DE102020119019A1 - Verfahren zum Starten einer Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung, Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung sowie Brennstoffzellen-Fahrzeug - Google Patents

Verfahren zum Starten einer Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung, Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung sowie Brennstoffzellen-Fahrzeug Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten einer Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem, mindestens eine als Mikrotube (5) gestaltete Brennstoffzelle (3) aufweisenden, Brennstoffzellenstapel (2), umfassend die Schritte:a) Zuführen des Brennstoffes gemischt mit Luft in einem zündfähigen Mischungsverhältnis durch die Innenseite (6) des Mikrotubes (5),b) Einstellen der Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoff-Luftgemisches, dass diese beim Austritt aus dem Mikrotube (5) höher als dessen Flammengeschwindigkeit liegt,c) Zünden des Brennstoff-Luftgemisches, wenn dieses die stromab liegende Mündung (11) des Mikrotubes (5) erreicht durch eine Zündvorrichtung (10),d) Reduktion des Volumenstromes des Brennstoff-Luftgemisches nach Erreichen einer vorgegebenen Temperatur des Mikrotubes (5) und/oder nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer seit dem Zünden,e) Beenden des Abbrands des Brennstoff-Luftgemisches und Übergang in den Normalbetrieb.Die Erfindung betrifft weiterhin eine Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (1) sowie ein Brennstoffzellen-Fahrzeug.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten einer Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung mit einem, mindestens eine als Mikrotube gestaltete Brennstoffzelle, aufweisenden Brennstoffzellenstapel, umfassend die Schritte:
    1. a) Zuführen des Brennstoffes gemischt mit Luft in einem zündfähigen Mischungsverhältnis durch die Innenseite des Mikrotubes,
    2. b) Einstellen der Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoff-Luftgemisches, dass diese beim Austritt aus dem Mikrotube höher als dessen Flammengeschwindigkeit liegt,
    3. c) Zünden des Brennstoff-Luftgemisches, wenn dieses das stromab liegende Ende des Mikrotubes erreicht durch eine Zündvorrichtung,
    4. d) Reduktion des Volumenstromes des Brennstoff-Luftgemisches nach Erreichen einer vorgegebenen Temperatur des Mikrotubes und/oder nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer seit dem Zünden,
    5. e) Beenden des Abbrands des Brennstoff-Luftgemisches und Übergang in den Normalbetrieb.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin eine Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein Brennstoffzellen-Fahrzeug.
  • Brennstoffzellen dienen dazu, in einer chemischen Reaktion zwischen einem wasserstoffhaltigen Brennstoff und einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel, in der Regel Luft, elektrische Energie bereitzustellen. Bei einer Festoxid-Brennstoffzelle (Solid Oxide Fuel Cell SOFC) besteht dabei eine Elektrolytschicht aus einem namensgebenden festen Werkstoff, z.B. keramischen yttriumdotierten Zirkoniumdioxid, der in der Lage ist, Sauerstoffionen zu leiten, während Elektronen nicht geleitet werden. Die Elektrolytschicht ist zwischen zwei Elektrodenschichten aufgenommen, nämlich der Kathodenschicht, der die Luft zugeführt wird, und der Anodenschicht, die mit dem Brennstoff versorgt wird, der durch H2, CO, CH4, C3H8 oder ähnliche Kohlenwasserstoffe gebildet sein kann. Wird die Luft durch die Kathodenschicht zu der Elektrolytschicht geführt, nimmt der Sauerstoff zwei Elektronen auf und die gebildeten Sauerstoffionen O2" bewegen sich durch die Elektrolytschicht zu der Anodenschicht, wobei die Sauerstoffionen dort mit dem Brennstoff reagieren unter Bildung von Wasser und CO2. Kathodenseitig findet die folgende Reaktion statt: ½ O2 + 2e- → 2O2- (Reduktion/Elektronenaufnahme). An der Anode erfolgen die folgenden Reaktionen: H2 + O2- → H2O + 2 e- sowie CO + O2- → CO2 + 2e- (Oxidation/Elektronenabgabe).
  • Festoxid-Brennstoffzellen benötigen hohe Temperaturen meist über 700°C, bei denen sie betrieben werden, so dass auch die Verwendung der Bezeichnung Hochtemperatur-Brennstoffzelle üblich ist. Allerdings bedingt die für eine ausreichende Leitfähigkeit der Elektrolytschicht erforderliche hohe Temperatur, dass im Startfall eine Erwärmung erforderlich ist, die bei mobilen Anwendungen dieser Festoxid-Brennstoffzelle in Brennstoffzellen-Fahrzeugen in kurzen Zeiträumen, vorzugsweise in weniger als 3 Minuten erfolgen muss, um eine entsprechende Nutzerakzeptanz zu erzielen.
  • Eine Festoxid-Brennstoffzelle muss nicht planar gestaltet sein, sondern kann als Mikrotube ausgeführt sein; auch besteht zur Leistungssteigerung die Möglichkeit, mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel zusammen zu fassen.
  • In der EP 1 852 930 A1 wird zur Beschleunigung des Startvorganges die Nutzung einer Heizeinrichtung beschrieben, die einen Reformer erwärmt. Die Heizeinrichtung ist durch eine elektrische Heizung gebildet. Die Erwärmung durch eine elektrische Heizung ist sehr energieintensiv und im Hinblick auf die begrenzte, aus einer Batterie bereit gestellten Menge an elektrischer Energie bei einer mobilen Anwendung nachteilig. Die CN 106602103 A lehrt gleichfalls die Verwendung einer elektrischen Heizeinrichtung, wobei die Elektroden oder der Elektrolyt selbst als Heizelement genutzt werden, durch den der Strom geführt ist. In der US 2019/0063283 A1 ist beschrieben, wie bei einem konventionellen Verbrennungssystem in dessen Abgasführung eine Festoxid-Brennstoffzelle mit mehreren Mikrotubes zur Abgasreinigung eingesetzt werden kann.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereit zu stellen, mit dem ein Schnellstart einer Festoxid-Brennstoffzelle ermöglicht ist. Aufgabe ist weiterhin, eine verbesserte Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung und ein effizienteres Brennstoffzellen-Fahrzeug bereit zu stellen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 und durch ein Brennstoffzellen-Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass es ohne eine zusätzliche, insbesondere elektrisch betriebene Heizeinrichtung auskommt und eine sehr schnelle und dabei effiziente Erwärmung ermöglicht, weil mindestens ein Mikrotube als Flammenhalter genutzt wird, in den die Flamme in Schritt d) zurückschlägt, so dass die Wärme direkt an dem Mikrotube entsteht und über Wärmeleitung und Wärmestrahlung dessen Erwärmung bewirkt.
  • Bevorzugt ist dabei, dass vor dem Schritt e) eine weitere Reduktion des Volumenstromes des Brennstoff-Luftgemisches durchgeführt wird. Dies bewirkt ein Zurückschlagen der Flamme auch aus dem Mikrotube heraus in die stromauf gelegenen Bereiche, die dadurch gleichfalls erwärmt werden, wobei die Ausbreitung der stromauf aus dem Mikrotube austretenden Flamme durch einen zweiten Flammenhalter begrenzt wird. Wenn der zweite Flammenhalter als Reformer gebildet ist, wird dadurch erreicht, dass dieser durch die aus dem Mikrotube austretende Flamme erwärmt wird, also bei diesem Verfahren eingeschlossen ist, den Reformer auch auf Betriebstemperatur zu bringen. Dabei wird das Brennstoff-Luftgemisch in einem stöchiometrischen Verhältnis zwischen 0,8 und 1,2 eingestellt.
  • Wenn die gewünschte Erwärmung des Mikrotubes und/oder des Reformers erreicht ist, kann der Startvorgang beendet werden. Dies geschieht, indem das Beenden des Abbrands in Schritt e) durch ein Ersticken der Flamme und/oder durch Reduktion des Volumenstromes auf null erfolgt. Der Flamme kann also der zum Unterhalt erforderliche Reaktionspartner entzogen werden oder das Durchströmen des Mikrotubes wird komplett beendet, um den Normalbetrieb der elektrochemischen Reaktion zu ermöglichen.
  • Die vorstehend genannten Vorteile und Wirkungen gelten auch für eine Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung mit einem mindestens eine als Mikrotube gestaltete Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapel, wobei das Mikrotube als ein erster Flammenhalter ausgeführt ist. Bei dieser Fest-oxid-Brennstoffzellenvorrichtung ist eine schnelle Erwärmung ermöglicht durch die in dem ersten Flammenhalter brennende Flamme, die direkt die Wärme durch alle Wärmetransportmechanismen, insbesondere Wärmestrahlung und Wärmeleitung an das Mikrotube abgibt. Dazu ist vorgesehen, dass der stromab gelegenen Mündung des Mikrotubes eine äußere Zündvorrichtung zugeordnet ist, die für die Zündung des zündfähigen Brennstoff-Luftgemisches genutzt wird.
  • Bevorzugt ist weiterhin, wenn stromauf des Mikrotubes ein zweiter Flammenhalter und/oder ein Reformer mit einer porösen Mikrostruktur angeordnet ist. Die poröse Mikrostruktur des Reformers ergibt dessen Eignung als zweiten Flammenhalter, so dass die Flamme aus dem Mikrotube bis zu dem Reformer geführt werden kann, der so auch zügig und energieeffizient erwärmt werden kann.
  • Auch für ein Brennstoffzellen-Fahrzeug mit einer derartigen Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung gelten die vorstehend genannten Vorteile und Wirkungen; insbesondere ist eine verbesserte Energienutzung und für den Nutzer ein verbesserter Gebrauchswert gegeben, da der Startvorgang schnell abgeschlossen werden kann.
  • Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur 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 der Figur 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 zeigt:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels mit mehreren als Mikrotubes ausgeführten Festoxid-Brennstoffzellen.
  • In der 1 ist der zur Erläuterung erforderliche Teil eines Brennstoffzellenstapels 2 einer Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, die insbesondere in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug verwendet werden kann. Der Brennstoffzellenstapel 2 verfügt über eine Mehrzahl zwischen zwei Zellenhalter 4 angeordnete Brennstoffzellen 3, die als Mikrotubes 5 gestaltet sind, bei denen auf der Innenseite 6 die Anodenschicht angeordnet ist. Die Zellenhalter 4 fungieren auch als Verteiler 7 für die Zufuhr von dem Brennstoff und der Luft beziehungsweise der Ableitung der Abgase. In der 1 ist weiterhin dem stromauf gelegenen Zellenhalter 4 ein Reformer 8 zugeordnet, durch den der Brennstoff geleitet wird. Der Reformer 8 weist eine poröse Mikrostruktur auf, so dass dieser auch als ein zweiter Flammenhalter 9 wirkt. Dem stromab gelegenen Verteiler 7 ist eine Zündvorrichtung 10 zugeordnet, die auf die stromab gelegene Mündung 11 des Mikrotubes 5 wirkt.
  • Mit einer derartigen Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung 1 ist die Durchführung eines Verfahrens zum Starten ermöglicht, das die nachfolgenden Schritte umfasst:
    1. a) Zuführen des Brennstoffes gemischt mit Luft in einem zündfähigen Mischungsverhältnis durch die Innenseite 6 des Mikrotubes 5,
    2. b) Einstellen der Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoff-Luftgemisches, dass diese beim Austritt aus dem Mikrotube 5 höher als dessen Flammengeschwindigkeit liegt,
    3. c) Zünden des Brennstoff-Luftgemisches, wenn dieses das stromab liegende Ende des Mikrotubes 5 erreicht durch eine Zündvorrichtung 10,
    4. d) Reduktion des Volumenstromes des Brennstoff-Luftgemisches nach Erreichen einer vorgegebenen Temperatur des Mikrotube 5 und/oder nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer seit dem Zünden,
    5. e) Beenden des Abbrands des Brennstoff-Luftgemisches und Übergang in den Normalbetrieb.
  • Dabei ist die Flammengeschwindigkeit die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Flammenfront in der Strömung des Brennstoff-Luftgemisches und das Brennstoff-Luftgemisch wird vorzugsweise in einem stöchiometrischen Verhältnis zwischen 0,8 und 1,2 eingestellt. Weil in Schritt b) die Strömungsgeschwindigkeit niedriger als die Flammengeschwindigkeit liegt, bildet sich beim Zünden eine Flamme 12 an der stromab gelegenen Mündung 11 des jeweiligen Mikrotubes 5, wobei dieser Zustand beibehalten wird, bis die Grenztemperatur aus Schritt d) erreicht oder die Zeitdauer überschritten ist. Dieser Zustand ist in 1 gezeigt.
  • Bei diesem Verfahren wird durch die Reduktion des Volumenstromes bewirkt, dass die Flamme 12 in die Mikrotubes 5 eintritt, die damit als erster Flammenhalter 13 wirken und sehr schnell erwärmt werden.
  • Es besteht auch die Möglichkeit, dass vor dem Schritt e) eine weitere Reduktion des Volumenstromes des Brennstoff-Luftgemisches durchgeführt wird, so dass die Flamme 12 aus dem Mikrotube 5 zurückschlägt in den Brennstoff-Luft-Zuführraum 14, wobei die Ausbreitung der stromauf aus dem Mikrotube 5 austretenden Flamme durch den zweiten Flammenhalter 9 begrenzt wird, der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als der Reformer 8 gebildet ist, der dabei durch die aus den Mikrotubes 5 austretende Flamme erwärmt wird. Dieser Verfahrensschritt kann beibehalten werden, bis auch der Reformer 8 seine erforderliche Betriebstemperatur erreicht hat.
  • Das Verfahren zum Starten der Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung 1 kann nach Erreichen der gewünschten, vorgegebenen Temperaturen für die Mikrotubes 5 und/oder den Reformer 8 beendet werden und eine Überführung in den Normalbetrieb erfolgen, wobei das Beenden des Abbrands in Schritt e) durch ein Ersticken der Flamme 12 und/oder durch Reduktion des Volumenstromes auf null erfolgt.
  • Die Vorteile dieses Verfahrens zeigen sich insbesondere bei einer mobilen Anwendung in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug mit einer Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung 1 der vorstehend erläuterten Art, da die Startprozedur nutzerfreundlich sehr schnell durchgeführt werden kann und effizient ist, also zu einem geringeren Energieaufwand beim Start und damit zu einer erhöhten Reichweite führt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung
    2
    Brennstoffzellenstapel
    3
    Brennstoffzellen
    4
    Zellenhalter
    5
    Mikrotubes
    6
    Innenseite
    7
    Verteiler
    8
    Reformer
    9
    zweiter Flammenhalter
    10
    Zündvorrichtung
    11
    Mündung
    12
    Flamme
    13
    Flammenhalter
    14
    Brennstoff-Luft-Zuführraum
  • 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
    • EP 1852930 A1 [0006]
    • CN 106602103 A [0006]
    • US 2019/0063283 A1 [0006]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Starten einer Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem, mindestens eine als Mikrotube (5) gestaltete Brennstoffzelle aufweisenden, Brennstoffzellenstapel (2), umfassend die Schritte: a) Zuführen des Brennstoffes gemischt mit Luft in einem zündfähigen Mischungsverhältnis durch die Innenseite (6) des Mikrotubes (5), b) Einstellen der Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoff-Luftgemisches, dass diese beim Austritt aus dem Mikrotube (5) höher als dessen Flammengeschwindigkeit liegt, c) Zünden des Brennstoff-Luftgemisches, wenn dieses die stromab liegende Mündung (11) des Mikrotubes (5) erreicht durch eine Zündvorrichtung (10), d) Reduktion des Volumenstromes des Brennstoff-Luftgemisches nach Erreichen einer vorgegebenen Temperatur des Mikrotubes (5) und/oder nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer seit dem Zünden, e) Beenden des Abbrands des Brennstoff-Luftgemisches und Übergang in den Normalbetrieb.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt e) eine weitere Reduktion des Volumenstromes des Brennstoff/Luftgemisches durchgeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbreitung der stromauf aus dem Mikrotube (5) austretenden Flamme (12) durch einen zweiten Flammenhalter (9) begrenzt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Flammenhalter (9) als ein Reformer (8) gebildet ist, der durch die aus dem Mikrotube (5) austretende Flamme (12) erwärmt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoff-Luftgemisch in einem stöchiometrischen Verhältnis zwischen 0,8 und 1,2 eingestellt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Beenden des Abbrands in Schritt e) durch ein Ersticken der Flamme (12) und/oder durch Reduktion des Volumenstromes auf null erfolgt.
  7. Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem mindestens eine als Mikrotube (5) gestaltete Brennstoffzelle (3) aufweisenden Brennstoffzellenstapel (2), dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrotube (5) als ein erster Flammenhalter (13) ausgeführt ist.
  8. Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der stromab gelegenen Mündung (11) des Mikrotubes (5) eine Zündvorrichtung (10) zugeordnet ist.
  9. Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf des Mikrotubes (5) ein zweiter Flammenhalter (9) und/oder ein Reformer (8) mit einer porösen Mikrostruktur angeordnet ist.
  10. Brennstoffzellen-Fahrzeug mit einer Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9.
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