DE102019126303A1 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem - Google Patents

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), das eine Festoxidbrennstoffzelle (2) und eine Speichereinrichtung (5) zur zeitweisen Speicherung von Brennstoff umfasst, aufweisend die Schritte des Empfangens eines Startbefehls, des daraufhin erfolgenden Zuführens des Brennstoffs an die Speichereinrichtung (5) und der Aufnahme des Brennstoffs in der Speichereinrichtung (5) durch eine exotherme chemische Reaktion sowie der Zufuhr einer bei der exothermen chemischen Reaktion entstandenen Wärmemenge an die Festoxidbrennstoffzelle (2). Die Erfindung betrifft außerdem ein Brennstoffzellensystem (1) zur Durchführung des Verfahrens.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, das eine Festoxidbrennstoffzelle und eine Speichereinrichtung zur zeitweisen Speicherung von Brennstoff umfasst, aufweisend die Schritte des Empfangens eines Startbefehls, des daraufhin erfolgenden Zuführens des Brennstoffs an die Speichereinrichtung und der Aufnahme des Brennstoffs in der Speichereinrichtung durch eine exotherme chemische Reaktion sowie der Zufuhr einer bei der exothermen chemischen Reaktion entstandenen Wärmemenge an die Festoxidbrennstoffzelle. Die Erfindung betrifft außerdem ein Brennstoffzellensystem zur Durchführung des Verfahrens.
  • Brennstoffzellenvorrichtungen dienen zur Bereitstellung elektrischer Energie aus einer elektrochem ischen Reaktion, so dass diese alternativ oder auch ergänzend zur Versorgung eines Elektromotors, insbesondere auch im Rahmen der Bereitstellung von E-Mobilität geeignet sind. Brennstoffzellensysteme finden daher auch Verwendung in Kraftfahrzeugen, in denen die Leistungsanforderungen über einen weiten Bereich variieren können. Bei Brennstoffzellensystemen für Kraftfahrzeuge sind eine Vielzahl an Lösungen bekannt, die mit einer Polymerelektrolytmembran arbeiten. Die vorliegende Erfindung bezieht sich demgegenüber auf eine Festoxidbrennstoffzelle, welche gegenüber einer PEM-Brennstoffzelle verschiedene Vorteile aufweisen kann. Zu diesen zählen zum Beispiel die Flexibilität bei der Auswahl eines geeigneten Primärenergieträgers, der in einem Reformer umgesetzt wird, und der vorherrschende höhere Wirkungsgrad im Teillastbereich des Brennstoffzellensystems. Die Festoxidbrennstoffzelle (englisch „solid oxide fuel cell“, SOFC) ist eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle, die typischerweise bei einer Betriebstemperatur von 650 Grad Celsius bis 1000 Grad Celsius betrieben wird. Der Elektrolyt, welcher die Anode von der Kathode trennt, besteht aus einem festen keram ischen Werkstoff, der in der Lage ist, Sauerstoffionen zu leiten, aber für Elektronen isolierend wirkt. Um die für ein Kraftfahrzeug benötigte Leistung bereitzustellen, können mehrere Festoxidbrennstoffzellen zusammengeschaltet werden zu einem gemeinsamen SOFC-Stapel, wobei aber auch einzelne räumlich getrennte SOFC-Module elektrisch in Reihe geschaltet werden können, um die nötige Leistung bereitzustellen.
  • Ein gutes Wärmemanagement ist bei Brennstoffzellen essenziell, da deren Leistung und deren Effizienz von einer geeigneten Betriebstemperatur abhängen. So ist es beispielsweise aus den Druckschriften DE 10 2017 112 830 A1 und US 7,485,381 B2 bekannt, entsprechende Wärmespeicher für den Brennstoffzellenstapel vorzuhalten, um ein an die optimale Betriebsweise der Brennstoffzellen angepasstes Wärmemanagement bereitzustellen. Aus der US 8,492,042 B2 ist der Einsatz von metallischen Speichermedien bekannt, in denen Wasserstoff gebunden werden kann, wobei der gebundene Wasserstoff in einer endothermen, d.h. Wärme verbrauchenden, chemischen Reaktion wieder freigesetzt werden kann, um das mit einer oder mehreren PEM-Brennstoffzellen ausgestattete System zu kühlen. Eine derartige Kühlung ist bei einem Brennstoffzellensystem, das mindestens eine Festoxidbrennstoffzelle umfasst, nicht notwendig, da letztere eine deutlich höhere Betriebstemperatur im Normalbetrieb aufweist.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und ein Brennstoffzellensystem anzugeben, die ein effizienteres Wärmemanagement für die Festoxidbrennstoffzelle aufweisen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich insbesondere beim Starten aus, wobei der Speichereinrichtung Brennstoff zugeführt wird, der darin in einer exothermen chemischen Reaktion in der Speichereinrichtung chemisch gebunden wird. Die dabei freigesetzte Wärme wird dann genutzt, um die Festoxidbrennstoffzelle zu erwärmen, so dass diese schneller ihre normale Betriebstemperatur von beispielsweise 650 Grad Celsius erreicht. Das Verfahren zeichnet sich beim Starten unter Froststartbedingungen aus, da dann eine noch größere Temperaturdifferenz überwunden werden muss, um die Festoxidbrennstoffzelle auf ihre Betriebstemperatur anzuheben, die deutlich gegenüber derjenigen einer PEM-Brennstoffzelle erhöht ist.
  • Als Speichereinrichtung kommt beispielsweise der Einsatz eines Metallhydridreaktors in Betracht, der beispielsweise eine Legierung aus Lithium und Nickel umfasst. Alternativ oder ergänzend kann auch eine Verbindung mit Magnesium, mit Natrium und Aluminium oder Verbindungen von BH4 und Metallen vorhanden sein. Beispielhaft eingesetzte metallische Elemente und damit einhergehende chemische Reaktionen zur Bindung und/oder Freisetzung von Wasserstoff im Rahmen der vorliegenden Erfindung lauten: (Mg + H2 ↔ MgH2) oder (NaH + Al + 1,5H2 ↔ NaAlH4) und/oder (NaH + Al + 1,5H2 ↔ NaAlH4) und/oder (AI + 1,5H2 ↔ AlH3) und/oder (MgH2 + 2B + 3H2 ↔ Mg(BH4)2) und/oder (MgH2 + 2B + 3H2 ↔ Mg(BH4)2)
  • Der Wärmetransport zwischen der mindestens einen Festoxidbrennstoffzelle und der Speichereinrichtung kann dabei direkt oder auch indirekt, beispielsweise über den Transport der Wärme mittels der Prozessgase, erfolgen. Es hat sich in diesem Zusammenhang des indirekten Wärmetransports als vorteilhaft erwiesen, wenn die bei der exothermen chemischen Reaktion entstandene Wärme an einen stromauf der Festoxidbrennstoffzelle angeordneten Kathodengaserwärmer übergeben wird, wodurch das Kathodengas (zusätzlich) erwärmt wird, und wobei das erwärmte Kathodengas dann der Festoxidbrennstoffzelle zur Erwärmung derselben zugeführt wird.
  • Um das gesamte Brennstoffzellensystem mit noch geringerer Komplexität zu gestalten, ist es von Vorteil, wenn ein Reformer vorhanden ist, durch welchen der Brennstoff sowohl für die Festoxidbrennstoffzelle als auch für die Speichereinrichtung zur Verfügung gestellt wird.
  • Der Reaktor muss der Festoxidbrennstoffzelle dann keine Wärme mehr zu führen, wenn diese ihre Betriebstemperatur erreicht hat. In diesem Zusammenhang ist es daher von Vorteil, wenn die Zufuhr von Brennstoff an die Speichereinrichtung gestoppt wird, sobald die Festoxidbrennstoffzelle eine vorgegebene Temperatur, insbesondere ihre Betriebstemperatur erreicht hat. Dies vermeidet auch ein zu großes Beladen der Speichereinrichtung mit Brennstoff, welcher dann gegebenenfalls nicht mehr zur chemischen Umsetzung in der Festoxidbrennstoffzelle zur Verfügung steht.
  • Um diesem Problem entgegenzuwirken und um insbesondere die Speichereinrichtung wieder für spätere Startvorgänge „freizumachen“, hat es sich als sinnvoll erwiesen, wenn der bei mindestens der vorgegebenen Temperatur, insbesondere der Betriebstemperatur betriebenen Festoxidbrennstoffzelle Wärme entzogen und diese zumindest anteilig der Speichereinrichtung, vorzugsweise gänzlich, zugeführt wird, um darin gespeicherten Brennstoff in einer endothermen Reaktion zu lösen. Es ist von Vorteil, den dann gelösten Brennstoff in der Brennstoffzellenreaktion der Festoxidbrennstoffzelle zu verwenden.
  • Auch hierbei kann ein Wärmeaustausch direkt oder indirekt erfolgen, wobei es sich als eine erste Möglichkeit des indirekten Wärmeaustauschs erwiesen hat, dass dem Abgas der bei zumindest der vorgegebenen Temperatur betriebenen Festoxidbrennstoffzelle Wärme entzogen und diese zumindest anteilig, vorzugsweise vollständig, der Speichereinrichtung zugeführt wird, um darin gespeicherten Brennstoff in einer endothermen Reaktion zu freizugeben.
  • Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Wärme zwischen der Festoxidbrennstoffzelle und der Speichereinrichtung nach dem Prinzip der Wärmestrahlung übertragen wird, wobei auch dann mehrere Module an Festoxidbrennstoffzellen Einsatz finden können, um diese in einer gemeinsamen Hotbox zusammen mit der Speichereinrichtung anzuordnen.
  • Alternativ oder ergänzend kann die Wärme zwischen der Festoxidbrennstoffzelle und der Speichereinrichtung auch nach dem Prinzip der Wärmeleitung übertragen werden, so dass dann ein geeigneter Wärmeleiter zwischen den beiden Konstituenten des Brennstoffzellensystems angeordnet ist. Dieser Wärmeleiter kann beispielsweise aus Kupfer gebildet sein oder in Form eines Wärmeübertragungskreislaufes ausgeführt werden. Im letzteren Falle kommen beispielsweise sogenannte Heat-Pipes zum Einsatz.
  • Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem zeichnet sich insbesondere durch eine Festoxidbrennstoffzelle oder einen Stapel aus einer Mehrzahl von Festoxidbrennstoffzellen aus, welchen eine Speichereinrichtung zur zeitweisen Speicherung von Brennstoff sowie eine Steuerungseinrichtung zugeordnet sind. Die Steuerungseinrichtung ist ausgebildet, beim Empfangen eines Startbefehls ein Zuführen des Brennstoffs an die Speichereinrichtung zu veranlassen, wobei der Brennstoff in der Speichereinrichtung im Rahmen einer exothermen chemischen Reaktion gebunden wird. Die Steuerungseinrichtung ist außerdem ausgebildet, eine Zufuhr einer bei der exothermen chemischen Reaktionen entstandenen Wärmemenge an die Festoxidbrennstoffzelle zu veranlassen. Die bei der exothermen Reaktion entstehende Wärme beim Speichern des Brennstoffs in der Speichereinrichtung wird dabei dazu genutzt, die Festoxidbrennstoffzelle zu erwärmen, also hinsichtlich ihrer Temperatur anzuheben. Der in der Speichereinrichtung gespeicherte Brennstoff kann dabei der gleiche Brennstoff sein, wie auch bei Brennstoffzellenreaktion in der Festoxidbrennstoffzelle umgesetzt wird: beispielsweise Wasserstoff (H2).
  • Es ist von Vorteil, wenn die Steuerungseinrichtung ausgebildet ist, die Zufuhr von Brennstoff an die Speichereinrichtung zu stoppen, sobald die Festoxidbrennstoffzelle eine vorgegebene Temperatur, insbesondere ihre Betriebstemperatur erreicht hat, und wenn die Steuerungseinrichtung ausgebildet ist, zu veranlassen, dass der Festoxidbrennstoffzelle Wärme entzogen und diese zumindest anteilig der Speichereinrichtung zugeführt wird, um darin gespeicherten Brennstoff in einer endothermen Reaktion zu lösen. Somit wird der zuvor gespeicherte Brennstoff wieder freigesetzt und die Speichereinrichtung, insbesondere der Metallhydridreaktor, ist für ein späteres Beladen wieder frei. Der freigesetzte Brennstoff kann dann Einsatz finden in der eigentlichen Brennstoffreaktion der Festoxidbrennstoffzelle, so dass dieser nicht verloren ist. Die Speichereinrichtung, mithin der Reaktor, ist entweder ein Tanksystem auf Metallhydrid-Basis oder es kann ein Hochdrucktank mit einem entsprechenden Reaktor kombiniert werden. Alternativ oder ergänzend natürlich auch das von einem Reformer erzeugte Gas, beispielsweise der Wasserstoff, dazu genutzt werden, um sowohl die Speichereinrichtung zu beladen, als auch die Festoxidbrennstoffzelle mit ihrem Reaktanten zu versorgen.
  • Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
    • 1 ein Brennstoffzellensystem mit einer Festoxidbrennstoffzelle oder einem Modul mit mehreren Festoxidbrennstoffzellen, die in direkter wärmeübertragender Verbindung (Wärmeleitung) mit einer Speichereinrichtung zur zeitweisen Speicherung von Brennstoff stehen,
    • 2 ein Brennstoffzellensystem mit mehreren Modulen, umfassend eine oder mehrere Festoxidbrennstoffzellen, die in direkter wärmeübertragender Verbindung (Wärmestrahlung) mit der Speichereinrichtung zur zeitweisen Speicherung von Brennstoff stehen,
    • 3 ein Brennstoffzellensystem mit einer Festoxidbrennstoffzelle oder einem Modul mit mehreren Festoxidbrennstoffzellen, die in indirekter wärmeübertragender Verbindung mit der Speichereinrichtung zur zeitweisen Speicherung von Brennstoff stehen, wobei ein stromauf der Festoxidbrennstoffzelle vorhandener Kathodengasvorwärmer in wärmeübertragender Verbindung (Wärmeleitung oder Wärmestrahlung) mit der Speichereinheit steht,
    • 4 ein Brennstoffzellensystem mit einer Festoxidbrennstoffzelle oder einem Modul mit mehreren Festoxidbrennstoffzellen, deren Abgasleitung in wärmeübertragender Verbindung (Wärmeleitung) mit der Speichereinrichtung zur zeitweisen Speicherung von Brennstoff steht, und
    • 5 ein Brennstoffzellensystem mit einer Festoxidbrennstoffzelle oder einem Modul mit mehreren Festoxidbrennstoffzellen, wobei die Speichereinrichtung zur zeitweisen Speicherung von Brennstoff in die Kathodenzufuhrleitung und in die Abgasleitung eingebunden ist.
  • In den Figuren sind schematisch Brennstoffzellensysteme 1 gezeigt, die mit mindestens einer oder mit mehreren Festoxidbrennstoffzellen 2 ausgestattet sind. Jedes Brennstoffzellensystem 1 weist dabei eine Speichereinrichtung 5 zur zeitweisen Speicherung von Brennstoff, insbesondere von Wasserstoff auf, welche insbesondere als ein Metallhydridreaktor gebildet ist. Stromauf der Festoxidbrennstoffzelle 2 ist ein Reformer 9 vorhanden, der beispielsweise als ein Methanol-Reformer gebildet ist, um aus einem Ethanol-Wasser-Gemisch unter Freisetzung von Kohlendioxid reinen Wasserstoff zu erzeugen, der in der Festoxidbrennstoffzelle 2 zur Erzeugung der elektrischen Energie umgesetzt wird. Der Reformer 9 ist in eine Anodenzufuhrleitung 3 eingebunden, um den Anoden des SOFC-Stapels den für die Brennstoffzellenreaktion notwendigen Brennstoff zur Verfügung zu stellen. Zusätzlich ist strömungsmechanisch mit der Anodenzufuhrleitung 3 die Speichereinrichtung 5 verbunden, so dass der vom Reformer 9 erzeugte Wasserstoff also auch in der Speichereinrichtung 5 zeitweise speicherbar ist. Kathodenseitig ist eine Kathodenzufuhrleitung 4 vorhanden, in die ein Kathodengaserwärmer 6, insbesondere ein Luft-Vorwärmer, eingebunden ist, um das Kathodengas, mithin die Frischluft vorzuerwärmen, bevor sie der Festoxidbrennstoffzelle 2 zugeführt wird. Der Kathodengaserwärmer 6 steht dabei in wärmeübertragender Verbindung mit einer Abgasleitung 7, in der heiße Abgase der Festoxidbrennstoffzelle 2 strömen und welcher Wärme entzogen wird, um diese auf das frische Kathodengas zu übertragen.
  • Das Brennstoffzellensystem 1 weist außerdem eine Steuerungseinrichtung auf, die den Figuren nicht näher dargestellt ist, die aber dazu eingerichtet ist, zu veranlassen, dass geeignete Ventilstellungen der einzelnen Leitungen 3, 4, 7 vorliegen, um das Brennstoffzellensystem 1 in geeigneter Weise zu betreiben.
  • Die Steuerungseinrichtung ist dabei ausgebildet, beim Empfangen eines Startbefehls ein Zuführen des Brennstoffs an die Speichereinrichtung 5 zu veranlassen, wobei der Brennstoff in der Speichereinrichtung 5 im Zuge einer exothermen chemischen Reaktion aufgenommen wird, mithin chemisch gebunden wird. Die Steuerungseinrichtung ist außerdem ausgebildet, eine Zufuhr einer bei der exothermen chemischen Reaktion entstandenen Wärmemenge an die Festoxidbrennstoffzelle 2 zu veranlassen, um deren Temperatur anzuheben. Somit ist also gewährleistet, dass die Festoxidbrennstoffzelle 2 sehr schnell das für sie effiziente Temperaturniveau von zwischen 650 Grad Celsius und 1000 Grad Celsius erreicht.
  • Ist die gewünschte Normaltemperatur der Festoxidbrennstoffzelle 2 erreicht, so ist vorgesehen, dass die Steuerungseinrichtung ausgebildet ist, die Zufuhr von Brennstoff an die Speichereinrichtung 5 zu stoppen. Zeitgleich oder zeitlich nachfolgend kann die Steuerungseinrichtung veranlassen, dass der Festoxidbrennstoffzelle 2 Wärme entzogen und diese zumindest anteilig der Speichereinrichtung 5 zugeführt wird, um den im Vorfeld darin gespeicherten Brennstoff in einer endothermen Reaktion wieder freizugeben. Damit wird also der Speicher des Metallhydridreaktors wieder frei für eine spätere erneute Beladung mit Wasserstoff. Der dabei freigesetzte Wasserstoff kann dann wiederum in der Festoxidbrennstoffzelle 2 Verwendung finden, so dass dieser nicht verloren ist.
  • Das Ausführungsbeispiel nach 1 zeigt einen Wärmeleiter 8, der die Speichereinrichtung 5 wärmeleitend mit der Festoxidbrennstoffzelle 2 verbindet. Hierzu findet beispielsweise ein Kupferleiter Einsatz, der einen direkten Wärmeaustausch zwischen der Speichereinrichtung 5 und der Festoxidbrennstoffzelle 2 bereitstellt.
  • Die Ausgestaltung nach 2 sieht eine thermische Verbindung zwischen der Speichereinrichtung 5 und einer Mehrzahl von Festoxidbrennstoffzellenmodulen vor, wobei hier ein Austausch nach dem Prinzip der Wärmestrahlung vorliegt, wozu beispielsweise alle Komponenten in einer gemeinsamen Hotbox angeordnet sind.
  • Die Ausgestaltung nach 3 verweist auf die Möglichkeit einer indirekten Erwärmung der Festoxidbrennstoffzelle 2 oder der Speichereinrichtung 5 durch den Einsatz des Wärmeleiters 8 zwischen dem Kathodengaserwärmer 6 und der Speichereinrichtung 5. Auf diese Weise kann das Kathodengas vorerwärmt werden, bevor es der Festoxidbrennstoffzelle 2 zugeleitet wird. Andererseits kann in dieser Konfiguration dem Abgas der Festoxidbrennstoffzelle 2 Wärme entzogen und der Speichereinrichtung 5 zugeführt werden, um den darin gespeicherten Brennstoff freizusetzen.
  • Eine weitere Möglichkeit, um in der Speichereinrichtung 5 gespeicherten Brennstoff freizusetzen, ist auch in 4 gezeigt, wobei hier der Wärmeleiter 8 ebenfalls in wärmeübertragender Verbindung mit dem Abgas der Festoxidbrennstoffzelle 2 steht. Durch die hier verwendete Verschaltung ist es möglich, den dabei freigesetzten Brennstoff an die Festoxidbrennstoffzelle 2 zu führen und dort in der Brennstoffzellenreaktion zu verbrauchen, um elektrische Energie zu erzeugen.
  • In 5 ist eine noch stärker integrierte Speichereinrichtung 5 gezeigt, welche sowohl in die Kathodenzufuhrleitung 4 als auch in die Abgasleitung 7 eingebunden ist. Diese Speichereinrichtung 5 erwärmt dabei die Frischluft während des Startens bei der exothermen Reaktion. Wenn die Festoxidbrennstoffzelle 2 ihre Normaltemperatur erreicht hat, so löst das Abgas den in der Speichereinrichtung 5 gespeicherten Brennstoff, der dann wiederum in der Festoxidbrennstoffzelle 2 zur weiteren Umsetzung genutzt werden kann.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 1 zeichnen sich also durch ein verbessertes Wärmemanagement und damit durch eine Reduzierung der Komplexität des Brennstoffzellensystems 1 mit einer Festoxidbrennstoffzelle 2 aus. Aufgrund der Speicherung des Brennstoffes in der exothermen Reaktion und der nachträglich im Normalbetrieb erfolgenden endothermen Reaktion unter Freisetzung von Brennstoff, ist der Brennstoffverbrauch insgesamt gegenüber bisher bekannten Brennstoffzellensystemen 1 reduziert.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennstoffzellensystem
    2
    Festoxidbrennstoffzelle (SOFC)
    3
    Anodenzufuhrleitung
    4
    Kathodenzufuhrleitung
    5
    Speichereinrichtung
    6
    Kathodengaserwärmer
    7
    Abgasleitung
    8
    Wärmeleiter
    9
    Reformer
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102017112830 A1 [0003]
    • US 7485381 B2 [0003]
    • US 8492042 B2 [0003]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), das eine Festoxidbrennstoffzelle (2) und eine Speichereinrichtung (5) zur zeitweisen Speicherung von Brennstoff umfasst, aufweisend die Schritte des Empfangens eines Startbefehls, des daraufhin erfolgenden Zuführens des Brennstoffs an die Speichereinrichtung (5) und der Aufnahme des Brennstoffs in der Speichereinrichtung (5) durch eine exotherme chemische Reaktion sowie der Zufuhr einer bei der exothermen chemischen Reaktion entstandenen Wärmemenge an die Festoxidbrennstoffzelle (2).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der exothermen chemischen Reaktion entstandene Wärme an einen stromauf der Festoxidbrennstoffzelle (2) angeordneten Kathodengaserwärmer (6) übergeben wird, wodurch das Kathodengas erwärmt wird, und dass das erwärmte Kathodengas der Festoxidbrennstoffzelle (2) zur Erwärmung zugeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reformer (9) vorhanden ist, durch welchen der Brennstoff (8) sowohl für die Festoxidbrennstoffzelle (2) als auch für die Speichereinrichtung (5) zur Verfügung gestellt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr von Brennstoff an die Speichereinrichtung (5) gestoppt wird, sobald die Festoxidbrennstoffzelle (2) eine vorgegebene Temperatur, insbesondere ihre Betriebstemperatur erreicht hat.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der bei mindestens der vorgegebenen Temperatur betriebenen Festoxidbrennstoffzelle (2) Wärme entzogen und diese zumindest anteilig der Speichereinrichtung (5) zugeführt wird, um darin gespeicherten Brennstoff in einer endothermen Reaktion freizusetzen.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Abgas der bei zumindest der vorgegebenen Temperatur betriebenen Festoxidbrennstoffzelle (2) Wärme entzogen und diese zumindest anteilig der Speichereinrichtung (5) zugeführt wird, um darin gespeicherten Brennstoff in einer endothermen Reaktion freizusetzen.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme zwischen der Festoxidbrennstoffzelle (2) und der Speichereinrichtung (5) nach dem Prinzip der Wärmestrahlung übertragen wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme zwischen der Festoxidbrennstoffzelle (2) und der Speichereinrichtung (5) nach dem Prinzip der Wärmeleitung übertragen wird.
  9. Brennstoffzellensystem (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das eine Festoxidbrennstoffzelle (2) und eine Speichereinrichtung (5) zur zeitweisen Speicherung von Brennstoff sowie eine Steuerungseinrichtung umfasst, wobei die Steuerungseinrichtung ausgebildet ist, beim Empfangen eines Startbefehls ein Zuführen des Brennstoffs an die Speichereinrichtung (5) zu veranlassen, wobei der Brennstoff in der Speichereinrichtung (5) durch eine exotherme chemische Reaktion aufgenommen wird, sowie eine Zufuhr einer bei der exotherm en chemischen Reaktion entstandenen Wärmemenge an die Festoxidbrennstoffzelle (2) zu veranlassen.
  10. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung ausgebildet ist, die Zufuhr von Brennstoff an die Speichereinrichtung (5) zu stoppen, sobald die Festoxidbrennstoffzelle (2) eine vorgegebene Temperatur, insbesondere ihre Betriebstemperatur erreicht hat, und dass die Steuerungseinrichtung ausgebildet ist, zu veranlassen, dass der Festoxidbrennstoffzelle (2) Wärme entzogen und diese zumindest anteilig der Speichereinrichtung (5) zugeführt wird, um darin gespeicherten Brennstoff in einer endothermen Reaktion freizusetzen.
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US20030049501A1 (en) * 2001-09-07 2003-03-13 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system, method of controlling the same, and vehicle mounted with the same
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