DE202022104076U1

DE202022104076U1 - Brennstoffzellensysteme

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Publication number: DE202022104076U1
Application number: DE202022104076.1U
Authority: DE
Original assignee: Ceres Intellectual Property Co Ltd
Current assignee: Ceres Intellectual Property Co Ltd
Priority date: 2021-07-23
Filing date: 2022-07-19
Publication date: 2022-12-15
Anticipated expiration: 2032-07-20
Also published as: KR20230000254U; US20230024739A1; CN218632139U; GB202110632D0; GB2616589A; JP3239153U; GB2616589B

Abstract

Brennstoffzellensystem, das Folgendes umfasst:
(i) mindestens einen Brennstoffzellenstapel, der mindestens eine Brennstoffzelle umfasst und einen Anodeneinlass, einen Kathodeneinlass, einen Anodenabgasauslass und einen Kathodenabgasauslass aufweist und getrennte Strömungswege für den Strom von Anodeneinlassgas, Kathodeneinlassgas, Anodenabgas und Kathodenabgas definiert;
(ii) einen Reformer zum Reformieren eines Brennstoffs zu einem Reformat, wobei der Reformer einen Reformereinlass für ein Anodeneinlassgas, einen Reformerauslass zum Ablassen von Anodeneinlassgas und einen Reformerwärmetauscher umfasst;
(iii) einen Vorwärmer zum Erwärmen von Kathodeneinlassgas, wobei der Kathodeneinlassgasvorwärmer einen Vorwärmereinlass für Kathodeneinlassgas, einen Vorwärmerauslass zum Ablassen von Kathodeneinlassgas und einen Vorwärmerwärmetauscher umfasst; und
(iv) eine Wärmequelle zum Bereitstellen von Wärmequellengas; und Folgendes definiert:
(a) einen Anodeneinlassgas-Fluidströmungsweg von einer Brennstoffquelle zu dem Reformer zu dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel-Anodeneinlass;
(b) einen Anodenabgas-Fluidströmungsweg von dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel-Anodenabgasauslass zu einem Brennstoffzellensystemauspuff;
(c) einen Kathodeneinlassgas-Fluidströmungsweg von einer Kathodeneinlassgasquelle zu dem Vorwärmer zu dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel-Kathodeneinlass;
(d) einen Kathodenabgas-Fluidströmungsweg von dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel-Kathodenabgasauslass zu dem Brennstoffzellensystemauspuff;
(e) einen Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg von der Wärmequelle zu dem Reformerwärmetauscher zu dem Vorwärmerwärmetauscher; und
(f) einen Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg, der von dem Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg stromaufwärts des Reformerwärmetauschers abzweigt und dazu eingerichtet ist, einen Anteil des Wärmequellengases um den Reformer zu dem Vorwärmerwärmetauscher umzuleiten;
wobei der Reformerwärmetauscher zum Austauschen von Wärme zwischen dem Anodeneinlassgas und dem Wärmequellengas eingerichtet ist; und
wobei der Vorwärmerwärmetauscher zum Austauschen von Wärme zwischen dem Kathodeneinlassgas und dem Wärmequellengas eingerichtet ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellensysteme.
Hintergrund der Erfindung
Lehren von Brennstoffzellen, Brennstoffzellenstapeln, Brennstoffzellenstapelanordnungen und Wärmetauschersystemen, -anordnungen und -verfahren sind Personen mit durchschnittlichen Fachkenntnissen bekannt und umfassen insbesondere WO2008/015461 , WO2008/053213 , WO2008/104760 , WO2008/132493 , WO2009/090419 , WO2010/020797 , WO2010/061190 , WO2015/004419A1 und die Veröffentlichung „Evaluation of system configurations for solid oxide fuel cell-based micro-combined heat and power generators in residential applications“ von R.J. Braun, S.A. Klein & D.T. Reindl, veröffentlicht im Journal ofPower Sources (Band 158, Ausgabe 2, 25. August 2006, Seiten 1290-1305), die als Literaturhinweis vollumfänglich hierin enthalten sind. Definitionen von hierein verwendeten Begriffen sind bei Bedarf in den obenstehenden Veröffentlichungen zu finden.
Das Betreiben von mit Kohlenwasserstoffen befeuerten Brennstoffzellensystemen, zum Beispiel einem SOFC-System (Festoxid-Brennstoffzellensystem), in dem der Brennstoffzellenstapel im Bereich von 450-650 °C arbeitet (Mitteltemperatur-Festoxid-Brennstoffzelle; IT-SOFC), insbesondere im Temperaturbereich von 520-620 °C, führt zu einer anspruchsvollen Menge technischer Probleme.
In derartigen Systemen wird typischerweise das Reformieren von Dampf an einem Reformer verwendet, um einen Kohlenwasserstoff-Brennstoffstrom (wie etwa Erdgas) in einen wasserstoffreichen Reformatstrom umzuwandeln, der in den Brennstoffzellenstapel-Anodeneinlass eingespeist wird. Die Veröffentlichung von J. Braun, S.A. Klein & D.T. Reindl offenbart ein derartiges System (in 1 dargestellt), in dem ein Kohlenwasserstoffbrennstoff vor dem Zuführen zu einem Anodeneinlass des Stapels zu einem wasserstoffreichen Reformatstrom reformiert wird. In derartigen Systemen werden Abgase von der Brennstoffzelle verwendet, um die Heizungsanforderungen des Reformers zum Reformieren des Kohlenwasserstoffbrennstoffs zu erfüllen.
Bei einem typischen stationären Betrieb von Brennstoffzellensystemen (siehe 1) wird ein Erdgas, wie etwa Methan, zum Reformieren zu einem Brennstoff für einen Brennstoffzellenstapel 105 einem Reformer 134 zugeführt. Während des Betriebs wird dem Reformer Wärme zugeführt, die durch die Verbrennung von Abgasen von der Brennstoffzelle erzeugt wird - sowohl von der Brennstoffseite (Anode 120) als auch der Luftseite (Kathode 110) der Brennstoffzelle, um eine Reformierungsreaktion in dem Reformer zu fördern. Das erzeugte wasserstoffreiche Reformat wird anschließend in den Brennstoffzellenstapel-Anodeneinlass 126 eingespeist. Überschusswärme vom Reformer kann verwendet werden, um anderen Komponenten des Brennstoffzellensystems Wärme bereitzustellen. Zum Beispiel kann die Überschusswärme einem Dampferzeuger 137 bereitgestellt werden, der sich unmittelbar stromabwärts des Reformers befindet, und der dazu eingerichtet ist, überhitzten Dampf für den Reformer bereitzustellen.
Einige dieser Systeme verwenden außerdem zusätzlich zu einem Reformer einen POX(partielle Oxidation)-Reaktor, um einen wasserstoffreichen Strom aus einer Kohlenwasserstoff-Brennstoffversorgung zum Zuführen zu einem Anodeneinlass zu erzeugen. JP2012243564 ist ein Beispiel eines derartigen Systems, in dem eine Kohlenwasserstoff-Brennstoffversorgung in einem POX-Reaktor unter Verwendung eines Oxidans partiell oxidiert wird, um molekularen Wasserstoff und Kohlenmonoxid zu erzeugen. In JP2012243564 wird der Ausgang des POX-Reaktors in einem Dampfreformer und anschließend in den Anodeneinlass des Stapels eingespeist.
Zusätzlich zum Versorgen der Brennstoffzelle mit Wasserstoff ist es außerdem notwendig, sicherzustellen, dass der in der Brennstoffzelle stattfindende chemische Prozess auf einer geeigneten Temperatur gehalten wird. Das herkömmliche Verfahren zum Regulieren der Temperatur innerhalb der Brennstoffzelle erfolgt mittels Steuern der Temperatur der Einlassluft und des Volumenstroms auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle. Im Beispiel von 1 wird die Überschusswärme von dem Reformer 134 außerdem einem Vorwärmer 162 bereitgestellt, der sich unmittelbar stromabwärts des Dampferzeugers 137 befindet und der dazu eingerichtet ist, die Luft zu erwärmen, bevor sie in den Brennstoffzellenstapel-Kathodeneinlass 131 eingespeist wird.
In Brennstoffzellensystemen, in denen Abgase verbrannt werden, um Wärme für sowohl den Reformer als auch die Kathodenseite der Brennstoffzelle bereitzustellen, muss ein thermisches Gleichgewicht bezüglich der Menge an zu verbrennendem Abgas und dem Anteil der resultierenden Wärme, der zum Erwärmen des Reformers bzw. der Kathodenseite der Brennstoffzelle zu verwenden ist, erreicht werden. Wird dieses thermische Gleichgewicht nicht erreicht, kann dies dazu führen, dass die Brennstoffzelle einen hohen Wärmegradienten an der Anode und der Kathode aufweist. Hohe Wärmegradienten an Brennstoffzellen verhindern den optimalen Betrieb der Brennstoffzelle, insbesondere wenn die Brennstoffzelle in einer Gleichstromkonfiguration arbeitet (in der sowohl der Brennstoff als auch das Oxidans in derselben Richtung über ihre jeweilige Seite der Brennstoffzelle hinweg strömen).
Die vorliegende Erfindung ist bestrebt, mindestens einen der Nachteile des Stands der Technik anzugehen, zu überwinden oder zu mildern.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem, wie in Anspruch 1 definiert, bereitgestellt. Weitere bevorzugte Merkmale sind in den angehängten abhängigen Ansprüchen definiert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, das Folgendes umfasst:

(i) mindestens einen Brennstoffzellenstapel, der mindestens eine Brennstoffzelle umfasst und einen Anodeneinlass, einen Kathodeneinlass, einen Anodenabgasauslass und einen Kathodenabgasauslass aufweist und getrennte Strömungswege für den Strom von Anodeneinlassgas, Kathodeneinlassgas, Anodenabgas und Kathodenabgas definiert;
(ii) einen Reformer zum Reformieren eines Brennstoffs zu einem Reformat, wobei der Reformer einen Reformereinlass für Anodeneinlassgas, einen Reformerauslass zum Ablassen von Anodeneinlassgas und einen Reformerwärmetauscher umfasst;
(iii) einen Vorwärmer zum Erwärmen von Kathodeneinlassgas, wobei der Kathodeneinlassgasvorwärmer einen Vorwärmereinlass für Kathodeneinlassgas, einen Vorwärmerauslass zum Ablassen von Kathodeneinlassgas und einen Vorwärmerwärmetauscher umfasst; und
(iv) eine Wärmequelle zum Bereitstellen von Wärmequellengas; und Folgendes definiert:
1. (a) einen Anodeneinlassgas-Fluidströmungsweg von einer Brennstoffquelle zu dem Reformer zu dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel-Anodeneinlass;
2. (b) einen Anodenabgas-Fluidströmungsweg von dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel-Anodenabgasauslass zu einem Brennstoffzellensystemauspuff;
3. (c) einen Kathodeneinlassgas-Fluidströmungsweg von einer Kathodeneinlassgasquelle zu dem Vorwärmer zu dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel-Kathodeneinlass;
4. (d) einen Kathodenabgas-Fluidströmungsweg von dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel-Kathodenabgasauslass zu dem Brennstoffzellensystemauspuff;
5. (e) einen Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg von der Wärmequelle zu dem Reformerwärmetauscher zu dem Vorwärmerwärmetauscher; und
6. (f) einen Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg, der stromaufwärts des Reformerwärmetauschers von dem Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg abzweigt und dazu eingerichtet ist, einen Anteil des Wärmequellengases um den Reformer zu dem Vorwärmerwärmetauscher umzuleiten;

Der Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg zweigt oder spaltet sich stromaufwärts des Reformerwärmetauschers von dem Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg ab, wodurch ein Anteil des Wärmequellengases um den Reformer umgeleitet wird und etwas höherwertige Wärme innerhalb dieses Anteils erhalten bleibt. Der Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg wirkt, um den Reformerwärmetauscher zu umgehen. Der Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg kann stromabwärts des Reformerwärmetauschers und stromaufwärts des Vorwärmerwärmetauschers wieder mit dem Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg zusammengeführt werden.
Der Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg kann von einer Bypassleitung definiert werden, die mit einem Wärmequellengas-Hauptfluidströmungskanal (der den Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg definiert) an einem Bypasseinlass, der sich zwischen der Wärmequelle und dem Reformerwärmetauscher befindet, zusammenläuft (oder sich damit vereinigt). Die Bypassleitung kann mit dem Wärmequellengas-Fluidströmungskanal (der den Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg definiert) an einem Bypassauslass, der sich zwischen dem Reformerwärmetauscher und dem Vorwärmerwärmetauscher befindet, erneut zusammenlaufen (oder sich wieder damit vereinigen).
Der Reformerwärmetauscher kann mit (i) der Wärmequelle und dem Vorwärmerwärmetauscher und (ii) der Brennstoffquelle und dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel-Anodeneinlass in Fluidströmungsverbindung stehen. Vorzugsweise steht der Vorwärmerwärmetauscher mit (i) der Wärmequelle und dem Brennstoffzellensystemauspuff und (ii) der Kathodeneinlassgasquelle und dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel-Kathodeneinlass in Fluidströmungsverbindung.
Bei dem Brennstoffzellensystem kann es sich um ein Festoxid-Brennstoffzellensystem (SOFC-System) handeln. Der mindestens eine Brennstoffzellenstapel kann dann mindestens eine Festoxid-Brennstoffzelle umfassen. Bei dem Brennstoffzellensystem kann es sich um ein metallgestütztes Festoxid-Brennstoffzellensystem (MS-SOFC-System) handeln. Der mindestens eine Brennstoffzellenstapel kann dann mindestens eine metallgestützte Festoxid-Brennstoffzelle (MS-SOFC) umfassen. Bei dem Brennstoffzellensystem kann es sich um ein metallgestütztes Mitteltemperatur-Festoxid-Brennstoffzellensystem handeln. Der mindestens eine Brennstoffzellenstapel kann dann mindestens eine metallgestützte Mitteltemperatur-Festoxid-Brennstoffzelle umfassen.
Der Anteil des Wärmequellengases, der zu dem Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg umgeleitet wird, kann passiv gesteuert werden. Ein Bypasseinlass kann sich zwischen der Wärmequelle und dem Reformerwärmetauscher mit dem Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg vereinigen, und ein Bypassauslass kann sich zwischen dem Reformerwärmetauscher und dem Vorwärmerwärmetauscher mit dem Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg vereinigen. Der Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg kann zwischen dem Wärmequellengas-Bypasseinlass und dem Wärmequellengas-Bypassauslass eine Verengung umfassen. Die Verengung kann eine Blende umfassen. Ein Druckabfall in dem Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg zwischen dem Bypasseinlass und dem Bypassauslass kann bewirken, dass der Anteil des Wärmequellengases um den Reformer durch den Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg strömt.
Das Brennstoffzellensystem kann ferner einen passiven Stromteiler umfassen, der die passive Steuerung des Anteils des Wärmequellengases bereitstellt, der zu dem Wärmquellengas-Bypassfluidströmungsweg umgeleitet wird. Der passive Stromteiler kann von einer Verzweigung zwischen dem Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg und dem Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg bereitgestellt werden. Der passive Stromteiler kann von einer Verzweigung zwischen dem Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg und dem Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg an einem Bypasseinlass bereitgestellt werden.
Das Brennstoffzellensystem kann ferner einen Dampferzeuger zum Bereitstellen von Dampf für den Reformer umfassen, wobei der Dampferzeuger Folgendes umfasst: einen Wassereinlass in Fluidströmungsverbindung mit einer Wasserquelle; einen DampferzeugerWärmetauscher, der in dem Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg zwischen dem Reformerwärmetauscher und dem Vorwärmerwärmetauscher angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, Wärme zwischen dem Wärmequellengas und Wasser von der Wasserquelle auszutauschen, wodurch Dampf erzeugt wird; und einen Dampfauslass in Fluidströmungsverbindung mit dem Reformer.
Ein Bypassauslass kann sich zwischen dem Dampferzeuger und dem Vorwärmerwärmetauscher mit dem Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg vereinigen. Ein Bypassauslass kann sich zwischen dem Reformerwärmetauscher und dem Dampferzeuger mit dem Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg vereinigen.
Der durch den Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg strömende Anteil des Wärmequellengass kann bezogen auf das Volumen 10-25 Volumen-% des Wärmequellengases umfassen.
Der Brennstoffzellenstapel kann dazu konfiguriert sein, in einer Gleichstromkonfiguration zu arbeiten, wobei das Anodeneinlassgas in derselben Richtung von dem Anodeneinlass zu dem Anodenabgas strömt wie das Kathodeneinlassgas von dem Kathodeneinlass zu dem Kathodenabgas strömt.
Die Wärmequelle kann einen Brenner umfassen, der mit dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel-Anodenabgasauslass und dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel-Kathodenabgasauslass in Fluidverbindung steht und einen Brennerablass zum Ablassen von Wärmequellengas aufweist. Der Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg kann von dem Brennerabgasrohr zu dem Reformerwärmetauscher zu dem Vorwärmerwärmetauscher zu dem Brennstoffzellensystemauspuff laufen.
Der Anodenabgas-Fluidströmungsweg kann von dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel-Anodenabgasauslass zu einem Anodenabgaseinlass des Brenners laufen. Der Kathodenabgas-Fluidströmungsweg kann von dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel-Kathodenabgasauslass zu einem Kathodenabgaseinlass des Brenners laufen. Der Brenner kann einen Fluidströmungsweg von dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel-Anodenabgasauslass und dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel-Kathodenabgasauslass zu dem Brennerablass zu dem Reformerwärmetauscher zu dem Vorwärmerwärmetauscher zu dem Brennstoffzellensystemauspuff definieren.
Der Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg kann eine Bypassleitung umfassen, die sich zwischen der Wärmequelle und dem Vorwärmereinlass befindet. Ein Einlass der Bypassleitung kann zwischen der Wärmequelle und dem Reformerwärmetauscher mit dem Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg verbunden sein. Der Einlass der Bypassleitung kann einen kleineren Querschnitt aufweisen als der Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg. Die Bypassleitung kann einen Einlass und einen Auslass und eine Verengung zwischen dem Einlass und dem Auslass zum Einstellen eines Druckabfalls dazwischen aufweisen. Ein Auslass der Bypassleitung kann zwischen dem Reformerwärmetauscher und dem Vorwärmerwärmetauscher mit dem Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg verbunden sein. Der Auslass der Bypassleitung kann zwischen einem Auslass des Dampferzeugers und einem Einlass des Vorwärmerwärmetauschers mit dem Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg verbunden sein. Der Auslass der Bypassleitung kann zwischen einem Auslass des Reformers und einem Einlass des Dampferzeugers mit dem Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg verbunden sein.
Außerdem wird ein Verfahren beschrieben, um ein Brennstoffzellensystem zu betreiben, das mindestens einen Brennstoffzellenstapel umfasst, der mindestens eine Brennstoffzelle umfasst und einen Anodeneinlass, einen Kathodeneinlass, einen Anodenabgasauslass und einen Kathodenabgasauslass aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

(i) Leiten eines Anodeneinlassgases von einer Brennstoffquelle zu einem Reformer zu dem Anodeneinlass;
(ii) Leiten von Kathodeneinlassgas von einer Kathodeneinlassgasquelle zu einem Vorwärmer zu dem Kathodeneinlass;
(iii) Leiten eines Wärmequellengases von einer Wärmequelle zu einem Reformerwärmetauscher des Reformers, sodass Wärme zwischen dem Wärmequellengas und dem Anodeneinlassgas ausgetauscht wird; und
(iv) Zulassen, dass ein Anteil des Wärmequellengases von der Wärmequelle den Reformer umgeht und zu einem Vorwärmerwärmetauscher des Vorwärmers gelangt, sodass Wärme zwischen dem Anteil des Wärmequellengases und dem Kathodeneinlassgas ausgetauscht wird.

Figurenliste

1 ist eine Schema eines Brennstoffzellensystems des Stands der Technik.
2 ist ein Schema eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
3 ist ein Schema eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
4 ist ein Schema eines Einlasses eines Bypasses eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
5 ist ein Schema eines Auslasses eines Bypasses eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
6 stellt ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems in einem stationären Zustand dar.

In den Figuren und der Beschreibung, die folgen, werden gleiche Bezugszeichen für gleiche Elemente in verschiedenen Figuren verwendet.
Ausführliche Beschreibung
Lediglich zum Zweck der Veranschaulichung zeigen die Figuren nur eine einzige Brennstoffzelle. Bei verschiedenen Ausführungsformen sind mehrere Brennstoffzellen bereitgestellt. Bei weiteren Ausführungsformen (nicht gezeigt) sind mehrere Brennstoffzellenstapel bereitgestellt, und bei noch weiteren Ausführungsformen sind mehrere Brennstoffzellenstapel, die jeweils mehrere Brennstoffzellen umfassen, bereitgestellt. Es versteht sich, dass die Anoden- und Kathodeneinlässe, -auslässe (Abgas), Kanäle und Verteiler und Sammler sowie deren Konfiguration wie für derartige Ausführungsformen geeignet verändert werden, und werden für eine Person mit durchschnittlichen Fachkenntnissen ohne Weiteres offensichtlich sein.
Mit Verweis auf 2 ist ein Schema eines Brennstoffzellensystems 200 gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 200 umfasst einen Stapel 205 von Brennstoffzelleneinheiten, der auch als „Brennstoffzellenstapel“ bezeichnet wird. Eine Vielzahl von Zelleneinheiten bildet den Stapel von Zelleneinheiten. Jede Zelleneinheit umfasst eine Anode 220, eine Kathode 210 und einen zwischen der Anode 220 und der Kathode 210 positionierten Elektrolyten. Die Anode 220, der Elektrolyt 215 und die Kathode 210 können zusammen als die elektrochemisch aktive Schicht, die aktive elektrochemische Zellenschicht oder der elektrochemisch aktive Bereich bezeichnet werden. Der Elektrolyt 215 leitet entweder negative Sauerstoffionen oder positive Wasserstoffionen zwischen der Anode 220 und der Kathode 210. Der Stapel 205 kann einen Stapel aus Brennstoffzelleneinheiten umfassen, die auf einem von Festoxidelektrolyten, Polymerelektrolytmembranen oder Schmelzelektrolyten oder einer beliebigen anderen zur Elektrochemie fähigen Variante basieren.
Jede Zelleneinheit in dem Stapel ist durch eine elektrisch leitende gasundurchlässige Metallbipolarplatte (Interkonnektor) (nicht gezeigt) abgetrennt. Die Bipolarplatte trennt ein Oxidansfluidvolumen von einem Brennstofffluidvolumen in jeder Zelleneinheit des Stapels und wird normalerweise mit einem dreidimensional konturierten Aufbau versehen, zum Beispiel umfassend ein Muster aus beabstandeten Rillen und Rippen oder beabstandeten Mulden, um den Fluidstrom einzuschränken. Die Bipolarplatte zwischen benachbarten Zelleneinheiten in dem Stapel kann auf der der Anode einer gegebenen Zelle zugewandten Seite mit einem Katalysator beschichtet sein, der dazu konfiguriert ist, die Dampfreformierung von unreformierten Kohlenwasserstoffbrennstoffen zu katalysieren, um Wasserstoffgas in dem Stapel zu erzeugen. Der Reformationskatalysator kann als ein interner Reformer bezeichnet werden. In einem Beispiel ist jede Zelleneinheit in dem Stapel durch eine Interkonnektorstruktur (z. B. den Separator und/oder den Interkonnektor, auf die vorangehend verwiesen wurde) von einer benachbarten Zelleneinheit getrennt, wobei die Interkonnektorstruktur eine Beschichtung auf einer Seite aufweist, die der Anode der benachbarten Zelleneinheit zugewandt ist und damit in fluidischer Verbindung steht, wobei die Beschichtung den Reformationskatalysator umfasst und dazu konfiguriert ist, Brennstoff zu Wasserstoff zur Verwendung in dem Stapel zu reformieren. Bei dem Reformationskatalysator kann es sich um einen Dampfreformationskatalysator handeln, zum Beispiel Platin und/oder Rhodium. Dieser Katalysator kann außerdem Cracken während des Hochfahrens über der ersten Schwellentemperatur, wenn vernachlässigbares Wasser vorhanden ist, katalysieren.
In dem Beispiel von 2 handelt es sich bei jeder Zelleneinheit um eine metallgestützte Festoxid-Brennstoffzelle, in der der Festoxidelektrolyt von einer Metallsubstratplatte (nicht gezeigt) gestützt wird und die daher als metallgestützte Festoxid-Brennstoffzelle (MS-SOFC) bezeichnet werden kann. Die Metallsubstratplatte stützt die daran gebundene elektrochemisch aktive Schicht (d. h. in der während des Betriebs eine elektrochemische Reaktion stattfindet), die aufgetragen, abgeschieden oder anderweitig daran befestigt sein kann, und somit kann die Zelleneinheit als metallgestützte Zelleneinheit bezeichnet werden. Spezifisch handelt es sich bei jeder Zelleneinheit um eine metallgestützte Mitteltemperatur-Festoxid-Brennstoffzelle (IT-SOFC), wie in US6794075 gelehrt.
Der Brennstoffzellenstapel 205 weist einen Anodeneinlass 226, einen Kathodeneinlass 231, einen Anodenabgasauslass 227 und einen Kathodenabgasauslass 232 und definiert getrennte Strömungswege für den Strom von Anodeneinlassgas (d. h. Brennstoff), Kathodeneinlassgas (d. h. ein Oxidans), Anodenabgas und Kathodenabgas. Das Brennstoffzellensystem 200 arbeitet in einer Gleichstromkonfiguration, wobei das Anodeneinlassgas durch jede Zelle in derselben Richtung von dem Anodeneinlass zu dem Anodenabgas strömt wie das Kathodeneinlassgas von dem Kathodeneinlass zu dem Kathodenabgas strömt.
Das Brennstoffzellensystem 200 umfasst ferner einen Reformer 234 zum Reformieren eines unreformierten Kohlenwasserstoffbrennstoffs zu einem Reformat und einen Vorwärmer 262 (auch als Luftvorwärmer bekannt) zum Erwärmen von Kathodeneinlassgas (d. h. Oxidans). Der Reformer 234 umfasst einen Reformereinlass für Anodeneinlassgas, einen Reformerauslass zum Ablassen von Anodeneinlassgas und einen Reformerwärmetauscher. Bei dieser speziellen Ausführungsform handelt es sich bei dem Reformerwärmetauscher um einen Parallel- oder Gleichstromwärmetauscher. Der Vorwärmer 262 umfasst einen Vorwärmereinlass für Kathodeneinlassgas, einen Vorwärmerauslass zum Ablassen von Kathodeneinlassgas und einen Vorwärmerwärmetauscher. Das Brennstoffzellensystem 200 umfasst dann ferner eine Wärmequelle 255 zum Bereitstellen von Heißgas für eine oder mehrere andere Komponenten des Brennstoffzellensystems 200.
Ein Anodeneinlassgas-Fluidströmungsweg A ist von einer Brennstoffquelle zu dem Reformer 234 zu dem Stapelanodeneinlass 226 definiert. Ein Anodenabgas-Fluidströmungsweg B ist von dem Stapelanoden-Abgasauslass 227 zu einem Brennstoffzellensystemauspuff 290 definiert. Ein Kathodeneinlassgas-Fluidströmungsweg C ist von einer Kathodeneinlassgasquelle zu einem Vorwärmer 262 zu dem Stapelkathodeneinlass 231 definiert. Ein Kathodenabgas-Fluidströmungsweg D ist von dem StapelkathodenAbgasauslass 232 zu dem Brennstoffzellensystemauspuff 290 definiert. Das Brennstoffzellensystem 200 umfasst ferner einen Wärmequellegas-Fluidströmungsweg E von der Wärmequelle 255 zu dem Brennstoffzellensystemauspuff 290 über mindestens den Reformerwärmetauscher und den Vorwärmerwärmetauscher.
Das Brennstoffzellensystem 200 umfasst dann einen Brennstoffeinlass 230, der zur Verbindung mit der Brennstoffquelle (nicht gezeigt) konfiguriert ist, die eine Zufuhr von unreformiertem Kohlenwasserstoffbrennstoff bereitstellt, wobei der Brennstoffeinlass 230 mit dem Reformer 234 in Fluidströmungsverbindung steht. Ein Entschwefeler 232 und/oder ein Mischer 233 können sich ebenfalls stromaufwärts des Reformers 234 in dem Anodeneinlassgas-Fluidströmungsweg A befinden. Zur Verteilung von reformiertem Brennstoff innerhalb des Stapels 205 zu der Anodenseite (auch als Brennstoffvolumen bezeichnet) der Zelleneinheiten innerhalb des Stapels 205 steht ein Anodeneinlassgasauslass 235 des Reformers 234 mit dem Anodeneinlass 226 des Stapels 205 in Fluidströmungsverbindung. Der Anodenabgasauslass 227 des Stapels 205 stellt einen Auspuff für den Stapel bereit und ermöglicht die Entfernung von Fluid aus der Anodenseite der Zelleneinheiten innerhalb des Stapels 205. Der Anodenabgasauslass 227 steht mit dem Brenner 255 in Fluidströmungsverbindung, sodass das Anodenabgas über den Anodenabgas-Fluidströmungsweg B zu dem Brenner 255 geleitet wird.
Das Brennstoffzellensystem 200 umfasst ferner einen Oxidanseinlass 260, der zur Verbindung mit der Kathodeneinlassgasquelle (nicht gezeigt) konfiguriert ist, wobei der Oxidanseinlass 260 mit dem Vorwärmer 262 in Fluidströmungsverbindung steht. Bei dem Oxidans kann es sich zum Beispiel um Luft oder Sauerstoff handeln. Der Oxidanseinlass 260 stellt dem Vorwärmer 262 Oxidans bereit, und der Vorwärmerauslass steht dann zur Verteilung von erwärmtem Oxidans innerhalb des Stapels 205 zu der Kathodenseite (auch als Oxidansvolumen bezeichnet) der Zelleneinheiten innerhalb des Stapels 205 mit dem Kathodeneinlass 231 des Stapels 205 in Fluidströmungsverbindung. Der Kathodenabgasauslass 232 des Stapels 205 stellt einen Ablass für den Stapel 205 bereit und ermöglicht die Entfernung von Fluid aus der Kathodenseite der Zelleneinheiten innerhalb des Stapels 205. Der Kathodenabgasauslass 232 steht mit dem Brenner 255 in Fluidströmungsverbindung, sodass das Kathodenabgas über den Kathodenabgas-Fluidströmungsweg D zu dem Brenner 255 geleitet wird.
In 2 ist die Wärmequelle durch einen Brenner 255 bereitgestellt, wie etwa einen Restgasbrenner oder einen Drallbrenner, der mit dem Stapelanoden- und dem Stapelkathodenabgasauslass 227, 232 in Fluidströmungsverbindung steht und einen Brennerablass zum Ablassen von Heißgas als Quelle von Wärme aufweist. Der Brenner 255 ist dazu konfiguriert, jeglichen verbleibenden brennbaren Brennstoff in dem Anodenabgas und jegliches verbleibende Oxidans in dem Kathodenabgas zu verbrennen. Die durch die Verbrennung erzeugten Heißgase werden aus dem Brenner 255 abgelassen und über den Wärmequellengas-Fluidströmungsweg E durch eine oder mehrere andere Komponenten des Brennstoffzellensystems 200 zurückgeführt, bevor sie aus dem Brennstoffzellensystemauspuff 290 abgelassen werden. Folglich weisen bei dieser Ausführungsform der Anodenabgas-Fluidströmungsweg B, der Kathodenabgas-Fluidströmungsweg D und der Wärmequellengas-Fluidströmungsweg E gemeinsame Komponenten auf und nutzen einen gemeinsamen Strömungsweg von dem Brenner 255 zu dem Brennstoffzellenauspuff 290.
Das Brennstoffzellensystem 200 umfasst ferner einen Dampferzeuger 237 zum Erzeugen von Dampf unter Verwendung von Wasser, das durch den Wassereinlass 239 von einer Wasserquelle zugeführt wird. Der Dampferzeuger 237 befindet sich unmittelbar stromabwärts des Brennstoffreformers 234. Der von dem Dampferzeuger 237 erzeugte Dampf wird aus einem Dampfauslass (nicht gezeigt) abgelassen und zu dem Mischer 233 geleitet. Die jegliche verbleibende Abwärme führenden Heißgase treten über einen Abwärmeablass (nicht gezeigt) aus dem Dampferzeuger 237 aus und werden zu dem Vorwärmer 262 geleitet. Die jegliche verbleibende Abwärme führenden Heißgase treten über einen Abwärmeablass aus dem Vorwärmer 262 aus und werden zu einer Wärmerückgewinnungseinheit 270 geleitet, bevor sie aus dem Brennstoffzellensystemauspuff 290 abgelassen werden.
Stationäre Betriebsbedingungen können durch eine stationäre Stapeltemperatur im Bereich von 400 bis 1000 °C, vorzugsweise 450 bis 800 °C, vorzugsweise 500 bis 650 °C gekennzeichnet sein. Während des stationären Betriebs kann, da sich der Reformer 234 in dem Wärmequellengas-Fluidströmungsweg E stromaufwärts des Vorwärmers 262 befindet, eine Situation auftreten, in der nicht ausreichend Wärmeenergie verfügbar ist, um sowohl den Kohlenwasserstoffbrennstoff zu reformieren als auch das Oxidans ausreichend zu erwärmen. Sofern jedoch ausreichend Spielraum bei der vom Reformer 234 benötigten Wärmemenge vorhanden ist, ist es möglich, einen Anteil des Wärmequellengases an dem Reformer 234 vorbei und direkt zu dem Vorwärmer 262 umzuleiten. Das Brennstoffzellensystem 200 umfasst daher einen Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg 240 und einen Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg 250. Der Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg 240 ist von der Wärmequelle 255 zu dem Reformerwärmetauscher zu dem Vorwärmerwärmetauscher zu dem Brennstoffzellensystemauspuff 290 definiert. Der Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg 250 zweigt dann von dem Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg 240 stromaufwärts des Reformers 234 ab und ist dazu eingerichtet, einen Anteil des Wärmequellengases um den Reformer 234 zu dem Vorwärmerwärmetauscher umzuleiten. Der Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg 250 steht daher mit der Wärmequelle und dem Vorwärmerwärmetauscher in Fluidströmungsverbindung, während er den Reformer 234 umgeht. Der Wärmequellengas-Fluidströmungsweg E verzweigt sich daher in sowohl den Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg 240 als auch den Wärmquellengas-Bypassfluidströmungsweg 250.
Der Anteil des Wärmequellengases, der durch den Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg 250 umgeleitet wird, wird passiv gesteuert, ohne dass irgendwelche Sensoren, Steuerelektronik, mechanischen Ventile usw. benötigt werden, wie sie benötigt würden, um aktiv zu steuern, wie viel des Wärmequellengases durch den Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg 250 umgeleitet wird. Insbesondere ist der Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg 250 dazu konfiguriert, ein Gasstromverhältnis zwischen dem Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg 240 und dem Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg 250 herbeizuführen, um ein geeignetes Gleichgewicht zwischen dem Reformierprozess und der Luftstromerwärmung zu ermöglichen. Das Brennstoffzellensystem 200 umfasst daher einen passiven Stromteiler 251, der den Strom von Wärmequellengas zwischen dem Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg 240 und dem Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg 250 teilt. Der Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg 240 und der Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg 250 weisen dann gemeinsame Komponenten auf und nutzen eines gemeinsamen Strömungsweg von der Wärmequelle 255 zu dem Stromteiler 251. Das Brennstoffzellensystem 200 kann dann derart konfiguriert sein, dass ein Druckabfall in dem Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg 250 relativ zu einem Druckabfall in dem Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg 240 das gewünschte Gasstromverhältnis erreicht.
Um den Anteil des Wärmequellengases, der durch den Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg 250 umgeleitet wird, passiv zu steuern, kann mindestens ein Abschnitt des Wärmequellengas-Bypassfluidströmungswegs 250 mit einem kleineren Querschnitt konfiguriert sein als der Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg 240. Dank eines Druckabfalls an dem Reformer 234 strömt dann ein Anteil des Wärmequellengases um den Reformer 234 durch den Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg 250. Alternativ oder zusätzlich kann der Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg 250 mit einer Verengung zum Einstellen eines Druckabfalls in dem Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg 250 konfiguriert sein. Die Verengung kann zum Beispiel eine Blende sein. Alternativ kann die Verengung durch eine in dem Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg 250 gebildete Quetschung bereitgestellt werden.
Das Brennstoffzellensystem 200 kann außerdem einen passiven Stromvereiniger 252 umfassen, der den Strom von Wärmequellengas durch den Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg 250 mit dem durch den Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg 240 wieder vereinigt. Der Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg 240 und der Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg 250 können dann auch gemeinsame Komponenten aufweisen und einen gemeinsamen Strömungsweg von dem Stromvereiniger 252 zu dem Brennstoffzellensystemauspuff 290 nutzen.
Während des Betriebs stellt der Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg 250 einen Mechanismus zum Verringern des Temperaturgradienten an dem Brennstoffzellenstapel 205 bereit, um das Betriebsverhalten des Brennstoffzellenstapels 205 zu verbessern. Durch Bereitstellen des Wärmequellengas-Bypassfluidströmungswegs 250 wird ein Anteil des Wärmequellengases von dem Reformer 234 weg zu dem Vorwärmer 262 umgeleitet, der wirkt, um das über den Kathodeneinlass 231 in den Brennstoffzellenstapel 205 eintretende Oxidans zu erwärmen, wodurch die Temperatur der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels erhöht wird. Das Umleiten eines Anteils des Wärmequellengases weg von dem Reformer 234 kann außerdem die Temperatur des resultierenden reformierten Brennstoffs senken, der an dem Anodeneinlass 226 in den Brennstoffzellenstapel 205 eintritt.
In 2 umfasst der Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg 250 eine Bypassleitung 280. Die Bypassleitung 280 weist einen Bypasseinlass 281, der sich zwischen dem Brenner 255 und dem Reformer 234 mit dem Wärmequellengas-Fluidströmungsweg E vereinigt, und einen Bypassauslass 282, der sich zwischen dem Dampferzeuger 237 und dem Vorwärmer 262 mit dem Wärmequellengas-Fluidströmungsweg E vereinigt, auf. Durch Positionieren des Bypassauslasses 282 vor dem Vorwärmer 262 kann ein Anteil des Abgases von dem Brenner 255 um den Reformer 234 zu dem Vorwärmer 262 umgeleitet werden. Der Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg 250 ist dann zwischen dem Bypasseinlass 181 und dem Bypassauslass 282 definiert.
Um den Anteil des Wärmequellengases, der durch die Bypassleitung 280 umgeleitet wird, passiv zu steuern, kann der Bypasseinlass 181 einen kleineren Querschnitt als der Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg 240 aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die Bypassleitung 280 zwischen dem Bypasseinlass 281 und dem Bypassauslass 282 eine Verengung aufweisen.
Mit Verweis auf 3 ist ein Schema eines Brennstoffzellensystems 300 gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 300 ist eine Variante des Brennstoffzellensystems 200 von 2. Das Brennstoffzellensystem 300 ist im Wesentlichen gleich dem Brennstoffzellensystem 200; die Bypassleitung 380 des Brennstoffzellensystems 300 ist jedoch anders konfiguriert als diejenige des Brennstoffzellensystems 300. Wie zuvor weist die Bypassleitung 380 einen Bypasseinlass 381 auf, der sich zwischen dem Brenner 355 und dem Reformer 334 mit dem Wärmequellengas-Fluidströmungsweg E vereinigt. Der Bypassauslass 382 vereinigt sich dann zwischen dem Reformer 334 und dem Dampferzeuger 337 mit dem Wärmequellengas-Fluidströmungsweg E. Durch Positionieren des Bypassauslasses 382 vor dem Dampferzeuger 337 kann ein Anteil des Wärmequellengases von dem Brenner 355 um den Reformer 234 zu dem Dampferzeuger 337 und dann weiter zu dem Vorwärmer 362 umgeleitet werden. Der Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg 350 ist dann zwischen dem Bypasseinlass 381 und dem Bypassauslass 382 definiert.
Wie zuvor kann die Bypassleitung 380 mit einem kleineren Querschnitt als der Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg 340 konfiguriert sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Bypassleitung 380 mit einer Verengung (wie etwa einer Blende oder einem gequetschten Abschnitt) zum Einstellen eines Druckabfalls in dem Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg 350 konfiguriert sein.
Während des Betriebs stellt der Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg 350 einen Mechanismus zum Verringern des Temperaturgradienten an dem Brennstoffzellenstapel 305 bereit, um das Betriebsverhalten des Brennstoffzellenstapels 305 zu verbessern. Durch Bereitstellen des Wärmequellengas-Bypassfluidströmungswegs 350 wird ein Anteil des Wärmequellengases von dem Reformer 334 weg zu dem Dampferzeuger 337 umgeleitet, der Wasser von dem Wassereinlass 339 zum Sieden bringt. Dampf der durch Sieden des Wassers erzeugt wird, wird zum Mischen mit unreformiertem Brennstoff vor dem Eintreten in den Reformer 334 zu dem Mischer 333 geleitet. Jegliche Überschusswärme, die nicht von dem Dampferzeuger 337 verbraucht wird, wird anschließend zu dem Vorwärmer 36 geleitet, um das Oxidans zu erwärmen, bevor es in den Brennstoffzellenstapel 305 eintritt. So gelangt umgeleitetes Wärmequellengas zuerst durch den Dampferzeuger 337 und dann auf den Vorwärmer 362, wodurch es die Temperatur auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle indirekt erhöht.
Bei sowohl dem Brennstoffzellensystem 200 als auch dem Brennstoffzellensystem 300 kann der Anteil des Wärmequellengases, der durch den Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg 250; 350 strömt, 10-25 Volumen-% des Wärmequellengases umfassen. Vorzugsweise kann der Anteil des Wärmequellengases, der durch den Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg 250; 350 strömt bezogen auf das Volumen etwa 18-22%, weiter bevorzugt etwa 20 % des Wärmequellengases umfassen.
Mit Verweis auf 4 ist ein Schema eines Einlasses des Wärmequellengas-Bypassfluidströmungswegs 250; 350 des Brennstoffzellensystems 200 und des Brennstoffzellensystems 300 gezeigt. Der Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg 250; 350 umfasst eine Bypassleitung 280; 380 mit einem ersten Ende, das mit einer Rohrleitung verbunden ist, die einen Abschnitt des Wärmequellengas-Fluidströmungswegs E zwischen dem Brenner 255; 355 und dem Reformer 234; 334 bereitstellt. Mit Verweis auf 4 bildet die Verbindung zwischen der Rohrleitung und dem ersten Ende der Bypassleitung 280; 380 eine „T“-Verzweigung, die als passiver Stromteiler 251; 351 wirkt und den Einlass für den Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg 250; 350 bereitstellt. Es sind jedoch andere, Fachpersonen bekannte Arten von Verbindung/Verzweigung möglich.
Mit Verweis auf 5 ist ein Schema eines Auslasses des Wärmequellengas-Bypassfluidströmungswegs 250; 350 des Brennstoffzellensystems 200 und des Brennstoffzellensystems 300 gezeigt. Ein zweites Ende der Bypassleitung 280; 380 ist mit einer Rohrleitung verbunden, die einen Abschnitt des Wärmequellengas-Fluidströmungswegs E bereitstellt, entweder:

i) zwischen einem Auslass (nicht gezeigt) des Dampferzeugers 237; 337 und einem Einlass (nicht gezeigt) des Vorwärmers 262; 362 (2); oder
ii) zwischen einem Auslass 236; 336 des Reformers 234; 334 und dem Einlass des Dampferzeugers 237; 337 (3).

Mit Verweis auf 5 bildet die Verbindung zwischen der Rohrleitung und dem zweiten Ende der Bypassleitung 280; 380 eine „T“-Verzweigung, die als passiver Stromvereiniger 252; 352 wirkt und den Auslass aus dem Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg 250; 350 bereitstellt. Es sind jedoch andere, Fachpersonen bekannte Arten von Verbindung/Verzweigung möglich.
6 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems in einem stationären Zustand darstellt, wobei das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodeneinlass, einem Kathodeneinlass, einem Anodenabgasauslass und einem Kathodenabgasauslass aufweist. Das in 6 dargestellte Verfahren gilt für Brennstoffzellensysteme wie die Brennstoffzellensysteme von 2 und 3.
Während des stationären Betriebs wird bei Schritt 605 unreformierter Brennstoff von einem Brennstoffeinlass 230; 330 einem Reformer 234; 334 zugeführt, entweder direkt, ohne durch irgendwelche anderen Komponenten des Brennstoffzellensystems zu gelangen, oder indirekt, indem er zuerst durch andere Komponenten gelangt, wie etwa einen Entschwefeler 232; 332 und/oder einen Mischer 233; 333. Dem Reformer 234; 334 wird außerdem Wasserdampf zugeführt. Der Wasserdampf und unreformierter Brennstoff können dem Reformer 234; 334 durch einen Mischer 233; 333 zugeführt werden, wo der Wasserdampf und der unreformierte Brennstoff zuerst vermischt werden. Der dem Reformer 234; 334 und/oder dem Mischer 233; 333 zugeführte Wasserdampf kann von einem Dampferzeuger 237; 337 erzeugt werden, der Wasser von einem Wassereinlass 239; 339 zum Sieden bringt. Der Dampferzeuger 237; 337 kann unter Verwendung von Abwärme von dem Reformer 234; 334 erwärmt werden. Alternativ kann der zum Erzeugen des Dampfs verwendete Dampferzeuger 237; 337 eine andere Quelle von Wärme verwenden, um zu funktionieren.
Bei Schritt 610, der gleichzeitig mit Schritt 605 stattfinden kann, werden Abgase von dem Brennstoffzellenstapel 205; 305 (sowohl von der Kathodenseite als auch der Anodenseite) in einen Brenner 255; 355 eingespeist, um verbrannt zu werden.
Bei Schritt 615 werden der unreformierte Brennstoff und der Wasserdampf, die dem Reformer 234; 334 zugeführt wurden, erwärmt, um den unreformierten Brennstoff zu reformieren. Die dem Reformer 234; 334 bereitgestellte Wärme kann bei Schritt 620 von mindestens einem Anteil der Wärmequellengase bereitgestellt werden, die aus dem Brenner 255; 355 abgelassen wurden, der die Abgase von dem Brennstoffzellenstapel 205; 305 (von sowohl der Kathodenseite als auch der Anodenseite) verbrannt hat.
Bei Schritt 625 wird ein Anteil des aus dem Brenner 255; 355 abgelassenen Wärmequellengases über einen Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg 250; 350 um den Reformer 234; 334 umgeleitet, um einem Oxidans für den Brennstoffzellenstapel 205; 305 weitere Wärme bereitzustellen. Das aus dem Brenner 255; 355 abgelassene Wärmequellengas kann über eine Bypassleitung 280; 380 zu einem Vorwärmer 262; 362 umgeleitet werden, um das dem Brennstoffzellenstapel 205; 305 zugeführte Oxidans zu erwärmen. Alternativ kann das aus dem Brenner 255; 355 abgelassene Wärmequellengas über die Bypassleitung 280; 380 zu dem Dampferzeuger 237; 337 umgeleitet werden, um dem Dampferzeuger 237; 337 zur Erzeugung von Wasserdampf zur Verwendung in dem Reformer 234; 334 weitere Wärme bereitzustellen.
Bei Schritt 630 wird der von dem Reformer 234; 334 erzeugte reformierte Brennstoff (d. h. Anodeneinlassgas) zu einem Anodeneinlass 226; 326 des Brennstoffzellenstapels 205; 305 geleitet. Zur gleichen Zeit wird ein erwärmtes Oxidans (d. h. ein Kathodeneinlassgas) in einer Gleichstromkonfiguration zu einem Kathodeneinlass 231; 321 des Brennstoffzellenstapels 205; 305 geleitet, sodass der reformierte Brennstoff und das Oxidans in derselben Richtung über ihrer j eweilige Seite des Brennstoffzellenstapels 205; 305 strömen.
Das Oxidans, das in den Kathodeneinlass 231; 331 des Brennstoffzellenstapels 205; 305 strömt, wird von einem Wärmetauscher des Vorwärmers 262; 362 bei Schritt 650 erwärmt, wobei das Oxidans von sowohl dem aus dem Reformer 234; 334 abgelassenen Wärmequellengas als auch dem Anteil des Wärmequellengases, das über den Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg 250; 350 den Reformer 234; 334 umgeht, erwärmt wird. Im Fall des aus dem Reformer 234; 334 abgelassenen Wärmequellengases kann dies direkt in den Vorwärmer 262; 362 eingespeist werden oder kann erst durch andere Komponenten, wie etwa den Dampferzeuger 237, 337 gelangen. In letzterem Fall wird aus dem Dampferzeuger 237, 337 abgelassenes überschüssiges Wärmequellengas dem Vorwärmer 262; 362 bereitgestellt, um das Oxidans zu erwärmen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht nur auf die vorangehenden Beispiele beschränkt, und für Personen mit Durchschnittsfachkenntnissen werden andere Beispiele ohne Weiteres offensichtlich sein, ohne vom Umfang der angehängten Ansprüche abzuweichen.
Diese und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung wurden vorangehend lediglich als Beispiel beschrieben. Änderungen im Detail können innerhalb des Umfangs der Ansprüche an der Erfindung vorgenommen werden.
Als Beispiel wird in den in 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen ein Brenner 255; 355 als Wärmequelle für den Reformer 234; 334, den Dampferzeuger 237; 337 und den Vorwärmer 262; 362 vor dem Ablassen aus dem Brennstoffzellensystemauspuff 290 verwendet. Bei einer alternativen Ausführungsform könnte jedoch eine Zusatzwärmequelle verwendet werden, um dem Reformer 234; 334, dem Vorwärmer 262; 362 und optional dem Dampferzeuger 237; 337 Wärmequellengas bereitzustellen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2008015461 [0002]
WO 2008053213 [0002]
WO 2008104760 [0002]
WO 2008132493 [0002]
WO 2009090419 [0002]
WO 2010020797 [0002]
WO 2010061190 [0002]
WO 2015004419 A1 [0002]
JP 2012243564 [0006]
US 6794075 [0030]

Claims

Brennstoffzellensystem, das Folgendes umfasst: (i) mindestens einen Brennstoffzellenstapel, der mindestens eine Brennstoffzelle umfasst und einen Anodeneinlass, einen Kathodeneinlass, einen Anodenabgasauslass und einen Kathodenabgasauslass aufweist und getrennte Strömungswege für den Strom von Anodeneinlassgas, Kathodeneinlassgas, Anodenabgas und Kathodenabgas definiert; (ii) einen Reformer zum Reformieren eines Brennstoffs zu einem Reformat, wobei der Reformer einen Reformereinlass für ein Anodeneinlassgas, einen Reformerauslass zum Ablassen von Anodeneinlassgas und einen Reformerwärmetauscher umfasst; (iii) einen Vorwärmer zum Erwärmen von Kathodeneinlassgas, wobei der Kathodeneinlassgasvorwärmer einen Vorwärmereinlass für Kathodeneinlassgas, einen Vorwärmerauslass zum Ablassen von Kathodeneinlassgas und einen Vorwärmerwärmetauscher umfasst; und (iv) eine Wärmequelle zum Bereitstellen von Wärmequellengas; und Folgendes definiert: (a) einen Anodeneinlassgas-Fluidströmungsweg von einer Brennstoffquelle zu dem Reformer zu dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel-Anodeneinlass; (b) einen Anodenabgas-Fluidströmungsweg von dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel-Anodenabgasauslass zu einem Brennstoffzellensystemauspuff; (c) einen Kathodeneinlassgas-Fluidströmungsweg von einer Kathodeneinlassgasquelle zu dem Vorwärmer zu dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel-Kathodeneinlass; (d) einen Kathodenabgas-Fluidströmungsweg von dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel-Kathodenabgasauslass zu dem Brennstoffzellensystemauspuff; (e) einen Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg von der Wärmequelle zu dem Reformerwärmetauscher zu dem Vorwärmerwärmetauscher; und (f) einen Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg, der von dem Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg stromaufwärts des Reformerwärmetauschers abzweigt und dazu eingerichtet ist, einen Anteil des Wärmequellengases um den Reformer zu dem Vorwärmerwärmetauscher umzuleiten; wobei der Reformerwärmetauscher zum Austauschen von Wärme zwischen dem Anodeneinlassgas und dem Wärmequellengas eingerichtet ist; und wobei der Vorwärmerwärmetauscher zum Austauschen von Wärme zwischen dem Kathodeneinlassgas und dem Wärmequellengas eingerichtet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Anteil des Wärmequellengases, der zu dem Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg umgeleitet wird, passiv gesteuert wird.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei mindestens ein Abschnitt des Wärmequellengas-Bypassfluidströmungswegs einen kleineren Querschnitt als der Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg aufweist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei sich ein Bypasseinlass zwischen der Wärmequelle und dem Reformerwärmetauscher mit dem Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg vereinigt und sich ein Bypassauslass zwischen dem Reformerwärmetauscher und dem Vorwärmerwärmetauscher mit dem Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg vereinigt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei der Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg eine Verengung zwischen dem Bypasseinlass und dem Bypassauslass umfasst.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei ein Druckabfall in dem Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg zwischen dem Bypasseinlass und dem Bypassauslass bewirkt, dass der Anteil des Wärmequellengases um den Reformer durch den Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg strömt.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, und umfassend einen passiven Stromteiler, der passive Steuerung des Anteils des Wärmequellengases, der zu dem Wärmquellengas-Bypassfluidströmungsweg umgeleitet wird, bereitstellt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, wobei der passive Stromteiler von einer Verzweigung zwischen dem Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg und dem Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg bereitgestellt wird.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, und ferner umfassend einen Dampferzeuger zum Bereitstellen von Dampf für den Reformer, wobei der Dampferzeuger Folgendes umfasst: einen Wassereinlass in Fluidströmungsverbindung mit einer Wasserquelle; einen Dampferzeugerwärmetauscher, der in dem Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg zwischen dem Reformerwärmetauscher und dem Vorwärmerwärmetauscher angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, Wärme zwischen dem Wärmquellengas und Wasser von der Wasserquelle auszutauschen, wodurch Dampf erzeugt wird; und einen Dampfauslass in Fluidströmungsverbindung mit dem Reformer.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, wobei sich ein Bypassauslass zwischen dem Dampferzeuger und dem Vorwärmerwärmetauscher mit dem Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg vereinigt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, wobei sich ein Bypassauslass zwischen dem Reformerwärmetauscher und dem Dampferzeuger mit dem Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg vereinigt.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Anteil des Wärmequellengases, der durch den Wärmequellengas-Bypassfluidströmungsweg strömt, 10-25 Volumen-% des Wärmequellengases umfasst.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Wärmequelle einen Brenner in Fluidströmungsverbindung mit dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel-Anodenabgasauslass und dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel-Kathodenabgasauslass umfasst und einen Brennerablass zum Ablassen von Wärmequellengas aufweist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 13, wobei der Wärmequellengas-Hauptfluidströmungsweg von dem Brennerablass zu dem Reformerwärmetauscher zu dem Vorwärmerwärmetauscher zu dem Brennstoffzellensystemauspuff läuft.