DE102022201060A1 - Brennstoffzellenvorrichtung und Verfahren zum Regulieren wenigstens einer Stacktemperatur einer Brennstoffzellenvorrichtung - Google Patents

Brennstoffzellenvorrichtung und Verfahren zum Regulieren wenigstens einer Stacktemperatur einer Brennstoffzellenvorrichtung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung (10) mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellenstacks (12), wobei die Brennstoffzellenstacks (12) an eine Luftzuführung (16) angeschlossen sind und an eine Kathodenabgasführung (30) angeschlossen sind, wobei an wenigstens einem ersten Brennstoffzellenstack (12a) an die Kathodenabgasführung (30) eine erste Kathodenrückführung (64a) angeschlossen ist, welche dazu ausgebildet ist, einen Teil der durch die Kathodenabgasführung (30) vom ersten Brennstoffzellenstack (12a) abgeführten Kathodenabgase (KA) abzuzweigen. Es wird vorgeschlagen, dass dem ersten Brennstoffzellenstack (12a) in der Luftzuführung (16) ein erster Ejector (62a) vorgeschaltet ist, an welchen die erste Kathodenrückführung (64a) angeschlossen ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung nach Gattung des unabhängigen Anspruchs. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Regulieren wenigstens einer Stacktemperatur einer Brennstoffzellenvorrichtung.
  • Stand der Technik
  • Typischerweise muss in Brennstoffzellenvorrichtungen die den Brennstoffzellenstacks zugeführte Luft erwärmt werden. Dazu werden in der Regel die Anodenabgase und Kathodenabgase in einem Nachbrenner verbrannt und die frische Luft über Wärmetauscher mit den Abgasen des Nachbrenners aufgewärmt. Diese Art der Wärmerückgewinnung ist oft nicht sehr effizient und senkt damit insgesamt die Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorteile
  • Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellenstacks, wobei die Brennstoffzellenstacks an eine Luftzuführung angeschlossen sind und an eine Kathodenabgasführung angeschlossen sind, wobei an wenigstens einem ersten Brennstoffzellenstack an die Kathodenabgasführung eine erste Kathodenrückführung angeschlossen ist, welche dazu ausgebildet ist, einen Teil der durch die Kathodenabgasführung vom ersten Brennstoffzellenstack abgeführten Kathodenabgase abzuzweigen. Erfindungsgemäß ist dem ersten Brennstoffzellenstack in der Luftzuführung ein erster Ejector vorgeschaltet, an welchen die erste Kathodenrückführung angeschlossen ist. Das hat den Vorteil, dass die warmen Kathodenabgase direkt über den Ejector zurück über die Luftzuführung in das erste Brennstoffzellenstack rezirkuliert werden können. Damit kann die Wärme der Kathodenabgase optimal ausgenutzt werden. Weiterhin sind aufgrund der Verwendung des Ejectors sowie des unmittelbaren Anschlusses über die Rückführung keine weiteren Verdichter und/oder Gebläse notwendig, um die Kathodenabgase zurück in den Brennstoffzellenstack zu transportieren. Das ermöglicht eine geringere Komplexität im Aufbau und der fluidischen Verschaltung der Brennstoffzellenvorrichtung, was eine einfache und ressourcenschonende Herstellung ermöglicht sowie die Brennstoffzellenvorrichtung zuverlässiger und einfacher in der Wartung macht.
  • Unter einer Brennstoffzellenvorrichtung soll insbesondere eine Vorrichtung verstanden werden, welche insbesondere einen, insbesondere funktionstüchtigen, Bestandteil, insbesondere eine Konstruktions- und/oder Funktionskomponente, eines Brennstoffzellensystems oder das gesamte Brennstoffzellensystem ausbildet.
  • Unter einem Brennstoffzellensystem soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein System zu einer stationären und/oder mobilen Gewinnung, insbesondere elektrischer und/oder thermischer Energie unter Verwendung zumindest einer Brennstoffzelleneinheit verstanden werden.
  • Unter einer Brennstoffzellenstack soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen verstanden werden. Eine Brennstoffzelle ist insbesondere dazu vorgesehen, zumindest eine chemische Reaktionsenergie zumindest eines, insbesondere kontinuierlich zugeführten, Brenngases, insbesondere Wasserstoff, und zumindest eines Oxidationsmittels, insbesondere Sauerstoff, insbesondere in elektrische Energie umzuwandeln. Die Brennstoffzelle kann insbesondere als Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) ausgebildet sein. Typischerweise ist in einem Brennstoffzellenstack eine Mehrzahl von Brennstoffzellen elektrisch in Reihe miteinander verschaltet.
  • Unter einer Mehrzahl von Brennstoffzellenstacks sollen insbesondere wenigstens zwei Brennstoffzellenstacks verstanden werden.
  • Unter einer Luftzuführung soll insbesondere eine Leitung für Luft verstanden werden, welche in einem Normalbetrieb der Brennstoffzellenvorrichtung dafür vorgesehen ist, Luft zu führen. Es ist aber auch denkbar, dass die Luftzuführung andere Gase leitet, beispielsweise Kathodenabgase, beispielsweise aus einem Kathodenrezirkulationskreis oder Luft in einem Startbetrieb bzw. Aufheizbetrieb oder in einem Abschaltbetrieb bzw. Abkühlbetrieb. Beispielsweise kann die Luftfzuführung ein Rohr oder mehrere Rohre aufweisen. Die Luftzuführung wird von einer Luftquelle mit Luft versorgt.
  • Unter einer Kathodenabgasführung soll insbesondere eine Leitung für die Kathodenabgase aus einem Brennstoffzellenstack verstanden werden. Beispielsweise kann die Kathodenabgasführung ein Rohr oder mehrere Rohre aufweisen.
  • Darunter, dass ein Brennstoffzellenstack an eine Luftzuführung oder an eine Kathodenabgasführung angeschlossen ist soll insbesondere verstanden werden, dass das Brennstoffzellenstack fluidisch mit der Luftzuführung oder der Kathodenabgasführung verbunden ist, so dass über die Luftfzuführung insbesondere die Luft in den Brennstoffzellenstack einleitbar ist bzw. das Kathodenabgas über die Kathodenabgasführung aus dem Brennstoffzellenstack ausleitbar ist.
  • Unter einer Kathodenrückführung soll insbesondere eine Leitung für Kathodenabgase verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, Kathodenabgase aus einer Kathodenabgasleitung wieder in die Brennstoffzelle mittelbar oder unmittelbar einzuleiten, insbesondere durch eine Zuleitung der Kathodenabgase in die Luftzuführung.
  • Unter einem Ejector soll insbesondere ein Bauteil verstanden werden, welches ein erstes Fluid durchleitet und in dieses Fluid ein zweites Fluid eindüst bzw. einbringt. Typischerweise weist ein Ejector eine Durchleitung für das erste Fluid auf, welches eine Querschnittsverengung aufweist, an welcher das zweite Fluid in den Strom des ersten Fluids eingeführt wird. Dazu weist der Ejector an der Querschnittsverengung eine Öffnung bzw. Düse für das zweite Fluid auf. Durch die Querschnittsverengung erhöht sich an dieser Stelle die Strömungsgeschwindigkeit des ersten Fluids und der Druck fällt ab, so dass das zweite Fluid ein den Strom des ersten Fluids angesaugt wird (Venturi-Prinzip). Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass mit dem Ejector das Kathodenabgas in den Luftstrom eingedüst wird.
  • Darunter, dass der Ejector dem ersten Brennstoffzellenstack in der Luftzuführung vorgeschaltet ist, soll insbesondere verstanden werden, dass der Ejector an der Luftzuführung derart angeschlossen ist, dass das durch die Luftzuführung geleitete Fluid, insbesondere Luft, als erstes Fluid durch den Ejector bzw. durch die Querschnittsverengung des Ejectors geleitet wird und dass der Ejector fluidtechnisch in Strömungsrichtung vor dem Brennstoffzellenstack angeordnet ist, also dass ein durch die Luftzuführung strömendes Fluid zuerst durch den Ejector strömt und anschließend durch das Brennstoffzellenstack.
  • Bevorzugt ist der Ejector unmittelbar vor dem Brennstoffzellenstack vorgeschaltet, also so vorgeschaltet, dass fluidtechnisch keine weiteren Komponenten außer der Brennstoffzuführung zwischen dem Ejector und dem Brennstoffzellenstack angeordnet sind und insbesondere keine Abzweigungen der Brennstoffzuführung angeordnet sind.
  • Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens möglich.
  • Es ist von Vorteil, wenn an jedem Brennstoffzellenstack der Mehrzahl an Brennstoffzellenstack an die Kathodenabgasführung eine jeweilige den Brennstoffzellenstack zugeordnete Kathodenrückführung angeschlossen ist, welche an jeweils an einem dem jeweiligen Brennstoffzellenstack in der Luftzuführung vorgeschalteten Ejector angeschlossen ist. Das ermöglicht eine besonders gute Wärmeausnutzung. Vorteilhaft ist jedem Brennstoffzellenstack jeweils eine eigene Kathodenrückführung und ein eigener Ejector zugeordnet.
  • Es ist weiter von Vorteil, wenn dem ersten Ejector in der Lufttzuführung eine erste Luftdosiervorrichtung vorgeschaltet ist, welche dafür ausgebildet ist, den ersten Brennstoffzellenstack mit Luft zu versorgen. Bevorzugt ist jeweils jedem einem Brennstoffzellenstack zugeordneten Ejector jeweils in der Luftzuführung eine zugeordnete Luftdosiervorrichtung vorgeschaltet ist. Das hat den Vorteil, dass auf diese Weise besonders einfach dem ersten Brennstoffzellenstack bzw. jedem Brennstoffzellenstack eine individuelle Luftdosierung zuordenbar ist. Das ermöglicht einen besonders zuverlässigen und effizienten Betrieb, dass die Brennstoffzellenstack nahe am Optimum betreibbar sind.
  • Unter einer Luftdosiervorrichtung soll dabei insbesondere eine solche Vorrichtung verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, die dem zugeordneten Brennstoffzellenstack zugeführte Luftmenge zu dosieren. Beispielsweise kann die Luftdosiervorrichtung eine einstellbare Düse oder ein Ventil aufweisen, welches die dem Brennstoffzellenstack zugeführte Luftmenge aus einer Luftzuleitung einstellt. Insbesondere kann die Luftdosiervorrichtung ein regelbares Ventil oder eine regelbare Drossel aufweisen, welche an der Luftzuführung bzw. Luftzuleitung angeordnet ist und dazu vorgesehen ist, einen Fluidstrom durch die Luftzuführung bzw. Luftzuleitung einzustellen bzw. zu regeln. Es ist auch denkbar, dass die Menge der Brennstoffzellenstacks eine gemeinsame Luftzuleitung aufweist, welche allen Brennstoffzellenstacks weitgehend die gleiche Luftmenge zuleitet und die erste Brennstoffdosiervorrichtung eine zusätzliche Luftzuführung für den ersten Brennstoffzellenstack darstellt, welche eine weitere, individuell einstellbare Luftmenge zuführt.
  • Es ist von Vorteil, wenn das erste Brennstoffzellenstack einen ersten Temperatursensor zur Erfassung einer ersten Stacktemperatur aufweist, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung ein Steuergerät aufweist, welches zum Empfangen der ersten Stacktemperatur ausgebildet ist und wobei das Steuergerät zum Einstellen einer ersten Luftdosierung für das erste Brennstoffzellenstack eingerichtet ist und wobei das Steuergerät dazu eingerichtet ist, die erste Stacktemperatur mittels der ersten Luftdosierung durch die erste Luftdosiervorrichtung zu regulieren. Das ermöglicht es, die Brennstoffzellenstacks stets in einer optimalen Betriebstemperatur zu betrieben. Eine solche Brennstoffzellenvorrichtung arbeitet besonders zuverlässig und wartungsarm.
  • Vorteilhaft ist das Steuergerät dazu ausgebildet, eine erste Stromabnahme aus dem ersten Brennstoffzellenstack einzustellen und/oder die wenigstens eine Luftdosiervorrichtung anzusteuern, falls eine Luftdosiervorrichtung vorhanden ist. Zumindest ist das Steuergerät insbesondere dazu ausgebildet, eine gemeinsame Brennstoffversorgung für die Mehrzahl von Brennstoffzellenstacks anzusteuern. Weiterhin ist das Steuergerät insbesondere dazu ausgebildet, eine gemeinsame Luftversorgung für die Mehrzahl von Brennstoffzellenstacks anzusteuern.
  • Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn der erste Temperatursensor an einer Kathodenabgasführung am ersten Brennstoffzellenstack angeordnet ist. Das ermöglicht eine besonders zuverlässige Abschätzung der ersten Stacktemperatur. Vorteilhaft ist der erste Temperatursensor unmittelbar an der Kathodenabgasführung bzw. Kathodenabgasausführung des ersten Brennstoffzellenstacks angeordnet.
  • Die Brennstoffzellenvorrichtung wird weiter verbessert, wenn die Mehrzahl von Brennstoffzellenstacks eine gemeinsame Brennstoffversorgung aufweist. Auf diese Weise lässt sich der Aufbau der Brennstoffzellenvorrichtung vereinfachen. Unter einer gemeinsamen Brennstoffversorgung soll dabei insbesondere verstanden werden, dass die Mehrzahl von Brennstoffzellenstacks fluidisch mit einer Brennstoffquelle verbunden sind und dabei an jedes Brennstoffzellenstack weitgehend die gleiche Brennstoffmenge bzw. der weitgehend gleiche Brennstoffstrom zugeführt wird. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist dabei die gemeinsame Brennstoffversorgung dazu ausgebildet, eine weitgehend gleiche Grundmenge von Brennstoff an die Mehrzahl an Brennstoffzellenstacks zu liefern. Es ist denkbar, dass wenigsten eine erste Brennstoffdosiervorrichtung dafür vorgesehen ist, die erste Brennstoffdosierung an das erste Brennstoffzellenstack exakt einzustellen. Insbesondere ist es also möglich, dass die gemeinsame Brennstoffversorgung eine für alle Brennstoffzellenstacks weitgehend gleichen Grundanteil einer Brennstoffdosierung an alle Brennstoffzellenstacks breitzustellen, während die jeweiligen Brennstoffdosiervorrichtungen eine exakte Anpassung der jeweiligen Brennstoffdosierung des zugeordneten, jeweiligen Brennstoffzellenstacks ermöglichen.
  • Der Aufbau der Brennstoffzellenvorrichtung lässt sich auch vereinfachen, wenn die Mehrzahl von Brennstoffzellenstacks eine gemeinsame Luftversorgung aufweist. Unter einer gemeinsamen Luftversorgung soll dabei insbesondere verstanden werden, dass die Mehrzahl von Brennstoffzellenstacks fluidisch mit einer Luftquelle verbunden sind und dabei an jedes Brennstoffzellenstack weitgehend die gleiche Luftmenge bzw. der weitgehend gleiche Luftstrom zugeführt wird. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist dabei die gemeinsame Luftversorgung dazu ausgebildet, eine weitgehend gleiche Grundmenge von Luft an die Mehrzahl an Brennstoffzellenstacks zu liefern, während die wenigsten eine erste Luftdosiervorrichtung dafür vorgesehen ist, die erste Luftdosierung exakt einzustellen.
  • Ebenfalls von Vorteil ist ein Verfahren zum Regulieren wenigstens einer Stacktemperatur einer Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere einer Brennstoffzellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung eine Mehrzahl von Brennstoffzellenstacks aufweist, wobei wenigstens eine erste Stacktemperatur von einem ersten Brennstoffzellenstack der Mehrzahl von Brennstoffzellenstacks erfasst wird. Erfindungsgemäß weist wenigstens der erste Brennstoffzellenstack eine erste Luftdosiervorrichtung auf, welche dafür ausgebildet ist, den ersten Brennstoffzellenstack mit Luft zu versorgen, und die erste Stacktemperatur wird mittels einer ersten Luftdosierung durch die erste Luftdosiervorrichtung reguliert.
  • Das hat den Vorteil, dass die erste Stacktemperatur des ersten Brennstoffzellenstacks unabhängig von den Stacktemperaturen der übrigen Brennstoffzellenstack aus dem Mehrzahl von Brennstoffzellenstacks eingestellt werden kann. Auf diese Weise können alle Brennstoffzellenstacks optimiert betrieben werden, was einen sicheren, langlebigen und effizienten Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung ermöglicht.
  • Darunter, dass eine Stacktemperatur erfasst wird, soll insbesondere verstanden werden, dass eine Temperatur eines Brennstoffzellenstacks gemessen wird. Dabei kann die Temperatur des Brennstoffzellenstacks unmittelbar am Brennstoffzellenstack gemessen werden. Es ist auch denkbar, dass die Stacktemperatur durch eine Messung einer anderen Temperatur genähert oder abgeleitet wird, beispielsweise kann eine Messung einer Abluft bzw. eines Abgases des Brennstoffzellenstacks erfolgen und aus dieser Temperatur die Stacktemperatur ermittelt werden. Beispielsweise ist es denkbar, dass in einer ersten Näherung die Temperatur der Abluft des Brennstoffzellenstacks am Brennstoffzellenstack gemessen wird und in einer ersten Näherung gleich der Stacktemperatur gesetzt wird. Alternativ ist es denkbar, dass in einer Näherung die Temperatur eines Abbrennstoffs bzw. Abgases des Brennstoffzellenstacks am Brennstoffzellenstack gemessen wird und in einer ersten Näherung gleich der Stacktemperatur gesetzt wird. In vorteilhaften Varianten ist es denkbar, dass die Temperatur an einer Kathodenabgasführung und/oder Anodenabgasführung gemessen wird und zur Ermittlung und/oder Näherung der Stacktemperatur verwendet wird.
  • Darunter, dass eine Stacktemperatur einer Brennstoffzellenvorrichtung reguliert wird, soll insbesondere verstanden werden, dass wenigstens eine Stacktemperatur eines Brennstoffzellenstacks reguliert wird. Darunter, dass eine Stacktemperatur eines Brennstoffzellenstacks reguliert wird, soll insbesondere verstanden werden, dass Betriebsparameter des Brennstoffzellenstacks derart angepasst bzw. eingstellt werden, dass die Stacktemperatur in einem gewünschten, vorgegebenen Bereich liegt. Insbesondere ist es möglich, dass die Betriebsparameter über eine Regelung, insbesondere einen Regelkreis so variierten werden, dass die gemessenen Stacktemperatur im vorgegebenen Temperaturbereich liegt. Dabei ist bevorzugt die gemessene Stacktemperatur die Regelgröße, welche mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen wird. Die einstellbaren Betriebsparameter des Brennstoffzellenstacks sind die Stellgrößen, welche durch die Regelung so angepasst werden, dass die Abweichung des Istwertes der gemessenen Stacktemperatur von dem Sollwert minimiert wird. Es ist auch eine Steuerung, insbesondere feed-forward Steuerung möglich, bei welcher beispielsweise bei einer vorliegenden, zu starken Abweichung der gemessenen Stacktemperatur auf Grundlage des Werts der Abweichung die notwendige Anpassung der Betriebsparameter ermittelt wird, beispielsweise aus einer dafür vorgesehenen, abgespeicherten Wertetabelle, aus einem analytischen Modell und/oder aus einem Simulationsmodell.
  • Wesentlich für die Stacktemperatur ist die Wärmebilanz bzw. Energiebilanz des Brennstoffzellenstacks. So wird auf der einen Seiten dem Brennstoffzellenstack eine chemische Energie in Form des Brennstoffs und der Luft zugeführt. Diese wird zumindest teilweise in eine elektrische Energie umgewandelt, welche der Brennstoffzelle über einen Strom oder eine Stromabnahme entnommen wird, der Rest der zugeführten chemischen Energie ist bei der Reaktion entstehende Wärme, welche über Luftkühlung bzw. Kathodengaskühlung und/oder Brennstoffkühlung bzw. Anodengaskühlung abgeführt wird. Dabei ist der Wert des Stroms der Stromabnahme dafür entscheidend, welche Brennstoffmenge im Brennstoffzellenstack umgesetzt wird. Wird mehr Brennstoff zugeführt, als gemäß der Stromabnahme oxidiert werden kann, so wird ein Teil des Brennstoff unprozessiert zusammen mit den Abgasen an der Anodenseite des Brennstoffzellenstacks ausgeleitet. Entsprechend kann die nicht umgesetzte Brennstoffmenge zur Kühlung verwendet werden.
  • Der von der Luft bzw. Kathodengas vom Brennstoffzellenstack abgeführte Wärmestrom dQ/dt entspricht dem Produkt aus dem Massenstrom der Luft bzw. des Kathodengases dm/dt, der spezifischen Wärmekapazität der Luft bzw. des Kathodengases und der Temperaturdifferenz der Luft bzw. des Kathodengases zwischen dem Eingang und dem Ausgang vom Brennstoffzellenstack ΔT. Damit sind denkbare Betriebsparameter des Brennstoffzellenstacks, welche zur Regelung oder Steuerung der Stacktemperatur geeignet sind, der Massenstrom der Luft bzw. des Kathodengases, beispielsweise über eine Drehzahl oder Leistung eines Verdichters, eines Gebläses und/oder eines Lüfters für die Luftzuführung; und/oder eine Temperatur der dem Brennstoffzellenstack zugeführten Luft, beispielsweise die Leistung eines Vorheizers der Luft oder eine Zuschaltung bzw. Ansteuerung eines entsprechenden Wärmetauschers. Zur Kühlung des Brennstoffzellenstacks kann dem Brennstoffzellenstack insbesondere mehr Luft zugeführt werden bzw. der Luftstrom erhöht werden
  • Der von dem Brennstoff bzw. Abgasen bzw. Anodengas vom Brennstoffzellenstack abgeführte Wärmestrom dQ/dt entspricht dem Produkt aus dem Massenstrom des Brennstoffs bzw. der Abgase bzw. des Anodengases dm/dt, der spezifischen Wärmekapazität des Brennstoffs bzw. der Abgase bzw. des Anodengases und der Temperaturdifferenz des Brennstoffs bzw. der Abgase bzw. dem Anodengas zwischen dem Eingang und dem Ausgang vom Brennstoffzellenstack ΔT. Damit sind denkbare Betriebsparameter des Brennstoffzellenstacks, welche zur Regelung oder Steuerung der Stacktemperatur geeignet sind, der Massenstrom des Brennstoffs bzw. des Anodengases, beispielsweise über eine Drehzahl oder Leistung eines Verdichters, eines Gebläses und/oder eines Lüfters für die Brennstoffzuführung oder für die Anodenrezirkulation bzw. einen Anodenrezirkulationskreislauf; und/oder eine Temperatur der dem Brennstoffzellenstack zugeführten Luft, beispielsweise die Leistung eines Vorheizers der Luft oder eine Zuschaltung bzw. Ansteuerung eines entsprechenden Wärmetauschers. Zur Kühlung des Brennstoffzellenstacks kann dem Brennstoffzellenstack insbesondere mehr Brennstoff bzw. Anodengas zugeführt werden bzw. der Brennstoffstrom bzw. Anodengasstrom erhöht werden.
  • Ein weiterer denkbarer Betriebsparameter des Brennstoffzellenstacks, welcher zur Regelung oder Steuerung der Stacktemperatur geeignet ist, ist der vom Brennstoffzellenstack abgenommene Strom bzw. die Stromabnahme. So kann zum Kühlen des Brennstoffzellenstacks die Stromabnahme bzw. die abgeführte elektrische Leistung abgesenkt werden. Auf diese Weise wird zum einem die bei der Oxidationsreaktion entstehende Wärme reduziert, zum anderen wird weniger vom dem Brennstoffzellenstack zugeführten Brennstoff oxidiert, so dass diese nicht umgesetzte Brennstoffmenge zur Kühlung beiträgt.
  • Der bevorzugte Temperaturbereich der Stacktemperatur, auf welchen geregelt wird, bzw. eine Solltemperatur oder ein Solltemperaturbereich für die Regelung, hängt von den konstruktiven Details des Brennstoffzellenstacks bzw. der Brennstoffzellenvorrichtung ab und liegt für SOFCs typischerweise zwischen 580 °C und 640 °C, bevorzugt zwischen 600 °C und 630 °C, besonders bevorzugt zwischen 610 °C und 620°C. Bei elektrolytgetragenen Zellen (Electrolyte Supported Cells - ESC) liegt der bevorzugte Temperaturbereich der Stacktemperatur typischerweise zwischen 750 °C und 950 °C, bevorzugt zwischen 800 °C und 900 °C, besonders bevorzugt zwischen 850 °C und 875 °C.
  • Typischerweise werden in Brennstoffzellenvorrichtungen alle Brennstoffzellenstacks mit einer gemeinsamen Luftzuleitung versorgt. Von der Annahme ausgehend, dass alle Brennstoffzellenstacks die gleiche Solltemperatur haben sollen, findet sich im Stand der Technik oft eine Grobregelung der Stacktemperaturen über eine Einstellung der Luftzufuhr. Dabei wird typischerweise die Stacktemperatur des am stärksten, bevorzugt am stärksten nach oben vom Sollwert abweichenden Brennstoffzellenstacks herangezogen und diese Stacktemperatur über die Luftzufuhr auf die Solltemperatur bzw. in den Solltemperaturbereich reguliert. Das hat den Nachteil, dass alle Brennstoffzellenstacks mittels des gleichen Luftstroms gekühlt werden, so dass die Möglichkeit besteht, dass Brennstoffzellenstacks die einen geringeren Kühlbedarf haben als das zur Regulierung herangezogene Brennstoffzellenstack zu stark gekühlt werden und nicht in einem optimalen Temperaturbereich betrieben werden. Die vorliegende Erfindung bietet daher den Vorteil, dass die Brennstoffzellenstacks mit einem weiteren unabhängigen Kontrollparameter bzw. Betriebsparameter individuell temperiert werden können. Beispielsweise kann das erste Brennstoffzellenstack, welches etwa aufgrund einer erhöhten Alterung einen höheren Kühlbedarf hat, durch eine Erhöhung der ersten Luftdosierung durch die erste Luftdosiervorrichtung gekühlt werden, ohne dass der Gesamtluftstrom an alle Brennstoffzellenstacks reduziert werden muss, so dass die übrigen der Mehrzahl an Brennstoffzellenstacks weiterhin mit einen für ihre Temperierung optimierten Luftstrom versorgt werden können.
  • Vorteilhaft werden weitere Stacktemperaturen von weiteren Brennstoffzellenstacks der Mehrzahl von Brennstoffzellenstacks erfasst und die jeweilige Stacktemperatur mittels einer Anpassung einer Luftdosierung durch eine Luftdosiervorrichtung des jeweiligen Brennstoffzellenstacks geregelt. Insbesondere ist es möglich, dass die Stacktemperatur von den Brennstoffzellenstacks geregelt werden, welche anfällig für eine Abweichung der Stacktemperatur sind, beispielsweise durch ihre Anordnung in der Brennstoffzellenvorrichtung, beispielsweise in einem besonders kühlen oder besonders warmen Bereich. Beispielsweise ist es denkbar, dass die Mehrzahl der Brennstoffzellenstacks unmittelbar aneinanderliegend angeordnet sind. Die zentral angeordneten Brennstoffzellenstacks weisen mehr benachbarte Brennstoffzellenstacks auf als die außen angeordneten Brennstoffzellenstacks, so dass die außen angeordneten Brennstoffzellenstacks schneller auskühlen können als die innen angeordneten Brennstoffzellenstacks. Besonders vorteilhaft wird die Stacktemperatur von jeder der Brennstoffzellenstacks der Mehrzahl von Brennstoffzellenstacks erfasst und die jeweilige Stacktemperatur mittels einer Anpassung einer Luftdosierung des jeweiligen Brennstoffzellenstacks geregelt. Das ermöglicht einen besonders präzisen und optimalen Betrieb aller Brennstoffzellenstacks, was einen besonders sicheren, langlebigen und effizienten Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung ermöglicht.
  • Es ist von Vorteil, wenn wenigstens eine zweite Stacktemperatur von einem zweiten Brennstoffzellenstack der Mehrzahl von Brennstoffzellenstacks erfasst wird und wenigstens der zweite Brennstoffzellenstack eine zweite Luftdosiervorrichtung aufweist und die zweite Stacktemperatur mittels einer zweiten Luftdosierung durch die zweite Luftdosiervorrichtung reguliert wird, wobei bei der Regulierung die erste Luftdosierung bzw. die erste Luftdosiervorrichtung und die zweite Luftdosierung bzw. die zweite Luftdosiervorrichtung so eingestellt wird, dass die Gesamtabweichung der ersten Stacktemperatur und der zweiten Stacktemperatur von einer Solltemperatur minimiert wird. Das ermöglicht einen besonders präzisen und optimalen Betrieb aller Brennstoffzellenstacks, was einen besonders sicheren, langlebigen und effizienten Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung ermöglicht. Insbesondere können auf diese Weise die Brennstoffzellenstacks bei der Regelung sich untereinander ausgleichen.
  • Darunter, dass die Gesamtabweichung der ersten Stacktemperatur und der zweiten Stacktemperatur und ggf. einer dritten Stacktemperatur von einer Solltemperatur minimiert wird, soll insbesondere verstanden werden, dass bei der Regulierung nicht mehr jede Stacktemperatur jeweils auf einen Sollwert geregelt wird, sondern die Gesamtabweichung der ersten Stacktemperatur und der zweiten Stacktemperatur und ggf. der dritten Stacktemperatur minimiert wird. Anders formuliert wird der Wert der Gesamtabweichung minimiert, möglichst auf Null geregelt, wobei die Gesamtabweichung ein skalarer Wert ist, welcher von der ersten Stacktemperatur und der zweiten Stacktemperatur und ggf. der dritten Stacktemperatur abhängt. Beispielsweise könnte die Gesamtabweichung die Summe der Beträge der jeweiligen Differenzen von den betrachteten Stacktemperaturen zur Solltemperatur sein. Es ist auch denkbar, dass die Gesamtabweichung die Summe der mittleren quadratischen Abweichung der betrachteten Stacktemperaturen zur Solltemperatur ist. Grundsätzlich sind verschiedene Ansätze für die Gesamtabweichung denkbar, insbesondere ist es möglich, dass Temperaturabweichungen unterschiedlicher Brennstoffzellenstacks unterschiedlich stark bewertet werden, so kann beispielsweise die Abweichung der ersten Stacktemperatur von der Solltemperatur in der Gesamtabweichung stärker gewichtet werden als die Abweichung der zweiten Stacktemperatur von der Solltemperatur.
  • Eine weitere Verbesserung ist möglich, wenn die erste Stacktemperatur mittels einer ersten Stromabnahme aus dem ersten Brennstoffzellenstack reguliert wird. Insbesondere wird die erste Stacktemperatur mittels der ersten Stromabnahme und der ersten Luftdosiervorrichtung bzw. ersten Luftdosierung reguliert. In anderen Worten sind die Luftdosierung und die Stromabnahme zwei Betriebsparameter des ersten Brennstoffzellenstacks, welche als Stellgrößen angepasst werden, um die Stacktemperatur zu regeln. Auf diese Weise ist eine feinere Regulierung der Stacktemperatur möglich. Insbesondere lässt sich so die Regelung auf weitere Zielparameter hin optimieren. Beispielsweise könnte eine Regulierung anhand der Luftdosierung alleine zu einem zu starken Leistungsabfall des ersten Brennstoffzellenstacks führen, welcher durch eine zusätzliche Anpassung der ersten Stromabnahme verringert werden kann.
  • Eine besonders zuverlässige Regelung über die erste Stromabnahme ist möglich, wenn der erste Brennstoffzellenstack mit einem zweiten Brennstoffzellenstack der Mehrzahl von Brennstoffzellenstacks elektrisch in Reihe geschaltet ist und die erste Stromabnahme durch einen regelbaren ersten Widerstand angepasst wird, welcher elektrisch parallel zum ersten Brennstoffzellenstack geschaltet ist. Das ermöglicht eine besonders einfache Absenkung des Stroms durch den ersten Brennstoffzellenstack, so dass die erste Stromabnahme abgesenkt wird, ohne den Strom durch den zweiten Brennstoffzellenstack abgesenkt wird. Vorteilhaft weist der zweite Brennstoffzellenstack einen regelbaren zweiten Widerstand auf, welcher elektrisch parallel zum zweiten Brennstoffzellenstack geschaltet ist. Auf diese Weise ist eine Einstellung einer zweiten Stromabnahme des zweiten Brennstoffzellenstacks möglich, insbesondere zur Regulierung einer zweiten Stacktemperatur des Brennstoffzellenstacks. Es ist möglich das weitere Brennstoffzellenstacks der Mehrzahl an Brennstoffzellenstacks jeweils mit einem zugeordneten regelbaren Widerstand parallel geschaltet sind, so dass die jeweilige Stromabnahme einstellbar ist. Es ist denkbar, dass alle Brennstoffzellenstacks elektrisch in Reihe geschaltet sind. Es ist auch denkbar, dass eine Gruppe von Brennstoffzellenstacks elektrisch in Reihe geschaltet sind. Es ist insbesondere denkbar, dass mehrere Gruppen von Brennstoffzellenstacks vorliegenden, wobei die Brennstoffzellenstacks einer Gruppe untereinander in elektrisch in Reihe geschaltet sind und die Gruppen zueinander elektrisch parallel geschaltet sind.
  • In weiteren Varianten ist es möglich, dass der erste Brennstoffzellenstack mit einem dritten Brennstoffzellenstack der Mehrzahl von Brennstoffzellenstacks elektrisch parallel geschaltet ist und die erste Stromabnahme durch einen regelbaren ersten DC/DC-Wandler bzw. Gleichspannungswandler angepasst wird, welcher elektrisch in Reihe zum ersten Brennstoffzellenstack geschaltet ist. Das hat insbesondere den zusätzlichen Vorteil, dass eine gleichzeitige Regelung bzw. Einstellung der Stromabnahme von zum ersten Brennstoffzellenstack in Reihe geschalteten weiteren Brennstoffzellenstack möglich ist, ohne die Stromabnahme vom dritten Brennstoffzellenstack und ggf. weiteren, zum dritten Brennstoffzellenstack in Reihe geschalteten Brennstoffzellenstacks zu verändern. Es ist denkbar, dass eine Gruppe von mehreren Brennstoffzellenstacks elektrisch parallel zueinander geschaltet sind und jedem der Brennstoffzellenstacks der Gruppe von mehreren Brennstoffzellenstacks jeweils ein in Reihe zum jeweiligen Brennstoffzellenstack geschalteter DC/DC-Wandler zugeordnet ist. Es ist auch denkbar, dass mehrere Gruppen von Brennstoffzellenstacks vorliegenden, wobei die Brennstoffzellenstacks einer Gruppe untereinander in elektrisch in Reihe geschaltet sind und die Gruppen zueinander elektrisch parallel geschaltet sind, wobei in jeder Gruppe jeweils ein DC/DC-Wandler elektrisch in Reihen geschaltet ist.
  • Vorteilhaft wird bei der Regulierung eine Leistungsanforderung an die Mehrzahl der Brennstoffzellenstacks berücksichtigt. Typischerweise ist es vorgesehen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung eine Leistungsanforderung bedient, welche von der Mehrzahl der Brennstoffzellenstacks bereitgestellt wird. Wird nun beispielsweise bei einer der Brennstoffzellenstacks zur Regulierung der Stacktemperatur die Stromabnahme abgesenkt, so senkt sich auch die durch dieses Brennstoffzellenstack bereitgestellte elektrische Leistung. Gemäß dieser vorteilhaften Variante des Verfahrens können nun eines oder mehrere, vorteilhaft alle übrigen Brennstoffzellenstacks auf eine etwas höhere Stromabnahme reguliert werden, so dass insgesamt die benötigte Leistung geliefert werden kann. Die etwas höhere Stromabnahme ist mit einer Erhöhung der jeweiligen Stacktemperaturen verbunden, was in der Regelung durch die Veränderung eines weiteren Betriebsparameters der Brennstoffzellenstacks angepasst werden kann, beispielsweise durch eine Erhöhung bzw. Anpassung einer Gesamtluftzufuhr an alle Brennstoffzellenstacks.
  • Das Verfahren wird weiter verbessert, wenn bei der Regulierung die erste Stromabnahme und eine erste Luftdosierung der ersten Luftdosiervorrichtung derart angepasst wird, dass die Abweichung der ersten Stacktemperatur von einer Solltemperatur, die Abweichung der ersten Stromabnahme vom Stromsollwert und die Abweichung der durch die erste Luftdosiervorrichtung dosierten ersten Luftmenge von einem Luftsollwert minimiert werden. Auf diese Weise kann die Regulierung der Stacktemperatur weiter verfeinert werden, insbesondere können so auch Abweichungen in der Luftdosierung und Stromabnahme minimiert werden.
  • Darunter, dass die Abweichung der ersten Stacktemperatur von einer Solltemperatur, die Abweichung der ersten Stromabnahme vom Stromsollwert und die Abweichung der durch die erste Luftdosiervorrichtung dosierten ersten Luftmenge von einem Luftsollwert minimiert werden, soll insbesondere verstanden werden, dass bei der Regulierung nicht nur die Stacktemperatur jeweils auf einen Sollwert geregelt wird, sondern die Abweichung der Stacktemperatur, der Luftmenge und der Stromabnahme von ihren jeweiligen Sollwert minimiert werden. Vorteilhaft wird dazu ein skalarer Gesamtbetriebswert minimiert, welcher von den jeweiligen Abweichungen der Stacktemperatur, der Luftmenge und der Stromabnahme von ihrem jeweiligen Sollwert abhängt. Vorteilhaft werden dazu die Stacktemperatur, Luftmenge und Stromabnahme bzw. ihre jeweiligen Abweichungen von den jeweiligen Sollwerten in dimensionslose Werte umgewandelt welche miteinander verrechnet werden können. Dabei können insbesondere die Abweichungen der Stacktemperatur, der Luftmenge und der Stromabnahme unterschiedlich gewichtet werden, je nach den technischen Anforderungen der vorliegenden Brennstoffzellenvorrichtung. Beispielweise kann eine Abweichung der Luftmenge stärker gewichtet werden, wenn eine Änderung der Luftmenge besonders unvorteilhaft ist oder eine Abweichung der Stromabnahme schwächer gewichtet werden, wenn eine solche Abweichung leicht durch die anderen Brennstoffzellenstacks ausgeglichen werden kann.
  • In weiteren Varianten werden bei der Regulierung auch die Abweichungen der Stacktemperatur, der Luftmenge und der Stromabnahme von ihren jeweiligen Sollwerten von wenigsten einem weiteren Brennstoffzellenstack, vorteilhaft von allen Brennstoffzellenstacks berücksichtigt. Dazu kann beispielsweise ein skalarer Gesamtbetriebswert minimiert, welcher von den jeweiligen Abweichungen der Stacktemperatur, der Luftmenge und der Stromabnahme von ihrem jeweiligen Sollwert von allen betrachteten Brennstoffzellenstacks abhängt.
  • Es ist auch von Vorteil, wenn wenigstens der erste Brennstoffzellenstack eine erste Brennstdosiervorrichtung aufweist, welche dafür ausgebildet ist, den ersten Brennstoffzellenstack mit Brennstoff und/oder reformierten Brennstoff zu versorgen, und wobei die erste Stacktemperatur mittels der ersten Brennstoffdosiervorrichtung reguliert wird. Darunter, dass die Stacktemperatur mittels der ersten Brennstoffdosierungsvorrichtung reguliert wird, soll insbesondere verstanden werden, dass die Stacktemperatur durch eine Anpassung einer ersten Brennstoffdosierung reguliert wird, wobei die erste Brennstoffdosierung durch die erste Brennstoffdosierungsvorrichtung bereitgestellt wird. Insbesondere wird die erste Stacktemperatur mittels der ersten Brennstoffdosierung bzw. ersten Brennstoffdosierungsvorrichtung und der ersten Luftdosierung bzw. der ersten Luftdosiervorrichtung reguliert. In anderen Worten sind die Luftdosierung und die Brennstoffdosierung zwei Betriebsparameter des ersten Brennstoffzellenstacks, welche als Stellgrößen angepasst werden, um die Stacktemperatur zu regeln. Auf diese Weise ist eine feinere Regulierung der Stacktemperatur möglich. Insbesondere lässt sich so die Regelung auf weitere Zielparameter hin optimieren. Beispielsweise könnte eine Regulierung anhand der Luftdosierung alleine zu einem zu starken Leistungsabfall des ersten Brennstoffzellenstacks führen, welcher durch eine zusätzliche Anpassung der Brennstoffdosierung verringert werden kann. Vorteilhaft ist diese Variante zusätzlich mit einer Regulierung der Stromabnahme verbesserbar, welche die Stromabnahme als weitere Stellgröße für die Regulierung ermöglicht.
  • Unter einer Brennstoffdosiervorrichtung soll dabei insbesondere eine solche Vorrichtung verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, die dem zugeordneten Brennstoffzellenstack zugeführte Brennstoffmenge zu dosieren. Beispielsweise kann die Brennstoffdosiervorrichtung eine einstellbare Düse oder ein Ventil aufweisen, welches die dem Brennstoffzellenstack zugeführte Brennstoffmenge aus einer Brennstoffzuleitung einstellt. Es ist auch denkbar, dass die Menge der Brennstoffzellenstacks eine gemeinsame Brennstoffzuleitung aufweist, welche allen Brennstoffzellenstacks weitgehend die gleiche Brennstoffmenge zuleitet und die erste Brennstoffdosiervorrichtung eine zusätzliche Brennstoffzuführung für den ersten Brennstoffzellenstack darstellt, welche eine weitere, individuell einstellbare Brennstoffmenge zuführt.
  • Eine feinere Regelung ist möglich, wenn bei der Regulierung die erste Brennstoffdosierung der ersten Brennstoffdosiervorrichtung und eine erste Luftdosierung der ersten Luftdosiervorrichtung derart angepasst wird, dass die Abweichung der ersten Stacktemperatur von einer Solltemperatur, die Abweichung der ersten Brennstoffmenge vom Brennstoffsollwert und die Abweichung der durch die erste Luftdosiervorrichtung dosierten ersten Luftmenge von einem Luftsollwert minimiert werden. Vorteilhaft wird dazu ein skalarer Gesamtbetriebswert minimiert, welcher von den jeweiligen Abweichungen der Stacktemperatur, der Luftdosierung und der Brennstoffdosierung von ihrem jeweiligen Sollwert abhängt. Die Regulierung kann noch weiter verfeinert werden, wenn zusätzlich noch die Abweichung der ersten Stromabnahme von einem Stromsollwert minimiert wird. Dazu kann ein skalarer Gesamtbetriebswert minimiert werden, welcher von den jeweiligen Abweichungen der Stacktemperatur, der Luftdosierung, der Brennstoffdosierung und der Stromabnahme von ihrem jeweiligen Sollwert abhängt.
  • Figurenliste
  • In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Brennstoffzellenvorrichtung sowie des Verfahrens dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
    • 1 ein schematisches Schaltbild einer Brennstoffzellenvorrichtung aus dem Stand der Technik
    • 2 ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung,
    • 3 einen Ausschnitt eines Schaltbilds von einer Varianten der Brennstoffzellenvorrichtung,
    • 4 ein schematisches elektrisches Schaltbild des Ausführungsbeispiels,
    • 5 ein schematisches elektrisches Schaltbild einer Variante der Brennstoffzellenvorrichtung,
    • 6 das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung und
    • 7 einen Ausschnitt von einem Schaltbild einer weiteren Varianten der Brennstoffzellenvorrichtung.
  • Beschreibung
  • In den verschiedenen Ausführungsvarianten erhalten gleiche Teile die gleichen Bezugszahlen.
  • In 1 ist ein schematisches Schaltbild einer Brennstoffzellenvorrichtung 10 aus dem Stand der Technik gezeigt. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 umfasst beispielhaft zwei Brennstoffzelleneinheiten 12, eine erste Brennstoffzelleneinheit 12a und eine zweite Brennstoffzelleneinheit 12b.
  • Des Weiteren umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine Vielzahl von Prozessoreinheiten 14. 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 beispielhaft Erdgas, zugeführt wird, welcher in einer weiteren Prozessoreinheit 14, im vorliegendem Fall einem Reformer 26, reformiert wird.
  • Unter einer Brennstoffzuführung soll insbesondere eine Leitung für ein Fluid oder Gas verstanden werden, welche in einem Normalbetrieb der Brennstoffzellenvorrichtung dafür vorgesehen ist, einen bevorzugt gasförmigen Brennstoff zu führen. Es ist aber auch denkbar, dass die Brennstoffzuführung andere Gase leitet, beispielsweise einen reformierten Brennstoff oder Anodenabgase, insbesondere aus einem Anodenrezirkulationskreis oder Luft in einem Startbetrieb bzw. Aufheizbetrieb oder in einem Abschaltbetrieb bzw. Abkühlbetrieb. Beispielsweise kann die Brennstoffzuführung ein Rohr oder mehrere Rohre aufweisen. Die Brennstoffzuführung wird von einer Brennstoffquelle mit Brennstoff versorgt.
  • Unter einer Brennstoffquelle soll eine Quelle für einen Brennstoff verstanden werden, welcher der Brennstoffzellenvorrichtung zugeführt wird. Beispielsweise kann die Brennstoffquelle ein Anschluss für eine externe Brennstoffzuleitung sein, beispielsweise aus einem Erdgasnetz oder aus einer Wasserstoffflasche. Ein Brennstoff kann beispielsweise Erdgas, Wasserstoff oder eine Mischung aus Erdgas und Wasserstoff sein. In Varianten sind auch andere Brennstoffe und Mischungen von Brennstoffen denkbar, beispielsweise kann der Brennstoff B Erdgas, Wasserstoff, Methan, Ammoniak und/oder Kohlegas bzw. Synthesegas aufweisen.
  • Unter einem Rezirkulationskreis bzw. einem Anodenrezirkulationskreislauf soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Fluidverbindung bzw. ein Fluidpfad verstanden werden, welche bzw. welcher dazu vorgesehen ist, ein brennstoff- bzw. wasserstoff- und wasserhaltiges Anodenabgas von wenigstens einem Brennstoffzellenstack einer Mischstelle zuzuführen, an welcher das Anodenabgas mit dem zumindest im Wesentlichen reinen Brennstoff bzw. Wasserstoff vermischt wird. Insbesondere ist der Rezirkulationskreis dazu vorgesehen, dem Brennstoffzellenstack nicht umgesetzten Brennstoff bzw. Wasserstoff erneut anodenseitig zuzuführen. Insbesondere ist die Mischung des Anodenabgases und des Brennstoffs bzw. Wasserstoffs dazu vorgesehen, dem Brennstoffzellenstack anodenseitig zugeführt zu werden. Ein Verdichter kann beispielsweise als ein Gebläse ausgebildet sein.
  • Unter einer Anodenabgasführung soll insbesondere eine Leitung für die Anodenabgase aus einem Brennstoffzellenstack verstanden werden. Beispielsweise kann die Anodenabgasführung ein Rohr oder mehrere Rohre aufweisen.
  • Typischerweise ist den Brennstoffzellenstacks ein Reformer vorgeschaltet. Unter einem Reformer oder einer Reformereinheit soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine chemisch-technische Einheit zu zumindest einer Aufbereitung zumindest eines kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffs, insbesondere durch eine Dampfreformierung und/oder durch eine partielle Oxidation und/oder durch eine autotherme Reformierung, insbesondere zur Gewinnung des zumindest einen Brenngases, insbesondere Wasserstoff, und/oder zum Aufbrechen höherkettiger Alkene verstanden werden.
  • Damit wird im Betrieb der Brennstoff zunächst über die Brennstoffzuführung in den Reformer geleitet und anschließend der reformierte Brennstoff in die Brennstoffzellenstacks geleitet. Bevorzugt weist die Brennstoffzellenvorrichtung wenigstens einen Reformer auf, welcher fluidtechnisch mit allen Brennstoffzellenstacks verbunden ist und insbesondere den Brennstoffzellenstacks vorgeschaltet ist.
  • 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 Anodenabgasleitung 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. 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.
  • Ferner weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10 ein Heizelement 44 zur, im vorliegenden Fall zusätzlichen, Erwärmung der den Brennstoffzelleninheiten 12 zugeführten Luft L in einer Bypassleitung 46, wodurch die Betriebseffizienz der Brennstoffzellevorrichtung 10 gesteigert wird.
  • 2 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Brennstoffzellenvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Brennstoffvorrichtung 10 hat einen sehr ähnlichen Aufbau wie das in 1 gezeigte Beispiel aus dem Stand der Technik und erweitert diesen um weitere Komponenten. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 umfasst ebenfalls eine erste Brennstoffzelleneinheit 12a und eine zweite Brennstoffzelleneinheit 12b, welche als Brennstoffzellenstacks 12 ausgeführt, welche eine Vielzahl von Brennstoffzellen, im vorliegenden Fall Festoxidbrennstoffzellen (englisch: solid oxide fuel cell, SOFC), aufweisen. Die erste Brennstoffzelleneinheit 12a ist im in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ein erster Brennstoffzellenstack 12a. Die zweite Brennstoffzelleneinheit 12b ist im in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ein zweiter Brennstoffzellenstack 12b.
  • 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 beispielhaft 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 ein Teil des 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.
  • An der Luftzuführung 16 von ersten Brennstoffzellenstack 12a ist unmittelbar vor dem ersten Brennstoffzellenstack 12a ein erster Ejector 62a angeordnet. Insbesondere ist der erste Ejector 62a stromaufwärts vom ersten Brennstoffzellenstack 12a angeordnet.
  • Erfindungsgemäß weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine erste Kathodenrückführung 64a auf, mittels welcher ein Teil des Kathodenabgases KA aus der Anodenabgasleitung 32 am ersten Brennstoffzellenstack 12a direkt dem ersten Ejector 62a zugeführt werden kann. Der andere Teil des Kathodenabgases AA wird in den Nachbrenner 28 geleitet.
  • Auf diese Weise kann mittels der ersten Kathodenrückführung 64a und des ersten Ejectors 62a der abgezweigte Teil des Kathodenabgas KA dem jeweiligen Kathodenraum 20 der ersten Brennstoffzelleneinheiten 12a rückgeführt bzw. erneut zugeführt wird, so dass der ggf. im abgezweigten Kathodenabgas KA enthaltene, nicht-umgesetzte Sauerstoff im Nachgang in der erstem Brennstoffzelleneinheit 12a umgesetzt werden kann. Insbesondere kann aber auf diese Weise die Wärme des Kathodenabgases KA direkt in die erste Brennstoffzelleneinheit 12a zurückgeführt werden. Dadurch kann der Wirkungsgrad der Brennstoffzellenvorrichtung 10 weiter erhöht werden.
  • Damit das über die erste Kathodenrückführung 64a dem ersten Ejector 62a zugeführte Kathodenabgas KA effektiv in den Luftstrom L eingedüst werden kann, sollte die Luft L am ersten Ejector 62a mit einem erhöhten Druck vorliegen. Der erhöhte Druck von der Luft L kann beispielsweise durch den Verdichter 42 in der Luftzuführung 16 bereitgestellt werden. Vorteilhaft beträgt ein Druck der Luft L, insbesondere in der Luftzuführung 16 am ersten Ejector 62a wenigstens 2 bar, bevorzugt mehr als 3 bar, besonders bevorzugt mehr als 5 bar.
  • Weiter ist in der in 2 gezeigten Ausführungsform an der Luftzuführung 16 von zweiten Brennstoffzellenstack 12b unmittelbar vor dem zweiten Brennstoffzellenstack 12b beispielhaft ein zweiter Ejector 62b angeordnet. Insbesondere ist der zweite Ejector 62b stromaufwärts vom zweiten Brennstoffzellenstack 12b angeordnet.
  • Beispielhaft weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine zweite Kathodenrückführung 64b auf, mittels welcher ein Teil des Kathodenabgases AA aus der Anodenabgasleitung 32 am zweiten Brennstoffzellenstack 12b direkt dem ersten Ejector 62b zugeführt werden kann. Der andere Teil des Anodenabgases AA wird in den Nachbrenner 28 geleitet.
  • Auf diese Weise kann mittels der zweiten Rückführung 38b und des zweiten Ejectors 62a der abgezweigte Teil des Anodenabgas AA dem jeweiligen Kathodenraum 20 der zweiten Brennstoffzelleneinheiten 12b rückgeführt bzw. erneut zugeführt wird, so dass der ggf. im abgezweigten Kathodenabgas KA enthaltene, nicht-umgesetzte Sauerstoff im Nachgang in der zweiten Brennstoffzelleneinheit 12b umgesetzt werden kann. Insbesondere kann so auf diese Weise ebenfalls die Wärme des Kathodenabgases KA auch direkt in die zweite Brennstoffzelleneinheit 12b zurückgeführt werden. Dadurch kann der Wirkungsgrad der Brennstoffzellenvorrichtung 10 weiter erhöht 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.
  • Ferner weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10 ein Heizelement 44 zur, im vorliegenden Fall zusätzlichen, Erwärmung der den Brennstoffzelleninheiten 12 zugeführten Luft L in einer Bypassleitung 46, wodurch die Betriebseffizienz der Brennstoffzellevorrichtung 10 gesteigert wird, insbesondere in einem Aufheizbetrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 10.
  • Beispielhaft weist der erste Brennstoffzellenstack 12a einen ersten Temperatursensor 48a auf, welcher an einer Kathodenabgasausführung der Kathodenabgasführung 30 am ersten Brennstoffzellenstack 12a angeordnet ist. Damit erfasst der erste Temperatursensor 48a insbesondere eine Temperatur des Kathodenabgases KA am ersten Brennstoffzellenstack 12a, was eine gute Approximation der ersten Stacktemperatur ist.
  • Beispielhaft weist der zweite Brennstoffzellenstack 12b einen zweiten Temperatursensor 48b auf, welcher an einer Kathodenabgasausführung der Kathodenabgasführung 30 am zweiten Brennstoffzellenstack 12b angeordnet ist. Damit erfasst der zweite Temperatursensor 48b insbesondere eine Temperatur des Kathodenabgases KA am zweiten Brennstoffzellenstack 12b, was eine gute Approximation der zweiten Stacktemperatur ist.
  • Wie deutlich zu erkennen ist, werden im Ausführungsbeispiel beide Brennstoffzellenstacks 12 über die Luftzuführung 16 und einem Verdichter 42 mit Luft L versorgt. Fludisch sind die beiden Brennstoffzellenstacks 12 über die Luftzuführung 16 parallel verschaltet. Damit weisen die beiden Brennstoffzellenstacks 12 eine gemeinsame Luftversorgung 16, 42 auf. Damit weisen die beiden Brennstoffzellenstacks 12 eine gemeinsame Luftversorgung auf, wobei eine durch einen Verdichter 42 geförderte Luft L über zwei fluidisch parallel zueinander verschaltete Luftzuführungen 16 zu dem jeweiligen Brennstoffzellenstack 12 geführt wird. Durch die gemeinsame Luftzuführung 16 wird insbesondere an beide Brennstoffzellenstacks 12 weitgehend der gleiche Luftstrom L geliefert. Durch die gemeinsame Luftversorgung 16, 42 wird im gezeigten Ausführungsbeispiel den beiden Brennstoffzellenstacks 12 insbesondere eine weitgehend gleiche Grundmenge von Luft L zur Verfügung gestellt.
  • Im in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel werden beide Brennstoffzellenstacks 12 über die Brennstoffzuführung und beispielhaft einen Reformer 26 mit Brennstoff B bzw. reformierten Brennstoff RB versorgt. Der Brennstoff B bzw. der reformierte Brennstoff RB werden dabei jeweils von einem Verdichter 42 an der Brennstoffzuführung transportiert. Dabei sind im Ausführungsbeispiel die Brennstoffzellenstacks 12 fluidisch mit dem Reformer 26 parallel verschaltet. Damit weisen die beiden Brennstoffzellenstacks 12 eine gemeinsame Brennstoffversorgung 24, 26, 42 auf. Diese gemeinsame Brennstoffversorgung 24, 26, 42 stellt im gezeigten Ausführungsbeispiel den beiden Brennstoffzellenstacks 12 eine weitgehend gleiche Grundmenge von Brennstoff B zur Verfügung.
  • Anders formuliert weisen die beiden Brennstoffzellenstacks 12 eine gemeinsame Brennstoffversorgung auf, wobei durch Verdichter 42 geförderter Brennstoff B bzw. reformierter Brennstoff RB über zwei fluidisch parallel zueinander verschaltete Brennstoffzuführungen 24 zu dem jeweiligen Brennstoffzellenstack 12 geführt wird.
  • Durch die gemeinsame Brennstoffzuführung 24 wird insbesondere an beide Brennstoffzellenstacks 12 weitgehend der gleiche Brennstoffstrom B bzw. Strom von reformierten Brennstoff RB geliefert.
  • 3 zeigt eine Variante der Ausführungsform aus 2. Der Übersicht halber sind nur die Brennstoffzellenstacks 12 abgebildet sowie die mit den Brennstoffzellenstacks 12 verbundenen Leitungen 16, 30 und unmittelbar fluidisch angeschlossenen Komponenten. Im Unterschied zur Ausführungsform aus 2 weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10 drei statt zwei Brennstoffzellenstacks 12 auf, d.h. in der in 3 abgebildeten Variante ist ein zusätzlicher dritter Brennstoffzellenstack 12c vorhanden. Jeder der drei Brennstoffzellenstacks 12a, 12b, 12c weist jeweils eine Kathodenrückführung 64a, 64b, 64c auf, welche an die Kathodenabgasführung 30 des jeweiligen Brennstoffzellenstacks 12 angeschlossen ist. Weiterhin weist jeder der drei Brennstoffzellenstacks 12a, 12b, 12c jeweils einen Ejector 62a, 62b, 62c auf, welcher in der jeweilgen Luftzuführung 16 dem jeweiligen Brennstoffzellenstack 12a, 12b, 12c vorgeschaltet ist und an welchen die jeweilige Kathodenrückführung 64a, 64b, 64c angeschlossen ist.
  • In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der erste Brennstoffzellenstack 12a eine zusätzliche erste Luftdosiervorrichtung 60a auf. Die erste Luftdosiervorrichtung 60a ist an der Luftzuführung 16 angeordnet, wobei die erste Luftdosiervorrichtung 60a strömungstechnisch kurz vor dem Anschluss der Luftzuführung 16 an den ersten Brennstoffzellenstack 12a angeschlossen ist. Beispielhaft ist die erste Luftdosiervorrichtung 60a fluidisch unmittelbar vor dem ersten Ejector 62a geschaltet. Auf diese Weise ist die erste Luftdosiervorrichtung 60a dazu ausgebildet, Luft L in die Luftzuführung L in Strömungsrichtung kurz vor dem ersten Brennstoffzellenstack 12a einzuleiten, so dass insbesondere die durch die erste Luftdosiervorrichtung 58a eingeleitete Luft L in den ersten Brennstoffzellenstack 12a eingeleitet wird. Die erste Luftdosiervorrichtung 60a ist dazu vorgesehen, dem ersten Brennstoffzellenstack 12a eine individuell dosierbare Luftmenge L bzw. Luftdosierung einzustellen. Beispielhaft ist die erste Luftdosiervorrichtung 60a als ein regelbares Ventil ausgebildet, welches im Strömungsgang der Luftzuführung 16 angeordnet ist. Es ist auch denkbar, dass die erste Luftdosiervorrichtung 60a als eine regelbare Drossel in der Luftzuführung 16 ausgebildet ist.
  • Beispielhaft weist der zweite Brennstoffzellenstack 12b in dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel eine zusätzliche zweite Luftdosiervorrichtung 60b auf, welche dafür vorgesehen ist, dem zweiten Brennstoffzellenstack 12b eine individuell dosierbare Luftmenge L bzw. Luftdosierung zuzuführen. Die zweite Luftdosiervorrichtung 60b ist fluidisch an die Luftzuführung 16 angeschlossen, wobei die zweite Luftdosiervorrichtung 60b strömungstechnisch unmittelbar vor dem zweiten Ejector 62b an den zweiten Brennstoffzellenstack 12b angeschlossen ist.
  • Beispielhaft weist der dritte Brennstoffzellenstack 12c in dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel eine zusätzliche dritte Luftdosiervorrichtung 60c auf, welche dafür vorgesehen ist, dem dritten Brennstoffzellenstack 12c eine individuell dosierbare Luftmenge L bzw. Luftdosierung zuzuführen. Die dritte Luftdosiervorrichtung 60c ist fluidisch an die Luftzuführung 16 angeschlossen, wobei die dritte Luftdosiervorrichtung 60c strömungstechnisch unmittelbar vor dem dritten Ejector 62c an den dritten Brennstoffzellenstack 12c angeschlossen ist.
  • 4 illustriert die elektrische Verschaltung der beiden Brennstoffzelleneinheiten 12 bzw. Brennstoffzellenstacks 12 aus dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel. Der erste Brennstoffzellenstack 12a ist im gezeigten Ausführungsbeispiel in Reihe mit dem zweiten Brennstoffzellenstack 12b geschaltet. Beispielhaft ist zu den beiden Brennstoffzellenstacks 12 ein DC/AC-Wandler 50 in Reihe geschaltet. Dieser ist insbesondere dazu vorgesehen, die von den Brennstoffzellenstacks 12 erzeugte Gleichspannung in eine Wechselspannung umzuwandeln.
  • Der erste Brennstoffzellenstack 12a weist einen regelbaren ersten Widerstand 52a auf, welcher elektrisch parallel zum ersten Brennstoffzellenstack 12a geschaltet ist Bespielhaft weist auch der zweite Brennstoffzellenstack 12b einen regelbaren zweiten Widerstand 52b auf, welcher elektrisch parallel zum zweiten Brennstoffzellenstack 12b geschaltet ist. Auf diese Weise lässt sich die erste Stacktemperatur zusätzlich auch über eine Einstellung der ersten Stromabnahme über den ersten Widerstand 52a regulieren. Weiterhin lässt sich zusätzlich eine zweite Stacktemperatur des zweiten Brennstoffzellenstacks 12b über eine Einstellung einer zweiten Stromabnahme aus dem zweiten Brennstoffzellenstack 12b über den zweiten Widerstand 52b regulieren.
  • Es ist jedoch auch denkbar, dass nur der ersten Brennstoffzellenstack 12a den ersten Widerstand 52a aufweist und nicht der zweite Brennstoffzellenstack 12b. Hier könnte eine Regulierung der Stacktemperaturen beispielsweise so aussehen, dass zunächst die zweite Stacktemperatur über eine Einstellung der gemeinsame Luftversorgung 16, 42 erfolgt und anschließend die erste Stacktemperatur über die Einstellung der ersten Stromabnahme über den ersten Widerstand 52a erfolgt.
  • 5 zeigt eine alternative Ausführungsform, in welcher die Brennstoffzellenvorrichtung 10 vier Brennstoffzellenstacks 12 aufweist. Beispielhaft sind der erste Brennstoffzellenstack 12a und der zweite Brennstoffzellenstack 12b elektrisch zueinander in Reihe geschaltet sowie ein dritter Brennstoffzellenstack 12c und ein vierter Brennstoffzellenstack 12d elektrisch zueinander in Reihe geschaltet. Mit dem ersten Brennstoffzellenstack 12a ist ein regelbarer erster elektrischer Widerstand 52a in Reihe geschaltet, welcher zur Regulierung der ersten Stacktemperatur vorgesehen ist. Mit dem zweiten Brennstoffzellenstack 12b ist ein regelbarer zweiter elektrischer Widerstand 52b in Reihe geschaltet, welcher zur Regulierung der zweiten Stacktemperatur vorgesehen ist. Mit dem dritten Brennstoffzellenstack 12c ist ein regelbarer dritter elektrischer Widerstand 52c in Reihe geschaltet, welcher zur Regulierung einer dritten Stacktemperatur des dritten Brennstoffzellenstacks 12c vorgesehen ist. Mit dem vierten Brennstoffzellenstack 12d ist ein regelbarer vierter elektrischer Widerstand 52d in Reihe geschaltet, welcher zur Regulierung einer vierten Stacktemperatur des vierten Brennstoffzellenstacks 12d vorgesehen ist.
  • Weiterhin ist mit dem ersten Brennstoffzellenstack 12a - und beispielhaft mit dem zweiten Brennstoffzellenstack 12b - ein erster DC/DC-Wandler 54a elektrisch in Reihe geschaltet. Beispielhaft ist mit dem dritten Brennstoffzellenstack 12c und dem vierten Brennstoffzellenstack 12d ein zweiter DC/DC-Wandler 54b elektrisch in Reihe geschaltet. Dabei sind der erste Brennstoffzellenstack 12a, der zweite Brennstoffzellenstack 12b und der erste DC/DC-Wandler 54a elektrisch parallel geschaltet zum dritten Brennstoffzellenstack 12c, vierten Brennstoffzellenstack 12d und dem zweiten DC/DC-Wandler 54b. Dabei sind die DC/DC-Wandler 54 dazu vorgesehen, den Strom durch bzw. die Stromabbnahme von den jeweils ihnen zugeordneten, in Reihe geschalteten Brennstoffzellenstacks 12 zu regeln bzw. einzustellen. Insbesondere ist der erste DC/DC-Wandler 54a dazu vorgesehen, die erste Stromabnahme aus dem ersten Brennstoffzellenstack 12a einzustellen. Anschließend werden die Stromleitungen nach den beiden DC/DC-Wandlern 54 zusammen und diese sind an den DC/AC-Wandler 50 angeschlossen.
  • Auf diese Weise ist es insbesondere möglich, dass beispielsweise durch eine Veränderung der ersten Stromabnahme am ersten Brennstoffzellenstack 12a über den ersten DC/DC-Wandler 54a, ohne die dritte Stromabnahme am dritten Brennstoffzellenstack 12c - welcher elektrisch parallel zum ersten Brennstoffzellenstack 12a und dem ersten DC/DC-Wandler 54a geschaltet ist - zu verändern. Das ermöglicht eine individuelle Regulierung der Stacktemperatur von elektrisch parallel zueinander geschalteten Brennstoffzellenstacks 12 über eine Anpassung der Stromabnahme über den jeweiligen DC/DC-Wandler 54.
  • Die DC/DC-Wandler 54 erlauben insbesondere eine Veränderung des Stroms bzw. Stromabgriffs an allen elektrisch in Reihe zum DC/DC-Wandler 54 geschalteten Brennstoffzellenstacks 12. Durch die in der in 5 gezeigten Variante regelbaren Widerstände 52a ist zudem eine gezielte Veränderung der einzelnen Stromabnahme an indivduellen Brennstoffzellenstacks 12 innerhalb einer Gruppe von elektrisch in Reihe geschalteten Brennstoffzellenstacks 12 möglich. Beispielsweise ist es denkbar, dass in der in 5 gezeigten Variante zunächst die zweite Stacktemperatur des zweiten Brennstoffzellenstacks 12b über eine Anpassung des zweiten Stromabgriffs durch den ersten DC/DC-Wandler 54a reguliert wird und anschießend die erste Stacktemperatur des ersten Brennstoffzellenstacks 12a über eine Anpassung des ersten Stromabgriffs durch den ersten Widerstand 52a reguliert wird.
  • Es sind weitere Varianten denkbar, in welchen Gruppen von beispielsweise zwei, drei oder mehr Brennstoffzellenstacks 12 elektrisch in Reihe mit jeweils einem DC/DC-Wandler 54 geschaltet sind und mehrere solcher Gruppen zueinander elektrisch parallel geschaltet sind. Dabei können vorteilhaft die Brennstoffzellenstacks 12 einer solchen Gruppe jeweils einen elektrisch parallel geschalteten regelbaren Widerstand 52 aufweisen.
  • 6 illustriert ein Verfahren 56 zum Regulieren der ersten Stacktemperatur vom ersten Brennstoffzellenstack 12a der in 3 gezeigten Brennstoffzellenvorrichtung 10. Dazu wird in einem ersten Schritt S1 die erste Stacktemperatur ermittelt. Dazu wird beispielhaft die Temperatur vom ersten Temperatursensor 48a empfangen und als erste Stacktemperatur verwendet. Anschließend wird in einem zweiten Schritt die erste Stacktemperatur mit einem Sollwert verglichen. Beispielhaft beträgt der Sollwert 615 °C. Weicht die erste Stacktemperatur nicht stärker als um einen Toleranzwert vom Sollwert ab, so wird das Verfahren 56 über Pfad A wieder mit Schritt S1 fortgesetzt. Beispielhaft beträgt der Toleranzwert 5°C. Weicht die Stacktemperatur um mehr als den Toleranzwert vom Sollwert ab, wird das Verfahren 56 über Pfad B mit Schritt S3 fortgesetzt.
  • In Schritt S3 wird über die erste Luftdosiervorrichtung 58a die erste Luftdosierung verändert. Ist die in Schritt S1 ermittelte erste Stacktemperatur kleiner als der Sollwert, so wird die erste Luftdosierung abgesenkt. Ist die in Schritt S1 ermittelte erste Stacktemperatur größer als der Sollwert, so wird die erste Luftdosierung erhöht. Dabei kann die Erhöhung bzw. Absenkung der ersten Luftdosierung entweder um einen vorgebenen Absolut- oder Relativwert erfolgen. Es ist auch denkbar, dass die Erhöhung bzw. Absenkung der ersten Luftdosierung von der Höhe der Abweichung der ersten Stacktemperatur vom Sollwert abhängt, beispielsweise ist es denkbar, dass bei einer stärkeren Abweichung eine stärkere Erhöhung bzw. Absenkung der ersten Luftdosierung erfolgt. Anschließend wird das Verfahren wieder mit Schritt S1 fortgesetzt.
  • Es ist denkbar, dass beispielsweise mit einem Fehlerzähler die Anzahl der hintereinander erfolgten Feststellungen einer zu starken Abweichung der ermittelten ersten Stacktemperatur in Schritt S2 erfolgt und bei einer festgelegten kritischen Zahl von Fehlern, beispielsweise zehn, eine Fehlerreaktion erfolgt, beispielsweise eine Abschaltung des ersten Brennstoffzellenstacks 12a. Es ist auch denkbar, dass in Schritt S2 oder einem anderen, Schritt S1 folgenden Schritt überprüft wird, ob die ermittelte Stacktemperatur einen kritischen unteren Wert unterschreitet oder einen kritischen oberen Wert überschreitet und falls ja, eine Fehlerreaktion erfolgt.
  • In einer Variante des Verfahrens 56 ist es denkbar, dass in Schritt S2 die erste Luftdosierung erhöht wird, wenn die in Schritt S1 ermittelte erste Stacktemperatur größer als der Sollwert ist, insbesondere indem die durch die erste Luftdosiervorrichtung 60a des ersten Brennstoffzellenstacks 12a dosierte erste Luftmenge erhöht wird. Ist die die in Schritt S1 ermittelte erste Stacktemperatur kleiner als der Sollwert, so wird ein weiterer Betriebsparameter des ersten Brennstoffzellenstacks 12a verändert, beispielsweise eine allen Brennstoffzellenstacks 12 gemeinsame Brennstoffversorgung 24, 26 42 so eingestellt, dass der Brennstoffstrom abgesenkt wird - beispielsweise durch ein Absenken einer Gebläsedrehzahl; und/oder dadurch, dass eine erste Stromabnahme aus dem ersten Brennstoffzellenstack 12a erhöht wird; und/oder dadurch, dass eine durch eine erste Brennstoffdosiervorrichtung 58a des ersten Brennstoffzellenstacks 12a dosierte erste Brennstoffmenge abgesenkt wird (siehe 7). Es ist auch denkbar, dass zum ersten Brennstoffzellenstack 12a ein erster DC/DC-Wandler 54a elektrisch in Reihe geschaltet ist und in Schritt S2 die erste Stromabnahme erhöht wird, wenn die in Schritt S1 ermittelte erste Stacktemperatur kleiner als der Sollwert ist, indem der Strom durch den ersten Brennstoffzellenstack 12a durch den ersten DC/DC-Wandler 54a erhöht wird.
  • In der in 7 gezeigten Variante weist der erste Brennstoffzellenstack 12a eine zusätzliche erste Brennstoffdosiervorrichtung 58a auf. Die erste Brennstoffdosiervorrichtung 58a ist fluidisch an die Brennstoffzuführung 24 angeschlossen, wobei die erste Brennstoffdosiervorrichtung 58a strömungstechnisch kurz vor dem Anschluss der Brennstoffzuführung 24 an den ersten Brennstoffzellenstack 12a angeschlossen ist. Auf diese Weise ist die erste Brennstoffdosiervorrichtung 58a dazu ausgebildet, Brennstoff B und/oder reformierten Brennstoff RB in die Brennstoffzuführung 24 in Strömungsrichtung kurz vor dem ersten Brennstoffzellenstack 12a einzuleiten, so dass insbesondere der durch die erste Brennstoffdosiervorrichtung 58a eingeleitete Brennstoff B bzw. reformierter Brennstoff RB in den ersten Brennstoffzellenstack 12a eingeleitet wird. Es ist auch denkbar, dass die erste Brennstoffdosiervorrichtung 58a unmittelbar mit dem Brennstoffzellenstack 12a verbunden ist. Die erste Brennstoffdosiervorrichtung 58a ist dazu vorgesehen, dem ersten Brennstoffzellenstack 12a eine individuell dosierbare Brennstoffmenge B zuzuführen. Auf diese Weise kann die über die Brennstoffzuführung 24 gemeinsam an alle Brennstoffzellenstacks 12 geführte Brennstoffmenge um eine zusätzliche Brennstoffmenge angepasst werden.
  • Es ist denkbar, dass die erste Brennstoffdosiervorrichtung 58a wie die gemeinsame Brennstoffzuführung 24 an den Reformer 26 angeschlossen ist. Die erste Brennstoffdosiervorrichtung 58a kann einen eigenen Verdichter 42 aufweisen. Es ist auch denkbar, dass die erste Brennstoffdosiervorrichtung 58a einen eigenen Reformer 26 aufweist. Es ist auch denkbar, dass die erste Brennstoffdosiervorrichtung 58a eine eigene Brennstoffquelle aufweist, welche verschieden ist von der Brennstoffquelle der gemeinsamen Brennstoffversorgung 24. In alternativen Varianten ist es möglich, dass die erste Brennstoffdosiervorrichtung 58a als ein regelbares Dosierventil oder eine regelbare Drossel in der Brennstoffzuführung 24 vor dem ersten Brennstoffzellenstack 12a ausgebildet ist, so dass durch dieses Dosierventil bzw. diese Drossel die durch die gemeinsame Brennstoffzuführung 24 an den ersten Brennstoffzellenstack 12a transportierte Brennstoffmenge B angepasst werden kann, ohne die an den zweiten Brennstoffzellenstack 12b transportierte Brennstoffmenge B zu verändern.
  • Beispielhaft weist der zweite Brennstoffzellenstack 12b in der in 7 gezeigten Variante eine zusätzliche zweite Brennstoffdosiervorrichtung 58b auf, welche dafür vorgesehen ist, dem zweiten Brennstoffzellenstack 12b eine individuell dosierbare Brennstoffmenge B zuzuführen. Die zweite Brennstoffdosiervorrichtung 58b ist fluidisch an die Brennstoffzuführung 24 angeschlossen, wobei die zweite Brennstoffdosiervorrichtung 58b strömungstechnisch kurz vor dem Anschluss der Brennstoffzuführung 24 an den zweiten Brennstoffzellenstack 12b angeschlossen ist.

Claims (14)

  1. Brennstoffzellenvorrichtung (10) mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellenstacks (12), wobei die Brennstoffzellenstacks (12) an eine Luftzuführung (16) angeschlossen sind und an eine Kathodenabgasführung (30) angeschlossen sind, wobei an wenigstens einem ersten Brennstoffzellenstack (12a) an die Kathodenabgasführung (30) eine erste Kathodenrückführung (64a) angeschlossen ist, welche dazu ausgebildet ist, einen Teil der durch die Kathodenabgasführung (30) vom ersten Brennstoffzellenstack (12a) abgeführten Kathodenabgase (KA) abzuzweigen, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Brennstoffzellenstack (12a) in der Luftzuführung (16) ein erster Ejector (62a) vorgeschaltet ist, an welchen die erste Kathodenrückführung (64a) angeschlossen ist.
  2. Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Brennstoffzellenstack (12) der Mehrzahl an Brennstoffzellenstack (12) an die Kathodenabgasführung (30) eine jeweilige den Brennstoffzellenstack (12a, 12b, 12c) zugeordnete Kathodenrückführung (64a, 64b, 64c) angeschlossen ist, welche an jeweils an einem dem jeweiligen Brennstoffzellenstack (12a, 12b, 12c) in der Luftzuführung (16) vorgeschalteten Ejector (62a, 62b, 62c) angeschlossen ist.
  3. Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Ejector (62a) in der Luftzuführung (16) eine erste Luftdosiervorrichtung (60a) vorgeschaltet ist, welche dafür ausgebildet ist, den ersten Brennstoffzellenstack (12a) mit Luft (L) zu versorgen, bevorzugt dass jeweils jedem einem Brennstoffzellenstack (12a, 12b, 12c) zugeordneten Ejector (62a, 62b, 62c) jeweils in der Luftzuführung (16) eine zugeordnete Luftdosiervorrichtung (60a, 60b, 60c) vorgeschaltet ist.
  4. Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, wenigstens das erste Brennstoffzellenstack (12a) einen ersten Temperatursensor (48a) zur Erfassung einer ersten Stacktemperatur aufweist, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung (10) ein Steuergerät aufweist, welches zum Empfangen der ersten Stacktemperatur ausgebildet ist und wobei das Steuergerät zum Einstellen einer ersten Luftdosierung für das erste Brennstoffzellenstack (12a) eingerichtet ist und wobei das Steuergerät dazu eingerichtet ist, die erste Stacktemperatur mittels der ersten Luftdosierung durch die erste Luftdosiervorrichtung (60a) zu regulieren.
  5. Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Temperatursensor (48a) an der Kathodenabgasführung (30) am ersten Brennstoffzellenstack (12a) angeordnet ist.
  6. Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Brennstoffzellenstacks (12) eine gemeinsame Brennstoffversorgung (24, 26, 42) aufweist.
  7. Verfahren (56) zum Regulieren wenigstens einer Stacktemperatur einer Brennstoffzellenvorrichtung (10), insbesondere einer Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung (10) eine Mehrzahl von Brennstoffzellenstacks (12) aufweist, wobei wenigstens eine erste Stacktemperatur von einem ersten Brennstoffzellenstack (12a) der Mehrzahl von Brennstoffzellenstacks (12) erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der erste Brennstoffzellenstack (12a) eine erste Luftdosiervorrichtung (60a) aufweist, welche dafür ausgebildet ist, den ersten Brennstoffzellenstack (12a) mit Luft (L) zu versorgen, und dass die erste Stacktemperatur mittels einer ersten Luftdosierung durch die erste Luftdosiervorrichtung (60a) reguliert wird.
  8. Verfahren (56) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine zweite Stacktemperatur von einem zweiten Brennstoffzellenstack (12b) der Mehrzahl von Brennstoffzellenstacks (12) erfasst wird und wenigstens der zweite Brennstoffzellenstack (12b) eine zweite Luftdosiervorrichtung (60b) aufweist und die zweite Stacktemperatur mittels einer zweiten Luftdosierung durch die zweite Luftdosiervorrichtung (60b) reguliert wird, wobei bei der Regulierung die erste Luftfdosierung bzw. die erste Luftdosiervorrichtung (60a) und die zweite Luftdosierung bzw. die zweite Luftdosiervorrichtung (60b) so eingestellt wird, dass die Gesamtabweichung der ersten Stacktemperatur und der zweiten Stacktemperatur von einer Solltemperatur minimiert wird.
  9. Verfahren (56) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stacktemperatur mittels einer ersten Stromabnahme aus dem ersten Brennstoffzellenstack (12a) reguliert wird.
  10. Verfahren (56) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Brennstoffzellenstack (12a) mit einem zweiten Brennstoffzellenstack (12b) der Mehrzahl von Brennstoffzellenstacks (12) elektrisch in Reihe geschaltet ist und die erste Stromabnahme durch einen regelbaren ersten Widerstand (52a) angepasst wird, welcher elektrisch parallel zum ersten Brennstoffzellenstack (12a) geschaltet ist.
  11. Verfahren (56) nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Brennstoffzellenstack (12a) mit einem dritten Brennstoffzellenstack (12c) der Mehrzahl von Brennstoffzellenstacks (12) elektrisch parallel geschaltet ist und die erste Stromabnahme durch einen regelbaren ersten DC/DC-Wandler (54a) angepasst wird, welcher elektrisch in Reihe zum ersten Brennstoffzellenstack (12a) geschaltet ist.
  12. Verfahren (56) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Regulierung die erste Stromabnahme und die erste Luftdosierung der ersten Luftdosiervorrichtung (60a) derart angepasst wird, dass die Abweichung der ersten Stacktemperatur von einer Solltemperatur, die Abweichung der ersten Stromabnahme vom Stromsollwert und die Abweichung der durch die erste Luftdosiervorrichtung (60a) dosierten erste Luftmenge von einem Luftsollwert minimiert werden.
  13. Verfahren (56) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der erste Brennstoffzellenstack (12a) eine erste Brennstoffdosiervorrichtung (58a) aufweist, welche dafür ausgebildet ist, den ersten Brennstoffzellenstack mit Brennstoff (B) und/oder reformierten Brennstoff (RB) zu versorgen, und wobei die erste Stacktemperatur mittels der ersten Brennstoffdosiervorrichtung (58a) reguliert wird.
  14. Verfahren (56) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Regulierung die erste Brennstoffdosierung der ersten Brennstoffdosiervorrichtung (58a) und eine erste Luftdosierung der ersten Luftdosiervorrichtung (60a) derart angepasst wird, dass die Abweichung der ersten Stacktemperatur von einer Solltemperatur, die Abweichung der durch die Brennstoffdosiervorrichtung (58a) dosierten ersten Brennstoffdosierung vom Brennstoffsollwert und die Abweichung der ersten Luftdosierung von einem Luftsollwert minimiert werden.
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