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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, umfassend eine Brennstoffzelle und einen in einer Luftzuleitung angeordneten Wärmeübertrager zur Erwärmung einer der Brennstoffzelle zugeführten Luft, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennstoffzelle.
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Stand der Technik
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Es sind Brennstoffzellensysteme bekannt, bei denen Luft, welche einer Brennstoffzelle zugeführt wird, mittels eines Wärmeübertragers vorgewärmt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs zeichnet sich demgegenüber durch ein elektrisches Heizelement zur, insbesondere zusätzlichen, Erwärmung eines Abgases stromabwärts der Brennstoffzelle aus.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung nach dem Hauptanspruch möglich. So ist es vorteilhaft, wenn eine Bypassleitung ausgebildet ist, die eine Abzweigung stromaufwärts des Wärmeübertrages von der Luftzuleitung und eine Einmündung stromabwärts des Wärmeübertragers in die Luftzuleitung aufweist, wodurch die Regelbarkeit des Brennstoffzellensystems erhöht wird.
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Vorteilhaft ist es, wenn das elektrische Heizelement stromabwärts der Brennstoffzelle angeordnet ist, wodurch eine effiziente Erwärmung eines Abgases stromabwärts der Brennstoffzelle ermöglicht wird.
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Bevorzugt ist das elektrische Heizelement stromabwärts der Brennstoffzelle in einer Kathodenabgasleitung angeordnet, wodurch eine effiziente Erwärmung eines Kathodenabgases der Brennstoffzelle ermöglicht wird.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn ein Nachbrenner angeordnet ist, welcher mit dem Wärmeübertrager zur Erwärmung der der Brennstoffzelle zugeführten Luft verbunden ist, wodurch der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems erhöht werden kann.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn das elektrische Heizelement stromabwärts des Nachbrenners angeordnet ist, wodurch eine effiziente Erwärmung eines Abgases des Nachbrenners ermöglicht wird.
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Auch ist es von Vorteil, wenn ein Reformer angeordnet ist, welcher mit dem Nachbrenner verbunden ist und das elektrische Heizelement stromabwärts des Reformers angeordnet ist, wodurch eine effiziente Erwärmung eines Abgases stromabwärts des Reformers ermöglicht wird.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Brennstoffzellensystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Brennstoffzelle und einen in einer Luftzuleitung angeordneten Wärmeübertrager zur Erwärmung einer der Brennstoffzelle zugeführten Luft. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass mittels eines elektrischen Heizelements eine, insbesondere zusätzliche, Erwärmung eines Abgases stromabwärts der Brennstoffzelle durchgeführt wird. Dadurch wird die Betriebseffizienz des Brennstoffzellensystems gesteigert.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die Erwärmung mittels des elektrischen Heizelements während eines Startvorgangs des Brennstoffzellensystems durchgeführt wird, wodurch ein besonders schneller und effektiver Startvorgang erfolgen kann.
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Figurenliste
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In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
- 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Brennstoffzellensystems,
- 2 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Brennstoffzellensystems,
- 3 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Brennstoffzellensystems,
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Brennstoffzellensystems 10 gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst eine Brennstoffzelle 12, im vorliegenden Fall eine Festoxidbrennstoffzelle 13 (englisch: solid oxide fuel cell, SOFC), und einen in einer Luftzuleitung 14 angeordneten Wärmeübertrager 16 zur Erwärmung einer der Brennstoffzelle 12 zugeführten Luft in einem Normalbetrieb. Im vorliegenden Fall wird die Luft, beispielsweise in einem Normalbetrieb, einer Kathode 18 der Brennstoffzelle 12 zugeführt, während einer Anode 20 reformierter Brennstoff, im vorliegenden Wasserstoff, zugeführt wird. In der Brennstoffzelle 12 wird der reformierte Brennstoff unter Erzeugung von Strom und Wärme elektrochemisch umgesetzt.
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Der reformierte Brennstoff wird erzeugt, indem dem Brennstoffzellensystem 10 über eine Brennstoffleitung 22 Brennstoff, im vorliegenden Fall Erdgas, zugeführt wird, welcher in einem Reformer 24 reformiert wird.
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Die Brennstoffzelle 12 ist abgasseitig an einem Nachbrenner 26 angeschlossen. Dem Nachbrenner 26 wird über eine Kathodenabgasleitung 28 Kathodenabgas und über eine Anodenabgasleitung 30 Anodenabgas zugeführt. Das Kathodenabgas enthält überwiegend unverbrauchte Luft, während Anodenabgas unter Anderem nicht-umgesetzten Brennstoff enthält. Mittels des Nachbrenners 26 wird das Anodenabgas, bzw. der darin enthaltene nicht-umgesetzte Brennstoff, unter Beimischung des Kathodenabgases, bzw. der darin enthaltenen Luft, verbrannt, wodurch zusätzliche Wärme erzeugt werden kann.
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Das bei der Verbrennung im Nachbrenner 26 entstehende heiße Abgas wird über eine Abgasleitung 32 abgeführt. Der Reformer 24 ist dabei stromabwärts des Nachbrenners 26 an der Abgasleitung 32 angeschlossen, so dass Wärme von dem heißen Abgas auf den Reaktionsraum des Reformers 24 übertragen wird. Entsprechend kann die Wärme des heißen Abgases für die Reformierung des zugeführten Brennstoffs im Reformer 24 genutzt werden.
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Stromabwärts des Reformers 24 ist auch der Wärmeübertrager 16 an der Abgasleitung 32 angeschlossen, so dass die verbleibende Wärme des heißen Abgases aus der Abgasleitung 32 auf die zugeführte Luft in der Luftleitung übertragen werden kann. Entsprechend kann die verbleibende Wärme des heißen Abgases für ein Vorwärmen der zugeführten Luft in der Luftzuleitung genutzt werden.
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Darüber hinaus weist das Brennstoffzellensystem 12 eine Rückführleitung 34 auf, mittels welcher Anodenabgas teilweise aus der Anodenabgasleitung 30 abgezweigt und der Brennstoffleitung 22 zugeführt werden kann. Die Rückführleitung 34 bildet entsprechend mit der Brennstoffleitung 22 einen Anodenrezirkulationskreis 36 mittels welchem Anodenabgas zur Anode der Brennstoffzelle 12 rückgeführt werden kann, so dass ggf. nicht-umgesetzter Brennstoff im Anodenabgas im Nachgang umgesetzt werden kann, wodurch der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems 10 weiter erhöht werden kann.
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Über Verdichter 38 in den jeweiligen Leitungen, kann die Zufuhr von Luft in der Luftzufuhrleitung 14, die Zufuhr von Brennstoff in der Brennstoffleitung 22 und die Rezirkulationsrate des Anodenabgases im Anodenrezirkulationskreis 36 geregelt und/oder aufeinander abgestimmt werden.
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Das vorliegende Brennstoffzellensystem 10 zeichnet sich nun durch ein elektrisches Heizelement 40 zur, im vorliegenden Fall zusätzlichen, Erwärmung eines Abgases stromabwärts der Brennstoffzelle aus, wodurch die Betriebseffizienz des Brennstoffzellensystems 10 gesteigert wird.
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Im vorliegenden Fall weist das Brennstoffzellensystem 10 eine Bypassleitung 42, insbesondere zur Kühlung der der Brennstoffzelle 12 zugeführten Luft, auf, die eine Abzweigung 44 stromaufwärts des Wärmeübertrages 16 von der Luftzuleitung 14 und eine Einmündung 46 stromabwärts des Wärmeübertragers 16 in die Luftzuleitung 16 aufweist. Die Bypassleitung 42 ist entsprechend dazu vorgesehen eine Kühlung der der Brennstoffzelle 12 zugeführten Luft zu ermöglicht, wodurch wiederum die Regelbarkeit des Brennstoffzellensystems 10 erhöht wird.
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In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das elektrische Heizelement 40 stromabwärts der Brennstoffzelle 12, im vorliegenden Fall in der Kathodenabgasleitung 28, angeordnet. Mittels des elektrischen Heizelements 40 kann ein Abgas stromabwärts der Brennstoffzelle 12, beispielsweise in einem Startbetrieb, erwärmt werden, wobei die Wärme dieses Abgases teilweise im Nachbrenner 26 für eine Verbrennung, teilweise im Reformer 24 für eine Reformierung und teilweise zur Erwärmung der der Brennstoffzelle 12 zugeführten Luft mittels des Wärmeübertragers 16 in der Luftzuleitung 14 genutzt werden kann. Durch einstellen der elektrischen Leistung des elektrischen Heizelements 40 kann dabei der Grad der Erwärmung des Abgases und somit auch indirekt der der Brennstoffzelle 12 zugeführten Luft gesteuert werden. Entsprechend kann das Temperaturniveau der der Brennstoffzelle 12 zugeführten Luft gezielt geregelt werden, wodurch wiederum die Regelbarkeit des Brennstoffzellensystems 10 zusätzlich effizient gesteigert wird. Insbesondere werden dazu keine zusätzlichen Wärmeübertrager oder sonstige komplexen Bauteile benötigt, wodurch wiederum Leitungen eingespart und die Kompaktheit des Brennstoffzellensystems 10 erhöht werden.
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Unter einem Normalbetrieb kann im Rahmen dieser Erfindung der planmäßige Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 bei üblicher Beanspruchung verstanden werden. Insbesondere ist das Brennstoffzellensystem 10 im Normalbetrieb auch in der Lage den maximal möglichen Wirkungsgrad zu erreichen. Die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 12 des Brennstoffzellensystems 10 liegt dabei in der Regel zwischen 600 °C und 800 °C.
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Unter einem Startbetrieb kann im Rahmen dieser Erfindung der Betrieb während eines Startvorgangs des Brennstoffzellensystems 10 verstanden werden. Insbesondere wird die Brennstoffzelle 12 des Brennstoffzellensystems 10 während des Startvorgangs auf eine für den Normalbetrieb geeignete Betriebstemperatur, beispielsweise von 600 °C, aufgewärmt. Insbesondere kann unter einem Startvorgang das Starten und/oder Hochfahren des Brennstoffzellensystems 10 aus einem ausgeschalteten Zustand und/oder aus einem Standby-Zustand in den Normalbetrieb verstanden werden.
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In 2 ist eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels des Brennstoffzellensystems 10 gezeigt. In dem gezeigten Fall ist das elektrische Heizelement 40 stromabwärts des Nachbrenners 26 angeordnet. So kann das Abgas stromabwärts des Nachbrenners 26, beispielsweise in einem Startbetrieb, erwärmt werden, wobei die Wärme dieses Abgases teilweise im Reformer 24 für eine Reformierung und teilweise zur Erwärmung der der Brennstoffzelle 12 zugeführten Luft mittels des Wärmeübertragers 16 in der Luftzuleitung 14 genutzt werden kann. Durch einstellen der elektrischen Leistung des elektrischen Heizelements 40 kann auch in diesem Fall der Grad der Erwärmung des Abgases und somit auch der der Brennstoffzelle 12 zugeführten Luft gesteuert werden. Entsprechend kann auch das Temperaturniveau der der Brennstoffzelle 12 zugeführten Luft gezielt geregelt werden, wodurch wiederum die Regelbarkeit des Brennstoffzellensystems 10 zusätzlich effizient gesteigert wird. Auch in diesem Fall werden dazu keine zusätzlichen Wärmeübertrager oder sonstige komplexen Bauteile benötigt, wodurch ebenfalls Leitungen eingespart und die Kompaktheit des Brennstoffzellensystems 10 erhöht werden.
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In 3 ist eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Brennstoffzellensystems 10 gezeigt. In dem gezeigten Fall ist das elektrische Heizelement 40 stromabwärts des Reformers 26 angeordnet. So kann das Abgas stromabwärts des Reformers 24, beispielsweise in einem Startbetrieb, erwärmt werden, wobei die Wärme dieses Abgases hauptsächlich zur Erwärmung der der Brennstoffzelle 12 zugeführten Luft mittels des Wärmeübertragers 16 in der Luftzuleitung 14 genutzt werden kann. Durch einstellen der elektrischen Leistung des elektrischen Heizelements 40 kann auch in diesem Fall der Grad der Erwärmung des Abgases und somit auch der der Brennstoffzelle 12 zugeführten Luft gesteuert werden. Entsprechend kann auch das Temperaturniveau der der Brennstoffzelle 12 zugeführten Luft gezielt geregelt werden, wodurch wiederum die Regelbarkeit des Brennstoffzellensystems 10 zusätzlich effizient gesteigert wird. Auch in diesem Fall werden dazu keine zusätzlichen Wärmeübertrager oder sonstige komplexen Bauteile benötigt, wodurch ebenfalls Leitungen eingespart und die Kompaktheit des Brennstoffzellensystems 10 erhöht wird.
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In dem gezeigten Fall handelt es sich bei der im Reformer 24 durchgeführten Reformierung um eine endotherme Dampfreformierung. Durch das elektrische Heizelement 40 stromabwärts des Reformers 24 kann dabei die bei der endothermen Dampfreformierung verbrauchte Wärme dem Abgas stromabwärts des Reformers 24 erneut zugeführt werden und zur Erwärmung der der Brennstoffzelle 12 zugeführten Luft mittels des Wärmeübertragers 16 in der Luftzuleitung 14 genutzt werden, wodurch wiederum die Effizienz des Brennstoffzellensystems 10 gesteigert wird.
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Durch eine Kombination der Bypassleitung 12 und des elektrischen Heizelements 40, wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen beschrieben, kann eine gezielte Regelung sowohl zu niedrigeren, als auch zu höheren Temperaturen der der Brennstoffzelle 12 zugeführten Luft erfolgen, wodurch eine besonders effiziente Regelung des Temperaturniveaus der der Brennstoffzelle 12 zugeführten Luft, gemäß den vorhergehend beschriebenen Vorteilen, ermöglicht wird.
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Ferner wird in allen Ausführungsbeispielen die Brennstoffzelle 12, durch das Anordnen des elektrischen Heizelements 40 stromabwärts der Brennstoffzelle 12, vor Vergiftungen geschützt, da evtl. am elektrischen Heizelement 40 freigesetzte Partikel, die beispielsweise bei einem dauerhaften Betrieb des elektrischen Heizelements 40 auftreten können, die Brennstoffzelle 12 nicht erreichen. Somit weisen die gezeigten Brennstoffzellensysteme 10 eine erhöhte Lebensdauer auf.
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In einem alternativen Ausführungsbeispiel, welches bildlich nicht dargestellt ist, wäre auch eine Kombination der gezeigten Ausführungsbeispiele möglich. So könnte eine Vielzahl an elektrischen Heizelementen 40 an den gezeigten Stellen des Brennstoffzellensystems 10 angeordnet werden. Dabei ist es denkbar, dass eine übergeordnete Regelung die jeweiligen elektrischen Heizelemente 40 und die Menge an beigemischter Luft über die Bypassleitung 42 aufeinander abstimmt, um so eine Regelung des Temperaturniveaus der der Brennstoffzelle 12 zugeführten Luft hin zu niedrigeren und/oder höheren Temperaturen zu ermöglichen.
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In allen gezeigten Ausführungsbeispielen handelt es sich bei dem elektrischen Heizelement 40 um eine Heizwendel 41 bestehend aus einem Heizdraht. Jedoch wären auch andere dem Fachmann geläufige Varianten eines elektrischen Heizelements denkbar.
