DE102022209330B4

DE102022209330B4 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102022209330B4
Application number: DE102022209330.5A
Authority: DE
Inventors: Heejoong JANG; Hyoungsuk WOO
Original assignee: LG Electronics Inc
Current assignee: LG Electronics Inc
Priority date: 2021-09-09
Filing date: 2022-09-08
Publication date: 2024-06-06
Anticipated expiration: 2042-09-09
Also published as: CN115799566A; US20230072408A1; JP2023039931A; DE102022209330A1; KR20230037182A; JP7404470B2

Abstract

Brennstoffzellensystem, das aufweist:einen Stapel (20, 20a, 20b), der ausgebildet ist, unter Verwendung von Reformergas elektrischen Strom zu erzeugen;eine Brennstoffverarbeitungsvorrichtung (10), die ausgebildet ist, dem Stapel (20, 20a, 20b) Reformergas zuzuführen;einen ersten Gasdurchlass, der den Stapel (20, 20a, 20b) und die Brennstoffverarbeitungsvorrichtung (10) verbindet und das aus der Brennstoffverarbeitungsvorrichtung (10) ausgeleitete Reformergas leitet;einen zweiten Gasdurchlass, der den Stapel (20, 20a, 20b) und die Brennstoffverarbeitungsvorrichtung (10) verbindet und ein aus dem Stapel (20, 20a, 20b) ausgeleitetes Anodenabgas, AOG, leitet;einen Puffertank (230), der ausgebildet ist, einen Teil des aus dem Stapel (20, 20a, 20b) ausgeleiteten Anodenabgases zu speichern;einen ersten Puffertankdurchlass (231), der den Puffertank (230) und den zweiten Gasdurchlass verbindet;einen zweiten Puffertankdurchlass (234), der das im Puffertank (230) gespeicherte Anodenabgas leitet;einen Gasmischer (235), der mit dem zweiten Puffertankdurchlass (234) verbunden ist und ausgebildet ist, das im Puffertank (230) gespeicherte Anodenabgas dem Stapel (20, 20a, 20b) zuzuführen; undeine Steuerung, die ausgebildet ist, den Gasmischer (235) so zu steuern, dass er das in dem Puffertank (230) gespeicherte Anodenabgas dem Stapel (20, 20a, 20b) zuführt, um den Stapel (20, 20a, 20b) vorzuwärmen oder im Stapel (20, 20a, 20b) verbliebene Luft zu entfernen.

Description

Diese Anmeldung beansprucht eine Priorität KR 10-2021-0120160 ( KR 10 2023 0 037 182 A ) vom 9. September 2021.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem und insbesondere auf ein Brennstoffzellensystem, das einen Stapel beim Eintritt in einen anfänglichen Stromerzeugungsbetrieb vorwärmt und im Stapel verbliebene Luft während eines Stoppbetriebs entfernt.
Ein Brennstoffzellensystem ist ein Stromerzeugungssystem, das elektrische Energie durch elektrochemische Reaktion von Wasserstoff, der in kohlenwasserstoffbasierten Materialien wie Methanol, Ethanol und Erdgas enthalten ist, mit Sauerstoff erzeugt.
Ein allgemeines Brennstoffzellensystem, ähnlich dem Stand der Technik 1 (( KR 10 2012 0 071 288 A )), umfasst eine Brennstoffverarbeitungsvorrichtung zum Reformieren eines Wasserstoffatome enthaltenden Brennstoffs in Wasserstoffgas und einen Stapel zum Erzeugen von elektrischer Energie unter Verwendung von Wasserstoffgas, das von der Brennstoffverarbeitungsvorrichtung geliefert wird. Darüber hinaus kann das Brennstoffzellensystem ferner einen Wärmetauscher und eine Kühlwasserleitung zum Kühlen des Stapels und zur Wärmerückgewinnung, einen Stromwandler zum Umwandeln eines erzeugten Gleichstroms in Wechselstrom und Ähnliches umfassen.
Um in einem Stapel verbliebenen Sauerstoff nach Beendigung eines Stromerzeugungsbetriebs zu entfernen, offenbart der Stand der Technik 2 ( KR 10 2011 0 019 274 A ) ein Verfahren zum Installieren eines separaten Abzweigventils, das von einem Wasserstoffspülventil in einer Wasserstoffspülleitung eines Brennstoffversorgungssystems abzweigt, das den Stapel mit Brennstoff versorgt, und zum Ermöglichen, dass durch das Abzweigventil strömender Wasserstoff einen Kathodenelektrodenteil im Stapel über eine Luftzufuhrleitung spült, wenn der Stromerzeugungsbetrieb beendet ist. Es besteht jedoch das Problem, dass ein Anodenabgas (AOG), das dem Kathodenelektrodenteil zugeführt werden soll, zusätzlich erzeugt und zugeführt werden muss.
Daher besteht Forschungsbedarf, um eine Verkürzung der Lebensdauer des Stapels zu verhindern, indem in dem Kathodenelektrodenteil des Stapels verbliebener Sauerstoff nach Beendigung des Stromerzeugungsbetriebs entfernt wird.
Eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist es, die oben genannten und andere Probleme zu lösen.
Eine weitere Aufgabe kann darin bestehen, ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, das einen Spülbetrieb durchführt, um Sauerstoff zu entfernen, der in einem Kathodenelektrodenteil in einem Stapel verbleibt, nachdem ein Stromerzeugungsbetrieb beendet ist.
Eine weitere Aufgabe kann darin bestehen, ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, das einen Stapelvorwärmbetrieb zum Vorwärmen eines Stapels in einem Stromerzeugungsbetrieb durchführt.
Eine weitere Aufgabe kann darin bestehen, ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, das die Wartungskosten des Brennstoffzellensystems reduzieren kann.
Die Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen angegeben. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung zum Lösen der oben genannten Aufgaben umfasst ein Brennstoffzellensystem: einen Stapel, der unter Verwendung von Reformergas elektrischen Strom erzeugt; eine Brennstoffverarbeitungsvorrichtung, die dem Stapel Reformergas zuführt; einen ersten Gasdurchlass, der den Stapel und die Brennstoffverarbeitungsvorrichtung verbindet und das aus der Brennstoffverarbeitungsvorrichtung ausgeleitete Reformergas leitet; einen zweiten Gasdurchlass, der den Stapel und die Brennstoffverarbeitungsvorrichtung verbindet und ein aus dem Stapel ausgeleitetes Anodenabgas (AOG) leitet; einen Puffertank, der einen Teil des aus dem Stapel ausgeleiteten Anodenabgases speichert; einen ersten Puffertankdurchlass, der den Puffertank und den zweiten Gasdurchlass verbindet; einen zweiten Puffertankdurchlass, der das im Puffertank gespeicherte Anodenabgas leitet; einen Gasmischer, der mit dem zweiten Puffertankdurchlass verbunden ist und das im Puffertank gespeicherte Anodenabgas dem Stapel zuführt; und eine Steuerung, die den Gasmischer so steuert, dass er das in dem Puffertank gespeicherte Anodenabgas dem Stapel zuführt, um den Stapel vorzuwärmen oder im Stapel verbliebene Luft zu entfernen.
Das Brennstoffzellensystem umfasst ferner ein Puffertankventil, das am ersten Puffertankdurchlass angeordnet ist und einen dem Puffertank zugeführten Anodenabgasstrom steuert, und einen Puffertankkompressor, der an einem vorderen Ende des Puffertankventils angeordnet ist und das dem Puffertank zugeführte Anodenabgas komprimiert, wobei die Steuerung während des Stromerzeugungsbetriebs den Gasmischer schließt, das Puffertankventil öffnet, den Puffertankkompressor betreibt und einen Teil des aus dem Stapel ausgeleiteten Anodenabgases mit Druck beaufschlagt und dann im Puffertank speichert.
Das Brennstoffzellensystem umfasst ferner einen Drucksensor, der an dem Puffertank angeordnet ist und einen Druck des in dem Puffertank gespeicherten Anodenabgases misst, wobei, wenn der von dem Drucksensor gemessene Druck des in dem Puffertank gespeicherten Anodenabgases gleich oder größer als ein erster Solldruck ist, die Steuerung das Puffertankventil schließt und den Puffertankkompressor stoppt.
Das Brennstoffzellensystem umfasst ferner ein Gebläse, das dem Stapel Luft zuführt, und ein Luftzufuhrventil, das zwischen dem Stapel und dem Gebläse angeordnet ist und die vom Gebläse dem Stapel zugeführte Luft einstellt, wobei die Steuerung während eines Spülbetriebs das im Puffertank gespeicherte Anodenabgas dem Stapel zuführt, indem sie das Luftzufuhrventil schließt und den Gasmischer öffnet.
Das Brennstoffzellensystem umfasst ferner einen Drucksensor, der am Puffertank angeordnet ist und einen Druck des im Puffertank gespeicherten Anodenabgases misst, wobei, wenn der vom Drucksensor gemessene Druck des Anodenabgases im Puffertank gleich oder kleiner als ein zweiter Solldruck ist, die Steuerung den Gasmischer schließt, um den Spülbetrieb zu beenden.
Das Brennstoffzellensystem umfasst ferner ein Gebläse, das dem Stapel Luft zuführt, und ein Luftzufuhrventil, das zwischen dem Stapel und dem Gebläse angeordnet ist und die vom Gebläse dem Stapel zugeführte Luft einstellt, wobei die Steuerung während eines Stapelvorwärmbetriebs den Gasmischer und das Luftzufuhrventil öffnet, so dass Luft und Anodenabgas gemischt und dann dem Stapel zugeführt werden, und das Gebläse betreibt.
Das Brennstoffzellensystem umfasst ferner ein erstes Gasventil, das an dem ersten Gasdurchlass angeordnet ist und den dem Stapel zugeführten Reformergasstrom steuert; einen Bypassdurchlass, der den ersten Gasdurchlass und die Brennstoffverarbeitungsvorrichtung verbindet, und ein Bypassventil, das an dem Bypassdurchlass angeordnet ist und den Reformergasstrom in dem Bypassdurchlass steuert, wobei die Steuerung während des Stapelvorwärmbetriebs das erste Gasventil schließt und das Bypassventil öffnet, so dass das aus der Brennstoffverarbeitungsvorrichtung ausgeleitete Reformergas zurück in die Brennstoffverarbeitungsvorrichtung strömt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems: Durchführen eines Stromerzeugungsbetriebs zum Speichern des aus dem Stapel ausgeleiteten Anodenabgases im Puffertank durch Steuern eines Puffertankventils zum Steuern des dem Puffertank zugeführten Anodenabgasstroms und eines Puffertankkompressors zum Komprimieren des Anodenabgases.
Das Durchführen eines Stromerzeugungsbetriebs umfasst: Druckbeaufschlagung eines Teils des aus dem Stapel ausgeleiteten Anodenabgases und anschließendes Speichern im Puffertank durch Schließen des Gasmischers, Öffnen des Puffertankventils und Betreiben des Puffertankkompressors.
Die Druckbeaufschlagung eines Teils des aus dem Stapel ausgeleiteten Anodenabgases und das anschließende Speichern im Puffertank umfassen: Schließen des Puffertankventils und Stoppen des Puffertankkompressors, wenn ein Druck, der durch einen Drucksensor gemessen wird, der einen Druck des im Puffertank gespeicherten Anodenabgases misst, gleich oder größer als ein erster Solldruck ist.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems ferner: Durchführen eines Spülbetriebs zum Entfernen der im Stapel verbliebenen Luft durch Einstellen eines Luftzufuhrventils zum Steuern des Luftstroms zum Stapel und Einstellen des Gasmischers.
Das Durchführen eines Spülbetriebs umfasst das Zuführen des im Puffertank gespeicherten Anodenabgases zum Stapel durch Schließen des Luftzufuhrventils und Öffnen des Gasmischers.
Das Durchführen eines Spülbetriebs umfasst das Beenden des Spülbetriebs durch Schließen des Gasmischers, wenn ein Druck, der durch einen Drucksensor gemessen wird, der einen Druck des im Puffertank gespeicherten Anodenabgases misst, gleich oder kleiner als ein zweiter Solldruck ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems ferner: Durchführen eines Stapelvorwärmbetriebs zum Vorwärmen des Stapels durch Einstellen eines Luftzufuhrventils zum Steuern des Luftstroms zum Stapel, und Einstellen des Gasmischers und des Gebläses.
Das Durchführen eines Stapelvorwärmbetriebs umfasst: Mischen von Luft und Anodenabgas im Gasmischer und anschließendes Zuführen zum Stapel durch Öffnen des Gasmischers und des Luftzufuhrventils und Betreiben des Gebläses.
Die Einzelheiten anderer Ausführungsformen sind in der detaillierten Beschreibung und den Zeichnungen enthalten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen deutlicher.

1 ist eine schematische Darstellung einer Konfiguration einer Brennstoffverarbeitungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
2 und 3 sind Blockdiagramme eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
4 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Steuern eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
5 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern eines Stapelvorwärmbetriebs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
6 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines Stapelvorwärmbetriebs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
7 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Steuern eines Stromerzeugungsbetriebs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
8 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines Stromerzeugungsbetriebs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
9 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Steuern eines Stoppbetriebs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; und
10 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines Stoppbetriebs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend wird die vorliegende Offenbarung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben. Um die vorliegende Offenbarung klar und kurz zu beschreiben, wird in den Zeichnungen auf die Abbildung von Teilen, die für die Beschreibung irrelevant sind, verzichtet, und in der gesamten Beschreibung werden für gleiche oder sehr ähnliche Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet.
In der folgenden Beschreibung werden die Suffixe „Modul“ und „Einheit“ in Bezug auf die in der folgenden Beschreibung verwendeten Bestandteile nur aus Gründen der Einfachheit bei der Erstellung der Beschreibung verwendet oder miteinander kombiniert und haben keine unterschiedliche Bedeutung. Dementsprechend können die Suffixe „Modul“ und „Einheit“ gegeneinander ausgetauscht werden.
In der vorliegenden Anmeldung wird ferner davon ausgegangen, dass die Begriffe „aufweisen“, „umfassen“ usw. das Vorhandensein genannter Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten oder Kombinationen davon angeben, jedoch nicht das Vorhandensein oder Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten oder Kombinationen davon ausschließen.
Auch wenn hier die Begriffe „erster/erste/erstes“, „zweiter/zweite/zweites“ usw. zur Beschreibung verschiedener Komponenten verwendet werden, sollten diese Komponenten nicht durch diese Begriffe eingeschränkt werden. Diese Begriffe werden nur verwendet, um eine Komponente von einer anderen Komponente zu unterscheiden.
1 ist eine schematische Darstellung einer Konfiguration einer Brennstoffverarbeitungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
Wie in 1 dargestellt, kann die Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10 einen Entschwefeler 110, einen Brenner 120, einen Wasserdampferzeuger 130, einen Reformer 140, einen ersten Reaktor 150 und/oder einen zweiten Reaktor 160 umfassen. Die Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10 kann ferner mindestens einen Mischer 111, 112 umfassen.
Der Entschwefeler 110 kann einen Entschwefelungsprozess zum Entfernen von in einem Brenngas enthaltenen Schwefelverbindungen durchführen. Beispielsweise kann der Entschwefeler 110 ein Adsorptionsmittel enthalten. Dabei kann die in dem durch das Innere des Entschwefelers 110 strömenden Brenngas enthaltene Schwefelverbindung an das Adsorptionsmittel adsorbiert werden.
Das Adsorptionsmittel kann aus Metalloxid, Zeolith, Aktivkohle oder Ähnlichem bestehen.
Der Entschwefeler 110 kann außerdem einen Filter zum Entfernen von im Brenngas enthaltenen Fremdstoffen umfassen.
Der Brenner 120 kann dem Reformer 140 Wärme zuführen, um eine Reformierungsreaktion im Reformer 140 zu fördern. Beispielsweise können das aus dem Entschwefeler 110 ausgeleitete Brenngas und die von außen zugeführte Luft in einem ersten Mischer 111 gemischt und dem Brenner 120 zugeführt werden. In diesem Fall kann der Brenner 120 Verbrennungswärme erzeugen, indem er das Gasgemisch aus Brenngas und Luft verbrennt. In diesem Fall kann die Innentemperatur des Reformers 140 durch die vom Brenner 120 zugeführte Wärme auf einer geeigneten Temperatur (z. B. 800 °C) gehalten werden.
Dabei kann das im Brenner 120 durch die Verbrennung des Mischgases erzeugte Abgas nach außerhalb der Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10 ausgeleitet werden.
Der Wasserdampferzeuger 130 kann Wasser verdampfen und als Wasserdampf ausleiten. Beispielsweise kann der Wasserdampferzeuger 130 Wärme aus dem vom Brenner 120, dem ersten Reaktor 150 und/oder dem zweiten Reaktor 160 erzeugten Abgas aufnehmen, um Wasser zu verdampfen.
Der Wasserdampferzeuger 130 kann in der Nähe eines Rohrs angeordnet sein, durch das das aus dem ersten Reaktor 150, zweiten Reaktor 160 und/oder Brenner 120 ausgeleitete Abgas strömt.
Der Reformer 140 kann einen Reformierungsprozess zum Erzeugen von Wasserstoffgas aus dem Brenngas, aus dem die Schwefelverbindung entfernt wurde, unter Verwendung eines Katalysators durchführen. Beispielsweise können aus dem Entschwefeler 110 ausgeleitetes Brenngas und aus dem Wasserdampferzeuger 130 ausgeleiteter Wasserdampf in einem zweiten Mischer 112 gemischt und dem Reformer 140 zugeführt werden. Wenn in diesem Fall das Brenngas und der Wasserdampf, die dem Reformer 140 zugeführt werden, eine Reformierungsreaktion im Reformer 140 durchführen, kann Wasserstoffgas erzeugt werden.
Der erste Reaktor 150 kann durch die Reformierungsreaktion erzeugtes Kohlenmonoxid unter den im aus dem Reformer 140 ausgeleiteten Gas enthaltenen Komponenten reduzieren. Beispielsweise kann in dem aus dem Reformer 140 ausgeleiteten Gas enthaltenes Kohlenmonoxid im ersten Reaktor 150 mit Wasserdampf reagieren, um Kohlendioxid und Wasserstoff zu erzeugen. In diesem Fall kann die Innentemperatur des ersten Reaktors 150 niedriger als die Innentemperatur des Reformers 140 und höher (z. B. 200 °C) als die Raumtemperatur sein.
Der erste Reaktor 150 kann als Shift-Reaktor bezeichnet werden. Der zweite Reaktor 160 kann das verbleibende Kohlenmonoxid unter den in dem aus dem ersten Reaktor 150 ausgeleiteten Gas enthaltenen Komponenten reduzieren. Beispielsweise kann eine bevorzugte Oxidationsreaktion (PROX) in der Weise stattfinden, dass in dem aus dem ersten Reaktor 150 ausgeleiteten Gas enthaltenes Kohlenmonoxid im zweiten Reaktor 160 mit Sauerstoff reagiert.
Bei der bevorzugten Oxidationsreaktion besteht jedoch der Nachteil, dass eine zusätzliche Luftzufuhr erforderlich ist, da eine große Menge an Sauerstoff benötigt wird, und dass Wasserstoff durch die zusätzlich zugeführte Luft verdünnt wird, so dass die Konzentration des dem Stapel zugeführten Wasserstoffs verringert wird. Um diesen Nachteil zu überwinden, kann daher eine selektive Methanisierungsreaktion eingesetzt werden, bei der Kohlenmonoxid und Wasserstoff miteinander reagieren.
Das Gas, das über den Reformer 140, den ersten Reaktor 150 und/oder den zweiten Reaktor 160 aus der Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10 ausgeleitet wird, kann als Reformergas bezeichnet werden.
Der Stapel 20 kann elektrische Energie erzeugen, indem er eine elektrochemische Reaktion für das von der Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10 gelieferte Reformergas auslöst.
Der Stapel 20 kann durch Laminieren einzelner Zellen, in denen eine elektrochemische Reaktion stattfindet, konfiguriert werden.
Eine einzelne Zelle kann eine Membranelektrodenanordnung (MEA) umfassen, in der eine Anode und eine Kathode um eine Elektrolytmembran, einen Separator und dergleichen angeordnet sind. An der Anode der Membranelektrodenanordnung wird Wasserstoff durch einen Katalysator in Wasserstoffionen und Elektronen zerlegt, um Elektrizität zu erzeugen. Außerdem verbinden sich an der Kathode der Membranelektrodenanordnung Wasserstoffionen und Elektronen mit Sauerstoff, um Wasser zu erzeugen.
Der Stapel 20 kann ferner einen Stapelwärmetauscher (nicht dargestellt) zum Ableiten von in einem elektrochemischen Reaktionsprozess erzeugter Wärme umfassen. Der Stapelwärmetauscher kann ein Wärmetauscher sein, der Wasser als Kühlmittel verwendet. Beispielsweise kann dem Stapelwärmetauscher zugeführtes Kühlwasser im elektrochemischen Reaktionsprozess erzeugte Wärme absorbieren, und das Kühlwasser, dessen Temperatur durch die absorbierte Wärme erhöht wird, kann nach außerhalb des Stapelwärmetauschers ausgeleitet werden.
2 und 3 sind Blockdiagramme eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffverarbeitungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
Wie in 2 dargestellt, kann ein Brennstoffzellensystem 1 eine Brennstoffverarbeitungseinheit I, eine Stromerzeugungseinheit II, eine Kühlwasserzirkulationseinheit III und/oder eine Wärmerückgewinnungseinheit IV umfassen.
Die Brennstoffverarbeitungseinheit I umfasst eine Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10, ein Brennstoffventil 30 zum Einstellen des der Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10 zugeführten Brenngasstroms, ein erstes Gebläse 71 zum Leiten von Luft zur Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10 und dergleichen.
Die Stromerzeugungseinheit II kann einen Stapel 20a, 20b, einen Reformergas-Wärmetauscher 21, in dem ein Wärmeaustausch des aus der Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10 ausgeleiteten Reformergases stattfindet, einen AOG-Wärmetauscher 22, in dem ein Wärmeaustausch des Gases stattfindet, das ohne in dem Stapel 20a, 20b zu reagieren ausgeleitet wird, einen Befeuchter 23 zum Zuführen von Feuchtigkeit zu der dem Stapel 20a, 20b zugeführten Luft, ein zweites Gebläse 72 zum Leiten von Luft in den Stapel 20a, 20b und dergleichen umfassen. Das Gas, das ohne in dem Stapel 20a, 20b zu reagieren ausgeleitet wird, kann hier als Anodenabgas (AOG) bezeichnet werden. In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird beschrieben, dass das Brennstoffzellensystem 1 zwei Stapel 20a und 20b umfasst, aber die vorliegende Offenbarung ist nicht darauf beschränkt.
Die Kühlwasserzirkulationseinheit III kann einen Wasserzufuhrtank 13 zum Speichern des im Brennstoffzellensystem 1 erzeugten Wassers, eine Wasserpumpe 38 zum Leiten von Wasser zur Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10, ein Wasserzufuhrventil 39 zum Einstellen des der Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10 zugeführten Wasserstroms, eine Kühlwasserpumpe 43 zum Leiten von Wasser zum Reformergas-Wärmetauscher 21 und dergleichen umfassen.
Die Wärmerückgewinnungseinheit IV kann einen Wärmerückgewinnungstank 15 zum Speichern von für den Wärmeaustausch verwendetem Wasser, eine Warmwasserpumpe 48 zum Leiten von im Wärmerückgewinnungstank 15 gespeichertem Wasser nach außerhalb des Wärmerückgewinnungstanks 15 und dergleichen umfassen.
Das Brennstoffventil 30 kann in einem Brennstoffzufuhrdurchlass 101 angeordnet sein, durch den das der Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10 zugeführte Brenngas strömt. Entsprechend dem Öffnungsgrad des Brennstoffventils 30 kann die Durchflussrate des der Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10 zugeführten Brenngases eingestellt werden. Beispielsweise kann das Brennstoffventil 30 den Brennstoffzufuhrdurchlass 101 blockieren, so dass die Zufuhr von Brenngas zur Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10 gestoppt werden kann.
Ein erster Brennstoffdurchflussmesser 51 zum Erfassen einer Durchflussrate von in dem Brennstoffzufuhrdurchlass 101 strömendem Brenngas kann im Brennstoffzufuhrdurchlass 101 angeordnet sein.
Ein erstes Gebläse 71 kann mit einem ersten externen Lufteinlassdurchlass 201 und einem brennstoffseitigen Luftzufuhrdurchlass 202 verbunden sein. Das erste Gebläse 71 kann Luft, die von außen durch den ersten externen Lufteinlassdurchlass 201 geleitet wird, durch den brennstoffseitigen Luftzufuhrdurchlass 202 in die Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10 leiten.
Die durch den brennstoffseitigen Luftzufuhrdurchlass 202 in die Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10 eingeleitete Luft kann dem Brenner 120 der Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10 zugeführt werden. Die in die Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10 eingeleitete Luft kann beispielsweise im ersten Mischer 111 mit dem aus dem Entschwefeler 110 ausgeleiteten Brenngas gemischt und dem Brenner 120 zugeführt werden.
Ein Luftfilter 91 zum Entfernen von in der Luft enthaltenen Fremdstoffen wie Staub und/oder ein erstes luftseitiges Rückschlagventil 81 zum Begrenzen der Strömungsrichtung von Luft kann im ersten externen Lufteinlassdurchlass 201 angeordnet sein.
Die Brennstoffverarbeitungseinheit I kann einen ersten internen Gasdurchlass 102 umfassen, durch den das aus dem Entschwefeler 110 ausgeleitete Brenngas zum Reformer 140 strömt. In dem ersten internen Gasdurchlass 102 können ein Proportionalsteuerventil 31, ein internes Brennstoffventil 32 zum Einstellen des in den Reformer 140 geleiteten Brenngasstroms, ein zweiter Brennstoffdurchflussmesser 52 zum Erfassen der Durchflussrate des im internen Gasdurchlass 102 strömenden Brenngases, ein brennstoffseitiges Rückschlagventil 83 zum Einschränken der Strömungsrichtung des im internen Gasdurchlass 102 strömenden Brenngases und/oder eine Schwefelerkennungsvorrichtung 94 angeordnet sein.
Das Proportionalsteuerventil 31 kann die Durchflussrate, den Druck und dergleichen von Brenngas, das aus dem Entschwefeler 110 ausgeleitet wird und zum Reformer 140 strömt, durch interne/externe Rückkopplung entsprechend einer elektrischen Steuerung einstellen.
Die Schwefelerkennungsvorrichtung 94 kann Schwefel erkennen, der in dem aus dem Entschwefeler 110 ausgeleiteten Brenngas enthalten ist. Die Schwefelerkennungsvorrichtung 94 kann einen Indikator umfassen, der seine Farbe als Reaktion auf eine Schwefelverbindung ändert, die nicht durch das Adsorptionsmittel des Entschwefelers 110 entfernt wurde. Hier kann der Indikator Phenolphthalein, eine Molybdänverbindung oder Ähnliches umfassen.
Die Brennstoffverarbeitungseinheit I kann einen zweiten internen Gasdurchlass 103 umfassen, durch den das aus dem Entschwefeler 110 ausgeleitete Brenngas zum Brenner 120 strömt. Der Brenner 120 kann das durch den zweiten internen Gasdurchlass 103 geleitete Brenngas zur Verbrennung verwenden.
Der erste interne Gasdurchlass 102 und der zweite interne Gasdurchlass 103 können miteinander in Verbindung stehen. Die Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10 kann mit einem Wasserzufuhrdurchlass 303 verbunden sein, durch den aus dem Wasserzufuhrtank 13 ausgeleitetes Wasser strömt. In dem Wasserzufuhrdurchlass 303 können eine Wasserpumpe 38, ein Wasserzufuhrventil 39 zum Einstellen des Wasserdurchflusses und/oder ein Wasserdurchflussmesser 54 zum Erfassen einer Durchflussrate des im Wasserzufuhrdurchlass 303 strömenden Wassers angeordnet sein.
Das im Brenner 120 der Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10 erzeugte Abgas kann aus der Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10 durch einen Abgasauslassdurchlass 210 ausgeleitet werden.
Die Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10 kann mit einem Reformergas-Auslassdurchlass 104 verbunden sein. Das aus der Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10 ausgeleitete Reformergas kann durch den Reformergas-Auslassdurchlass 104 strömen.
Der Reformergas-Auslassdurchlass 104 kann mit einem Reformergas-Wärmetauscher 21 verbunden sein, in dem der Wärmetausch des Reformergases stattfindet. Ein Reformergasventil 33 zum Einstellen des in den Reformergas-Wärmetauscher 21 strömenden Reformergasstroms kann im Reformergas-Auslassdurchlass 104 angeordnet sein.
Der Reformergas-Auslassdurchlass 104 kann mit einem Bypassdurchlass 105 in Verbindung stehen, durch den das aus der Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10 ausgeleitete Reformergas zur Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10 strömt. Der Bypassdurchlass 105 kann mit der Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10 verbunden sein. Das Reformergas, das durch den Bypassdurchlass 105 in die Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10 strömt, kann als ein Brennstoff für die Verbrennung des Brenners 120 verwendet werden. Ein Bypassventil 34 zum Einstellen des in die Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10 strömenden Reformergasstroms kann im Bypassdurchlass 105 angeordnet sein.
Der Reformergas-Wärmetauscher 21 kann mit dem Reformergas-Auslassdurchlass 104 verbunden sein, durch den das aus der Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10 ausgeleitete Reformergas strömt. Der Reformergas-Wärmetauscher 21 kann mit einem Kühlwasserzufuhrdurchlass 304 verbunden sein, durch den aus dem Wasserzufuhrtank 13 ausgeleitetes Wasser strömt. Der Reformergas-Wärmetauscher 21 kann einen Wärmetausch mit dem durch den Reformergas-Auslassdurchlass 104 geleiteten Reformergas und dem durch den Kühlwasserzufuhrdurchlass 304 zugeführten Wasser durchführen.
In dem Kühlwasserzufuhrdurchlass 304 kann eine Kühlwasserpumpe 43 zum Leiten des im Wasserzufuhrtank 13 gespeicherten Wassers zum Reformergas-Wärmetauscher 21 und/oder ein Kühlwasserdurchflussmesser 56 zum Erfassen der Durchflussrate von in dem Kühlwasserzufuhrdurchlass 304 strömendem Wasser angeordnet sein.
Der Reformergas-Wärmetauscher 21 kann mit einem Stapelgas-Zufuhrdurchlass 106 verbunden sein. Das aus dem Reformergas-Wärmetauscher 21 ausgeleitete Reformergas kann durch den Stapelgas-Zufuhrdurchlass 106 in den Stapel 20a, 20b strömen.
Im Stapelgas-Zufuhrdurchlass 106 kann eine Reformergas-Entfeuchtungsvorrichtung 61 zum Einstellen der in dem Reformergas enthaltenen Feuchtigkeitsmenge enthalten sein. Das in die Reformergas-Entfeuchtungsvorrichtung 61 geleitete Reformergas kann aus der Reformergas-Entfeuchtungsvorrichtung 61 ausgeleitet werden, nachdem Feuchtigkeit entfernt wurde.
In der Reformergas-Entfeuchtungsvorrichtung 61 erzeugtes Kondenswasser kann aus der Reformergas-Entfeuchtungsvorrichtung 61 ausgeleitet werden und zu einem ersten Wasserrückgewinnungsdurchlass 309 strömen. Ein erstes Wasserrückgewinnungsventil 44 zum Einstellen des Wasserstroms kann in dem ersten Wasserrückgewinnungsdurchlass 309 angeordnet sein.
Der Stapel 20a, 20b kann elektrische Energie erzeugen, indem er eine elektrochemische Reaktion in dem Reformergas hervorruft, das durch den Stapelgas-Zufuhrdurchlass 106 geleitet wird. Wenn in einer Ausführungsform das Brennstoffzellensystem 1 mehrere Stapel 20a, 20b umfasst, kann das Reformergas, das ausgeleitet wird, ohne in dem ersten Stapel 20a zu reagieren, zusätzlich eine elektrochemische Reaktion in dem zweiten Stapel 20b hervorrufen.
Ein zweites Gebläse 72 kann mit einem zweiten externen Lufteinlassdurchlass 203, der mit dem ersten externen Lufteinlassdurchlass 201 in Verbindung steht, und mit einem stapelseitigen Lufteinlassdurchlass 204 verbunden sein. Der zweite externe Lufteinlassdurchlass 203 kann mit dem hinteren Ende des Luftfilters 91 verbunden sein. Das zweite Gebläse 72 kann die durch den zweiten externen Lufteinlassdurchlass 203 geleitete Luft durch den stapelseitigen Lufteinlassdurchlass 204 zu der Seite des Stapels 20 leiten.
Ein zweites luftseitiges Rückschlagventil 82 zum Begrenzen der Strömungsrichtung von Luft kann in dem zweiten externen Lufteinlassdurchlass 203 angeordnet sein.
Ein Luftdurchflussmesser 53 zum Erfassen einer Durchflussrate von im stapelseitigen Lufteinlassdurchlass 204 strömender Luft kann in dem stapelseitigen Lufteinlassdurchlass 204 angeordnet sein.
Der Befeuchter 23 kann der durch den stapelseitigen Lufteinlassdurchlass 204 geleiteten Luft Feuchtigkeit zuführen und kann feuchtigkeitshaltige Luft durch den stapelseitigen Luftzufuhrdurchlass 205 ausleiten.
Ein stapelseitiges Luftzufuhrventil 36 zum Einstellen des dem Stapel 20 zugeführten Luftstroms kann im stapelseitigen Luftzufuhrdurchlass 205 angeordnet sein.
Der stapelseitige Luftzufuhrdurchlass 205 kann mit einzelnen Zufuhrdurchlässen 206 und 207 verbunden sein, die jeweils den Stapeln 20a und 20b entsprechen. Durch den stapelseitigen Luftzufuhrdurchlass 205 strömende Luft kann dem Stapel 20a, 20b über die einzelnen Zufuhrdurchlässe 206 und 207 zugeführt werden.
Mehrere Stapel 20a und 20b können durch einen Gasverbindungsdurchlass 107 miteinander verbunden sein. Das Reformergas, das ohne im ersten Stapel 20a zu reagieren ausgeleitet wird, kann durch den Gasverbindungsdurchlass 107 in den zweiten Stapel 20b strömen.
Eine zusätzliche Entfeuchtungsvorrichtung 62 kann im Gasverbindungsdurchlass 107 angeordnet sein, um Wasser zu entfernen, das durch die Kondensation des Reformergases entsteht, während das Reformergas durch den ersten Stapel 20a strömt.
Das von der zusätzlichen Entfeuchtungsvorrichtung 62 erzeugte Wasser kann aus der zusätzlichen Entfeuchtungsvorrichtung 62 ausgeleitet werden und zu einem zweiten Wasserrückgewinnungsdurchlass 310 strömen. Ein zweites Wasserrückgewinnungsventil 45 zum Einstellen des Wasserstroms kann in dem zweiten Wasserrückgewinnungsdurchlass 310 angeordnet sein. Der zweite Wasserrückgewinnungsdurchlass 310 kann mit dem ersten Wasserrückgewinnungsdurchlass 309 verbunden sein.
Ein Anodenabgas (AOG), das ohne in dem Stapel 20a, 20b zu reagieren ausgeleitet wird, kann durch den Stapelgasauslassdurchlass 108 strömen.
Der AOG-Wärmetauscher 22 kann mit dem Stapelgasauslassdurchlass 108 verbunden sein, durch den das aus dem Stapel 20a, 20b ausgeleitete Anodenabgas AOG strömt. Der AOG-Wärmetauscher 22 kann mit einem Warmwasserzufuhrdurchlass 313 verbunden sein, durch den aus dem Wärmerückgewinnungstank 15 ausgeleitetes Wasser strömt. Der AOG-Wärmetauscher 22 kann einen Wärmetausch zwischen dem durch den Stapelgasauslassdurchlass 108 geleiteten Anodenabgas AOG und dem durch den Warmwasserzufuhrdurchlass 313 zugeführten Wasser vornehmen.
Im Warmwasserzufuhrdurchlass 313 kann eine Warmwasserpumpe 48 zum Leiten des im Wärmerückgewinnungstank 15 gespeicherten Wassers zum AOG-Wärmetauscher 22 und/oder ein Warmwasserdurchflussmesser 55 zum Erfassen der Durchflussrate des im Warmwasserzufuhrdurchlass 313 strömenden Wassers angeordnet sein.
Der AOG-Wärmetauscher 22 kann mit dem AOG-Zufuhrdurchlass 109 verbunden sein und kann das wärmegetauschte Anodenabgas AOG durch den AOG-Zufuhrdurchlass 109 ausleiten. Das aus dem AOG-Wärmetauscher 22 ausgeleitete Anodenabgas AOG kann durch den AOG-Zufuhrdurchlass 109 zur Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10 strömen. Das Anodenabgas AOG, das der Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10 durch den AOG-Zufuhrdurchlass 109 zugeführt wird, kann als Brennstoff für die Verbrennung des Brenners 120 verwendet werden. Darüber hinaus kann das aus dem AOG-Wärmetauscher 22 ausgeleitete Anodenabgas AOG durch einen ersten Puffertankdurchlass 231 zu einem Puffertank 230 strömen. Das heißt, ein Teil des aus dem AOG-Wärmetauscher 22 ausgeleiteten Anodenabgases AOG kann zur Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10 strömen, und der Rest kann zum Puffertank 230 strömen.
Der Puffertank 230 kann das aus dem Stapel 20 ausgeleitete Anodenabgas AOG speichern. Das im Puffertank 230 gespeicherte Anodenabgas AOG kann in einem später beschriebenen Stapelvorwärmbetrieb oder einem Stoppbetrieb (Spülbetrieb) verwendet werden. Der Puffertank 230 kann über den ersten Puffertankdurchlass 231 mit dem AOG-Zufuhrdurchlass 109 verbunden sein. Der Puffertank 230 kann über einen zweiten Puffertankdurchlass 234 mit einem Gasmischer 235 verbunden sein. Ein Puffertankventil 233 zum Einstellen des in den Puffertank 230 geleiteten Stroms von Anodenabgas AOG kann im Puffertank 230 angeordnet sein. Insbesondere kann das Puffertankventil 233 an einem Einlassende des Puffertanks 230 angeordnet sein. Der Puffertank 230 kann einen Drucksensor 236 zum Messen des Drucks des im Puffertank 230 gespeicherten Anodenabgases AOG umfassen.
Ein Ende des ersten Puffertankdurchlasses 231 kann mit dem AOG-Zufuhrdurchlass 109 an einem Punkt zwischen einem AOG-Ventil 35 und einer AOG-Entfeuchtungsvorrichtung 63 verbunden sein. Das andere Ende des ersten Puffertankdurchlasses 231 kann mit dem Puffertank 230 verbunden sein. Ein Puffertankkompressor 232 zum Komprimieren des in den Puffertank 230 strömenden Anodenabgases AOG kann in dem ersten Puffertankdurchlass 231 angeordnet sein. Der Puffertankkompressor 232 kann vor dem Puffertankventil 233 angeordnet sein.
Ein Ende des zweiten Puffertankdurchlasses 234 kann mit dem Puffertank 230 verbunden sein. Das andere Ende des zweiten Puffertankdurchlasses 234 kann mit dem Gasmischer 235 verbunden sein. Der Gasmischer 235 zum Mischen des aus dem Puffertank 230 ausgeleiteten Anodenabgases AOG mit der in den Stapel 20 strömenden Luft kann in dem zweiten Puffertankdurchlass 234 angeordnet sein. Der Gasmischer 235 kann zwischen dem stapelseitigen Luftzufuhrventil 36 und dem Stapel 20 angeordnet sein. Der Gasmischer 235 kann den Strom des aus dem Puffertank 230 ausgeleiteten Anodenabgases AOG einstellen. Der Gasmischer 235 kann zum Beispiel ein Venturi-Mischer sein.
Im AOG-Zufuhrdurchlass 109 kann eine AOG-Entfeuchtungsvorrichtung 63, die die im Anodenabgas AOG enthaltene Feuchtigkeitsmenge steuert, und/oder das AOG-Ventil 35 zum Einstellen des Stroms des der Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10 zugeführten Anodenabgases AOG angeordnet sein. Das Anodenabgas AOG, das in die AOG-Entfeuchtungsvorrichtung 63 strömt, kann aus der AOG-Entfeuchtungsvorrichtung 63 ausgeleitet werden, nachdem Feuchtigkeit entfernt wurde.
Das in der AOG-Entfeuchtungsvorrichtung 63 erzeugte Kondenswasser kann aus der AOG-Entfeuchtungsvorrichtung 63 ausgeleitet werden und durch einen dritten Wasserrückgewinnungsdurchlass 311 strömen. Ein drittes Wasserrückgewinnungsventil 46 zum Einstellen des Wasserstroms kann in dem dritten Wasserrückgewinnungsdurchlass 311 angeordnet sein. Der dritte Wasserrückgewinnungsdurchlass 311 kann mit dem ersten Wasserrückgewinnungsdurchlass 309 verbunden sein.
Ein stapelseitiger Luftauslassdurchlass 211 kann mit einzelnen Auslassdurchlässen 208 und 209 verbunden sein, die jeweils den Stapeln 20a und 20b entsprechen. Die aus den Stapeln 20a, 20b ausgeleitete Luft kann durch die einzelnen Auslassdurchlässe 208, 209 zum stapelsteinseitigen Luftauslassdurchlass 211 strömen. In diesem Fall kann die durch den stapelseitigen Luftauslassdurchlass 211 strömende Luft Feuchtigkeit enthalten, die durch eine im Stapel 20a, 20b stattfindende elektrochemische Reaktion erzeugt wird.
Ein stapelseitiges Luftauslassventil 37 zum Einstellen des aus dem Stapel 20 ausgeleiteten Luftstroms kann im stapelseitigen Luftauslassdurchlass 211 angeordnet sein.
Der stapelseitige Luftauslassdurchlass 211 kann mit dem Befeuchter 23 verbunden sein. Der Befeuchter 23 kann der in den Stapel 20 strömenden Luft Feuchtigkeit zuführen, indem er in der durch den stapelseitigen Luftauslassdurchlass 211 zugeführten Luft enthaltene Feuchtigkeit nutzt. Die dem Befeuchter 23 durch den stapelseitigen Luftauslassdurchlass 211 zugeführte Luft kann durch den Befeuchter 23 zu einem Befeuchterauslassdurchlass 212 ausgeleitet werden.
Der Wasserzufuhrtank 13 kann mit einem Wassereinlassdurchlass 301 verbunden sein und durch den Wassereinlassdurchlass 301 zugeführtes Wasser speichern. In dem Wassereinlassdurchlass 301 kann ein erster Flüssigkeitsfilter 92 zum Entfernen von Fremdstoffen, die in dem von außen zugeführten Wasser enthalten sind, und/oder ein Wassereinlassventil 41 zum Einstellen des in den Wasserzufuhrtank 13 strömenden Wasserstroms angeordnet sein.
Der Wasserzufuhrtank 13 kann mit einem Wasserauslassdurchlass 302 verbunden sein und kann zumindest einen Teil des im Wasserzufuhrtank 13 gespeicherten Wassers durch den Wasserauslassdurchlass 302 nach außen ausleiten. Ein Wasserauslassventil 42 zum Einstellen des aus dem Wasserzufuhrtank 13 ausgeleiteten Wasserstroms kann im Wasserauslassdurchlass 302 angeordnet sein.
Der Wasserzufuhrtank 13 kann mit einem Wasserspeicherdurchlass 308 verbunden sein und Wasser speichern, das durch den Wasserspeicherdurchlass 308 strömt. Beispielsweise kann Wasser, das aus der Reformergas-Entfeuchtungsvorrichtung 61, der zusätzlichen Entfeuchtungsvorrichtung 62, der AOG-Entfeuchtungsvorrichtung 63 und/oder einer Luftentfeuchtungsvorrichtung 64 ausgeleitet wird und durch den dritten Wasserrückgewinnungsdurchlass 311 strömt, durch den Wasserspeicherdurchlass 308 in den Wasserzufuhrtank 13 strömen. Ein zweiter Flüssigkeitsfilter 93 zum Entfernen von Fremdstoffen, die in dem in den Wasserzufuhrtank 13 zurückgewonnenen Wasser enthalten sind, kann in dem Wasserspeicherdurchlass 308 angeordnet sein.
Zumindest ein Teil des im Wasserzufuhrtank 13 gespeicherten Wassers kann durch die Kühlwasserpumpe 43 zum Reformergas-Wärmetauscher 21 strömen und mit dem Reformergas im Reformergas-Wärmetauscher 21 Wärme tauschen. Aus dem Reformergas-Wärmetauscher 21 ausgeleitetes Wasser kann durch einen Stapelwasserzufuhrdurchlass 305 in den Stapel 20a, 20b strömen.
Wasser, das durch den Stapelwasserzufuhrdurchlass 305 in den Stapel 20a, 20b geleitet wird, kann den Stapel 20a, 20b kühlen. Das in den Stapel 20a, 20b geleitete Wasser kann entlang einem im Stapel 20a, 20b enthaltenen Stapelwärmetauscher (nicht dargestellt) strömen und kann Wärme absorbieren, die durch eine im Stapel 20a, 20b stattfindende elektrochemische Reaktion erzeugt wird.
Mehrere Stapel 20a und 20b können durch einen Wasserverbindungsdurchlass 306 verbunden sein. Aus dem ersten Stapel 20a ausgeleitetes Wasser kann durch den Wasserverbindungsdurchlass 306 in den zweiten Stapel 20b strömen.
Aus dem Stapel 20a, 20b ausgeleitetes Wasser kann durch einen Stapelwasserauslassdurchlass 307 in einen Kühlwasserwärmetauscher 24 strömen. Der Kühlwasserwärmetauscher 24 kann Wärme des aus dem Stapel 20a, 20b ausgeleiteten Wassers mit dem aus dem Wärmerückgewinnungstank 15 ausgeleiteten Wasser tauschen. Das aus dem Stapel 20a, 20b ausgeleitete Wasser kann durch den KühlwasserWärmetauscher 24 zum Wasserspeicherdurchlass 308 strömen.
Das durch die Warmwasserpumpe 48 aus dem Wärmerückgewinnungstank 15 ausgeleitete Wasser kann durch den Warmwasserzufuhrdurchlass 313 in den AOG-Wärmetauscher 22 strömen. Das mit dem Anodenabgas (AOG) im AOG-Wärmetauscher 22 wärmeausgetauschte Wasser kann in einen ersten Warmwasserzirkulationskreislauf 314 ausgeleitet werden.
Ein Luftwärmetauscher 25 kann an den Befeuchterauslassdurchlass 212 angeschlossen werden, durch den die aus dem Befeuchter 23 ausgeleitete Luft strömt. Der Luftwärmetauscher 25 kann mit dem ersten Warmwasserzirkulationskreislauf 314 verbunden sein, durch den das aus dem AOG-Wärmetauscher 22 ausgeleitete Wasser strömt. Der Luftwärmetauscher 25 kann Wärme der Luft, die durch den Befeuchterauslassdurchlass 212 geleitet wird, mit Wasser tauschen, das durch den ersten Warmwasserzirkulationskreislauf 314 geleitet wird.
Die im Luftwärmetauscher 25 wärmegetauschte Luft kann durch einen Luftauslassdurchlass 213 aus dem Luftwärmetauscher 25 ausgeleitet werden. Der Luftauslassdurchlass 213 kann mit dem Abgasauslassdurchlass 210 in Verbindung stehen, und das im Abgasauslassdurchlass 210 strömende Abgas und die im Luftauslassdurchlass 213 strömende Luft können gemischt werden.
Eine Luftentfeuchtungsvorrichtung 64 kann im Luftauslassdurchlass 213 angeordnet sein. Die Luftentfeuchtungsvorrichtung 64 kann die in der nach außen ausgeleiteten Luft enthaltene Feuchtigkeitsmenge einstellen. Die in die Luftentfeuchtungsvorrichtung 64 geleitete Luft kann aus der Luftentfeuchtungsvorrichtung 64 ausgeleitet werden, nachdem die Feuchtigkeit entfernt wurde.
Von der Luftentfeuchtungsvorrichtung 64 erzeugtes Kondenswasser kann aus der Luftentfeuchtungsvorrichtung 64 ausgeleitet werden und durch einen vierten Wasserrückgewinnungsdurchlass 312 strömen. Ein viertes Wasserrückgewinnungsventil 47 zum Einstellen des Wasserstroms kann im vierten Wasserrückgewinnungsdurchlass 312 angeordnet sein. Der vierte Wasserrückgewinnungsdurchlass 312 kann mit dem Wasserspeicherdurchlass 308 verbunden sein.
Das im Luftwärmetauscher 25 wärmeausgetauschte Wasser kann aus dem Luftwärmetauscher 25 durch einen zweiten Warmwasserzirkulationsdurchlass 315 ausgeleitet werden. Das aus dem Luftwärmetauscher 25 ausgeleitete Wasser kann durch den zweiten Warmwasserzirkulationsdurchlass 315 in den Kühlwasserwärmetauscher 24 strömen.
Der Kühlwasserwärmetauscher 24 kann einen Wärmeaustausch zwischen dem Wasser, das durch den Stapelwasserauslassdurchlass 307 strömt, und dem Wasser, das durch den zweiten Warmwasserzirkulationsdurchlass 315 strömt, vornehmen.
Ein Abgaswärmetauscher 26 kann mit dem Abgasauslassdurchlass 210 verbunden sein, durch den Abgas strömt. Der Abgaswärmetauscher 26 kann mit einem dritten Warmwasserzirkulationsdurchlass 316 verbunden sein, durch den das aus dem Kühlwasserwärmetauscher 24 ausgeleitete Wasser strömt. Der Abgaswärmetauscher 26 kann Wärme des Abgases, das durch den Abgasauslassdurchlass 210 strömt, mit dem Wasser tauschen, das durch den dritten Warmwasserzirkulationsdurchlass 316 strömt.
Das im Abgaswärmetauscher 26 wärmegetauschte Abgas kann in einen Abgasdurchlass 214 ausgeleitet werden, und das im Abgasdurchlass 214 strömende Abgas kann nach außen ausgeleitet werden.
Das im Abgaswärmetauscher 26 wärmegetauschte Wasser kann in einen Warmwasserrückgewinnungsdurchlass 317 ausgeleitet werden, und im Warmwasserrückgewinnungsdurchlass 317 strömendes Wasser kann in den Wärmerückgewinnungstank 15 strömen.
Das Brennstoffzellensystem 1 kann ferner auch mindestens eine Steuerung (nicht dargestellt) umfassen. Die Steuerung kann mindestens einen Prozessor umfassen. Hier kann der Prozessor ein allgemeiner Prozessor sein, wie z. B. eine Zentraleinheit (CPU). Natürlich kann der Prozessor auch eine spezielle Vorrichtung wie ein ASIC oder ein anderer hardwarebasierter Prozessor sein.
Die Steuerung kann den Gesamtbetrieb des Brennstoffzellensystems 1 steuern. Die Steuerung kann mit jeder im Brennstoffzellensystem 1 vorgesehenen Komponente verbunden sein und kann Signale zwischen den einzelnen Komponenten übertragen und/oder empfangen. Beispielsweise kann die Steuerung ein von jeder Komponente des Brennstoffzellensystems 1 empfangenes Signal verarbeiten und ein Steuersignal entsprechend dem Ergebnis der Signalverarbeitung an jede Komponente des Brennstoffzellensystems 1 übertragen.
4 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Steuern eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. 5 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern eines Stapelvorwärmbetriebs zeigt. 6 ist ein Betriebsdiagramm eines Brennstoffzellensystems während eines Stapelvorwärmbetriebs.
Gemäß 4 kann das Brennstoffzellensystem 1 einen Stapelvorwärmbetrieb zum Vorwärmen des Stapels durchführen (S100). Der Stapelvorwärmbetrieb kann vor einem später beschriebenen Stromerzeugungsbetrieb durchgeführt werden. Wenn das Brennstoffzellensystem 1 anfänglich in den Stromerzeugungsbetrieb eintritt, wird der Stapel 20 im Allgemeinen in dem gleichen Zustand gekühlt wie Umgebungsluft. Damit der Stapel 20 stabil einen hocheffizienten Stromerzeugungsbetrieb durchführen kann, ist daher ein Stapelvorwärmbetrieb erforderlich, bei dem der Stapel 20 auf eine bestimmte Temperatur vorgewärmt wird. Nachfolgend wird ein Stapelvorwärmbetrieb unter Bezugnahme auf 5 und 6 beschrieben.
Gemäß 5 und 6 kann das Brennstoffzellensystem 1 einen Betriebsbereitschaftszustand für den Stromerzeugungsbetrieb aufrechterhalten (S110). Hier kann der Betriebsbereitschaftszustand eine Reihe von Vorbereitungsprozessen für die Durchführung eines Stromerzeugungsbetriebs bedeuten, wie z. B. die Versorgung der einzelnen Komponenten des Brennstoffzellensystems 1 mit Strom.
Nach S110 kann das Brennstoffzellensystem 1 einen Betrieb zum Vorwärmen des Brenners 120 der Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10 durchführen (S120). Zum Beispiel kann dem Brenner 120 ein Gas zugeführt werden, in dem Brenngas und Luft gemischt sind, um Verbrennungswärme zu erzeugen. In diesem Fall kann die Innentemperatur des Reformers 140 allmählich bis zu einer geeigneten Temperatur (z. B. 800 °C) erhöht werden, bei der die Reformierungsreaktion gefördert wird.
Darüber hinaus kann das Brennstoffzellensystem 1 die Brenngaszufuhr zum Reformer 140 blockieren, während der Brenner 120 vorgewärmt wird. Beispielsweise stellt das Brennstoffzellensystem 1 das Proportionalsteuerventil 31 so ein, dass das gesamte aus dem Entschwefeler 110 ausgeleitete Brenngas dem Brenner 120 zugeführt wird, wodurch die Zufuhr von Brenngas zum Reformer 140 blockiert wird.
So kann das Brennstoffzellensystem 1 beispielsweise das Reformergasventil 33, das Bypassventil 34 sowie das AOG-Ventil 35 schließen, während der Brenner 120 vorgewärmt wird. Da zu diesem Zeitpunkt die Zufuhr von Brenngas zum Reformer 140 blockiert ist, erzeugt der Reformer 140 kein Reformergas. Außerdem strömt das Reformergas oder das Anodenabgas AOG nicht in den Reformergas-Auslassdurchlass 104, den Bypassdurchlass 105 und den AOG-Zufuhrdurchlass 109.
Darüber hinaus kann das Brennstoffzellensystem 1 einen Reformierungsbetrieb zum anfänglichen Erzeugen des Reformergases durchführen (S120). Wenn beispielsweise die Innentemperatur des Reformers 140 aufgrund des Vorwärmens des Brenners 120 auf eine geeignete Temperatur (z. B. 800 °C) ansteigt, kann das Brennstoffzellensystem 1 mit dem Reformierungsbetrieb zum anfänglichen Erzeugen des Reformergases beginnen. Wenn beispielsweise die Innentemperatur des ersten Reaktors 150 gleich oder höher ist als die Mindesttemperatur für die Entfernung von Kohlenmonoxid (z. B. 160 °C), kann das Brennstoffzellensystem 1 den Reformierungsbetrieb zum anfänglichen Erzeugen des Reformergases starten.
Wenn das Brennstoffzellensystem 1 einen Betrieb zum anfänglichen Erzeugen des Reformergases durchführt, kann das Proportionalsteuerventil 31 so eingestellt werden, dass ein Teil des aus dem Entschwefeler 110 ausgeleiteten Brenngases dem Reformer 140 zugeführt wird, während der verbleibende Teil dem Brenner 120 zugeführt wird.
Wenn das Brennstoffzellensystem 1 mit dem Betrieb zum anfänglichen Erzeugen des Reformergases beginnt, wird die Wasserpumpe 38 so angetrieben, dass der bei der Reformierungsreaktion verwendete Wasserdampf dem Reformer 140 zugeführt wird, wodurch dem Wasserdampferzeuger 130 der Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10 Wasser zugeführt wird. In diesem Fall, wenn der Druck von dem Reformer 140 zugeführtem Wasserdampf auf einem Mindestdruck für die Reformierungsreaktion oder höher gehalten wird, z. B. wenn eine vorbestimmte Zeit verstreicht, nachdem die Wasserpumpe 38 angetrieben wurde, kann das Brennstoffzellensystem 1 dem Reformer 140 einen Teil des aus dem Entschwefeler 110 ausgeleiteten Brenngases zuführen.
Während der Betrieb des anfänglichen Erzeugens des Reformergases durchgeführt wird, kann ein Verhältnis von Wasserstoffgas in dem aus der Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10 ausgeleiteten Reformergas niedriger sein als ein voreingestelltes Mindestverhältnis. Hier kann das voreingestellte Mindestverhältnis einen Mindestwert (z. B. 80 %) eines Verhältnisses von Wasserstoffgas in dem Reformergas bedeuten, mit dem eine Ziel-Stromerzeugungsmenge erreicht werden kann. Wenn dabei das Reformergas mit einem Wasserstoffgasverhältnis, das niedriger als das voreingestellte Mindestverhältnis ist, dem Stapel 20 zugeführt wird, kann, da es schwierig ist, so viel Elektrizität wie eine Ziel-Stromerzeugungsmenge in dem Stapel 20 zu erzeugen, das Reformergas, das aus der Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10 ausgeleitet wird, als Brennstoff für den Brenner 120 wiederverwendet werden.
Beispielsweise kann das Brennstoffzellensystem 1 das Reformergasventil 33 und das AOG-Ventil 35 schließen und das Bypassventil 34 öffnen, während es den Betrieb des anfänglichen Erzeugens des Reformergases durchführt. Dabei kann das aus der Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10 ausgeleitete Reformergas durch den Reformergas-Auslassdurchlass 104 und den Bypassdurchlass 105 zurück in die Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10 geleitet werden und kann als Brennstoff für die Verbrennung des Brenners 120 verwendet werden.
Nach S120 kann das Brennstoffzellensystem 1 das stapelseitige Luftzufuhrventil 36 öffnen (S130). Dementsprechend kann die vom Befeuchter 23 befeuchtete Luft dem Gasmischer 235 über das stapelseitige Luftzufuhrventil 36 zugeführt werden.
Nach S130 kann das Brennstoffzellensystem 1 das stapelseitige Luftauslassventil 37 öffnen (S140). Dementsprechend kann das nach der chemischen Reaktion zwischen dem Reformergas und der Luft im Stapel 20 erzeugte Gas über das stapelseitige Luftauslassventil 37 dem Befeuchter 23 zugeführt und dann nach außen ausgeleitet werden.
Nach S140 kann das Brennstoffzellensystem 1 das zweite Gebläse 72 mit einer bestimmten Drehgeschwindigkeit betreiben (S150). Dementsprechend kann je nach Betrieb des zweiten Gebläses 72 Luft von außen zum Stapel 20 aufgeladen werden.
Nach S150 kann das Brennstoffzellensystem 1 den Gasmischer 235 öffnen, um das im Puffertank 230 gespeicherte Anodenabgas AOG mit Luft zu mischen (S160). Zu diesem Zeitpunkt kann das Puffertankventil 233 geschlossen werden, so dass der Strom des im Puffertank 230 gespeicherten Anodenabgases AOG in Richtung des zweiten Puffertankdurchlasses 234 geleitet werden kann. Dementsprechend können die vom zweiten Gebläse 72 aufgeladene Luft und das im Puffertank 230 gespeicherte Anodenabgas AOG im Gasmischer 235 gemischt und dem Stapel 20 zugeführt werden, und der Stapel 20 kann durch eine exotherme Reaktion entsprechend einer chemischen Reaktion, die von einem Einlassende einer Kathode im Stapel 20 auftritt, schnell vorgewärmt werden. Dabei kann es sich bei dem im Puffertank 230 gespeicherten Anodenabgas AOG um ein Anodenabgas AOG, das während eines Testbetriebs des Brennstoffzellensystems 1 gespeichert wurde, oder um ein Anodenabgas AOG handeln, das nach einem später beschriebenen Spülvorgang verbleibt.
7 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Steuern eines Stromerzeugungsbetriebs. 8 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines Stromerzeugungsbetriebs während eines Stromerzeugungsbetriebs. Insbesondere ist 8A ein Betriebsdiagramm eines Brennstoffzellensystems, das während des Stromerzeugungsbetriebs Anodenabgas AOG in einem Puffertank speichert, und 8B ist ein Betriebsdiagramm eines Brennstoffzellensystems, nachdem die Speicherung des Anodenabgases AOG in dem Puffertank während des Stromerzeugungsbetriebs abgeschlossen ist.
Zurück zu 4: Das Brennstoffzellensystem 1 kann einen Stromerzeugungsbetrieb zum Erzeugen von Elektrizität in einem Stapel durch eine chemische Reaktion zwischen Reformergas und Luft durchführen (S200). Wenn der Stromerzeugungsbetrieb durchgeführt wird, kann das Brennstoffzellensystem 1 einen Schritt des Speicherns des aus dem Stapel 20 ausgeleiteten Anodenabgases AOG im Puffertank 230 durchführen. Im Folgenden wird der Stromerzeugungsbetrieb unter Bezugnahme auf 7 und 8 beschrieben.
Gemäß 7 und 8 kann das Brennstoffzellensystem 1 den Gasmischer 235 schließen (S210). Daher ist es möglich, die Zufuhr des im Puffertank 230 gespeicherten Anodenabgases AOG zum Gasmischer 235 während des Stromerzeugungsbetriebs zu blockieren.
Nach S210 kann das Brennstoffzellensystem 1 die Drehzahl des zweiten Gebläses 72 entsprechend der Ziel-Stromerzeugungsmenge einstellen (S220). Zu diesem Zeitpunkt kann das stapelseitige Luftzufuhrventil 36 geöffnet werden, und dementsprechend kann dem Stapel 20 über den Befeuchter 23 und den Gasmischer 235 Außenluft zugeführt werden.
Dabei kann das Brennstoffzellensystem 1 den Reformer 140 der Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10 entsprechend der Ziel-Stromerzeugungsmenge einstellen (S220). Dabei kann das Brennstoffzellensystem 1 das Reformergasventil 33 öffnen und das Bypassventil 34 schließen, um das von der Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10 ausgeleitete Reformergas dem Stapel 20 zuzuführen. Darüber hinaus kann das Brennstoffzellensystem 1 das AOG-Ventil 35 öffnen, um einen Teil des aus dem Stapel 20 ausgeleiteten Anodenabgases AOG zurück in die Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10 zu leiten.
Nach S220 kann das Brennstoffzellensystem 1 das Puffertankventil 233 öffnen (S230). Nach S230 kann das Brennstoffzellensystem 1 den Puffertankkompressor 232 antreiben (S240). Dementsprechend kann der Rest des aus dem Stapel 20 ausgeleiteten Anodenabgases AOG entsprechend dem Betrieb des Puffertankkompressors 232 komprimiert und dem Puffertank 230 zugeführt werden.
Nach S240 kann das Brennstoffzellensystem 1 den Druck P_bt des im Puffertank 230 gespeicherten Anodenabgases AOG durch den im Puffertank 230 angeordneten Drucksensor 236 erfassen (S250).
Nach S250 kann das Brennstoffzellensystem 1 bestimmen, ob die Speicherung des Anodenabgases AOG im Puffertank 230 abgeschlossen ist (S260). Beispielsweise kann das Brennstoffzellensystem 1 bestimmen, ob der Druck P_bt des Puffertanks 230, der durch den Drucksensor 236 im Betriebsvorgang S250 erfasst wird, gleich oder größer als ein erster Solldruck P_a ist. Dabei ist der erste Solldruck P_a ein Druckwert des Anodenabgases AOG, der 100 % einer Gesamtspeichermenge des Anodenabgases AOG entspricht, die im Puffertank 230 gespeichert werden kann, und kann bedeuten, dass die Speicherung des Anodenabgases AOG im Puffertank 230 abgeschlossen ist.
Wenn der Druck P_bt des Puffertanks 230 niedriger ist als der erste Solldruck P_a (Nein bei S260), kann das Brennstoffzellensystem 1 bestimmen, dass die Speicherung des Anodenabgases AOG im Puffertank 230 nicht abgeschlossen ist, und zum Betriebsvorgang S250 zurückkehren, den Druck P_bt des Puffertanks 230 kontinuierlich erfassen, bis die Speicherung des Anodenabgases AOG im Puffertank 230 abgeschlossen ist, und gleichzeitig den Druck P_bt des Puffertanks 230 mit dem ersten Solldruck P_a vergleichen.
Wenn der Druck P_bt des Puffertanks 230 gleich oder größer ist als der erste Solldruck (Ja bei S260), kann das Brennstoffzellensystem 1 das Puffertankventil 233 schließen (S270). Nach S270 kann das Brennstoffzellensystem 1 den Puffertankkompressor 232 stoppen (S280). Dementsprechend kann das Brennstoffzellensystem 1 das aus dem Stapel 20 ausgeleitete Anodenabgas AOG daran hindern, in den Puffertank 230 zu strömen, und kann das gesamte aus dem Stapel 20 ausgeleitete Anodenabgas AOG der Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10 zuführen.
9 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Steuern eines Stoppbetriebs. 10 ist ein Betriebsdiagramm eines Brennstoffzellensystems während eines Stoppbetriebs (Spülbetriebs). Insbesondere ist 10A ein Betriebsdiagramm des Brennstoffzellensystems während eines Stoppbetriebs, und 10B ist ein Betriebsdiagramm des Brennstoffzellensystems nach Abschluss des Stoppbetriebs.
Zurück zu 4: Das Brennstoffzellensystem 1 kann einen Stoppbetrieb (Spülbetrieb) durchführen, bei dem die Stromerzeugung des Stapels 20 beendet und im Stapel 20 verbliebener Sauerstoff entfernt wird (S300). Wenn der Stromerzeugungsbetrieb des Brennstoffzellensystems beendet wird, besteht im Allgemeinen das Problem, dass ein Kathodenelektrodenteil durch Sauerstoff oxidiert wird, der nach einer chemischen Reaktion im Stapel 20 zurückbleibt, wodurch die Lebensdauer des Stapels 20 verringert wird. Dementsprechend ist ein Stoppbetrieb (Spülbetrieb) zum Entfernen des im Stapel verbliebenen Sauerstoffs nach Beendigung des Stromerzeugungsbetriebs des Brennstoffzellensystems 1 erforderlich. Nachfolgend wird ein Stoppbetrieb (Spülbetrieb) unter Bezugnahme auf 9 und 10 beschrieben.
Zurück zu 9 und 10: Wenn der Stromerzeugungsbetrieb von einem Benutzer beendet wird oder wenn der Stromerzeugungsbetrieb aufgrund eines Systemfehlers beendet wird, kann das Brennstoffzellensystem 1 einen Nachwärmbetrieb durchführen, so dass die Stromerzeugungsmenge im Stapel allmählich verringert wird (S310). Dabei kann sich der Nachwärmbetrieb auf einen Betrieb beziehen, bei dem der Betrieb durch allmähliche Verringerung der Leistung gestoppt wird, um Zuverlässigkeitsprobleme in Abhängigkeit von der Temperatur des Reformers und einer plötzlichen Leistungsänderung im Stapel zu vermeiden. Beispielsweise kann das Brennstoffzellensystem 1 die Durchflussraten von Luft und Reformergas, die dem Stapel 20 zugeführt werden, allmählich reduzieren, indem das zweite Gebläse 72 und die Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 10 eingestellt werden.
Nach S310 kann das Brennstoffzellensystem 1 das stapelseitige Luftzufuhrventil 36 schließen (S320). Dementsprechend kann das Brennstoffzellensystem 1 die dem Stapel 20 zugeführte Luft blockieren.
Nach S320 kann das Brennstoffzellensystem 1 das stapelseitige Luftauslassventil 37 öffnen (S330). Nach S330 kann das Brennstoffzellensystem 1 den Gasmischer 235 öffnen (S340). Dabei kann das Brennstoffzellensystem 1 das im Puffertank 230 gespeicherte Anodenabgas AOG durch Schließen des Puffertankventils 233 dem Gasmischer 235 zuführen. Dementsprechend kann das dem Gasmischer 235 zugeführte Anodenabgas AOG dem Stapel 20 zugeführt werden, wodurch im Kathodenelektrodenteil verbliebener Sauerstoff aus dem Stapel nach außen ausgeleitet wird. Dementsprechend wird nach Beendigung des Stromerzeugungsbetriebs im Kathodenelektrodenteil verbliebener Sauerstoff entfernt, wodurch eine Oxidation des Kathodenelektrodenteils verhindert wird.
Nach S340 kann das Brennstoffzellensystem 1 den Druck P_bt des im Puffertank 230 gespeicherten Anodenabgases AOG durch den im Puffertank 230 angeordneten Drucksensor 236 erfassen (S250).
Nach S350 kann das Brennstoffzellensystem 250 bestimmen, ob der im Stapel verbliebene Sauerstoff entfernt wird (S360). Beispielsweise kann das Brennstoffzellensystem 1 feststellen, ob der Druck P_bt des Puffertanks 230, der durch den Drucksensor 236 im Betriebsvorgang S350 erfasst wird, gleich oder größer als ein zweiter Solldruck P_b ist. Dabei kann der zweite Solldruck P_b einen Druckwert des Anodenabgases AOG bedeuten, der 50 % der gesamten Speichermenge des Anodenabgases AOG entspricht, die in dem Puffertank 230 gespeichert werden kann.
Wenn der Druck P_bt des Puffertanks 230 höher ist als der zweite Solldruck P_b (Nein bei S360), kann das Brennstoffzellensystem 1 feststellen, dass die Entfernung des im Stapel 20 verbliebenen Sauerstoffs noch nicht abgeschlossen ist, und zum Betriebsvorgang S350 zurückkehren, den Druck P_bt des Puffertanks 230 kontinuierlich erfassen, bis die Entfernung des im Stapel 20 verbliebenen Sauerstoffs abgeschlossen ist, und gleichzeitig den Druck P_bt des Puffertanks 230 mit dem zweiten Solldruck P_b vergleichen.
Wenn der Druck P_bt des Puffertanks 230 gleich oder niedriger als der erste Solldruck ist (Ja bei S360), kann das Brennstoffzellensystem 1 den Gasmischer 235 schließen (S370). Dementsprechend kann die Zufuhr des im Puffertank 230 gespeicherten Anodenabgases AOG zum Gasmischer 235 blockiert werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird nach dem Ende des Stromerzeugungsbetriebs ein Spülbetrieb durchgeführt, bei dem das im Puffertank gespeicherte Anodenabgas dem Stapel zugeführt wird, um den im Stapel verbliebenen Sauerstoff zu entfernen und dadurch eine Verringerung der Lebensdauer des Stapels aufgrund der Oxidation des Kathodenelektrodenteils zu verhindern.
Darüber hinaus werden gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung mit zunehmender Lebensdauer des Stapels aufgrund des Spülbetriebs die Wartungskosten des Systems gesenkt, wodurch die Wirtschaftlichkeit sichergestellt wird.
Darüber hinaus wird gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung das im Puffertank gespeicherte Anodenabgas dem Stapel zugeführt, wenn der Stromerzeugungsbetrieb anfänglich aufgenommen wird, so dass der Stapel schnell vorgewärmt wird, um den Stromerzeugungswirkungsgrad zu verbessern.
Obwohl die Betriebsvorgänge in den Zeichnungen in einer bestimmten Reihenfolge dargestellt sind, ist dies nicht so zu verstehen, dass diese Handlungen in dieser speziellen Reihenfolge oder in der dargestellten Reihenfolge ausgeführt werden müssen oder dass alle dargestellten Betriebsvorgänge ausgeführt werden müssen, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. In bestimmten Fällen können Multitasking und Parallelverarbeitung vorteilhaft sein.

Claims

Brennstoffzellensystem, das aufweist: einen Stapel (20, 20a, 20b), der ausgebildet ist, unter Verwendung von Reformergas elektrischen Strom zu erzeugen; eine Brennstoffverarbeitungsvorrichtung (10), die ausgebildet ist, dem Stapel (20, 20a, 20b) Reformergas zuzuführen; einen ersten Gasdurchlass, der den Stapel (20, 20a, 20b) und die Brennstoffverarbeitungsvorrichtung (10) verbindet und das aus der Brennstoffverarbeitungsvorrichtung (10) ausgeleitete Reformergas leitet; einen zweiten Gasdurchlass, der den Stapel (20, 20a, 20b) und die Brennstoffverarbeitungsvorrichtung (10) verbindet und ein aus dem Stapel (20, 20a, 20b) ausgeleitetes Anodenabgas, AOG, leitet; einen Puffertank (230), der ausgebildet ist, einen Teil des aus dem Stapel (20, 20a, 20b) ausgeleiteten Anodenabgases zu speichern; einen ersten Puffertankdurchlass (231), der den Puffertank (230) und den zweiten Gasdurchlass verbindet; einen zweiten Puffertankdurchlass (234), der das im Puffertank (230) gespeicherte Anodenabgas leitet; einen Gasmischer (235), der mit dem zweiten Puffertankdurchlass (234) verbunden ist und ausgebildet ist, das im Puffertank (230) gespeicherte Anodenabgas dem Stapel (20, 20a, 20b) zuzuführen; und eine Steuerung, die ausgebildet ist, den Gasmischer (235) so zu steuern, dass er das in dem Puffertank (230) gespeicherte Anodenabgas dem Stapel (20, 20a, 20b) zuführt, um den Stapel (20, 20a, 20b) vorzuwärmen oder im Stapel (20, 20a, 20b) verbliebene Luft zu entfernen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, das ferner aufweist: ein Puffertankventil (233), das am ersten Puffertankdurchlass (231) angeordnet ist und ausgebildet ist, einen dem Puffertank zugeführten Anodenabgasstrom zu steuern, und einen Puffertankkompressor (232), der an einem vorderen Ende des Puffertankventils (233) angeordnet ist und ausgebildet ist, das dem Puffertank (230)) zugeführte Anodenabgas zu komprimieren, wobei die Steuerung ausgebildet ist, während des Stromerzeugungsbetriebs den Gasmischer (235) zu schließen, das Puffertankventil (233) zu öffnen, den Puffertankkompressor (232) zu betreiben und einen Teil des aus dem Stapel (20, 20a, 20b) ausgeleiteten Anodenabgases mit Druck zu beaufschlagen und dann im Puffertank (230) zu speichern.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, das ferner aufweist: einen Drucksensor (236), der an dem Puffertank (230) angeordnet ist und ausgebildet ist, einen Druck des in dem Puffertank (230) gespeicherten Anodenabgases zu messen, wobei, wenn der von dem Drucksensor (236) gemessene Druck des in dem Puffertank (230) gespeicherten Anodenabgases gleich oder größer als ein erster Solldruck ist, die Steuerung ausgebildet ist, das Puffertankventil (233) zu schließen und den Puffertankkompressor (232) zu stoppen.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das ferner aufweist: ein Gebläse (71, 72), das ausgebildet ist, dem Stapel (20, 20a, 20b) Luft zuzuführen, und ein Luftzufuhrventil (36), das zwischen dem Stapel (20, 20a, 20b) und dem Gebläse (71, 72) angeordnet ist und ausgebildet ist, die vom Gebläse (71, 72) dem Stapel (20, 20a, 20b) zugeführte Luft einzustellen, wobei die Steuerung ausgebildet ist, während eines Spülbetriebs das im Puffertank (230) gespeicherte Anodenabgas dem Stapel (20, 20a, 20b) zuzuführen, indem sie das Luftzufuhrventil (36) schließt und den Gasmischer (235) öffnet.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, das ferner aufweist: einen Drucksensor (236), der am Puffertank (230) angeordnet ist und ausgebildet ist, einen Druck des im Puffertank (230) gespeicherten Anodenabgases zu messen, wobei, wenn der vom Drucksensor (236) gemessene Druck des Anodenabgases im Puffertank (20, 20a, 20b) gleich oder kleiner als ein zweiter Solldruck ist, die Steuerung ausgebildet ist, den Gasmischer (235) zu schließen, um den Spülbetrieb zu beenden.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das ferner aufweist: ein Gebläse (71, 72), das dem Stapel (20, 20a, 20b) Luft zuführt, und ein Luftzufuhrventil (36), das zwischen dem Stapel (20, 20a, 20b) und dem Gebläse (71, 72) angeordnet ist und die vom Gebläse (71, 72) dem Stapel (20, 20a, 20b) zugeführte Luft einstellt, wobei die Steuerung ausgebildet ist, während eines Stapelvorwärmbetriebs den Gasmischer (235) und das Luftzufuhrventil (36) zu öffnen, so dass Luft und Anodenabgas gemischt und dann dem Stapel (20, 20a, 20b) zugeführt werden, und das Gebläse (71, 72) zu betreiben.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, ferner aufweisend: ein erstes Gasventil, das an dem ersten Gasdurchlass angeordnet ist und ausgebildet ist, den dem Stapel (20, 20a, 20b) zugeführten Reformergasstrom zu steuern; einen Bypassdurchlass (105), der den ersten Gasdurchlass und die Brennstoffverarbeitungsvorrichtung (10) verbindet, und ein Bypassventil (34), das an dem Bypassdurchlass (105) angeordnet ist und ausgebildet ist, den Reformergasstrom in dem Bypassdurchlass (105) zu steuern, wobei die Steuerung ausgebildet ist, während des Stapelvorwärmbetriebs das erste Gasventil zu schließen und das Bypassventil (34) zu öffnen, so dass das aus der Brennstoffverarbeitungsvorrichtung (10) ausgeleitete Reformergas zurück in die Brennstoffverarbeitungsvorrichtung (10) strömt.
Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems, das aufweist: einen Stapel (20, 20a, 20b); ein Gebläse (71, 72), das dem Stapel (20, 20a, 20b) Luft zuführt; eine Brennstoffverarbeitungsvorrichtung (10), die dem Stapel (20, 20a, 20b) Reformergas zuführt; einen Puffertank (230), der einen Teil des aus dem Stapel (20, 20a, 20b) ausgeleiteten Anodenabgases, AOG, speichert; und einen Gasmischer (235), der das Anodenabgas und die Luft mischt, wobei das Verfahren aufweist: Durchführen eines Stromerzeugungsbetriebs zum Speichern des aus dem Stapel (20, 20a, 20b) ausgeleiteten Anodenabgases im Puffertank (230) durch Steuern eines Puffertankventils (233) zum Steuern des dem Puffertank (230) zugeführten Anodenabgasstroms und eines Puffertankkompressors (232) zum Komprimieren des Anodenabgases.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Durchführen des Stromerzeugungsbetriebs aufweist: Druckbeaufschlagung eines Teils des aus dem Stapel (20, 20a, 20b) ausgeleiteten Anodenabgases und anschließendes Speichern im Puffertank (230) durch Schließen des Gasmischers (235), Öffnen des Puffertankventils (233) und Betreiben des Puffertankkompressors (232).
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Druckbeaufschlagung des Teils des aus dem Stapel (20, 20a, 20b) ausgeleiteten Anodenabgases und das anschließende Speichern im Puffertank (230) aufweist: Schließen (S270) des Puffertankventils (233) und Stoppen des Puffertankkompressors (232), wenn (S260) ein Druck, der durch einen Drucksensor (236) gemessen wird, der einen Druck des im Puffertank (230) gespeicherten Anodenabgases misst, gleich oder größer als ein erster Solldruck ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, das ferner aufweist: Durchführen (S300) eines Spülbetriebs zum Entfernen der im Stapel (20, 20a, 20b) verbliebenen Luft durch Einstellen eines Luftzufuhrventils (36) zum Steuern des Luftstroms zum Stapel (20, 20a, 20b) und Einstellen des Gasmischers (235).
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Durchführen des Spülbetriebs aufweist: Zuführen des im Puffertank (230) gespeicherten Anodenabgases zum Stapel (20, 20a, 20b) durch Schließen des Luftzufuhrventils (36) und Öffnen des Gasmischers (235).
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Durchführen des Spülbetriebs aufweist: Beenden des Spülbetriebs durch Schließen des Gasmischers (235), wenn ein Druck, der durch einen Drucksensor (236) gemessen wird, der einen Druck des im Puffertank (20, 20a, 20b) gespeicherten Anodenabgases misst, gleich oder kleiner als ein zweiter Solldruck ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, das ferner aufweist: Durchführen eines Stapelvorwärmbetriebs zum Vorwärmen des Stapels (20, 20a, 20b) durch Einstellen eines Luftzufuhrventils (36) zum Steuern des Luftstroms zum Stapel (20, 20a, 20b), und Einstellen des Gasmischers (235) und des Gebläses (71, 72).
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Durchführen des Stapelvorwärmbetriebs aufweist: Mischen von Luft und Anodenabgas im Gasmischer (235) und anschließendes Zuführen zum Stapel (20, 20a, 20b) durch Öffnen des Gasmischers (235) und des Luftzufuhrventils (36) und Betreiben des Gebläses (71, 72).