO, enthält.
Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 102 wird ein Teil des aus der Anodenseite 112 der Brennstoffzelleneinheit 106 in die Anodenabgasabführung 134 gelangenden Anodenabgases (einschließlich des darin enthaltenen Wasserdampfes) aufgrund des von der Ansaugvorrichtung 117 an deren Ansaugeinlass 142 erzeugten Unterdrucks durch die Anodenabgas-Rückführleitung 140 stromabwärts von der Anodenseite 112 der Brennstoffzelleneinheit 106 entnommen und der Brenngaszuführung 114 stromaufwärts von der Anodenseite 112 der Brennstoffzelleneinheit 106 wieder zugeführt.
Dabei wird die Rückführung oder Rezyklierung des Teils des Anodenabgases vorzugsweise passiv realisiert, beispielsweise dadurch, dass die Ansaugvorrichtung 117 als eine Venturi-Düse oder als ein Ejektor ausgebildet ist.
Die passive Ansaugvorrichtung 117 erzeugt den für die Rückführung des Anodenabgases erforderlichen Unterdruck mittels der Strömung des Brenngases durch die passive Ansaugvorrichtung 117 hindurch.
Die für das Antreiben der Strömung des Brenngases durch die Brenngaszuführung 114 erforderliche Triebkraft wird beispielsweise über den Druck aus einem Speicherbehälter, beispielsweise einer Gasflasche, aus welcher der Brennstoff der Reformiervorrichtung 104 oder direkt der Brenngaszuführung 114 zugeführt wird, oder über den Gasleitungsdruck in einer Gasleitung, insbesondere einer Erdgasleitung, aus welcher der Brennstoff der Reformiervorrichtung 104 oder direkt der Brenngaszuführung 114 zugeführt wird, bereitgestellt.
Durch den zusätzlichen Wasserdampfanteil, welcher durch das in die Brenngaszuführung 114 zurückgeführte Anodenabgas in das der Anodenseite 112 zugeführte Brenngas eingebracht wird, sinkt die Rußbildungsneigung in der Brennstoffzelleneinheit 106.
Hierfür ist es insbesondere nicht notwendig, dass die Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit 106 erhöht und/oder die Luftzahl λ des aus der Reformiervorrichtung 104 ausströmenden Reformats erhöht wird.
Insbesondere kann 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.
Durch die Rückführung eines Teils des Anodenabgases in die Brenngaszuführung 114 kann der Brenngasnutzungsgrad erhöht werden, da auch ein Teil des in der Anodenseite 112 der Brennstoffzelleneinheit 106 nicht umgesetzten Wasserstoffs und Kohlenmonoxids rezykliert und wieder der Brenngaszuführung 114 zugeführt wird.
Die Brennstoffzelleneinheit 106 kann insbesondere als eine Hochtemperatur-Brennstoffzelleneinheit, beispielsweise als eine SOFC(„Solid Oxide Fuel Cell“)-Brennstoffzelleneinheit, ausgebildet sein.
Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 102 weist die Brennstoffzelleneinheit 106 vorzugsweise eine Betriebstemperatur von 820°C oder weniger, insbesondere von 780°C oder weniger, und das aus der Reformiervorrichtung 104 in die Brenngaszuführung 114 gelangende Reformat vorzugsweise eine Luftzahl λ von 0,4 oder weniger, insbesondere von 0,31 oder weniger, auf.
Hierdurch wird eine zu rasche Alterung der Reformiervorrichtung 104 (insbesondere eines darin enthaltenen Oxidations-Katalysators) aufgrund einer hohen Luftzahl λ des Reformats und/oder eine zu rasche Alterung der Brennstoffzelleneinheit 106 aufgrund einer hohen Betriebstemperatur (und der damit verbundenen Effekte der Korrosion, des Abdampfens katalytisch aktiver Schichten und der thermomechanischen Überbeanspruchung) vermieden.

Claims

Brennstoffzellenvorrichtung, umfassend eine elektrochemisch aktive Brennstoffzelleneinheit (106), deren Anodenseite (112) von einem über eine Brenngaszuführung (114) zuführbaren Brenngas und deren Kathodenseite (124) von einem Oxidationsmittel durchströmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenvorrichtung (102) eine Anodenabgasrückführung (144) umfasst, mittels welcher ein Teil eines Anodenabgases einer Anodenabgasabführung (134), welche vom Anodenabgas der Brennstoffzelleneinheit (106) durchströmbar ist, stromabwärts von der Anodenseite (112) der Brennstoffzelleneinheit (106) entnehmbar und der Brenngaszuführung (114) stromaufwärts von der Anodenseite (112) der Brennstoffzelleneinheit (106) zuführbar ist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenvorrichtung (102) eine Ansaugvorrichtung (117) zum Ansaugen von Anodenabgas aus der Anodenabgasabführung (134) in die Anodenabgasrückführung (144) umfasst.
Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansaugvorrichtung (117) als eine passive Ansaugvorrichtung ausgebildet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansaugvorrichtung (117) eine Venturi-Düse und/oder einen Ejektor umfasst.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansaugvorrichtung (117) von dem der Anodenseite (112) der Brennstoffzelleneinheit (106) zuzuführenden Brenngas durchströmbar ist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansaugvorrichtung (117) in einem Gasverteilermodul (115) der Brennstoffzellenvorrichtung (102) angeordnet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Anodenabgasrückführung (144) ein Anteil von mindestens ungefähr 1 Massenprozent des aus der Anodenseite (112) der Brennstoffzelleneinheit (106) ausströmenden Anodenabgases zu der Brenngaszuführung (114) zurückführbar ist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Anodenabgasrückführung (144) ein Anteil von höchstens ungefähr 12 Massenprozent des aus der Anodenseite (112) der Brennstoffzelleneinheit (106) ausströmenden Anodenabgases zu der Brenngaszuführung (114) zurückführbar ist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenvorrichtung (102) einen Restgasbrenner (108) und/oder einen Abgas-Wärmeübertrager (110) umfasst und dass die Anodenabgasrückführung (144) stromaufwärts von dem Restgasbrenner (108) und/oder stromaufwärts von dem Abgas-Wärmeübertrager (110) an die Anodenabgasabführung (134) angeschlossen ist.
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, und dass die Anodenabgasrückführung (144) stromabwärts von der Reformiervorrichtung (104) an die Brenngaszuführung (114) angeschlossen ist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenabgasrückführung (144) innerhalb eines Gasverteilermoduls (115) der Brennstoffzellenvorrichtung (102) an die Brenngaszuführung (114) angeschlossen ist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (106) als eine Hochtemperatur-Brennstoffzelleneinheit ausgebildet ist.
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (102), welche eine elektrochemisch aktive Brennstoffzelleneinheit (106) umfasst, deren Anodenseite (112) von einem über eine Brenngaszuführung (114) zugeführten Brenngas und deren Kathodenseite (124) von einem Oxidationsmittel durchströmt wird, umfassend Folgendes: - Entnehmen eines Teils eines Anodenabgases aus einer Anodenabgasabführung (134), welche vom Anodenabgas der Brennstoffzelleneinheit (106) durchströmt wird, stromabwärts von der Anodenseite (112) der Brennstoffzelleneinheit (106); und - Zuführen des Teils des Anodenabgases zu der Brenngaszuführung (114) stromaufwärts von der Anodenseite der Brennstoffzelleneinheit (106).
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzahl (λ) des der Anodenseite (112) der Brennstoffzelleneinheit (106) zugeführten Gemisches aus Brenngas und Anodenabgas 0,4 oder weniger beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit (106) 820°C oder weniger beträgt.