DE102021214865A1

DE102021214865A1 - Brennstoffzellenvorrichtung

Info

Publication number: DE102021214865A1
Application number: DE102021214865.4A
Authority: DE
Inventors: Peter Horstmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-12-22
Filing date: 2021-12-22
Publication date: 2023-06-22
Also published as: WO2023117185A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung (10), umfassend eine Bypassleitung (44), welche dazu vorgesehen ist von einem der Brennstoffzellenvorrichtung (10) zugeführten Medium, insbesondere Luft (L), durchströmt zu werden, und eine Heizeinheit (46), welche dazu vorgesehen ist ein in der Bypassleitung (44) strömendes Medium, insbesondere die in der Bypassleitung (44) strömende Luft (L), zu erwärmen. Die Brennstoffzellenvorrichtung (10) zeichnet sich dadurch aus, dass die Bypassleitung (44) in eine Abgasführung (34) mündet.

Description

Die vorliegende Erfindung betriff Brennstoffzellenvorrichtung, umfassend eine Bypassleitung, welche dazu vorgesehen ist von einem der Brennstoffzellenvorrichtung zugeführten Medium, insbesondere Luft, durchströmt zu werden, und eine Heizeinheit, welche dazu vorgesehen ist ein in der Bypassleitung strömendes Medium, insbesondere die in der Bypassleitung strömende Luft, zu erwärmen.
Stand der Technik
Das Dokument DE102019215230 A1 offenbart eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Bypassleitung, welche eine der Brennstoffzellenvorrichtung zugeführte Luft aus einer Luftzuführung abzweigt und mittels eines Heizelements erwärmt. Die erwärmte Luft wird anschließend wieder der Luftzuführung zugeführt.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass die Bypassleitung in eine Abgasführung mündet. Dadurch wird sowohl eine Erwärmung der der Brennstoffzellenvorrichtung zugeführten Luft als auch des der Brennstoffzellenvorrichtung zugeführten Brennstoffs ermöglicht.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung nach dem Hauptanspruch möglich. So ist es besonders von Vorteil, wenn die Bypassleitung stromaufwärts einer Prozessoreinheit, insbesondere eines Wärmeübertragers, in die Abgasführung mündet, wobei die Prozessoreinheit dazu vorgesehen ist Wärme von einem in der Abgasführung strömendem Medium, insbesondere Abgas, auf ein weiteres der Brennstoffzellenvorrichtung zugeführtes Medium, insbesondere Brennstoff, zu übertragen. Dadurch wird eine besonders effiziente Erwärmung des der Brennstoffzellenvorrichtung zugeführten Brennstoffs ermöglicht.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung, wobei ein der Brennstoffzellenvorrichtung zugeführtes Medium, insbesondere Luft, mittels einer Bypassleitung abgezweigt wird, und wobei das abgezweigte Medium, insbesondere die Luft, mittels eines Heizelements erwärmt wird. Das Verfahren zeichnet sich gegenüber dem aufgeführten Stand der Technik den Vorteil, dass das abgezweigte Medium, insbesondere die Luft, mittels der Bypassleitung einer Abgasführung zugeführt wird. Dadurch wird sowohl eine Erwärmung der der Brennstoffzellenvorrichtung zugeführten Luft als auch des der Brennstoffzellenvorrichtung zugeführten Brennstoffs ermöglicht.
Es ist besonders von Vorteil, wenn das abgezweigte Medium mittels der Bypassleitung der Abgasführung stromaufwärts einer Prozessoreinheit, insbesondere eines Wärmeübertragers, zugeführt wird, wobei mittels der Prozessoreinheit Wärme von einem in der Abgasführung strömendem Medium, insbesondere Abgas, auf ein weiteres der Brennstoffzellenvorrichtung zugeführtes Medium, insbesondere Brennstoff, übertragen wird. Dadurch wird eine besonders effiziente Erwärmung des der Brennstoffzellenvorrichtung zugeführten Brennstoffs ermöglicht.
Figurenliste
In einer Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

1 ein schematisches Scheltbild eines Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung 10 gezeigt. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 umfasst zwei Brennstoffzelleneinheiten 12. Die Brennstoffzelleneinheiten 12 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Brennstoffzellenstacks ausgeführt, welche eine Vielzahl von Brennstoffzellen, im vorliegenden Fall Festoxidbrennstoffzellen (englisch: solid oxide fuel cell, SOFC), aufweisen. Des Weiteren umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine Vielzahl von Prozessoreinheiten 14.
Unter einer „Prozessoreinheit“ 14 soll im Rahmen dieser Erfindung insbesondere eine Einheit oder Komponente der Brennstoffzellenvorrichtung 10 verstanden werden, bei der es sich nicht um eine Brennstoffzelleneinheit 12 handelt. In dem vorliegenden Fall handelt es sich bei den Prozessoreinheiten 14 um Einheiten zur chemischen und/oder thermischen Vor- und/oder Nachbereitung zumindest eines in einer Brennstoffzelleneinheit 12 umzusetzenden und/oder umgesetzten Mediums, wie beispielsweise eines Brenngases, einer Luft und/oder eines Abgases.
Bei einer der Prozessoreinheiten 14 handelt es sich um einen in einer Luftzuführung 16 angeordneten Wärmeübertrager 18 zur Erwärmung einer den Brennstoffzelleneinheiten 12 zugeführten, sauerstoffhaltigen Luft L. Im vorliegenden Fall wird die Luft L, beispielsweise in einem Normalbetrieb, jeweils einem Kathodenraum 20 der Brennstoffzelleneinheiten 12 zugeführt, während jeweils einem Anodenraum 22 reformierter Brennstoff RB, im vorliegenden Wasserstoff, zugeführt wird. In den Brennstoffzelleneinheiten 12 wird der reformierte Brennstoff RB durch Mitwirkung von Sauerstoff aus der Luft L unter Erzeugung von Strom und Wärme elektrochemisch umgesetzt.
Der reformierte Brennstoff RB wird erzeugt, indem der Brennstoffzellenvorrichtung 10 über eine Brennstoffzuführung 24 Brennstoff B, im vorliegenden Fall Erdgas, zugeführt wird, welcher in einer weiteren Prozessoreinheit 14, im vorliegendem Fall einem Reformer 26, reformiert wird.
Des Weiteren sind die Brennstoffzelleneinheiten 12 abgasseitig mit einer weiteren Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall mit einem Nachbrenner 28, verbunden. Dem Nachbrenner 28 wird Abgas der Brennstoffzelleneinheiten 12 zugeführt, im vorliegenden Fall Kathodenabgas KA über eine Kathodenabgasführung 30 und ein Teil des Anodenabgas AA über eine Anodenabgasführung 32. Das Kathodenabgas KA enthält unverbrauchte Luft L, bzw. unverbrauchten Sauerstoff, während das Anodenabgas AA ggf. nicht-umgesetzten, reformierten Brennstoff RB und/oder ggf. nicht-reformierten Brennstoff B enthält. Mittels des Nachbrenners 28 wird das Anodenabgas AA, bzw. der ggf. darin enthaltene nicht-umgesetzte, reformierte Brennstoff RB und/oder der ggf. darin enthaltende nicht-reformierte Brennstoff B, unter Beimischung des Kathodenabgases KA, bzw. des darin enthaltenen Sauerstoffs der Luft L, verbrannt, wodurch zusätzliche Wärme erzeugt werden kann.
Das bei der Verbrennung im Nachbrenner 28 entstehende heiße Abgas A wird über eine Abgasführung 34 über eine weitere Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall über einen Wärmeübertrager 36, vom Nachbrenner 28 abgeführt. Der Wärmeübertrager 36 ist dabei wiederum mit dem Reformer 26 strömungstechnisch verbunden, so dass Wärme von dem heißen Abgas A auf den dem Reformer 26 zugeführten Brennstoff B übertragen wird. Entsprechend kann die Wärme des heißen Abgases A für die Reformierung des zugeführten Brennstoffs B im Reformer 26 genutzt werden.
Stromabwärts des Wärmeübertragers 36 befindet sich eine weitere Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall der Wärmeübertrager 18, in der Abgasführung 34, so dass die verbleibende Wärme des heißen Abgases A auf die zugeführte Luft L in der Luftzuführung 16 übertragen werden kann. Entsprechend kann die verbleibende Wärme des heißen Abgases für ein Vorwärmen der zugeführten Luft L in der Luftführung 16 genutzt werden.
Darüber hinaus weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine Rückführung 38 auf, mittels welcher ein Teil des Anodenabgas AA aus der Anodenabgasführung 32 abgezweigt und einem Anodenrezirkulationskreis 40 zugeführt werden kann. Dabei passiert das abgezweigte Anodenabgas AA eine weitere Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall einen weiteren Wärmeübertrager 39.
Mittels des Anodenrezirkulationskreises 40 kann der abgezweigte Teil des Anodenabgas AA dem jeweiligen Anodenraum 22 der Brennstoffzelleneinheiten 12 und/oder dem Reformer 26 rückgeführt, bzw. erneut zugeführt, werden, so dass der ggf. im abgezweigten Anodenabgas AA enthaltene, nicht-umgesetzte, reformierte Brennstoff RB im Nachgang in der Brennstoffzelleneinheit 12 umgesetzt und/oder der ggf. im abgezweigten Anodenabgas AA enthaltene, nicht-reformierte Brennstoff B im Nachgang im Reformer 26 reformiert werden kann. Dadurch kann der Wirkungsgrad der Brennstoffzellenvorrichtung 10 weiter erhöht werden. Zudem kann über die Brennstoffzuführleitung 24 frischer Brennstoff B dem im Anodenrezirkulationskreis 40 rezirkuliertem, abgezweigten Anodenabgas AA beigemischt werden. Mittels des weiteren Wärmeübertragers 39 kann dann zur thermischen Aufbereitung Wärme von dem abgezweigten Anodenabgas AA aus der Rückführleitung 38 auf das durch die Beimischung des frischen Brennstoffs B entstehende Brennstoffgemisch im Anodenrezirkulationskreis 40 übertragen werden.
Über Verdichter 42 in den jeweiligen Leitungen, kann die Zufuhr von Luft L in der Luftzuführung 16, die Zufuhr von Brennstoff B in der Brennstoffzuführung 24 und die Rezirkulationsrate des Anodenabgases AA im Anodenrezirkulationskreis 40 geregelt und/oder aufeinander abgestimmt werden.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine Bypassleitung 44, welche dazu vorgesehen ist von einem der Brennstoffzellenvorrichtung 10 zugeführten Medium, im vorliegenden Fall Luft L, durchströmt zu werden. Des Weiteren umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine Heizeinheit 46, welche dazu vorgesehen das in der Bypassleitung 44 strömende Medium, im vorliegenden Fall die Luft L, zu erwärmen.
Die gezeigte Brennstoffzellenvorrichtung 10 zeichnet sich nun dadurch aus, dass die Bypassleitung 44 in die Abgasführung mündet. Dadurch wird sowohl eine Erwärmung der der zugeführten Luft L als auch des zugeführten Brennstoffs B ermöglicht.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel mündet die Bypassleitung 44 stromaufwärts einer Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall des Wärmeübertragers 36, in die Abgasführung 34, wobei der Wärmeübertrager 34 dazu vorgesehen ist Wärme von dem Abgas A auf den aus der Anodenabgasrezirkulation 40 kommenden frischen Brennstoff B zu übertragen. Dadurch wird eine besonders effiziente Erwärmung des frischen Brennstoffs B ermöglicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102019215230 A1 [0002]

Claims

Brennstoffzellenvorrichtung (10), umfassend eine Bypassleitung (44), welche dazu vorgesehen ist von einem der Brennstoffzellenvorrichtung (10) zugeführten Medium, insbesondere Luft (L), durchströmt zu werden, und eine Heizeinheit (46), welche dazu vorgesehen ist ein in der Bypassleitung (44) strömendes Medium, insbesondere die in der Bypassleitung (44) strömende Luft (L), zu erwärmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (44) in eine Abgasführung (34) mündet.
Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (44) stromaufwärts einer Prozessoreinheit (14), insbesondere eines Wärmeübertragers (36), in die Abgasführung (34) mündet, wobei die Prozessoreinheit (14) dazu vorgesehen ist Wärme von einem in der Abgasführung (34) strömendem Medium, insbesondere Abgas (A), auf ein weiteres der Brennstoffzellenvorrichtung (10) zugeführtes Medium, insbesondere Brennstoff (B), zu übertragen.
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (10), wobei ein der Brennstoffzellenvorrichtung (10) zugeführtes Medium, insbesondere Luft (L), mittels einer Bypassleitung (44) abgezweigt wird, und wobei das abgezweigte Medium, insbesondere die Luft (L), mittels eines Heizelements (46) erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das abgezweigte Medium, insbesondere die Luft (L), mittels der Bypassleitung (44) einer Abgasführung (34) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das abgezweigte Medium mittels der Bypassleitung (44) der Abgasführung (34) stromaufwärts einer Prozessoreinheit (14), insbesondere eines Wärmeübertragers (39), zugeführt wird, wobei mittels der Prozessoreinheit (14) Wärme von einem in der Abgasführung (34) strömendem Medium, insbesondere Abgas (A), auf ein weiteres der Brennstoffzellenvorrichtung (10) zugeführtes Medium, insbesondere Brennstoff (B), übertragen wird.