DE102018218278A1 - Brennstoffzellensysteme mit blockinterner Reformierung - Google Patents

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Michele Bozzolo
Robert Hay Cunningham
Gary John Saunders
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Abstract

Bereitgestellt werden ein Brennstoffzellensystem und entsprechende Verfahren. Das Brennstoffzellensystem weist einen zur blockinternen Reformierung konfigurierten Brennstoffzellenstack sowie einen Vorreformer auf. Der Brennstoffzellenstack kann mehrere Brennstoffzellen aufweisen. Ferner kann der Brennstoffzellenstack einen Brennstoffzufuhrverteiler, einen Brennstoffabgasverteiler, einen Oxidationsmittelzufuhrverteiler und einen Oxidationsmittelabgasverteiler aufweisen. Der Brennstoffzufuhrverteiler kann so konfiguriert sein, dass er Brennstoff aufnimmt und den Brennstoff dem Brennstoffzellenstack zur blockinternen Reformierung zuführt. Der Brennstoffabgasverteiler kann so konfiguriert sein, dass er Brennstoffabgas aus dem Brennstoffzellenstack austreibt. Der Oxidationsmittelzufuhrverteiler kann so konfiguriert sein, dass er ein Oxidationsmittel aufnimmt und das Oxidationsmittel dem Brennstoffzellenstack zur blockinternen Reformierung zuführt. Der Oxidationsmittelabgasverteiler kann so konfiguriert sein, dass er Oxidationsmittelabgas aus dem Brennstoffzellenstack austreibt.

Description

  • Gebiet
  • Die Offenbarung betrifft allgemein Brennstoffzellensysteme und insbesondere Brennstoffzellensysteme mit blockinterner Brennstoffreformierung sowie entsprechende Verfahren.
  • Hintergrund
  • Ein Brennstoffzellenstack ist ein elektrochemisches System, in dem ein Brennstoff (z. B. Wasserstoff) mit einem Oxidationsmittel (z. B. Sauerstoff) bei hoher Temperatur zur Reaktion gebracht wird, um Elektrizität zu erzeugen. Der Brennstoffzellenstack kann mehrere Brennstoffzellen aufweisen, wobei jede Brennstoffzelle eine Anode, eine Kathode und einen Elektrolyt hat. Normalerweise wird der Brennstoffzellenstack durch ein System von Komponenten unterstützt, z. B. Reformern, Wärmetauschern, Ejektoren, Nachbrennern, Brennstoff- und Oxidationsmittelquellen und anderen Komponenten. Beispielsweise kann eine Quelle für nicht reformierten Brennstoff über einen Brennstoffejektor einem Reformer des Brennstoffzellensystems zugeführt werden. Der Reformer kann den Brennstoff mit Hilfe eines Dampfverfahrens, eines Trockenverfahrens oder eines anderen Reformierungsverfahrens partiell oder vollständig reformieren, um ein Reformat herzustellen, das Anoden einer Brennstoffzelle zugeführt wird. Beispielsweise reagiert bei der Dampfreformierung von Erdgas - mitunter Methandampfreformierung (SMR) genannt - Dampf mit Methan bei hohen Temperaturen (600 °C - 1100 °C) und in Gegenwart eines Katalysators auf Metallbasis, um Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu ergeben (CH4 + H2O ⇌ CO + 3H2). Mit Dampfreformierung können auch höhere Kohlenwasserstoffe durch den gleichen Prozess umgewandelt werden (C2H6 + 2H2O ⇌ 2CO + 5H2), sofern diese höheren Kohlenwasserstoffe nicht bereits aus dem Prozessgasstrom durch einen anderen Prozess entfernt wurden (z. B. Vorreformierung). Die Brennstoffzelle kann Brennstoffabgas von der Anode austreiben und das Abgas einer Ansaugung eines Brennstoffejektors oder einem Hilfssystem zuführen.
  • Zusätzlich stellt eine Oxidationsmittelzufuhr ein Oxidationsmittel für die Kathoden der Brennstoffzelle bereit. Die Brennstoffzelle kann Oxidationsmittelabgas, z. B. unverbrauchtes Oxidationsmittel, von der Kathode austreiben. Um die Reformierung des nicht reformierten Brennstoffs zu erleichtern, kann das Brennstoffzellensystem für eine Wärmezufuhr zum Reformer sorgen, indem es das Kathodenabgas oder ein anderes heißes Fluid dem Reformer zuführt. Nach Übertragung seiner Wärme in den Reformierungsbrennstoffkann das Kathodenabgas einem Hilfssystem zugeführt und/oder zurück zu den Kathoden der Brennstoffzelle über einen Oxidationsmittelluftejektor rezykliert bzw. rückgeführt werden.
  • Die Temperatur des rückgeführten und frischen Oxidationsmittels, das den Kathoden zugeführt wird, steigt infolge der Wärmezufuhr, wenn es den Brennstoffzellenstack durchläuft. Allerdings kann die Wärmezufuhr in das Oxidationsmittel unzureichend sein, um das Oxidationsmittel im thermischen Gleichgewicht zu halten, wenn es das Brennstoffzellensystem durchströmt. Dies ist beispielsweise Folge der relativ großen Wärmezufuhrmenge, die zur Unterstützung der Reformierung des Kohlenwasserstoffbrennstoffs notwendig ist. Um das Oxidationsmittel thermisch auszugleichen, wenn es den Brennstoffzellenstack durchströmt, kann ein Wärmetauscher in das Brennstoffzellensystem eingeführt sein, normalerweise stromaufwärts von einem Kathodeneinlass. Dem Wärmetauscher können Verbrennungsprodukte zugeführt werden, um eine Reaktion zu erzeugen, die Wärme produziert. Zu den Verbrennungsprodukten können Brennstoffabgas, z. B. unverbrauchter Brennstoff, und Kathodenabgas gehören. Die Reaktion kann im Wärmetauscher oder in einer anderen Komponente erfolgen, z. B. einem Nachbrenner, der stromaufwärts vom Wärmetauscher liegt.
  • In dieser Konfiguration wird das Oxidationsmittel normalerweise im thermischen Gleichgewicht gehalten, wenn es das Brennstoffzellensystem im Verlauf von normalen Betriebsvorgängen durchströmt. Die im Brennstoffzellenstack erzeugte Wärme, die in den Brennstoff im Reformer übertragene Wärme, die Kühlwirkung des sich am Kathodenejektor mischenden Oxidationsmittels und die Wärmezufuhr von einem Wärmetauscher gleichen sich aus, um dieses thermische Gleichgewicht beizubehalten; tatsächlich ist ein Wärmetauscher stromaufwärts vom Kathodeneinlass für einen solchen Zweck bemessen.
  • Eine Art von Brennstoffzelle ist die Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC). Zu den Grundkomponenten einer SOFC können eine Anode, eine Kathode, ein Festelektrolyt und ein Interkonnektor gehören. Der Brennstoff kann der Anode zugeführt werden, und das Oxidationsmittel kann der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt werden. An der Kathode ionisieren Elektronen das Oxidationsmittel. Der Elektrolyt kann ein Material aufweisen, dass dem ionisierten Oxidationsmittel ermöglicht, ihn zur Anode zu durchlaufen, während es gleichzeitig für den Fluidbrennstoff und das Oxidationsmittel undurchlässig ist. An der Anode wird der Brennstoff mit dem ionisierten Oxidationsmittel in einer Reaktion kombiniert, die Elektronen freisetzt, die über den Interkonnektor zurück zur Kathode geleitet werden. Aus ohmschen Verlusten erzeugte Wärme wird aus der Brennstoffzelle durch ein Brennstoff- (d. h. Anoden-) Abgas oder ein Oxidationsmittel- (d. h. Kathoden-) Abgas abgeführt, oder Wärme wird in die Umgebung abgestrahlt.
  • Die Anode einer SOFC kann ein Misch-Cermet sein, das Nickel und Zirkonoxid (z. B. yttriumstabilisiertes Zirkonoxid (YSZ)) oder Nickel und Ceroxid (z. B. gadoliniumoxiddotiertes Ceroxid (GDC)) aufweist. Nickel und andere Materialien können so fungieren, dass sie nicht nur die chemische Reaktion zwischen dem Brennstoff und dem ionisierten Oxidationsmittel unterstützen, sondern können katalytische Eigenschaften haben, die es der Anode ermöglichen, einen Kohlenwasserstoffbrennstoff in der Brennstoffzelle zu reformieren. Ein Verfahren zum Reformieren des Kohlenwasserstoffbrennstoffs ist die Dampfreformierung von Methan (CH4), eine endotherme Reaktion (Gleichung 1): CH4 + H2O → CO + 3H2 ΔH° = 206,2 kJ/Mol (Gleichung 1)
  • Verfügbar sind auch alternative Reformierungsverfahren. Beispielsweise kann der Kohlenwasserstoffbrennstoff durch Kohlendioxidreformierung (auch als Trockenreformierung bekannt) reformiert werden (Gleichung 2): CO2 + CH4 → 2H2 +2CO (Gleichung 2)
  • Eine SOFC kann z. B. als Segment-In-Series- oder In-Plane-Series- Anordnung individueller Zellen aufgebaut sein. Normalerweise wird das Oxidationsmittel an einem Ende der Reihe von Brennstoffzellen über einen Oxidationsmitteleinlass eingeleitet und strömt über die übrigen Brennstoffzellen, bis es einen Kathodenabgasauslass erreicht. Jede Brennstoffzelle überträgt Wärme in das Oxidationsmittel, wodurch seine Temperatur steigt. In der Brennstoffzelle kann sich ein Temperaturgradient entwickeln, der vom Oxidationsmitteleinlass zum Oxidationsmittel-Abgasauslass zunimmt. Diese Temperaturgradienten können Wärmespannungen an der Brennstoffzelle verursachen, die zu Materialbeeinträchtigung oder Ausfall von Brennstoffzellenkomponenten führen können. Zusätzlich können die Wärmespannungen an der Brennstoffzelle die Brennstoffzellenleistung reduzieren. Einige Brennstoffzellensysteme versuchen, dieses Problem durch den Einsatz von blockinterner Reformierung (IBR) zu mildern, bei der ein Teil des Brennstoffs im Brennstoffzellenstack reformiert wird. Allerdings erfordern diese Systeme normalerweise immer noch einen Reformer sowie einen Wärmetauscher. Somit bestehen Möglichkeiten für Verbesserungen an Brennstoffzellensystemen, die zur blockinternen Reformierung konfiguriert sind.
  • Zusammenfassung
  • Gemäß einigen Ausführungsformen der Offenbarung wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt. Das Brennstoffzellensystem kann eine Brennstoffquelle und eine Oxidationsmittelquelle aufweisen. Ferner weist das Brennstoffzellensystem einen zur IBR konfigurierten Brennstoffzellenstack, einen Anodenejektor und einen Vorreformer auf. Der Brennstoffzellenstack kann mehrere Brennstoffzellen aufweisen, wobei jede Brennstoffzelle eine Anode, eine Kathode und einen Elektrolyt aufweist. Die Brennstoffzellen können SOFCs sein. Ferner kann der Brennstoffzellenstack einen Brennstoffzufuhrverteiler, einen Brennstoffabgasverteiler, einen Oxidationsmittelzufuhrverteiler und einen Oxidationsmittelabgasverteiler aufweisen. Der Brennstoffzufuhrverteiler kann so konfiguriert sein, dass er Brennstoff aufnimmt und den Brennstoff den Anoden der mehreren Brennstoffzellen zuführt. Der Brennstoffabgasverteiler kann so konfiguriert sein, dass er Brennstoffabgas aus dem Brennstoffzellenstack austreibt. Der Oxidationsmittelzufuhrverteiler kann so konfiguriert sein, dass er ein Oxidationsmittel aufnimmt und das Oxidationsmittel den Kathoden der mehreren Brennstoffzellen zuführt, und der Oxidationsmittelabgasverteiler kann so konfiguriert sein, dass er Oxidationsmittelabgas aus dem Brennstoffzellenstack austreibt.
  • Der Anodenejektor des Brennstoffzellensystems kann so konfiguriert sein, dass er Brennstoff von einer Brennstoffquelle aufnimmt, einen Teil von Abgas vom Brennstoffzellenstack aufnimmt und einen Brennstoffstrom zuführt, der mindestens einen Teil des aufgenommenen Brennstoffs und/oder des aufgenommenen Teils des Abgases aufweist. In einigen Beispielen ist der Anodenejektor so konfiguriert, dass er den Brennstoffstrom auf der Grundlage eines Rückführverhältnisses von mindestens 7,5 (d. h. 750 %) zuführt. Das Rückführverhältnis ist das (massebezogene) Verhältnis der Menge des aufgenommenen Teils des rückgeführten Brennstoffs, in diesem Beispiel des Brennstoffabgases, zur Menge des aufgenommenen Brennstoffs, der als Brennstoffstrom bereitgestellt wird. In einigen Beispielen ist der Anodenejektor so konfiguriert, dass er den Brennstoffstrom auf der Grundlage eines Rückführverhältnisbereichs zwischen 4,5 und 15 (d. h. 450 % und 1500 %) zuführt. In anderen Beispielen ist der Anodenejektor so konfiguriert, dass er den Brennstoffstrom auf der Grundlage eines Rückführverhältnisbereichs zwischen 6 und 8 (d. h. 600 % und 800 %) zuführt. In einigen Beispielen ist der Anodenejektor so konfiguriert, dass er einen Teil von Brennstoffabgas vom Brennstoffzellenstack aufnimmt, ohne einen Wärmetauscher zu durchlaufen.
  • Wie zuvor erwähnt, kann das Brennstoffzellensystem auch einen Vorreformer aufweisen. Der Vorreformer kann zwischen einem Auslass des Anodenejektors und dem Brennstoffzufuhrverteiler angeordnet sein und kann so konfiguriert sein, dass er höhere Kohlenwasserstoffe aus dem vom Anodenejektor aufgenommenen Brennstoffstrom entfernt. Der Vorreformer kann auch so konfiguriert sein, dass er den vorreformierten Brennstoff dem Brennstoffzufuhrverteiler zuführt. In einigen Beispielen führt der Vorreformer den vorreformierten Brennstoff direkt dem Brennstoffzufuhrverteiler zu. In einigen Beispielen kann der Vorreformer ein adiabatischer katalytischer Konverter sein, der so konfiguriert ist, dass er die höheren Kohlenwasserstoffe ohne andere Wärmezufuhr als Wärme aus dem Brennstoffstrom vom Anodenejektor entfernt.
  • In einigen Ausführungsformen kann das Brennstoffzellensystem auch einen Hilfsejektor aufweisen. Zum Beispiel kann der Hilfsejektor so konfiguriert sein, dass er einen Teil von Brennstoffabgas vom Brennstoffzellenstack aufnimmt und Oxidationsmittelabgas vom Oxidationsmittelabgasverteiler aufnimmt. In einigen Ausführungsformen weist das Brennstoffzellensystem auch einen Nachbrenner auf, der so konfiguriert ist, dass er Brennstoffabgas vom Brennstoffzellenstack sowie Oxidationsmittelabgas vom Hilfsejektor aufnimmt. In einigen Ausführungsformen kann das Brennstoffzellensystem auch eine Turbine aufweisen, die so konfiguriert ist, dass sie Abgas vom Nachbrenner aufnimmt.
  • In einigen Beispielen weist das Brennstoffzellensystem einen Wärmetauscher auf, der stromaufwärts oder stromabwärts vom Kathodenejektor liegt. Der Wärmetauscher kann Wärme aus dem Abgas des Hilfsejektors zur Oxidationsmittelzufuhr übertragen. In einigen Beispielen weist das Brennstoffzellensystem keine Wärmetauscher auf.
  • In einigen Ausführungsformen kann das Brennstoffzellensystem einen Kompressor aufweisen, der so konfiguriert ist, dass er Oxidationsmittel von der Oxidationsmittelquelle aufnimmt. In einigen Ausführungsformen kann das Brennstoffzellensystem auch einen Kathodenejektor aufweisen, wobei der Kathodenejektor so konfiguriert sein kann, dass er Oxidationsmittel vom Kompressor aufnimmt, Oxidationsmittelabgas vom Oxidationsmittelabgasverteiler des Brennstoffzellenstacks aufnimmt und die aufgenommenen Oxidationsmittel in verschiedenen Anteilen dem Oxidationsmitteleinlassverteiler des Brennstoffzellenstacks zuführt. In einigen Beispielen wird das Oxidationsmittelabgas vom Kathodenejektor dem Oxidationsmitteleinlassverteiler des Brennstoffzellenstacks zugeführt, ohne einen Wärmetauscher zu durchlaufen.
  • Gemäß einigen Ausführungsformen der Offenbarung wird ein Festoxid-Brennstoffzellensystem bereitgestellt. Das Festoxid-Brennstoffzellensystem kann einen zur IBR konfigurierten Festoxid-Brennstoffzellenstack aufweisen, der mindestens eine Festoxid-Brennstoffzelle aufweist, wobei jede Festoxid-Brennstoffzelle eine Anode, eine Kathode und einen Elektrolyt aufweist.
  • Ferner kann das Festoxid-Brennstoffzellensystem eine Anodenschleife zum Zuführen von Brennstoff und Reformat zur Anode jeder Festoxid-Brennstoffzelle aufweisen. Die Anodenschleife kann einen Brennstoffeinlassverteiler, einen Brennstoffabgasverteiler, eine Brennstoffquelle, einen Anodenejektor und einen Vorreformer aufweisen. Der Brennstoffeinlassverteiler kann so konfiguriert sein, dass er der Anode jeder Festoxid-Brennstoffzelle Brennstoff zuführt. Der Brennstoffabgasverteiler kann so konfiguriert sein, dass er Brennstoffabgas, z. B. unverbrauchten Brennstoff oder partiell abgereicherten reformierten Brennstoff, von der Anode jeder Festoxid-Brennstoffzelle aufnimmt. Der Anodenejektor kann so konfiguriert sein, dass er Brennstoff von der Brennstoffquelle und vom Brennstoffabgasverteiler aufnimmt und einen Brennstoffstrom zuführt, der mindestens einen Teil der aufgenommenen Brennstoffe von der Brennstoffquelle und/oder dem Brennstoffabgasverteiler aufweist. In einigen Beispielen ist der Anodenejektor so konfiguriert, dass er den Brennstoffstrom auf der Grundlage eines Rückführverhältnisses von mindestens 7,5 zuführt. In einigen Beispielen führt der Anodenejektor auf der Grundlage des Rückführverhältnisses, beispielsweise 7,5, einen Brennstoffstrom zu, der weniger als etwa 11 % Methan enthält. Der Vorreformer kann zwischen einem Auslass des Anodenejektors und dem Festoxid-Brennstoffzellenstack angeordnet sein und kann so konfiguriert sein, dass er höhere Kohlenwasserstoffe aus dem vom Anodenejektor aufgenommenen Brennstoffstrom entfernt.
  • Zudem kann das Festoxid-Brennstoffzellensystem eine Kathodenschleife zum Zuführen von Oxidationsmittel zur Kathode jeder Festoxid-Brennstoffzelle aufweisen. Die Kathodenschleife kann einen Oxidationsmitteleinlassverteiler, einen Oxidationsmittelabgasverteiler und eine Oxidationsmittelquelle aufweisen. Der Oxidationsmitteleinlassverteiler kann so konfiguriert sein, dass er der Kathode jeder Festoxid-Brennstoffzelle Oxidationsmittel zuführt, und der Oxidationsmittelabgasverteiler kann so konfiguriert sein, dass er Oxidationsmittelabgas von jeder Kathode der Festoxid-Brennstoffzellen aufnimmt.
  • In einigen Ausführungsformen weist das Festoxid-Brennstoffzellensystem einen Kompressor auf, der so konfiguriert ist, dass er Oxidationsmittel von der Oxidationsmittelquelle aufnimmt. In einigen Beispielen kann die Kathodenschleife auch einen Kathodenejektor aufweisen. Der Kathodenejektor kann so konfiguriert sein, dass er Oxidationsmittel vom Kompressor aufnimmt, Oxidationsmittelabgas vom Oxidationsmittelabgasverteiler des Brennstoffzellenstacks aufnimmt und die aufgenommenen Oxidationsmittel in verschiedenen Anteilen dem Oxidationsmitteleinlassverteiler des Brennstoffzellenstacks zuführt.
  • Weiterhin kann das Festoxid-Brennstoffzellensystem eine Hilfsschleife zum Verbrennen eines Teils des Brennstoffabgases vom Brennstoffabgasverteiler und eines Teils des Oxidationsmittelabgases vom Oxidationsmittelabgasverteiler aufweisen. In einigen Beispielen kann die Hilfsschleife einen Hilfsejektor und einen Nachbrenner aufweisen. Der Hilfsejektor kann so konfiguriert sein, dass er einen Teil des Oxidationsmittelabgases vom Oxidationsmittelabgasverteiler aufnimmt, einen Teil von Oxidationsmittel von der Oxidationsmittelquelle aufnimmt und einen Teil von Brennstoffabgas vom Brennstoffabgasverteiler aufnimmt. Der Nachbrenner kann so konfiguriert sein, dass er das Abgas vom Hilfsejektor aufnimmt. In einigen Ausführungsformen weist das Festoxid-Brennstoffzellensystem eine Turbine auf, die so konfiguriert ist, dass sie das Abgas vom Nachbrenner aufnimmt.
  • In einigen Ausführungsformen wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, das einen Brennstoffzellenblock, einen blockexternen Oxidationsmittelströmungsweg und einen blockexternen Brennstoffströmungsweg aufweist. Der Brennstoffzellenblock weist einen Brennstoffzellenstack mit mehreren Festoxid-Brennstoffzellen auf, wobei jede Festoxid-Brennstoffzelle eine Anode, eine Kathode und einen Elektrolyt aufweist. Der Brennstoffzellenblock kann auch einen blockinternen Brennstoffaufgabeströmungsweg aufweisen, der einen Brennstoffzuführverteiler, einen Brennstoffabgasverteiler und einen oder mehrere Brennstoffaufgabekanäle in Fluidkommunikation mit dem Brennstoffzufuhrverteiler und dem Brennstoffabgasverteiler aufweist, wobei jede Anode zu einem Brennstoff freiliegt, der in einem oder mehreren der Brennstoffaufgabekanäle strömt. Ferner kann der Brennstoffzellenblock einen blockinternen Oxidierströmungsweg aufweisen, der einen Oxidationsmittelzuführverteiler, einen Oxidationsmittelabgasverteiler und einen oder mehrere Oxidierkanäle in Fluidkommunikation mit dem Oxidationsmittelzuführverteiler und dem Oxidationsmittelabgasverteiler aufweist, wobei jede Kathode zu einem Oxidationsmittel freiliegt, das in einem oder mehreren Oxidierkanälen strömt.
  • Der blockexterne Oxidationsmittelströmungsweg kann einen Kathodenejektor mit einem Oxidationsmittelzufuhreingang, einem Oxidationsmittelrückführeingang und einem kombinierten Oxidationsmittelausgang aufweisen. Beispielsweise kann der kombinierte Oxidationsmittelausgang eine Mischung aus Oxidationsmittel, das über den Oxidationsmittelzufuhreingang aufgenommen wird, und rückgeführtem Oxidationsmittel bereitstellen, das über den Oxidationsmittelrückführeingang aufgenommen wird. Der blockexterne Oxidationsmittelströmungsweg kann auch eine Oxidationsmittelzufuhrleitung in Fluidkommunikation mit dem Kathodenejektor-Oxidationsmittelzufuhreingang, eine Oxidationsmittelquelle in Fluidkommunikation mit der Oxidationsmittelzufuhrleitung, eine Oxidationsmittelrückführleitung in Fluidkommunikation mit dem Kathodenejektor-Oxidationsmittelrückführeingang und dem blockinternen Oxidierströmungsweg-Oxidationsmittelabgasverteiler aufweisen. Ferner kann der blockexterne Strömungsweg eine kombinierte Oxidationsmittelzufuhrleitung in Fluidkommunikation mit dem kombinierten Kathodenejektor-Oxidationsmittelausgang und dem blockinternen Oxidierströmungsweg-Oxidationsmittelzufuhrverteiler aufweisen.
  • Der blockexterne Brennstoffströmungsweg kann einen Anodenejektor aufweisen, der einen Brennstoffzufuhreingang, einen Brennstoffrückführeingang und einen kombinierten Brennstoffausgang hat. Beispielsweise kann der kombinierte Brennstoffausgang einen kombinierten Brennstoff auf der Grundlage von Brennstoff, der über den Brennstoffzufuhreingang aufgenommen wird, und rückgeführtem Brennstoff bereitstellen, der über den Brennstoffrückführeingang aufgenommen wird. Der blockexterne Strömungsweg kann auch eine Brennstoffzufuhrleitung in Fluidkommunikation mit dem Anodenejektor-Brennstoffzufuhreingang, eine Brennstoffquelle in Fluidkommunikation mit der Brennstoffzufuhrleitung, eine Brennstoffrückführleitung in Fluidkommunikation mit dem Anodenejektor-Brennstoffrückführeingang und dem blockinternen Brennstoffaufgabeströmungsweg-Brennstoffabgasverteiler sowie eine kombinierte Brennstoffzufuhrleitung in Fluidkommunikation mit dem kombinierten Anodenejektor-Brennstoffausgang und dem blockinternen Brennstoffaufgabeströmungsweg-Brennstoffzufuhrverteiler aufweisen.
  • In einigen Beispielen sind der blockexterne Brennstoffströmungsweg zusammen mit dem blockinternen Brennstoffaufgabeströmungsweg so konfiguriert, dass sie ein Rückführverhältnis im Bereich von 6:1 bis 8:1 einer in den Anodenejektor-Brennstoffrückführeingang strömenden Brennstoffmasse zu einer in den Anodenejektor-Brennstoffzufuhreingang strömenden Brennstoffmasse bewirken. In anderen Beispielen sind der blockexterne Brennstoffströmungsweg zusammen mit dem blockinternen Brennstoffaufgabeströmungsweg so konfiguriert, dass sie ein Rückführverhältnis im Bereich von 4,5:1 bis 15:1 einer in den Anodenejektor-Brennstoffrückführeingang strömenden Brennstoffmasse zu einer in den Anodenejektor-Brennstoffzufuhreingang strömenden Brennstoffmasse bewirken. In noch anderen Beispielen sind der blockexterne Brennstoffströmungsweg zusammen mit dem blockinternen Brennstoffaufgabeströmungsweg so konfiguriert, dass sie ein Rückführverhältnis von etwa 7,5:1 einer in den Anodenejektor-Brennstoffrückführeingang strömenden Brennstoffmasse zu einer in den Anodenejektor-Brennstoffzufuhreingang strömenden Brennstoffmasse bewirken.
  • In einigen Beispielen sind der blockexterne Brennstoffströmungsweg zusammen mit dem blockinternen Brennstoffaufgabeströmungsweg so konfiguriert, dass sie einen Gewichtsprozentsatz von Methan in einem Fluid, das in den blockinternen Brennstoffaufgabeströmungsweg-Brennstoffzufuhrverteiler strömt, von höchstens elf Prozent bewirken. In einigen Beispielen sind der blockexterne Brennstoffströmungsweg zusammen mit dem blockinternen Brennstoffaufgabeströmungsweg so konfiguriert, dass sie einen Gewichtsprozentsatz von Methan in einem Fluid, das in den blockinternen Brennstoffaufgabeströmungsweg-Brennstoffzuführverteiler strömt, im Bereich von 0 bis 11 Prozent bewirken.
  • In einigen Beispielen verfügt das Brennstoffzellensystem über einen blockexternen Hilfsströmungsweg, der einen Hilfsejektor mit einem Oxidationsmittelzufuhreingang, einem Brennstoffabgaseingang, einem Oxidationsmittelabgaseingang, einem Rückführeingang und einem Ausgang aufweist. Ferner verfügt der Hilfsströmungsweg über eine Oxidationsmittelzufuhrleitung in Fluidkommunikation mit dem Hilfsejektor-Oxidationsmittelzufuhreingang und der Oxidationsmittelquelle; eine Brennstoffabgasleitung in Fluidkommunikation mit dem Hilfsejektor-Brennstoffabgaseingang und dem blockinternen Brennstoffaufgabeströmungsweg-Brennstoffabgasverteiler; eine Oxidationsmittelabgasleitung in Fluidkommunikation mit dem Hilfsejektor-Oxidationsmittelabgaseingang und dem blockinternen Oxidierströmungsweg-Oxidationsmittelabgasverteiler; eine Hilfsabgasleitung in Fluidkommunikation mit dem Hilfsejektorausgang; und eine Rückführleitung in Fluidkommunikation mit dem Hilfsejektor-Rückführeingang und der Hilfsabgasleitung.
  • In einigen Beispielen weist der Hilfsströmungsweg einen Nachbrenner auf. In einigen Beispielen verfügt das Brennstoffzellensystem über einen Wärmetauscher zum Übertragen von Wärmeenergie zwischen einem Fluidausgang des Nachbrenners und einem Fluid, das in der kombinierten Oxidationsmittelzufuhrleitung strömt. In einigen Beispielen liegt der Wärmetauscher zwischen einem Fluidausgang des Nachbrenners und einem Fluid, das in der Oxidationsmittelzufuhrleitung strömt.
  • Gemäß einigen Ausführungsformen der Offenbarung weist ein Brennstoffzellensystem einen zur IBR konfigurierten Brennstoffzellenstack auf, der mehrere Kammern (z. B. Segmente) aufweist. Ferner kann das Brennstoffzellensystem mehrere Anodenejektoren und Vorreformer verwenden. Das Brennstoffzellensystem kann auch eine Brennstoffquelle und eine Oxidationsmittelquelle aufweisen. Zudem kann das Brennstoffzellensystem einen ersten Anodenejektor, einen zweiten Anodenejektor, einen ersten Vorreformer und einen zweiten Vorreformer aufweisen. Der Brennstoffzellenstack kann mehrere Brennstoffzellen aufweisen, wobei jede Brennstoffzelle eine Anode, eine Kathode und einen Elektrolyt aufweist. Die Brennstoffzellen können SOFCs sein.
  • Jede Kammer des Brennstoffzellenstacks kann einen Brennstoffzufuhrverteiler und einen Brennstoffabgasverteiler aufweisen. Eine Kammer des Brennstoffzellenstacks kann einen Oxidationsmittelzufuhrverteiler aufweisen, wobei eine weitere Kammer des Brennstoffzellenstacks einen Oxidationsmittelabgasverteiler aufweist. Der Brennstoffzufuhrverteiler jedes Brennstoffzellenstacks kann so konfiguriert sein, dass er Brennstoff aufnimmt und den Brennstoff den Anoden der mehreren Brennstoffzellen zuführt. Der Brennstoffabgasverteiler jedes Brennstoffzellenstacks kann so konfiguriert sein, dass er Brennstoffabgas aus dem Brennstoffzellenstack austreibt. Der Oxidationsmittelzufuhrverteiler einer Kammer des Brennstoffzellenstacks kann so konfiguriert sein, dass er ein Oxidationsmittel aufnimmt und das Oxidationsmittel den Kathoden der mehreren Brennstoffzellen zuführt, und der Oxidationsmittelabgasverteiler einer weiteren Kammer des Brennstoffzellenstacks kann so konfiguriert sein, dass er das Oxidationsmittel aus dem Brennstoffzellenstack abführt.
  • Ein erster Anodenejektor des Brennstoffzellensystems kann so konfiguriert sein, dass er Brennstoff von der Brennstoffquelle aufnimmt, einen Teil von Brennstoffabgas von einer Kammer des Brennstoffzellenstacks aufnimmt und einen ersten Brennstoffstrom zuführt, der mindestens einen Teil des aufgenommenen Brennstoffs und/oder des aufgenommenen Teils des Brennstoffabgases aufweist. Beispielsweise kann der erste Brennstoffstrom einem ersten Vorreformer zugeführt werden. In einigen Beispielen ist der erste Anodenejektor so konfiguriert, dass er einen Teil des Brennstoffabgases von einer Kammer des Brennstoffzellenstacks aufnimmt, ohne einen Wärmetauscher zu durchlaufen.
  • Der erste Vorreformer kann zwischen einem Auslass des ersten Anodenejektors und dem Brennstoffzufuhrverteiler angeordnet sein und kann so konfiguriert sein, dass er höhere Kohlenwasserstoffe aus dem vom ersten Anodenejektor aufgenommenen ersten Brennstoffstrom entfernt. In einigen Beispielen kann der erste Vorreformer ein adiabatischer katalytischer Konverter sein, der so konfiguriert ist, dass er die höheren Kohlenwasserstoffe ohne andere Wärmezufuhr als Wärme aus dem Brennstoffstrom vom ersten Anodenejektor entfernt.
  • Ein zweiter Anodenejektor des Brennstoffzellensystems kann so konfiguriert sein, dass er Brennstoff von der Brennstoffquelle aufnimmt, einen Teil von Brennstoffabgas von einer weiteren Kammer des Brennstoffzellenstacks aufnimmt und einen zweiten Brennstoffstrom zuführt, der mindestens einen Teil des aufgenommenen Brennstoffs und/oder des aufgenommenen Teils des Brennstoffabgases aufweist. Beispielsweise kann der zweite Brennstoffstrom einem zweiten Vorreformer zugeführt werden. In einigen Beispielen ist der zweite Anodenejektor so konfiguriert, dass er einen Teil des Brennstoffabgases von der anderen Kammer des Brennstoffzellenstacks aufnimmt, ohne einen Wärmetauscher zu durchlaufen.
  • Der zweite Vorreformer kann zwischen einem Auslass des zweiten Anodenejektors und dem Brennstoffzufuhrverteiler angeordnet sein und kann so konfiguriert sein, dass er höhere Kohlenwasserstoffe aus dem vom zweiten Anodenejektor aufgenommenen zweiten Brennstoffstrom entfernt. In einigen Beispielen kann der zweite Vorreformer ein adiabatischer katalytischer Konverter sein, der so konfiguriert ist, dass er die höheren Kohlenwasserstoffe ohne andere Wärmezufuhr als Wärme aus dem Brennstoffstrom vom zweiten Anodenejektor entfernt.
  • In einigen Beispielen ist der erste Anodenejektor so konfiguriert, dass er den ersten Brennstoffstrom auf der Grundlage eines Rückführverhältnisses von mindestens 7,5 zuführt. In einigen Beispielen ist der erste Anodenejektor so konfiguriert, dass er den ersten Brennstoffstrom auf der Grundlage eines Rückführverhältnisbereichs zwischen 7,5 und 15 zuführt. Ähnlich ist in einigen Beispielen der zweite Anodenejektor so konfiguriert, dass er den zweiten Brennstoffstrom auf der Grundlage eines Rückführverhältnisses von mindestens 7,5 zuführt. In einigen Beispielen ist der zweite Anodenejektor so konfiguriert, dass er den zweiten Brennstoffstrom auf der Grundlage eines Rückführverhältnisbereichs zwischen 7,5 und 15 zuführt.
  • In einigen Ausführungsformen sind der erste Anodenejektor und der zweite Anodenejektor so konfiguriert, dass sie den ersten Brennstoffstrom und den zweiten Brennstoffstrom mit jeweiligen Rückführverhältnissen so zuführen, dass der erste Brennstoffstrom und der zweite Brennstoffstrom einen kombinierten Brennstoff bereitstellen, der weniger als etwa 11 % Methan enthält. Beispielsweise kann der erste Anodenejektor so konfiguriert sein, dass er den ersten Brennstoffstrom auf der Grundlage eines ersten Verhältnisses des aufgenommenen ersten Teils von Abgas zum aufgenommenen Brennstoff zuführt, und der zweite Anodenejektor kann so konfiguriert sein, dass er den zweiten Brennstoffstrom auf der Grundlage eines zweiten Verhältnisses des aufgenommenen Teils von Abgas zum aufgenommenen Brennstoff zuführt. In einigen Beispielen können das erste Verhältnis und zweite Verhältnis jeweils im Bereich von 7,5 bis 15 liegen.
  • In einigen Ausführungsformen kann das Brennstoffzellensystem auch einen Hilfsejektor aufweisen. Beispielsweise kann der Hilfsejektor so konfiguriert sein, dass er einen Teil von Brennstoffabgas vom Brennstoffzellenstack aufnimmt und das vom Oxidationsmittelabgasverteiler abgeführte Oxidationsmittel aufnimmt. In einigen Ausführungsformen weist das Brennstoffzellensystem auch einen Nachbrenner auf, der so konfiguriert ist, dass er Brennstoffabgas vom Brennstoffzellenstack sowie vom Hilfsejektor abgeführtes Oxidationsmittel aufnimmt. In einigen Ausführungsformen kann das Brennstoffzellensystem auch eine Turbine aufweisen, die so konfiguriert ist, dass sie das Abgas vom Nachbrenner aufnimmt.
  • In einigen Beispielen weist das Brennstoffzellensystem einen Wärmetauscher auf, der stromaufwärts oder stromabwärts vom Kathodenejektor liegt. Der Wärmetauscher kann Wärme aus dem Abgas des Hilfsejektors zur Oxidationsmittelzufuhr übertragen. Beispielsweise kann der Wärmetauscher so konfiguriert sein, dass er das Abgas des Hilfsejektors aufnimmt und vom Kathodenejektor zugeführtes Oxidationsmittel aufnimmt. Dann kann der Wärmetauscher Wärme aus dem Abgas des Hilfsejektors zur Oxidationsmittelzufuhr übertragen und sie dem Oxidationsmitteleinlassverteiler des Brennstoffzellenstacks zur Verfügung stellen. Alternativ kann der Wärmetauscher so konfiguriert sein, dass er Oxidationsmittel von der Oxidationsmittelquelle aufnimmt, Wärme aus dem Abgas des Hilfsejektors zum Oxidationsmittel überträgt und das Oxidationsmittel zum Kathodenejektor führt.
  • In einigen Beispielen wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, das einen Brennstoffzellenblock, einen blockexternen Oxidationsmittelströmungsweg, einen ersten blockexternen Brennstoffströmungsweg und einen zweiten blockexternen Brennstoffströmungsweg aufweist. Der Brennstoffzellenblock kann einen Brennstoffzellenstack mit einem ersten und einem zweiten Segment aufweisen, wobei jedes Segment mehrere Festoxid-Brennstoffzellen aufweist und jede Festoxid-Brennstoffzelle eine Anode, eine Kathode und einen Elektrolyt aufweist. Der Brennstoffzellenblock kann auch einen ersten blockinternen Brennstoffaufgabeströmungsweg aufweisen, der einen ersten Brennstoffzufuhrverteiler, einen ersten Brennstoffabgasverteiler und einen oder mehrere erste Brennstoffaufgabekanäle in Fluidkommunikation mit dem ersten Brennstoffzufuhrverteiler und dem ersten Brennstoffabgasverteiler aufweist, wobei jede Anode im ersten Segment zu einem Brennstoff freiliegt, der in einem oder mehreren der ersten Brennstoffaufgabekanäle strömt. Ferner kann der Brennstoffzellenblock einen zweiten blockinternen Brennstoffaufgabeströmungsweg aufweisen, der einen zweiten Brennstoffzufuhrverteiler, einen zweiten Brennstoffabgasverteiler und einen oder mehrere zweite Brennstoffaufgabekanäle in Fluidkommunikation mit dem zweiten Brennstoffzufuhrverteiler und dem zweiten Brennstoffabgasverteiler aufweist, wobei jede Anode im zweiten Segment zu einem Brennstoff freiliegt, der in einem oder mehreren der zweiten Brennstoffaufgabekanäle strömt. Der Brennstoffzellenblock kann auch einen blockinternen Oxidierströmungsweg aufweisen, der einen Oxidationsmittelzufuhrverteiler, einen Oxidationsmittelabgasverteiler und einen oder mehrere Oxidierkanäle in Fluidkommunikation mit dem Oxidationsmittelzufuhrverteiler und dem Oxidationsmittelabgasverteiler aufweist, wobei jede Kathode im ersten und zweiten Segment zu einem Oxidationsmittel freiliegt, das in einem oder mehreren Oxidierkanälen strömt.
  • Der blockexterne Oxidierströmungsweg kann einen Kathodenejektor mit einem Oxidationsmittelzufuhreingang, einem Oxidationsmittelrückführeingang und einem kombinierten Oxidationsmittelausgang aufweisen. Ferner kann der blockexterne Oxidierströmungsweg eine Oxidationsmittelzufuhrleitung in Fluidkommunikation mit dem Kathodenejektor-Oxidationsmittelzufuhreingang, eine Oxidationsmittelquelle in Fluidkommunikation mit der Oxidationsmittelzufuhrleitung und eine Oxidationsmittelrückführleitung in Fluidkommunikation mit dem Kathodenejektor-Oxidationsmittelrückführeingang und dem blockinternen Oxidierströmungsweg-Oxidationsmittelabgasverteiler aufweisen. Der blockexterne Oxidierströmungsweg kann auch eine kombinierte Oxidationsmittelzufuhrleitung in Fluidkommunikation mit dem kombinierten Kathodenejektor-Oxidationsmittelausgang und dem blockinternen Oxidierströmungsweg-Oxidationsmittelzufuhrverteiler aufweisen.
  • Der erste blockexterne Brennstoffströmungsweg kann einen ersten Anodenejektor mit einem Brennstoffzufuhreingang, einem Brennstoffrückführeingang und einem kombinierten Brennstoffausgang aufweisen. Der erste blockexterne Brennstoffströmungsweg kann auch eine erste Brennstoffzufuhrleitung in Fluidkommunikation mit dem ersten Anodenejektor-Brennstoffzufuhreingang, eine Brennstoffquelle in Fluidkommunikation mit der ersten Brennstoffzufuhrleitung und eine erste Brennstoffrückführleitung in Fluidkommunikation mit dem ersten Anodenejektor-Brennstoffrückführeingang und dem zweiten blockinternen Brennstoffaufgabeströmungsweg-Brennstoffabgasverteiler aufweisen. Ferner kann der erste blockexterne Brennstoffströmungsweg eine erste kombinierte Brennstoffzufuhrleitung in Fluidkommunikation mit dem ersten kombinierten Anodenejektor-Brennstoffausgang und dem ersten blockinternen Brennstoffaufgabeströmungsweg-Brennstoffzufuhrverteiler aufweisen.
  • Der zweite blockexterne Brennstoffströmungsweg kann einen zweiten Anodenejektor mit einem Brennstoffzufuhreingang, einem Brennstoffrückführeingang und einem kombinierten Brennstoffausgang aufweisen. Der zweite blockexterne Brennstoffströmungsweg kann auch eine zweite Brennstoffzufuhrleitung in Fluidkommunikation mit dem zweiten Anodenejektor-Brennstoffzufuhreingang, eine Brennstoffquelle in Fluidkommunikation mit der zweiten Brennstoffzufuhrleitung und eine zweite Brennstoffrückführleitung in Fluidkommunikation mit dem zweiten Anodenejektor-Brennstoffrückführeingang und dem ersten blockinternen Brennstoffaufgabeströmungsweg-Brennstoffabgasverteiler aufweisen. Ferner kann der zweite blockexterne Brennstoffströmungsweg eine zweite kombinierte Brennstoffzufuhrleitung in Fluidkommunikation mit dem zweiten kombinierten Anodenejektor-Brennstoffausgang und dem zweiten blockinternen Brennstoffaufgabeströmungsweg-Brennstoffzufuhrverteiler aufweisen.
  • In einigen Beispielen sind der erste und zweite blockexterne Brennstoffströmungsweg sowie der erste und zweite blockinterne Brennstoffaufgabeströmungsweg jeweils so konfiguriert, dass sie ein Rückführverhältnis im Bereich von 7,5 bis 15 einer in den Anodenejektor-Brennstoffrückführeingang strömenden Brennstoffmasse zu einer in den Anodenejektor-Brennstoffzufuhreingang strömenden Brennstoffmasse bewirken.
  • In einigen Beispielen verfügt der Brennstoffzellensystem-Brennstoffzellenblock mit einem Brennstoffzellenstack, der ein erstes und ein zweites Segment aufweist, über einen blockexternen Hilfsströmungsweg, der einen Hilfsejektor mit einem Oxidationsmittelzufuhreingang, einem Brennstoffabgaseingang, einem Oxidationsmittelabgaseingang, einem Rückführeingang und einem Ausgang aufweist. Ferner kann der Hilfsströmungsweg eine Oxidationsmittelzufuhrleitung (z. B. Versorgungsleitung) in Fluidkommunikation mit dem Hilfsejektor-Oxidationsmittelzufuhreingang und einer Oxidationsmittelquelle aufweisen. Zudem kann der Hilfsströmungsweg eine Brennstoffabgasleitung in Fluidkommunikation mit dem Hilfsejektor-Brennstoffabgaseingang und dem ersten blockinternen Brennstoffaufgabeströmungsweg-Brennstoffabgasverteiler und eine Oxidationsmittelabgasleitung in Fluidkommunikation mit dem Hilfsejektor-Oxidationsmittelabgaseingang und dem zweiten blockinternen Oxidierströmungsweg-Oxidationsmittelabgasverteiler aufweisen. Zudem kann der Hilfsströmungsweg eine Hilfsabgasleitung in Fluidkommunikation mit dem Hilfsejektorausgang; und eine Rückführleitung in Fluidkommunikation mit dem Hilfsejektor-Rückführeingang und der Hilfsabgasleitung aufweisen.
  • In einigen Beispielen weist ein Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstack auf, der mehrere Festoxid-Brennstoffzellen mit jeweils einer Anode, einer Kathode und einem Elektrolyt aufweist. Das Brennstoffzellensystem kann auch einen Brennstoffzufuhrverteiler, einen Brennstoffabgasverteiler und einen oder mehrere Brennstoffaufgabekanäle aufweisen, die einen Strömungsweg zwischen dem Brennstoffzufuhr- und Brennstoffabgasverteiler bilden. Der eine oder die mehreren Brennstoffaufgabekanäle stehen in Fluidkommunikation mit den Anoden der mehreren Brennstoffzellen. Ferner kann das Brennstoffzellensystem ein Brennstoffaufgabesystem aufweisen, das eine Quelle für nicht reformierten Brennstoff und einen Ejektor mit einer Eingabe von nicht reformiertem Brennstoff von der Brennstoffquelle, einem Eingang für rückgeführten Brennstoff vom Brennstoffabgasverteiler und einem Ausgang für kombinierte Brennstoffe von den Eingängen aufweist, der am Brennstoffzufuhrverteiler vorgesehen ist. Zusätzlich oder alternativ kann das Brennstoffzellensystem so konfiguriert sein, dass das Rückführverhältnis der rückgeführten Brennstoffmasse zur nicht reformierten Brennstoffmasse im Bereich von 4,5:1 bis 15:1 liegt. Zusätzlich oder alternativ kann das Brennstoffzellensystem so konfiguriert sein, dass die Ausgabe der kombinierten Brennstoffe, die zum Brennstoffzufuhrverteiler geführt wird, höchstens 11 Gew.-% Methan aufweist. Zusätzlich oder alternativ kann das Brennstoffzellensystem so konfiguriert sein, dass die Temperatur des in den Brennstoffzufuhrverteiler eintretenden Fluids nicht größer als die Temperatur der vom Ejektor ausgegebenen kombinierten Brennstoffe ist. Beispielsweise kann das Brennstoffzellensystem keinen Wärmetauscher zwischen dem Ausgang des Ejektors und dem Brennstoffzufuhrverteiler aufweisen, der ansonsten Wärmeenergie (d. h. Wärme) dem Brennstoff zuführen würde, der in den Brennstoffzufuhrverteiler strömt.
  • Erwogen sind ferner entsprechende Verfahren. In einigen Beispielen weist ein Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstack auf, der zur blockinternen Reformierung konfiguriert ist. Das Verfahren weist auf: durch einen Brennstoffzufuhrverteiler des Brennstoffzellenstacks erfolgendes Aufnehmen eines Brennstoffs von einer Brennstoffquelle. Ferner kann das Verfahren aufweisen: durch einen Oxidationsmittelzufuhrverteiler des Brennstoffzellenstacks erfolgendes Aufnehmen eines Oxidationsmittels von einer Oxidationsmittelquelle. Zudem kann das Verfahren aufweisen: durch den Brennstoffzellenstack erfolgendes Reformieren des aufgenommenen Brennstoffs mit dem aufgenommenen Oxidationsmittel. In einigen Beispielen wird das gesamte Brennstoffreformieren des Brennstoffzellensystems durch den Brennstoffzellenstack durchgeführt (d. h. 100 % blockinterne Reformierung). Das Verfahren kann auch aufweisen: durch den Brennstoffzellenstack erfolgendes Austreiben von Brennstoffabgas aus dem Brennstoffzellenstack. Außerdem kann das Verfahren aufweisen: durch einen Oxidationsmittelabgasverteiler des Brennstoffzellenstacks erfolgendes Austreiben von Kathodenabgas, z. B. Oxidationsmittel. Weiterhin kann das Verfahren aufweisen: durch einen Anodenejektor erfolgendes Aufnehmen von Brennstoff von der Brennstoffquelle und durch den Anodenejektor erfolgendes Aufnehmen eines ersten Teils des Brennstoffabgases vom Brennstoffabgasverteiler. Zudem kann das Verfahren aufweisen: durch den Anodenejektor erfolgendes Zuführen eines Brennstoffstroms, der mindestens einen Teil des aufgenommenen Brennstoffs und/oder des aufgenommenen ersten Teils des Brennstoffabgases aufweist. Ferner kann das Verfahren aufweisen: durch einen Vorreformer erfolgendes Entfernen höherer Kohlenwasserstoffe aus einem Brennstoffstrom vom Anodenejektor; und durch den Vorreformer erfolgendes Führen des Brennstoffstroms zum Brennstoffzufuhrverteiler des Brennstoffzellenstacks zur blockinternen Reformierung.
  • In einem weiteren Beispiel weist ein Verfahren zum Bereitstellen von Brennstoff für die Anoden eines Festoxid-Brennstoffzellenstacks auf: Entnehmen von nicht reformiertem Brennstoff aus einer Brennstoffquelle; Kombinieren des nicht reformierten Brennstoffs mit mindestens einem Teil des aus dem Brennstoffzellenstack abgeführten Brennstoffs; Vorreformieren des kombinierten nicht reformierten Brennstoffs und abgeführten Brennstoffs; und Reformieren des nicht reformierten Brennstoffs, wobei die Verbesserung aufweist: Reformieren des gesamten nicht reformierten Brennstoffs im Brennstoffzellenstack.
  • In noch einem weiteren Beispiel weist ein Verfahren in einem Brennstoffzellensystem auf: durch einen Brennstoffabgasverteiler eines Brennstoffzellenstacks erfolgendes Austreiben von Brennstoffabgas; durch einen Oxidationsmittelabgasverteiler des Brennstoffzellenstacks erfolgendes Austreiben von Oxidationsmittelabgas; durch einen Anodenejektor erfolgendes Aufnehmen von Brennstoff von einer Brennstoffquelle; durch den Anodenejektor erfolgendes Aufnehmen eines ersten Teils des Brennstoffabgases vom Brennstoffabgasverteiler; durch den Anodenejektor erfolgendes Zuführen eines Brennstoffstroms mit mindestens einem Teil des aufgenommenen Brennstoffs und/oder des aufgenommenen ersten Teils des Brennstoffabgases zu einem Vorreformer; durch den Vorreformer erfolgendes Entfernen höherer Kohlenwasserstoffe aus dem Brennstoffstrom vom Anodenejektor; durch den Vorreformer erfolgendes Führen des Brennstoffstroms zu einem Brennstoffzufuhrverteiler des Brennstoffzellenstacks zur blockinternen Reformierung; durch einen Oxidationsmittelzufuhrverteiler des Brennstoffzellenstacks erfolgendes Aufnehmen eines Oxidationsmittels von einer Oxidationsmittelquelle; und durch den Brennstoffzellenstack erfolgendes blockinternes Reformieren des Brennstoffstroms mit dem aufgenommenen Oxidationsmittel, wobei sämtliches Brennstoffreformieren des Brennstoffzellensystems durch den Brennstoffzellenstack durchgeführt wird.
  • In einigen Beispielen führt der Anodenejektor einen Brennstoffstrom mit mindestens einem Teil des aufgenommenen Brennstoffs und/oder des aufgenommenen ersten Teils des Brennstoffabgases einem Vorreformer auf der Grundlage eines Rückführverhältnisbereichs, z. B. eines Bereichs von 7,5 bis 15, einer Masse des ersten Teils des Brennstoffabgases vom Brennstoffabgasverteiler zu einer Masse des Brennstoffs von der Brennstoffquelle zu. In einem weiteren Beispiel führt der Anodenejektor einen Brennstoffstrom mit mindestens einem Teil des aufgenommenen Brennstoffs und/oder des aufgenommenen ersten Teils des Brennstoffabgases einem Vorreformer zu, wobei ein Gewichtsprozentsatz von Methan in dem durch den Anodenejektor zugeführten Brennstoffstrom höchstens elf Prozent beträgt. Erwogen sind hierin auch andere entsprechende Verfahren gemäß den Offenbarungen.
  • Neben anderen Vorteilen stellen die Offenbarungen Brennstoffzellensysteme bereit, die zur blockinternen Reformierung konfigurierte Brennstoffzellenstacks aufweisen. Die Brennstoffzellensysteme weisen Vorreformer auf, in denen eintretender Brennstoff vorreformiert wird, um höhere Kohlenwasserstoffe zu entfernen, und der Rest des Brennstoffs wird direkt im Brennstoffzellenstack reformiert, ohne einen externen Reformer zu benötigen. Auf diese Weise ist die Differenz zwischen der Brennstoffzellenstack-(Kathoden-) Lufttemperatur am Auslass des Brennstoffzellenstacks und am Einlass des Brennstoffzellenstacks erheblich reduziert. Dadurch ist die Temperatur des in den Einlass des Brennstoffzellenstacks eintretenden Brennstoffs erhöht. Zusätzlich ist die Temperatur des aus dem Brennstoffzellenstack austretenden Brennstoffs verringert, was Austrittsbeeinträchtigung des Brennstoffzellenstacks reduziert. Ein weiterer Vorteil ist eine gleichmäßigere Stromverteilung im Brennstoffzellenstack, was zu einem Brennstoffzellenstack mit längerer Lebensdauer führt. Beispielsweise variiert der elektrische Innenwiderstand der Brennstoffzelle mit der Temperatur. Somit variiert die Strommenge, die eine Brennstoffzelle liefern kann, mit der Temperatur. Eine gleichmäßigere Temperatur im gesamten Brennstoffzellenstack würde bedeuten, dass alle Zellen einen schmaleren Bereich des Innenwiderstands haben und daher einen schmaleren Bereich von Strömen erzeugen würden. Dies ist ein Vorteil, zumindest weil der Brennstoffzellenstack in der Tendenz auf der Grundlage dessen beeinträchtigt wird, wieviel Strom entnommen wird. Verschlechtern sich einige Brennstoffzellen schneller als andere, kann der Brennstoffzellenstack seinen Lebensdauerendzustand erreichen, obwohl einige Zellen noch nutzbar bleiben. Mit diesem System gehen auch Kostenvorteile einher, da kein externer Reformer im Brennstoffzellensystem benötigt wird. Weitere Vorteile des Gegenstands werden für den Fachmann auf dem Gebiet der Technik der Offenbarung anhand der Ansprüche, der beigefügten Zeichnungen und der folgenden näheren Beschreibung der Ausführungsformen deutlich.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem gemäß einigen Ausführungsformen der Offenbarung;
    • 2 zeigt ein weiteres Brennstoffzellensystem gemäß einigen Ausführungsformen der Offenbarung;
    • 3 zeigt noch ein weiteres Brennstoffzellensystem gemäß einigen Ausführungsformen der Offenbarung; und
    • 4 zeigt ein weiteres Brennstoffzellensystem gemäß einigen Ausführungsformen der Offenbarung.
  • Nähere Beschreibung
  • Obwohl die Offenbarung verschiedene Abwandlungen und alternative Formen zulässt, sind spezifische Ausführungsformen in den Zeichnungen beispielhaft gezeigt und werden hierin näher beschrieben. Die Aufgaben und Vorteile des beanspruchten Gegenstands gehen aus der folgenden näheren Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher hervor. Klar sollte aber sein, dass die Offenbarung nicht auf die speziellen offenbarten Formen beschränkt sein soll. Vielmehr soll die Offenbarung alle Abwandlungen, Äquivalente und Alternativen abdecken, die in den Grundgedanken und Schutzumfang der Offenbarung fallen und durch die beigefügten Ansprüche definiert werden.
  • 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 100, das einen Brennstoffzellenstack 102, eine Oxidationsmittelquelle 108, eine Brennstoffquelle 110, einen Anodenejektor 112 (auch Brennstoffejektor genannt), einen Kathodenejektor 114 (auch Oxidationsmittelejektor genannt), einen Vorreformer 144 und einen Hilfsejektor 116 aufweist. Zum System gehört die IBR von Brennstoff. Zum Beispiel erfolgt in einigen Beispielen die gesamte Brennstoffreformierung (d. h. 100 %) im Brennstoffzellenstack 102. Die IBR kann Trocken- oder Nassreformierung aufweisen. Das Brennstoffzellensystem 100 kann auch Hilfsausrüstungen und -komponenten aufweisen. In diesem Beispiel weist das Brennstoffzellensystem 100 einen Kompressor 134, eine Turbine 136, einen Generator 138 und einen Rekuperator 142 auf.
  • Der Brennstoffzellenstack 102 kann mehrere einzelne Brennstoffzellen (nicht gezeigt) aufweisen. Die einzelnen Brennstoffzellen können jeweils eine Anode, eine Kathode und einen Elektrolyt aufweisen. Der Brennstoffzellenstack 102 kann auch einen Brennstoffzufuhrverteiler 120 (auch als Brennstoffeinlass-Manifold bekannt) aufweisen, der so konfiguriert ist, dass er einen Brennstoffstrom vom Vorreformer 144 aufnimmt.
  • Ferner kann der Brennstoffzellenstack 102 einen Brennstoffabgasverteiler 118 aufweisen, der zum Austreiben (z. B. Entgasen) von Brennstoffabgas konfiguriert ist, darunter nicht verbrauchter Brennstoff (z. B. Brennstoff, der reformiert wurde (Reformat)) und/oder Brennstoffzellenreaktionsprodukte aus dem Brennstoffzellenstack 102. Das Brennstoffabgas kann der Ansaugung des Anodenejektors 112, der Ansaugung des Hilfsejektors 116 oder einer anderen Hilfsausrüstung wie z. B. einem Nachbrenner (nicht gezeigt), zugeführt werden. Der Brennstoffabgasverteiler 118 kann auch so konfiguriert sein, dass er Brennstoffabgas in die Umgebung austreibt, oder kann so konfiguriert sein, dass er das Brennstoffabgas mittels einer beliebigen Kombination dieser Möglichkeiten zuführt oder austreibt.
  • Der Anodenejektor 112 kann eine Quelle für Brennstoff von der Brennstoffquelle 110 aufnehmen und kann ferner Brennstoffabgas vom Brennstoffabgasverteiler 118 aus dem Brennstoffzellenstack 102 aufnehmen, das wie zuvor erwähnt zum Anodenejektor 112 rückgeführt wird. Der Anodenejektor 112 ist so konfiguriert, dass er dem Vorreformer 104 den Brennstoff zuführt. In einigen Beispielen ist der Anodenejektor 112 so konfiguriert, dass er Brennstoff auf der Grundlage eines hohen Rückführverhältnisses zuführt. Beispielsweise kann der Anodenejektor 112 so konfiguriert sein, dass er Brennstoff auf der Grundlage eines Rückführverhältnisses im Bereich von 7,5 bis 15 zuführt. In einigen Beispielen führt der Anodenejektor 112 auf der Grundlage des Rückführverhältnisses, für das er konfiguriert ist, dem Vorreformer Brennstoff mit weniger als 11 % Methan zu.
  • Der Vorreformer 144 kann zwischen dem Auslass des Anodenejektors 112 und dem Brennstoffzufuhrverteiler 120 angeordnet sein. Der Vorreformer 144 funktioniert so, dass er höhere Kohlenwasserstoffe aus dem Brennstoffstrom vom Auslass des Anodenejektors 112 und etwaige höhere Kohlenwasserstoffe entfernt, die im Brennstoffabgas vorhanden sein können, das zum Anodenejektor 112 rückgeführt wird. Der Vorreformer 144 kann ein adiabatischer katalytischer Konverter sein, der höhere Kohlenwasserstoffe ohne andere Wärmezufuhr als die Wärme aus dem Brennstoff von der Quelle 110 und die aus dem Brennstoffabgas 118 rückgeführte entfernen kann.
  • In einigen Beispielen stellt die Brennstoffquelle entschwefeltes Erdgas für den Anodenejektor 112 bereit. Methangas, das aus dem Anodenejektor 112 austreten kann, wird im Brennstoffzellenstack 102 durch Dampfreformierung in Synthesegas umgewandelt. Das resultierende Synthesegas wird durch den elektrochemischen Prozess des Brennstoffzellenstacks 102 in Kohlendioxid und Wasser umgewandelt.
  • Der Brennstoffzellenstack 102 kann ferner einen Oxidationsmittelzufuhrverteiler 122 (der als Oxidationsmitteleinlass-Manifold bezeichnet werden kann) und einen Oxidationsmittelabgasverteiler 124 aufweisen. Der Oxidationsmittelzufuhrverteiler 122 ist so konfiguriert, dass er ein Oxidationsmittel vom Kathodenejektor 114 aufnimmt. Zudem ist der Kathodenejektor 114 so konfiguriert, dass er Oxidationsmittel aufnimmt, das vom Oxidationsmittelabgasverteiler 124 des Brennstoffzellenstacks 102 abgeführt wird. Ferner ist der Kathodenejektor 114 so konfiguriert, dass er das aufgenommene Oxidationsmittel zu den mehreren Kathoden im Brennstoffzellenstack 102 führt.
  • Der Oxidationsmittelabgasverteiler 124 kann so konfiguriert sein, dass er das Oxidationsmittel vom Brennstoffzellenstack 102 zur Abgabe zur Saugseite des Kathodenejektors 114, Saugseite des Hilfsejektors 116 und/oder einer anderen Komponente abgibt, wie z. B. einem Nachbrenner (nicht gezeigt). Ferner kann der Oxidationsmittelabgasverteiler 124 so konfiguriert sein, dass er das Oxidationsmittel in die Umgebung entgast, oder kann so konfiguriert sein, dass er das Oxidationsmittel in einer Kombination dieser Möglichkeiten abführt oder entgast.
  • Das Oxidationsmittelabgas, das der Saugseite des Kathodenejektors 114 zugeführt wird, durchströmt einen Abschnitt einer Kathodenschleife. In diesem Beispiel besteht die Kathodenschleife aus dem Oxidationsmittelströmungsweg vom Kathodenejektor 114 in den Oxidationsmittelzufuhrverteiler 122, von dem das Oxidationsmittel den Kathoden im Brennstoffzellenstack 102 zugeführt, aus dem Oxidationsmittelabgasverteiler 124 abgeführt und zurück zur Ansaugung des Kathodenejektors 114 geführt wird. Wie ersichtlich ist, ist die Kathodenschleife kein geschlossenes System, da Oxidationsmittel in die Schleife von der Oxidationsmittelzufuhr 108 eintreten und aus der Schleife über die Ansaugung des Ejektors 116 austreten kann. Beispielsweise kann in einigen Ausführungsformen die Kathodenschleife so betrachtet werden, dass sie die Oxidationsmittelquelle 108 und die zusätzlichen Komponenten aufweist, die zwischen der Oxidationsmittelquelle 108 und dem Brennstoffzellenstack 102 dargestellt sind. Zusätzlich kann in einigen Beispielen die Kathodenschleife eine Oxidationsmittelströmung aufweisen, die durch einen oder mehrere Brennstoffzellenelektrolyte des Brennstoffzellenstacks ionisiert und diffundiert ist.
  • Einem Nachbrenner (nicht gezeigt), der mit dem Hilfsejektor 116 einteilig sein kann, kann frisches Oxidationsmittel zugeführt werden, das die Energie bereitstellen kann, die zum Speisen des Hilfsejektors 116 dient. Der Hilfsejektor 116 kann einen Teil von Brennstoffabgas vom Brennstoffabgasverteiler 118, einen Teil des Oxidationsmittels vom Oxidationsmittelabgasverteiler 124 ansaugen und kann ferner Brenngase ansaugen, die durch den Hilfsejektor 116 erzeugt werden.
  • In diesem Beispiel weist ein Abschnitt des Brennstoffzellensystems 100 eine Anodenschleife auf. Zur Anode gehört der Brennstoffströmungsweg vom Vorreformer 114 in den Brennstoffeinlassverteiler 120, aus dem Brennstoffabgasverteiler 118, in den Anodenejektor 112 und zurück in den Vorreformer 144. Ferner kann die Anodenschleife den Brennstoffströmungsweg von der Brennstoffquelle 110 in den Anodenejektor 112 aufweisen.
  • Die Brennstoffquelle 110 kann eine Quelle für Brennstoff sein, z. B. Kohlenwasserstoffbrennstoff, entschwefeltes Erdgas oder jede andere Brennstoffart. Die Oxidationsmittelquelle 108 kann Speichertanks aufweisen, die mit einem Oxidationsmittel befüllt sind, z. B. reiner Sauerstoff, atmosphärische Luft oder andere eine Oxidationsmittelquelle, oder ein System, das so gestaltet ist, dass es eine Oxidationsmittelzufuhr erzeugt.
  • Wie zuvor erwähnt, weist das Brennstoffzellensystem 100 den Kompressor 134, die Turbine 136, den Generator 138 und den Rekuperator 142 auf. Dem Rekuperator 142 kann Oxidationsmittel vom Kompressor 134 für einen Satz von Kaltseitenkanälen darin zugeführt werden. Ähnlich kann dem Rekuperator 142 das Abgas der Turbine 136 zu einem Satz von Heißseitenkanälen zugeführt werden. Der Rekuperator 142 liegt stromaufwärts vom Kathodenejektor 114 und Hilfsejektor 116 und funktioniert so, dass er Wärme zwischen dem Abgas der Turbine 136 und dem durch den Kompressor 134 zugeführten Oxidationsmittel überträgt.
  • Der Generator 138 kann der Turbine 136 elektrischen Strom zuführen. Die Turbine 136 treibt den Kompressor 134 und den Generator 138 an und kann die Verbrennungsprodukte z. B. vom Hilfsejektor 116 aufnehmen. Die Verbrennungsprodukte können expandieren, wenn sie die Turbine 136 durchqueren. Das Abgas der Turbine 136 kann dem Rekuperator 142 zugeführt werden, um eine Wärmeübertragung darin zu bewirken, bevor es in die Atmosphäre abgeführt wird. Die Turbine 136 kann auch so konfiguriert sein, dass sie das Abgas in die Atmosphäre entgast.
  • Der Kompressor 134 kann stromabwärts von der Oxidationsmittelzufuhr 108 angeordnet sein. Der Kompressor 134 kann das Oxidationsmittel ansaugen und komprimieren, das zum Ansteuern des Kathodenejektors 114 und Hilfsejektors 116 verwendet wird. In diesem Beispiel ist der Kompressor 134 so konfiguriert, dass er das komprimierte Oxidationsmittel zum Rekuperator 142 führt.
  • In einigen Ausführungsformen kann das Brennstoffzellensystem 100 eines von mehreren integrierten Brennstoffzellensystemen sein. Wie auf der rechten Seite von 1 ersichtlich ist, zeigt der Rechtspfeil unter dem Kathodenejektor 114 mit der Bezeichnung „Zu zusätzlichen integrierten Blöcken“ an, dass das Oxidationsmittel zu einem weiteren integrierten Brennstoffzellensystem strömen kann, um Oxidationsmittel dem Kathodenejektor und Hilfsejektor dieses Systems zuzuführen. In einer solchen Ausführungsform kann der Kompressor 134 komprimiertes Oxidationsmittel für die mehreren integrierten Brennstoffzellensysteme bereitstellen. Ähnlich kann gemäß dem Pfeil mit der Bezeichnung „Von zusätzlichen integrierten Blöcken“ das Abgas vom Hilfsejektor 116 einem gemeinsamen Abgassammelrohr zugeführt werden, das in die Turbine 136 abgibt. In einigen Ausführungsformen können mehrere Turbinen und Kompressoren zwischen den mehreren integrierten Brennstoffzellensystemen verwendet werden.
  • 2 zeigt ein Brennstoffzellensystem 200, das ähnliche Komponenten wie die zuvor anhand von 1 beschriebenen aufweist. Ähnlich wie das Brennstoffzellensystem 100 von 1 weist das System die IBR von Brennstoff auf. Beispielsweise erfolgt in einigen Beispielen die gesamte Brennstoffreformierung im Brennstoffzellenstack 102. Allerdings weist in diesem Beispiel der Brennstoffzellenstack 102 zwei Kammern auf, d. h. eine erste Kammer 103 und eine zweite Kammer 104. Ferner verfügt das Brennstoffzellensystem 200 über zwei Anodenejektoren mit einem Anodenejektor 112 und einem Anodenejektor 113 sowie zwei Vorreformer mit einem Vorreformer 144 und einem Vorreformer 145.
  • Der Anodenejektor 112 kann eine Quelle von Brennstoff von der Brennstoffquelle 110 aufnehmen und kann ferner Brennstoffabgas vom Brennstoffabgasverteiler 118 aus der Kammer 104 des Brennstoffzellenstacks 102 aufnehmen. Der Anodenejektor 112 ist so konfiguriert, dass er den Brennstoff dem Vorreformer 144 zuführt.
  • Der Vorreformer 144 kann zwischen dem Auslass des Anodenejektors 112 und dem Brennstoffzufuhrverteiler 120 der Kammer 103 des Brennstoffzellenstacks 102 angeordnet sein. Der Vorreformer 144 funktioniert so, dass er höhere Kohlenwasserstoffe aus dem Brennstoffstrom vom Auslass des Anodenejektors 112 und etwaige höhere Kohlenwasserstoffe entfernt, die im Brennstoffabgas vorhanden sein können, das zum Anodenejektor 112 rückgeführt wird. Der Vorreformer 144 führt den Brennstoffstrom dem Brennstoffzufuhrverteiler 120 der Kammer 103 des Brennstoffzellenstacks 102 zu.
  • Ähnlich kann der Anodenejektor 113 eine Quelle von Brennstoff von der Brennstoffquelle 110 aufnehmen und kann ferner Brennstoffabgas von einem Brennstoffabgasverteiler 128 aus der Kammer 103 des Brennstoffzellenstacks 102 aufnehmen. Der Anodenejektor 113 ist so konfiguriert, dass er den Brennstoff dem Vorreformer 145 zuführt.
  • Der Vorreformer 145 kann zwischen dem Auslass des Anodenejektors 113 und dem Brennstoffzuführverteiler 130 der Kammer 14 des Brennstoffzellenstacks 102 angeordnet sein. Der Vorreformer 145 funktioniert so, dass er höhere Kohlenwasserstoffe aus dem Brennstoffstrom vom Auslass des Anodenejektors 113 und etwaige höhere Kohlenwasserstoffe entfernt, die im Brennstoffabgas vorhanden sein können, das zum Anodenejektor 113 rückgeführt wird. Der Vorreformer 145 führt den Brennstoffstrom dem Brennstoffzufuhrverteiler 130 der Kammer 104 des Brennstoffzellenstacks 102 zu.
  • In einigen Beispielen stellt die Brennstoffquelle 110 entschwefeltes Erdgas sowohl für den Anodenejektor 112 als auch für den Anodenejektor 113 bereit. Methan, das aus dem Anodenejektor 112 austreten kann, wird in Synthesegas in der Kammer 103 des Brennstoffzellenstacks 102 durch Dampfreformierung umgewandelt. Das resultierende Synthesegas wird durch den elektrochemischen Prozess des Brennstoffzellenstacks 102 in Kohlendioxid und Wasser umgewandelt. Ähnlich wird sämtliches Methan, das aus dem Anodenejektor 113 austreten kann, in Synthesegas in der Kammer 104 des Brennstoffzellenstacks 102 durch Dampfreformierung umgewandelt. Das resultierende Synthesegas wird durch den elektrochemischen Prozess des Brennstoffzellenstacks 102 in Kohlendioxid und Wasser umgewandelt. Damit ermöglicht der Gebrauch zweier Anodenejektoren in diesem Beispiel die Brennstoffabgabe zum Brennstoffzellenstack 102 mit einer niedrigeren Methankonzentration als in einigen Systemen, die nur einen Anodenejektor verwenden können. In einigen Beispielen kombinieren sich die Anodenejektoren so, dass sie Brennstoff mit einer Methankonzentration von höchstens 11 % abgeben.
  • 3 zeigt ein Brennstoffzellensystem 300, das dem Brennstoffzellensystem 200 von 2 ähnelt, aber ferner einen Wärmetauscher 306 aufweist. In diesem Beispiel durchströmt das Oxidationsmittel vor Einströmen in den Oxidationsmittelzufuhrverteiler 122 des Brennstoffzellenstacks 102 Kaltseitenkanäle des Wärmetauschers 306. In diesem Beispiel ist der Kathodenejektor 114 so konfiguriert, dass er frisches Oxidationsmittel von der Oxidationsmittelquelle 108 aufnimmt und das Oxidationsmittel den Heißseitenkanälen des Wärmetauschers 306 zuführt.
  • Den Heißseitenkanälen des Wärmetauschers 306 wird eine Quelle von heißem Fluid zugeführt, z. B. in diesem Beispiel das Abgas vom Hilfsejektor 116. In anderen Beispielen kann ein weiteres warmes Fluid verwendet werden. Beispielsweise kann es sich beim warmen Fluid um Verbrennungsprodukte von einem Nachbrenner handeln, der in den Hilfsejektor 116 integriert sein kann und einen Teil von Brennstoffabgas von den Anoden des Brennstoffzellenstacks 102, das Oxidationsmittelabgas von den Kathoden des Brennstoffzellenstacks 102, Oxidationsmittel vom Kompressor 134 oder eine Kombination dieser Fluide verbrennt. Nach Durchlaufen der Heißseitenkanäle des Wärmetauschers 306 kann das warme Fluid der Saugseite des Hilfsejektors 116 wie in diesem Beispiel zugeführt werden. In einigen Beispielen kann das warme Fluid nach außen in die Umgebung entgast werden.
  • 4 veranschaulicht ein Brennstoffzellensystem 400, das dem Brennstoffzellensystem 300 von 3 ähnelt. In diesem Beispiel liegt aber der Wärmetauscher 306 stromabwärts und nicht stromaufwärts vom Kathodenejektor 114. Damit nehmen in diesem Beispiel die Kaltseitenkanäle des Wärmetauschers 306 Oxidationsmittel von der Oxidationsmittelzufuhr 108 auf. Nach Durchlaufen des Wärmetauschers 306 wird das Oxidationsmittel zum Kathodenejektor 114 geführt. Wie im Brennstoffzellensystem 300 von 3 wird den Heißseitenkanälen des Wärmetauschers 306 eine Quelle von heißem Fluid zugeführt, z. B. in diesem Beispiel das Abgas vom Hilfsejektor 116. Nach Durchlaufen der Heißseitenkanäle des Wärmetauschers 306 kann das warme Fluid der Saugseite des Hilfsejektors 116 wie in diesem Beispiel zugeführt werden. In einigen Beispielen kann das warme Fluid nach außen in die Umgebung entgast werden.
  • Neben anderen Vorteilen stellen die Offenbarungen Brennstoffzellensysteme bereit, die zur blockinternen Reformierung konfigurierte Brennstoffzellenstacks aufweisen. Die Brennstoffzellensysteme weisen Vorreformer auf, in denen eintreffender Brennstoff vorreformiert wird, um höhere Kohlenwasserstoffe zu entfernen, und der Rest des Brennstoffs direkt im Brennstoffzellenstack reformiert wird, ohne einen externen Reformer zu benötigen. Auf diese Weise ist die Differenz zwischen der Brennstoffzellenstack-(Kathoden-) Lufttemperatur am Auslass des Brennstoffzellenstacks und am Einlass des Brennstoffzellenstacks erheblich reduziert. Dadurch ist die Temperatur des in den Einlass des Brennstoffzellenstacks eintretenden Brennstoffs erhöht. Zusätzlich ist die Temperatur des aus dem Brennstoffzellenstack austretenden Brennstoffs verringert, was Austrittsdegradation des Brennstoffzellenstacks reduziert. Ein weiterer Vorteil ist eine gleichmäßigere Stromverteilung im Brennstoffzellenstack, was zu einem Brennstoffzellenstack mit längerer Lebensdauer führt. Mit diesem System gehen auch Kostenvorteile einher, da kein externer Reformer im Brennstoffzellensystem benötigt wird. Weitere Vorteile des Gegenstands werden für den Fachmann auf dem Gebiet der Technik der Offenbarung anhand der Ansprüche, der beigefügten Zeichnungen und der folgenden näheren Beschreibung der Ausführungsformen deutlich.
  • Obwohl bevorzugte Ausführungsformen des Gegenstands beschrieben wurden, sollte klar sein, dass die beschriebenen Ausführungsformen nur zur Veranschaulichung dienen und dass der Schutzumfang des Gegenstands nur durch die beigefügten Ansprüche mit gewährtem vollständigem Äquivalenzbereich und die zahlreichen Abänderungen und Abwandlungen festzulegen ist, die dem Fachmann anhand ihres Wortlauts deutlich sind.

Claims (22)

  1. System, das aufweist: einen Brennstoffzellenblock, der aufweist: einen Brennstoffzellenstack mit mehreren Festoxid-Brennstoffzellen, wobei jede Festoxid-Brennstoffzelle eine Anode, eine Kathode und einen Elektrolyt aufweist; einen blockinternen Brennstoffaufgabeströmungsweg, der einen Brennstoffzufuhrverteiler, einen Brennstoffabgasverteiler und einen oder mehrere Brennstoffaufgabekanäle in Fluidkommunikation mit dem Brennstoffzufuhrverteiler und dem Brennstoffabgasverteiler aufweist, wobei jede Anode zu einem Brennstoff freiliegt, der in einem oder mehreren der Brennstoffaufgabekanäle strömt; und einen blockinternen Oxidierströmungsweg, der einen Oxidationsmittelzufuhrverteiler, einen Oxidationsmittelabgasverteiler und einen oder mehrere Oxidierkanäle in Fluidkommunikation mit dem Oxidationsmittelzufuhrverteiler und dem Oxidationsmittelabgasverteiler aufweist, wobei jede Kathode zu einem Oxidationsmittel freiliegt, das in einem oder mehreren Oxidierkanälen strömt; einen blockexternen Oxidationsmittelströmungsweg, der aufweist: einen Kathodenejektor mit einem Oxidationsmittelzufuhreingang, einem Oxidationsmittelrückführeingang und einem kombinierten Oxidationsmittelausgang; eine Oxidationsmittelzufuhrleitung in Fluidkommunikation mit dem Kathodenejektor-Oxidationsmittelzufuhreingang; eine Oxidationsmittelquelle in Fluidkommunikation mit der Oxidationsmittelzufuhrleitung; eine Oxidationsmittelrückführleitung in Fluidkommunikation mit dem Kathodenejektor-Oxidationsmittelrückführeingang und dem blockinternen Oxidierströmungsweg-Oxidationsmittelabgasverteiler; und eine kombinierte Oxidationsmittelzufuhrleitung in Fluidkommunikation mit dem kombinierten Kathodenejektor-Oxidationsmittelausgang und dem blockinternen Oxidierströmungsweg-Oxidationsmittelzufuhrverteiler; und einen blockexternen Brennstoffströmungsweg, der aufweist: einen Anodenejektor mit einem Brennstoffzufuhreingang, einem Brennstoffrückführeingang und einem kombinierten Brennstoffausgang; eine Brennstoffzufuhrleitung in Fluidkommunikation mit dem Anodenejektor-Brennstoffzufuhreingang; eine Brennstoffquelle in Fluidkommunikation mit der Brennstoffzufuhrleitung; eine Brennstoffrückführleitung in Fluidkommunikation mit dem Anodenejektor-Brennstoffrückführeingang und dem blockinternen Brennstoffaufgabeströmungsweg-Brennstoffabgasverteiler; und eine kombinierte Brennstoffzufuhrleitung in Fluidkommunikation mit dem kombinierten Anodenejektor-Brennstoffausgang und dem blockinternen Brennstoffaufgabeströmungsweg-Brennstoffzufuhrverteiler, wobei der blockexterne Brennstoffströmungsweg und der blockinterne Brennstoffaufgabeströmungsweg so konfiguriert sind, dass sie ein Rückführverhältnis im Bereich von 4,5 bis 15 einer in den Anodenejektor-Brennstoffrückführeingang strömenden Brennstoffmasse zu einer in den Anodenejektor-Brennstoffzufuhreingang strömenden Brennstoffmasse bewirken.
  2. System nach Anspruch 1, wobei der blockexterne Brennstoffströmungsweg und der blockinterne Brennstoffaufgabeströmungsweg so konfiguriert sind, dass sie ein Verhältnis im Bereich von 6 bis 8 einer in den Anodenejektor-Brennstoffrückführeingang strömenden Brennstoffmasse zu einer in den Anodenejektor-Brennstoffzufuhreingang strömenden Brennstoffmasse bewirken.
  3. System nach Anspruch 2, wobei der blockexterne Brennstoffströmungsweg und der blockinterne Brennstoffaufgabeströmungsweg so konfiguriert sind, dass sie ein Verhältnis von etwa 7,5 einer in den Anodenejektor-Brennstoffrückführeingang strömenden Brennstoffmasse zu einer in den Anodenejektor-Brennstoffzufuhreingang strömenden Brennstoffmasse bewirken.
  4. System nach Anspruch 1, wobei der blockexterne Brennstoffströmungsweg und der blockinterne Brennstoffaufgabeströmungsweg so konfiguriert sind, dass sie einen Gewichtsprozentsatz von Methan in einem Fluid, das in den blockinternen Brennstoffaufgabeströmungsweg-Brennstoffzufuhrverteiler strömt, von höchstens elf Prozent bewirken.
  5. System nach Anspruch 1, ferner mit einem Vorreformer in einem Strömungsweg, der durch die kombinierte Brennstoffzufuhrleitung des blockexternen Brennstoffströmungswegs gebildet ist.
  6. System nach Anspruch 5, wobei der Vorreformer ein adiabatischer katalytischer Konverter ist, der so konfiguriert ist, dass er höhere Kohlenwasserstoffe aus dem Brennstoff entfernt.
  7. System nach Anspruch 1, ferner mit einem blockexternen Hilfsströmungsweg, der aufweist: einen Hilfsejektor mit einem Oxidationsmittelzufuhreingang, einem Brennstoffabgaseingang, einem Oxidationsmittelabgaseingang, einem Rückführeingang und einem Ausgang; eine Oxidationsmittelzufuhrleitung in Fluidkommunikation mit dem Hilfsejektor-Oxidationsmittelzufuhreingang und der Oxidationsmittelquelle; eine Brennstoffabgasleitung in Fluidkommunikation mit dem Hilfsejektor-Brennstoffabgaseingang und dem blockinternen Brennstoffaufgabeströmungsweg-Brennstoffabgasverteiler; eine Oxidationsmittelabgasleitung in Fluidkommunikation mit dem Hilfsejektor-Oxidationsmittelabgaseingang und dem blockinternen Oxidierströmungsweg-Oxidationsmittelabgasverteiler; eine Hilfsabgasleitung in Fluidkommunikation mit dem Hilfsejektorausgang; und eine Rückführleitung in Fluidkommunikation mit dem Hilfsejektor-Rückführeingang und der Hilfsabgasleitung.
  8. System nach Anspruch 7, ferner mit einem Nachbrenner in einem Strömungsweg, der durch die Hilfsabgasleitung gebildet ist.
  9. System nach Anspruch 8, ferner mit einem Wärmetauscher zum Übertragen von Wärmeenergie zwischen einem Fluidausgang des Nachbrenners und einem Fluid, das in der kombinierten Oxidationsmittelzufuhrleitung strömt.
  10. System nach Anspruch 8, ferner mit einem Wärmetauscher zum Übertragen von Wärmeenergie zwischen einem Fluidausgang des Nachbrenners und einem Fluid, das in der Oxidationsmittelzufuhrleitung strömt.
  11. System, das aufweist: einen Brennstoffzellenblock, der aufweist: einen Brennstoffzellenstack mit einem ersten Segment und einem zweiten Segment, wobei jedes Segment mehrere Festoxid-Brennstoffzellen aufweist und jede Festoxid-Brennstoffzelle eine Anode, eine Kathode und einen Elektrolyt aufweist; einen ersten blockinternen Brennstoffaufgabeströmungsweg, der einen ersten Brennstoffzufuhrverteiler, einen ersten Brennstoffabgasverteiler und einen oder mehrere erste Brennstoffaufgabekanäle in Fluidkommunikation mit dem ersten Brennstoffzufuhrverteiler und dem ersten Brennstoffabgasverteiler aufweist, wobei jede Anode im ersten Segment zu einem Brennstoff freiliegt, der in einem oder mehreren der ersten Brennstoffaufgabekanäle strömt; einen zweiten blockinternen Brennstoffaufgabeströmungsweg, der einen zweiten Brennstoffzufuhrverteiler, einen zweiten Brennstoffabgasverteiler und einen oder mehrere zweite Brennstoffaufgabekanäle in Fluidkommunikation mit dem zweiten Brennstoffzufuhrverteiler und dem zweiten Brennstoffabgasverteiler aufweist, wobei jede Anode im zweiten Segment zu einem Brennstoff freiliegt, der in einem oder mehreren der zweiten Brennstoffaufgabekanäle strömt; und einen blockinternen Oxidierströmungsweg, der einen Oxidationsmittelzufuhrverteiler, einen Oxidationsmittelabgasverteiler und einen oder mehrere Oxidierkanäle in Fluidkommunikation mit dem Oxidationsmittelzufuhrverteiler und dem Oxidationsmittelabgasverteiler aufweist, wobei jede Kathode im ersten und zweiten Segment zu einem Oxidationsmittel freiliegt, das in einem oder mehreren Oxidierkanälen strömt; einen blockexternen Oxidationsmittelströmungsweg, der aufweist: einen Kathodenejektor mit einem Oxidationsmittelzufuhreingang, einem Oxidationsmittelrückführeingang und einem kombinierten Oxidationsmittelausgang; eine Oxidationsmittelzufuhrleitung in Fluidkommunikation mit dem Kathodenejektor-Oxidationsmittelzufuhreingang; eine Oxidationsmittelquelle in Fluidkommunikation mit der Oxidationsmittelzufuhrleitung; eine Oxidationsmittelrückführleitung in Fluidkommunikation mit dem Kathodenejektor-Oxidationsmittelrückführeingang und dem blockinternen Oxidierströmungsweg-Oxidationsmittelabgasverteiler; und eine kombinierte Oxidationsmittelzufuhrleitung in Fluidkommunikation mit dem kombinierten Kathodenejektor-Oxidationsmittelausgang und dem blockinternen Oxidierströmungsweg-Oxidationsmittelzufuhrverteiler; einen ersten blockexternen Brennstoffströmungsweg, der aufweist: einen ersten Anodenejektor mit einem Brennstoffzufuhreingang, einem Brennstoffrückführeingang und einem kombinierten Brennstoffausgang; eine erste Brennstoffzufuhrleitung in Fluidkommunikation mit dem ersten Anodenejektor-Brennstoffzufuhreingang; eine Brennstoffquelle in Fluidkommunikation mit der ersten Brennstoffzufuhrleitung; eine erste Brennstoffrückführleitung in Fluidkommunikation mit dem ersten Anodenejektor-Brennstoffrückführeingang und dem zweiten blockinternen Brennstoffaufgabeströmungsweg-Brennstoffabgasverteiler; und eine erste kombinierte Brennstoffzufuhrleitung in Fluidkommunikation mit dem ersten kombinierten Anodenejektor-Brennstoffausgang und dem ersten blockinternen Brennstoffaufgabeströmungsweg-Brennstoffzufuhrverteiler; und einen zweiten blockexternen Brennstoffströmungsweg, der aufweist: einen zweiten Anodenejektor mit einem Brennstoffzufuhreingang, einem Brennstoffrückführeingang und einem kombinierten Brennstoffausgang; eine zweite Brennstoffzufuhrleitung in Fluidkommunikation mit dem zweiten Anodenejektor-Brennstoffzufuhreingang; eine Brennstoffquelle in Fluidkommunikation mit der zweiten Brennstoffzufuhrleitung; eine zweite Brennstoffrückführleitung in Fluidkommunikation mit dem zweiten Anodenejektor-Brennstoffrückführeingang und dem ersten blockinternen Brennstoffaufgabeströmungsweg-Brennstoffabgasverteiler; und eine zweite kombinierte Brennstoffzufuhrleitung in Fluidkommunikation mit dem zweiten kombinierten Anodenejektor-Brennstoffausgang und dem zweiten blockinternen Brennstoffaufgabeströmungsweg-Brennstoffzufuhrverteiler, wobei der erste und zweite blockexterne Brennstoffströmungsweg sowie der erste und zweite blockinterne Brennstoffaufgabeströmungsweg jeweils so konfiguriert sind, dass sie ein Rückführverhältnis im Bereich von 4,5 bis 15 einer in den Anodenejektor-Brennstoffrückführeingang strömenden Brennstoffmasse zu einer in den Anodenejektor-Brennstoffzufuhreingang strömenden Brennstoffmasse bewirken.
  12. System nach Anspruch 11, wobei der erste blockexterne Brennstoffströmungsweg und der zweite blockexterne Brennstoffströmungsweg sowie der erste und zweite blockinterne Brennstoffaufgabeströmungsweg so konfiguriert sind, dass sie ein Rückführverhältnis im Bereich von 6 bis 8 einer in den Anodenejektor-Brennstoffrückführeingang strömenden Brennstoffmasse zu einer in den Anodenej ektor-Brennstoffzufuhreingang strömenden Brennstoffmasse bewirken.
  13. System nach Anspruch 12, wobei der erste blockexterne Brennstoffströmungsweg und der zweite blockexterne Brennstoffströmungsweg sowie der erste und zweite blockinterne Brennstoffaufgabeströmungsweg so konfiguriert sind, dass sie ein Rückführverhältnis von etwa 7,5 einer in den Anodenejektor-Brennstoffrückführeingang strömenden Brennstoffmasse zu einer in den Anodenejektor-Brennstoffzufuhreingang strömenden Brennstoffmasse bewirken.
  14. System nach Anspruch 11, wobei der erste blockexterne Brennstoffströmungsweg und der zweite blockexterne Brennstoffströmungsweg sowie der erste und zweite blockinterne Brennstoffaufgabeströmungsweg so konfiguriert sind, dass sie einen Gewichtsprozentsatz von Methan in einem Fluid, das in den ersten blockinternen Brennstoffaufgabeströmungsweg-Brennstoffzufuhrverteiler und den zweiten blockinternen Brennstoffaufgabeströmungsweg-Brennstoffzufuhrverteiler strömt, von höchstens elf Prozent bewirken.
  15. System nach Anspruch 11, ferner mit einem Vorreformer in einem Strömungsweg, der durch die zweite kombinierte blockexterne Brennstoffströmungsweg-Brennstoffzufuhrleitung gebildet ist.
  16. System nach Anspruch 15, wobei der Vorreformer ein adiabatischer katalytischer Konverter ist, der so konfiguriert ist, dass er höhere Kohlenwasserstoffe aus dem Brennstoff entfernt.
  17. System nach Anspruch 11, ferner mit einem blockexternen Hilfsströmungsweg, der aufweist: einen Hilfsejektor mit einem Oxidationsmittelzufuhreingang, einem Brennstoffabgaseingang, einem Oxidationsmittelabgaseingang, einem Rückführeingang und einem Ausgang; eine Oxidationsmittelzufuhrleitung in Fluidkommunikation mit dem Hilfsejektor-Oxidationsmittelzufuhreingang und der Oxidationsmittelquelle; eine Brennstoffabgasleitung in Fluidkommunikation mit dem Hilfsejektor-Brennstoffabgaseingang und dem ersten blockinternen Brennstoffaufgabeströmungsweg-Brennstoffabgasverteiler; eine Oxidationsmittelabgasleitung in Fluidkommunikation mit dem Hilfsejektor-Oxidationsmittelabgaseingang und dem zweiten blockinternen Oxidierströmungsweg-Oxidationsmittelabgasverteiler; eine Hilfsabgasleitung in Fluidkommunikation mit dem Hilfsejektorausgang; und eine Rückführleitung in Fluidkommunikation mit dem Hilfsejektor-Rückführeingang und der Hilfsabgasleitung.
  18. System nach Anspruch 17, ferner mit einem Nachbrenner in einem Strömungsweg, der durch die Hilfsabgasleitung gebildet ist.
  19. System nach Anspruch 18, ferner mit einem Wärmetauscher zum Übertragen von Wärmeenergie zwischen einem Fluidausgang des Nachbrenners und einem Fluid, das in der kombinierten Oxidationsmittelzufuhrleitung strömt.
  20. System nach Anspruch 18, ferner mit einem Wärmetauscher zum Übertragen von Wärmeenergie zwischen einem Fluidausgang des Nachbrenners und einem Fluid, das in der Oxidationsmittelzufuhrleitung strömt.
  21. Brennstoffzellensystem, das aufweist: einen Brennstoffzellenblock, der aufweist: einen Brennstoffzellenstack, der mehrere Festoxid-Brennstoffzellen mit jeweils einer Anode, einer Kathode und einem Elektrolyt aufweist; einen Brennstoffzufuhrverteiler; einen Brennstoffabgasverteiler; und einen oder mehrere Brennstoffaufgabekanäle, die einen Strömungsweg zwischen dem Brennstoffzufuhr- und Brennstoffabgasverteiler bilden, wobei der eine oder die mehreren Brennstoffaufgabekanäle in Fluidkommunikation mit den Anoden der mehreren Brennstoffzellen stehen; und ein Brennstoffaufgabesystem, das aufweist: eine Quelle für nicht reformierten Brennstoff; einen Ejektor mit einem Eingang für nicht reformierten Brennstoff von der Brennstoffquelle, einem Eingang für rückgeführten Brennstoff vom Brennstoffabgasverteiler und einem Ausgang für kombinierte Brennstoffe von den Eingängen, der am Brennstoffzufuhrverteiler vorgesehen ist, wobei kein nicht reformierter Brennstoff, der im Ausgang für kombinierte Brennstoffe enthalten ist, reformiert wird, bevor er zum Brennstoffzufuhrverteiler geführt wird.
  22. Brennstoffzellensystem, das aufweist: einen Brennstoffzellenblock, der aufweist: einen Brennstoffzellenstack, der mehrere Festoxid-Brennstoffzellen mit jeweils einer Anode, einer Kathode und einem Elektrolyt aufweist; einen Brennstoffzufuhrverteiler; einen Brennstoffabgasverteiler; und einen oder mehrere Brennstoffaufgabekanäle, die einen Strömungsweg zwischen dem Brennstoffzufuhr- und Brennstoffabgasverteiler bilden, wobei der eine oder die mehreren Brennstoffaufgabekanäle in Fluidkommunikation mit den Anoden der mehreren Brennstoffzellen stehen; und ein Brennstoffaufgabesystem, das aufweist: eine Quelle für nicht reformierten Brennstoff; einen Ejektor mit einem Eingang für nicht reformierten Brennstoff von der Brennstoffquelle, einem Eingang für rückgeführten Brennstoff vom Brennstoffabgasverteiler und einem Ausgang für kombinierte Brennstoffe von den Eingängen, der am Brennstoffzufuhrverteiler vorgesehen ist, wobei die Temperatur des in den Brennstoffzufuhrverteiler eintretenden Fluids nicht größer als die Temperatur der vom Ejektor ausgegebenen kombinierten Brennstoffe ist.
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