EP1456899A2 - Brennstoffzellenanordnung und verfahren zum betrieb einer brennstoffzellenanordnung - Google Patents

Brennstoffzellenanordnung und verfahren zum betrieb einer brennstoffzellenanordnung

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EP1456899A2
EP1456899A2 EP02795134A EP02795134A EP1456899A2 EP 1456899 A2 EP1456899 A2 EP 1456899A2 EP 02795134 A EP02795134 A EP 02795134A EP 02795134 A EP02795134 A EP 02795134A EP 1456899 A2 EP1456899 A2 EP 1456899A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fresh air
cathode
burner device
exhaust gas
fuel cell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02795134A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Marc Steinfort
Gerhard Huppmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MTU CFC Solutions GmbH
Original Assignee
MTU CFC Solutions GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MTU CFC Solutions GmbH filed Critical MTU CFC Solutions GmbH
Publication of EP1456899A2 publication Critical patent/EP1456899A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H01M8/04022—Heating by combustion
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell arrangement according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for operating such a fuel cell arrangement.
  • Fuel cell arrangements are known in which the fuel cells each contain an anode and a cathode, and which have an anode input for supplying fresh fuel gas to the anodes and an anode output for discharging used fuel gas from the anodes, and a cathode input for supplying fresh cathode gas the cathodes and a cathode outlet for discharging used cathode gas from the cathodes, as well as a fresh air supply for supplying fresh air to the cathode inlet and a burner device connected via an anode exhaust gas recirculation line between the anode outlet and the cathode inlet for afterburning in the anode outlet Send spent combustible constituents contained in combustible gas, optionally together with fresh air supplied via the fresh air supply.
  • the burner device contains a catalytic burner in which the combustible residual components of the used fuel gas are burned together with the fresh air supplied from outside at temperatures between approximately 500 to 700 ° C.
  • the object of the invention is to provide a fuel cell arrangement of the type mentioned, in which the combustible residual components in the used anode fuel gas are burned at a higher temperature. Furthermore, the invention is intended to provide a method for operating such a fuel line arrangement.
  • the invention provides a fuel cell arrangement with one or more fuel cells, each containing an anode and a cathode, with an anode inlet for supplying fresh fuel gas to the anodes and an anode outlet for discharging used fuel gas from the anodes, with a cathode inlet for Supply of fresh cathode gas to the cathodes and a cathode outlet for discharging used cathode gas from the cathodes, with a fresh air supply for supplying fresh air to the cathode input and with a burner device for afterburning connected between the anode outlet and the cathode inlet via an anode exhaust gas recirculation line of combustible residual components contained in the spent fuel gas leaving the anode outlet, optionally together with fresh air supplied via the fresh air supply.
  • the fresh air supply is a first fresh air supply line connected to the burner device for optional supply of fresh air together with the used fuel gas to the burner device and a second fresh air supply line for supplying fresh air to the cathode input bypassing the burner device.
  • a major advantage of the fuel cell arrangement according to the invention is that the combustible residual components in the used fuel gas can be burned at a higher temperature, so that fewer noble catalysts can be used in the burner device or catalysts can even be dispensed with entirely.
  • Control devices are preferably provided for setting the fresh air quantities supplied via the first fresh air supply line and the second fresh air supply line.
  • respective fans for conveying adjustable amounts of fresh air are preferably provided in the first fresh air supply line or the second fresh air supply line.
  • a cathode exhaust gas return line coupled between the cathode outlet and the burner device and / or the cathode inlet is provided for returning at least part of the cathode exhaust gas to the burner device and / or the cathode inlet.
  • the cathode exhaust gas return line is preferably to
  • the burner device preferably contains a burner for burning the combustible residual constituents contained in the anode exhaust gas and a heating device for heating the fresh air supplied via the first fresh air supply line.
  • the burner device may include a catalytic burner.
  • the burner device contains a burner formed by a foam structure.
  • the catalytic burner can be formed by a catalytic coating formed on the foam structure.
  • the heating device is preferably an electrical heating device which is formed by a structure of an electrically conductive foam material.
  • the catalytic burner can advantageously be provided in the form of a catalytic coating on the foam structure of the heating device.
  • the foam structure can consist of stainless steel, preferably FeCrAlY, of steel or of a conductive ceramic.
  • the invention provides a method for operating a fuel cell arrangement of the type mentioned above.
  • the quantities of the fuel that are fed through the first fresh air supply line Fresh air supplied to the device is set such that a temperature between 750 ° C. and 1,400 ° C., preferably between 850 ° C. and 1,250 ° C., is established in the burner device during the afterburning of the combustible residual components contained in the used fuel gas.
  • the entire flow of the used fuel gas is returned to the burner device via the anode gas return line.
  • the entire stream of the cathode exhaust gas which is returned via the cathode exhaust gas return line is returned to the burner device.
  • a part of the flow of the cathode exhaust gas recirculated via the cathode exhaust gas return line is returned to the burner device and a part is returned to the cathode inlet.
  • the flows of the used fuel gas and the cathode exhaust gas can be passed through the burner device without further addition of fresh air.
  • part of the fresh air supplied can be supplied to the burner device via the first fresh air supply line.
  • the entire Current of the cathode exhaust gas returned via the cathode exhaust gas return line is returned to the cathode inlet bypassing the burner device, and that the fresh air flow is fed exclusively via the first fresh air supply line to the burner device or partly via the first fresh air supply line to the burner device and partly via the second fresh air supply line bypassing the burner device to the cathode input is fed.
  • the figure shows a block diagram of a fuel cell arrangement according to an embodiment of the invention.
  • the figure shows a schematic block diagram of a fuel cell arrangement. This typically contains a number of fuel cells arranged in the form of a fuel cell stack, of which only a single fuel cell 22 is shown in the figure for the sake of clarity.
  • the fuel cell 22 contains an anode 1 and a cathode 2 between which an electrolyte matrix, not shown in the figure, is arranged.
  • the anode has an anode input AI for supplying fresh fuel gas (anode gas) and an anode output AO for removing the used fuel gas from the anode 1.
  • the cathode 2 has a cathode input KI for supplying fresh cathode gas and a cathode output KO for Removing the used cathode gas from the cathode 2.
  • the fresh fuel gas is fed to the anode input AI from a pre-reforming device 20 via a heat exchanger 3.
  • the used cathode gas is released from the cathode outlet KO via the heat exchanger 3, where it transfers its waste heat to the fresh fuel gas, to an exhaust gas discharge line 12.
  • the cathode inlet KI is supplied with fresh air as cathode gas via a cathode inlet line 15 from a fresh air supply 18, 19 which contains a first fresh air supply line 18 and a second fresh air supply line 19.
  • An anode exhaust gas recirculation line 17 is provided between the anode outlet AO and the cathode inlet KI, into which a burner device 16 is connected.
  • the burner device 16 serves for the post-combustion of combustible residual components contained in the used fuel gas.
  • the anode exhaust gas recirculation line 17 merges at the input of the burner device 16 with the first fresh air supply line 18, via which fresh air, which is conveyed by a circulating fan 9 and whose quantity can be adjusted by a fresh air control valve 10, can optionally be supplied to the burner device 16.
  • the second fresh air supply line 19 serves to supply fresh air, which is conveyed by a blower 8 and the amount of which can be adjusted by a fresh air control valve 11, bypassing the burner device 16 directly to the cathode inlet line 15 or to the cathode inlet KI.
  • a cathode exhaust gas return line 6 is coupled from a point on the cathode exhaust line 12 downstream of the heat exchanger 3 to the first fresh air supply line 18 on the one hand and to the second fresh air supply line 19 via a control valve 7 on the other hand.
  • the cathode exhaust gas recirculation line 6 serves to recirculate at least one part of the cathode exhaust gas in the exhaust line 12 via the first fresh air supply line 18 to the burner device 16 or via the control valve 7 and the second fresh air supply line 19 directly to the cathode inlet line 15 or the cathode inlet KI.
  • the cathode exhaust gas flow which is returned via the cathode exhaust gas return line 6 can be recycled regardless of the amount of the fresh air supply line 18 and the second fresh air supply line 19, ie also when the fresh air control valve 10 and / or the fresh air control valve 11 are closed.
  • the burner device 16 contains a burner 4 for burning the combustible residual constituents contained in the anode exhaust gas and a heating device 5 for heating the fresh air supplied via the first fresh air supply line 18 together with the anode exhaust gas, optionally also only the supplied fresh air, in particular when starting up the fuel cell arrangement.
  • the burner 4 contained in the burner device 16 can contain a catalyst material and is preferably formed by a foam structure.
  • the catalyst material can be provided by a catalytic coating formed on the foam structure.
  • the electrical heating device 5 is preferably an electrical heating device, which can be formed in particular by the structure of the foam material of the burner 4, in which case an electrically conductive foam material is provided.
  • the catalytic coating can in particular be provided on the foam structure of the heating device 5, so that the burner 4 and the heating device 5 can be provided in a common element.
  • the foam structure can especially made of stainless steel, preferably FeCrAlY, steel or a conductive ceramic.
  • the quantities of the fresh air supplied via the first fresh air supply line 18 to the burner device 16 are adjusted, taking into account the quantity of the anode exhaust gas returned from the anode outlet AO to the burner device 16 via the anode exhaust gas return line 17, such that the combustible residual constituents contained in the used fuel gas in the afterburning the burner device 16 sets a temperature between 750 ° C. and 1,400 ° C., preferably between 850 ° C. and 1,250 ° C.
  • the entire flow of the used fuel gas is returned from the anode outlet AO via the anode exhaust gas return line 17 to the burner device 16.
  • either the entire amount of the cathode exhaust gas recirculated via the cathode exhaust gas recirculation line 6 can be supplied to the burner device 16 or a part can be returned to the burner device 16 and a part can be returned via the control valve 7 below
  • the flows of the spent fuel gas returned from the anode outlet AO via the anode exhaust gas return line 17 and the used cathode exhaust gas returned via the cathode exhaust gas return line 6 can be passed through the burner device 16 without further addition of fresh air, ie with the fresh air control valve 10 closed.
  • part of the fresh air can be fed to the burner device 16 via the first fresh air supply line 18 together with the recirculated anode exhaust gas and the recirculated cathode exhaust gas, and part of the fresh air can be fed directly to the cathode inlet line 15 or the cathode inlet KI bypassing the burner device 16 be fed.
  • the entire flow of the cathode exhaust gas recirculated via the cathode gas return line 6 is bypassed the burner device 16, namely via the control valve 7 and the second fresh air supply line 19, directly to the cathode inlet line 15 or the cathode inlet KI, and that the fresh air flow a ) is supplied exclusively via the first fresh air supply line 18 and via the burner device 16 or b) partly via the first fresh air supply line 18 and via the burner device 16 and partly via the second fresh air supply line 19, bypassing the burner device 16 directly to the cathode inlet line 15 or the cathode inlet AI is supplied.
  • Anode cathode heat exchanger burner heater cathode exhaust gas return line control valve blower circulation blower fresh air control valve fresh air control valve exhaust gas discharge mixed gas return line fresh air line cathode inlet line burner device anode exhaust gas return line first fresh air supply line second fresh air supply line pre-reforming device

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Abstract

Es wird eine Brennstoffzellenanordnung mit jeweils eine Anode (1) und eine Kathode (2) enthaltenden Brennstoffzellen beschrieben. Eine Frischluftzuführung (18, 19) dient zur Zuführung von Frischluft zu dem Kathodeneingang (KI). Zwischen den Anodenausgang (AO) und den Kathodeneingang (KI) ist über eine Anodenabgarsrückführungsleitung (17) eine Brennereinrichtung (16) zur Nachverbrennung von in dem den Anodenausgang (AO) verlassenden verbrauchten Brenngas enthaltenen brennbaren Restbestandteilen, wahlweise zusammen mit über die Frischluftzuführung (18, 19) zugeführter Frischluft vorgesehen. Erfindungsgemäß enthält die Frischluftzuführung (18, 19) eine an die Brennereinrichtung (16) angeschlossene erste Frischluftzuführungsleitung (18) zur wahlweisen Zuführung von Frischluft zusammen mit dem verbrauchten Brenngas zu der Brennereinrichtung (16), sowie eine zweite Frischluftzuführungsleitung (19) zur Zuführung von Frischluft zum Kathodeneingang (KI) unter Umgehung der Brennereinrichtung (16). Die Menge der íber die erste Frischluftzuführungsleitung (18) der Brennereinrichtung (16) zugeführten Frischluft wird vorzugsweise so eingestellt, dass sich in der Brennereinrichtung (16) eine Temperatur zwischen 750 °C und 1.400 °C, vorzugsweise zwischen 850 °C und 1.250 °C einstellt. Auf diese Weise wird mit der Brennereinrichtung (16) ein 'heißer' Brenner verwirklicht, in welchem weniger edle Katalysatoren verwendet werden können oder in welchem auf Katalysatoren ganz verzichtet werden kann.

Description

BrennstoffZellenanordnung und Verfahren zum Betrieb einer BrennstoffZeilenanordnung
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Er- findung ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Brennstoffzellenanordnung .
Es sind Brennstoffzellenanordnungen bekannt, bei denen die Brennstoffzellen jeweils eine Anode und eine Kathode enthal- ten und die einen Anodeneingang zur Zuführung von frischem Brenngas zu den Anoden und einen Anodenausgang zum Abführen von verbrauchtem Brenngas von den Anoden, einen Kathodeneingang zur Zuführung von frischem Kathodengas zu den Kathoden und einen Kathodenausgang zum Abführen von verbrauchtem Ka- thodengas von den Kathoden, sowie eine Frischluftzufuhrung zur Zuführung von Frischluft zu dem Kathodeneingang und eine über eine Anodenabgasrückführungsleitung zwischen den Anodenausgang und den Kathodeneingang geschaltete Brennereinrich- tung zur Nachverbrennung von in dem den Anodenausgang verlas- senden verbrauchten Brenngas enthaltenen brennbaren Restbestandteilen, wahlweise zusammen mit über die Frischluftzufuhrung zugeführte Frischluft enthalten.
Bei bisher bekannten Brennstoffzellenanordnungen enthält die Brennereinrichtung einen katalytischen Brenner, in welchem die brennbaren Restbestandteile des verbrauchten Brenngases zusammen mit der von außen zugeführten Frischluft bei Temperaturen zwischen ca. 500 bis 700°C verbrannt werden. Diese vergleichsweise niedrigen Verbrennungstemperaturen sind dar- auf zurückzuführen, dass bei den bekannten Brennstoffzellenanordnungen die praktisch gesamte Menge der zugeführten Frischluft und gegebenenfalls das zu einem Teil vom Kathodenausgang ebenfalls zu der Brennereinrichtung zurückgeführte Kathodenabgas aus energetischen Gründen höhere Verbrennungstemperaturen nicht ermöglichten, so dass eine Verbrennung ohne Katalysator, der in der Regel teuer ist und definierte Betriebstemperaturen fordert, unmöglich war.
Die Aufgabe der Erfindung ist es eine Brennstoffzellenanord- nung der genannten Art zu schaffen, bei der die Verbrennung der brennbaren Restbestandteile im verbrauchten Anodenbrenngas bei höherer Temperatur erfolgt. Weiterhin soll durch die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Brennstoff- Zeilenanordnung angegeben werden.
Durch die Erfindung wird eine BrennstoffZeilenanordnung mit einer oder mehreren Brennstoffzellen, die jeweils eine Anode und eine Kathode enthalten, mit einem Anodeneingang zur Zu- führung von frischem Brenngas zu den Anoden und einem Anodenausgang zum Abführen von verbrauchtem Brenngas von den Anoden, mit einem Kathodeneingang zur Zuführung von frischem Kathodengas zu den Kathoden und einem Kathodenausgang zum Abführen von verbrauchtem Kathodengas von den Kathoden, mit ei- ner Frischlu tzufuhrung zur Zuführung von Frischluft zu dem Kathodeneingang und mit einer über eine Anodenabgasrückfüh- rungsleitung zwischen den Anodenausgang und den Kathodeneingang geschalteten Brennereinrichtung zur Nachverbrennung von in dem den Anodenausgang verlassenden verbrauchten Brenngas enthaltenen brennbaren Restbestandteilen, wahlweise zusammen mit über die Frischluftzufuhrung zugeführter Frischluft, geschaffen. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Frischluftzufuhrung eine an die Brennereinrichtung angeschlossene erste Frischluftzuführungsleitung zur wahlweisen Zuführung von Frischluft zusammen mit dem verbrauchten Brenngas zu der Brennereinrichtung und eine zweite Frischluftzuführungsleitung zur Zuführung von Frischluft zum Kathodeneingang unter Umgehung der Brennereinrichtung enthält .
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Brennstoffzel- lenanordnung ist es, dass die Verbrennung der brennbaren Restbestandteile im verbrauchten Brenngas bei höherer Temperatur erfolgen kann, so dass in der Brennereinrichtung weni- ger edle Katalysatoren eingesetzt werden können oder auf Katalysatoren sogar ganz verzichtet werden kann.
Vorzugsweise sind Regeleinrichtungen zum Einstellen der über die erste Frischluftzuführungsleitung und die zweite Frisch- luftzuführungsleitung zugeführten Frischluftmengen vorgesehen.
Vorzugsweise sind weiterhin in der ersten Frischluftzuführungsleitung bzw. der zweiten Frischluftzuführungsleitung je- weilige Gebläse zur Förderung von einstellbaren Frischluftmengen vorgesehen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Brennstof Zeilenanordnung ist eine zwischen den Kathodenaus- gang und die Brennereinrichtung und/oder den Kathodeneingang gekoppelte Kathodenabgasrückführungsleitung zur Rückführung von zumindest einem Teil des Kathodenabgases zu der Brennereinrichtung und/oder dem Kathodeneingang vorgesehen.
Vorzugsweise ist die Kathodenabgasrückführungsleitung zur
Rückführung eines Teils des Kathodenabgases mit der Brennereinrichtung und zur Rückführung eines Teils des Kathodenabgases zum Kathodeneingang, vorzugsweise über die zweite Frischluftzuführungsleitung, mit dem Kathodeneingang gekoppelt, wo- bei vorzugsweise ein Regelventil zum Einstellen des Verhältnisses der zur Brennereinrichtung bzw. zum Kathodeneingang zurückgeführten Kathodenabgasmengen vorgesehen ist.
Vorzugsweise enthält die Brennereinrichtung einen Brenner zum Verbrennen der im Anodenabgas enthaltenen brennbaren Restbestandteile und eine Heizeinrichtung zum Aufheizen der über die erste Frischluftzuführungsleitung zugeführten Frischluft.
Die Brennereinrichtung kann einen katalytischen Brenner enthalten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die Brennereinrichtung einen durch eine Schaumstruktur gebil- deten Brenner.
Der katalytische Brenner kann durch eine auf der Schaumstruktur ausgebildete katalytische Beschichtung gebildet sein.
Vorzugsweise ist die Heizeinrichtung eine elektrische Heizeinrichtung, die durch eine Struktur eines elektrisch leitenden Schaummaterials gebildet ist.
Vorteilhafterweise kann der katalytische Brenner in Form ei- ner katalytischen Beschichtung auf der Schaumstruktur der Heizeinrichtung vorgesehen sein.
Die Schaumstruktur kann aus Edelstahl, vorzugsweise FeCrAlY, aus Stahl oder aus einer leitfähigen Keramik bestehen.
Weiterhin wird durch die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellanordnung der vorstehend genannten Art geschaffen. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Mengen der über die erste Frischluftzuführungsleitung der Bren- nereinrichtung zugeführten Frischluft so eingestellt wird, dass sich bei der Nachverbrennung der im verbrauchten Brenngas enthaltenen brennbaren Restbestandteile in der Brennereinrichtung eine Temperatur zwischen 750°C und 1.400°C, vor- zugsweise zwischen 850°C und 1.250°C einstellt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der gesamte Strom des verbrauchten Brenngases über die Anodengasrückführungsleitung zu der Brennereinrich- tung zurückgeführt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der gesamte Strom des über die Kathodenabgasrückführungsleitung rückgeführten Kathodenabga- ses zu der Brennereinrichtung zurückgeführt.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird von dem Strom des über die Kathodenabgas- rückführungsleitung rückgeführten Kathodenabgases ein Teil zu der Brennereinrichtung zurückgeführt und ein Teil zu dem Kathodeneingang zurückgeführt.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Ströme des verbrauchten Brenngases und des Katho- denabgases ohne weitere Zugabe von Frischluft durch die Brennereinrichtung geführt werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein Teil der zugeführten Frischluft über die erste Frischluftzuführungsleitung der Brennereinrichtung zugeführt werden.
Schließlich kann es gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass der gesamte Strom des über die Kathodenabgasrückführungsleitung zurückgeführten Kathodenabgases unter Umgehung der Brennereinrichtung zu dem Kathodeneingang zurückgeführt wird, und dass der Frischluftstrom ausschließlich über die erste Frischluftzuführungsleitung der Brennereinrichtung zugeführt wird oder teilweise über die erste Frischluftzuführungsleitung der Brennereinrichtung und teilweise über die zweite Frischluftzuführungsleitung unter Umgehung der Brennereinrichtung dem Kathodeneingang zugeführt wird.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung sowie verschiedene Varianten des Verfahrens zum Betrieb einer solchen unter Bezugnahme auf die Figur erläutert.
Die Figur zeigt eine Blockdarstellung einer Brennstoffzellenanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In der Figur ist eine schematische Blockdarstellung einer Brennstoffzellenanordnung gezeigt. Dieser enthält typischerweise eine Anzahl von in Form eines Brennstoffzellenstapels angeordneten Brennstoffzellen, von denen in der Figur zum Zwecke der besseren Übersicht nur eine einzige Brennstoffzelle 22 dargestellt ist.
Die Brennstoffzelle 22 enthält eine Anode 1 und eine Kathode 2 zwischen denen eine in der Figur nicht eigens dargestellte Elektrolytmatrix angeordnet ist. Die Anode verfügt über einen Anodeneingang AI zur Zuführung von frischem Brenngas (Anoden- gas) und einen Anodenausgang AO zum Abführen des verbrauchten Brenngases von der Anode 1. Ebenso verfügt die Kathode 2 über einen Kathodeneingang KI zur Zuführung von frischem Kathodengas und einen Kathodenausgang KO zum Abführen des verbrauchten Kathodengases von der Kathode 2. Das frische Brenngas wird dem Anodeneingang AI von einer Vorreformierungseinrich- tung 20 über einen Wärmetauscher 3 zugeführt. Das verbrauchte Kathodengas wird vom Kathodenausgang KO über den Wärmetauscher 3, wo es seine Abwärme an das frische Brenngas überträgt, an eine Abgasableitung 12 abgegeben. Dem Kathodeneingang KI wird über eine Kat odeneinlassleitung 15 von einer Frischluftzufuhrung 18, 19, welche eine erste Frischluftzuführungsleitung 18 und eine zweite Frischluftzuführungsleitung 19 enthält, Frischluft als Kathodengas zugeführt.
Zwischen dem Anodenausgang AO und dem Kathodeneingang KI ist eine Anodenabgasrückführungsleitung 17 vorgesehen, in welche eine Brennereinrichtung 16 geschaltet ist. Die Brennereinrichtung 16 dient zur Nachverbrennung von in dem verbrauchten Brenngas enthaltenen brennbaren Restbestandteilen.
Die Anodenabgasrückführungsleitung 17 vereinigt sich am Eingang der Brennereinrichtung 16 mit der ersten Frischluftzuführungsleitung 18, über welche Frischluft, die über ein Um- wälzgebläse 9 gefördert und durch ein Frischluftregelventil 10 in ihrer Menge einstellbar ist, wahlweise zur Brennereinrichtung 16 zuführbar ist. Die zweite Frischluftzuführungsleitung 19 dient zur Zuführung von Frischluft, die durch ein Gebläse 8 gefördert wird und deren Menge durch ein Frisch- luftregelventil 11 einstellbar ist, unter Umgehung der Brennereinrichtung 16 direkt zu der Kathodeneinlassleitung 15 bzw. zu dem Kathodeneingang KI.
Eine Kathodenabgasrückführungsleitung 6 ist von einem Punkt der Kathodenabgasleitung 12 stromabwärts des Wärmetauschers 3 einerseits zu der ersten Frischluftzuführungsleitung 18 und andererseits über ein Regelventil 7 zu der zweiten Frischluftzuführungsleitung 19 gekoppelt. Die Kathodenabgasrückfüh- rungsleitung 6 dient zur Rückführung von zumindest einem Teil des Kathodenabgases in der Abgasleitung 12 über die erste Frischluftzuführungsleitung 18 zu der Brennereinrichtung 16 bzw. über das Regelventil 7 und die zweite Frischluftzuführungsleitung 19 direkt zu der Kathodeneinlassleitung 15 bzw. dem Kathodeneingang KI . Der über die Kathodenabgasrückfüh- rungsleitung 6 zurückgeführte Kathodenabgasstrom ist unabhängig von der Menge der durch die erste Frischluftzuführungsleitung 18 und die zweite Frischluftzuführungsleitung 19 rückführbar, also auch wenn das Frischluftregelventil 10 und/oder das Frischluftregelventil 11 geschlossen sind.
Die Brennereinrichtung 16 enthält einen Brenner 4 zum Verbrennen der im Anodenabgas enthaltenen brennbaren Restbestandteile und eine Heizeinrichtung 5 zum Aufheizen der über die erste Frischluftzuführungsleitung 18 zusammen mit dem A- nodenabgas zugeführten Frischluft, gegebenenfalls auch alleine der zugeführten Frischluft, insbesondere beim Anfahren der Brennstoffzellenanordnung.
Der in der Brennereinrichtung 16 enthaltene Brenner 4 kann ein Katalysatormaterial enthalten und ist vorzugsweise durch eine Schaumstruktur gebildet. Das Katalysatormaterial kann durch eine auf der Schaumstruktur ausgebildete katalytische Beschichtung vorgesehen sein.
Die elektrische Heizeinrichtung 5 ist vorzugsweise eine e- lektrische Heizeinrichtung, die insbesondere durch die Struktur des Schaummaterials des Brenners 4 gebildet sein kann, wobei dann ein elektrisch leitendes Schaummaterial vorgesehen ist. Die katalytische Beschichtung kann insbesondere auf der Schaumstruktur der Heizeinrichtung 5 vorgesehen sein, so dass der Brenner 4 und die Heizeinrichtung 5 in einem gemeinsamen Element vorgesehen sein können. Die Schaumstruktur kann ins- besondere aus Edelstahl, vorzugsweise FeCrAlY, aus Stahl oder aus einer leitfähigen Keramik bestehen.
Die Mengen der über die erste Frischluftzuführungsleitung 18 der Brennereinrichtung 16 zugeführten Frischluft wird unter Berücksichtigung der Menge des über die Anodenabgasrückführungsleitung 17 vom Anodenausgang AO zu der Brennereinrichtung 16 zurückgeführten Menge des Anodenabgases so eingestellt, dass sich bei der Nachverbrennung der im verbrauchten Brenngas enthaltenen brennbaren Restbestandteile in der Brennereinrichtung 16 eine Temperatur zwischen 750°C und 1.400°C, vorzugsweise zwischen 850°C und 1.250°C einstellt.
Vorzugsweise wird, wie bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel der Fall, der gesamte Strom des verbrauchten Brenngases von dem Anodenausgang AO über die Anodenabgasrückführungsleitung 17 zu der Brennereinrichtung 16 zurückgeführt .
Was den Strom des über die Kathodenabgasrückführungsleitung 6 rückgeführten Kathodenabgases betrifft, so kann entweder die gesamte Menge des über die Kathodenabgasrückführungsleitung 6 rückgeführten Kathodenabgases der Brennereinrichtung 16 zugeführt werden oder es kann ein Teil zu der Brennereinrichtung 16 zurückgeführt und ein Teil über das Regelventil 7 unter
Umgehung der Brennereinrichtung 16 direkt dem Kathodeneingang KI zugeführt werden. Auch kann es vorgesehen werden, den gesamten Strom des über die Kathodengasrückführungsleitung 6 rückgeführten Kathodenabgases unter Umgehung der Brennerein- richtung 16 direkt der Kathodeneinlassleitung 15 bzw. dem Kathodeneingang KI zuzuführen.
Die Ströme des vom Anodenausgang AO über die Anodenabgasrückführungsleitung 17 zurückgeführten verbrauchten Brenngases und des über die Kathodenabgasrückführungsleitung 6 zurückgeführten verbrauchten Kathodenabgases können ohne weitere Zugabe von Frischluft, d.h. bei geschlossenem Frischluftregelventil 10 durch die Brennereinrichtung 16 geführt werden. Al- ternativ kann ein Teil der Frischluft über die erste Frischluftzuführungsleitung 18 zusammen mit dem rückgeführten Anodenabgas und dem rückgeführten Kathodenabgas der Brennereinrichtung 16 zugeführt und ein Teil der Frischluft über die zweite Frischluftzuführungsleitung 19 unter Umgehung der Brennereinrichtung 16 direkt der Kathodeneinlassleitung 15 bzw. dem Kathodeneingang KI zugeführt werden. Schließlich kann es vorgesehen sein, dass der gesamte Strom des über die Kathodengasrückführungsleitung 6 rückgeführten Kathodenabgases unter Umgehung der Brennereinrichtung 16, nämlich über das Regelventil 7 und die zweite Frischluftzuführungsleitung 19 direkt der Kathodeneinlassleitung 15 bzw. dem Kathodeneingang KI zugeführt wird, und dass der Frischluftstrom a) ausschließlich über die erste Frischluftzuführungsleitung 18 und über die Brennereinrichtung 16 zugeführt wird oder b) teil- weise über die erste Frischluftzuführungsleitung 18 und über die Brennereinrichtung 16 und teilweise über die zweite Frischluftzuführungsleitung 19 unter Umgehung der Brennereinrichtung 16 direkt der Kathodeneinlassleitung 15 bzw. dem Kathodeneingang KI zugeführt wird.
Es besteht somit die Möglichkeit die Verbrennungsbedingungen in der Brennereinrichtung 16 sowohl über die Größe des zurückgeführten KathodenabgasStromes als auch über die Größe des der Brennereinrichtung 16 zugeführten Frischluftstromes über einen sehr weiten Bereich frei zu variieren und damit optimale Verbrennungsbedingungen in der Brennereinrichtung 16 zu realisieren. Für den in der Brennereinrichtung 16 enthaltenen Brenner 4 bedeutet dies, dass weniger edle Katalysato- ren verwendet werden können oder dass auf eine Verwendung von Katalysatoren ganz verzichtet werden kann.
Bezugszeichenliste
Anode Kathode Wärmetauscher Brenner Heizer Kathodenabgasrückführungsleitung Regelventil Gebläse Umwälzgebläse Frischluftregelventil Frischluftregelventil Abgasableitung Mischgasrückführungsleitung Frischluftleitung Kathodeneinlassleitung Brennereinrichtung Anodenabgasrückführungsleitung erste Frischluftzuführungsleitung zweite Frischluftzuführungsleitung Vorreformierungseinrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzellenanordnung mit einer oder mehreren Brennstoffzellen, die jeweils eine Anode (1) und eine Kathode (2) enthalten, mit einem Anodeneingang (AI) zur Zuführung von frischem Brenngas zu den Anoden (1) und einem Anodenausgang (AO) zum Abführen von verbrauchtem Brenngas von den Anoden (1) , mit einem Kathodeneingang (KI) zur Zuführung von frischem Kathodengas zu den Kathoden (2) und einem Kathodenausgang (KO) zum Abführen von verbrauchtem Kathodengas von den Kathoden (2), mit einer Frischluftzufuhrung (18, 19) zur Zuführung von Frischluft zu dem Kathodeneingang (KI) und mit einer über eine Anodenabgasrückführungsleitung (17) zwischen den Anodenausgang (AO) und den Kathodeneingang (KI) geschalteten Brennereinrichtung (16) zur Nachverbrennung von in dem den Anodenausgang (AO) verlassenden verbrauchten Brenngas enthaltenen brennbaren Restbestandteilen, wahlweise zusammen mit über die Frischluftzufuhrung (18, 19) zugeführter Frischluft, dadurch gekennzeichnet, dass die Frischluftzufuhrung (18, 19) eine an die Brennereinrichtung (16) angeschlossene erste Frischluftzuführungsleitung (18) zur wahlweisen Zuführung von Frischluft zusammen mit dem verbrauchten Brenngas zu der Brennereinrichtung (16) und eine zweite Frischluftzuführungsleitung (19) zur Zuführung von Frischluft zum Kathodeneingang (KI) unter Umgehung der Brennereinrichtung (16) ent- hält.
2. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Regeleinrichtungen (10, 11) zum Einstellen der über die erste Frischluftzuführungsleitung (18) und über die zweite Frischluftzuführungsleitung (19) zugeführten Frischluftmengen vorgesehen sind.
3. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, da- durch gekennzeichnet, dass in der ersten Frischluftzuführungsleitung (18) bzw. der zweiten Frischluftzuführungsleitung (19) jeweilige Gebläse (8, 9) zur Förderung von einstellbaren Frischluftmengen vorgesehen sind.
4. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine zwischen den Kathodenausgang (KO) und die Brennereinrichtung (16) und/oder den Kathodeneingang (KI) gekoppelte Kathodenabgasrückführungsleitung (6) zur Rückführung von zumindest einem Teil des Kathodenabgases zu der Brennereinrichtung (16) und/oder dem Kathodeneingang (KI) vorgesehen ist.
5. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenabgasrückführungsleitung (6) zur Rückführung eines Teils des Kathodenabgases mit der Brennereinrichtung (16) und zur Rückführung eines Teils des Kathodenabgases zum Kathodeneingang (KI) , vorzugsweise über die zweite Frischluftzuführungsleitung (19) , mit dem Kathodeneingang gekoppelt ist, wobei vorzugsweise ein Regelventil (7) zum Einstellen des Verhältnisses der zur Brennereinrichtung (16) bzw. zum Kathodeneingang (KI) zurückgeführten Kathodenabgasmengen vorgesehen ist.
6. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennereinrichtung (16) einen Brenner (4) zum Verbrennen der im Anodenabgas enthaltenen brennbaren Restbestandteile und eine Heizeinrichtung (5) zum Aufheizen der über die erste Frischluftzuführungsleitung (18) zugeführten Frischluft enthält.
7. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis
6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennereinrichtung (16) einen katalytischen Brenner enthält.
8. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis
7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennereinrichtung (16) einen durch eine Schaumstruktur gebildeten Brenner (4) enthält.
9. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 7 in Verbindung mit Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der katalytische Brenner (4) durch eine auf der Schaumstruktur ausgebildete katalytische Beschichtung gebildet ist.
10. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 6 in Verbindung mit Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (5) eine elektrische Heizeinrichtung ist, die durch eine Struktur eines elektrisch leitenden Schaummaterials gebildet ist.
11. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 9 in Verbindung mit Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytische Beschichtung auf der Schaumstruktur der Heizeinrichtung (5) vorgesehen ist.
12. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumstruktur aus Edelstahl, vorzugsweise FeCrAlY, aus Stahl oder aus einer leitfähigen Keramik besteht.
13. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge der über die erste Frischluftzuführungsleitung (18) der Brennereinrichtung (16) zugeführten Frischluft so eingestellt wird, dass sich bei der Nachverbrennung der im verbrauchten Brenngas enthaltenen brennbaren Restbestandteile in der Brennereinrichtung (16) eine Temperatur zwischen 750°C und 1.400°C, vorzugsweise zwischen 850°C und 1.250°C ein- stellt.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Strom des verbrauchten Brenngases über die Anodenabgasrückführungsleitung (17) zu der Brennereinrichtung (16) zurückgeführt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14 zum Betrieb einer Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Strom des über die Kathodenabgasrückführungsleitung (6) rückgeführten Kathodenabgases zu der Brennereinrichtung (16) zurückgeführt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14 zum Betrieb einer Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Strom des über die Ka- thodenabgasrückführungsleitung (6) rückgeführten Kathodenabgases ein Teil zu der Brennereinrichtung (16) zurückgeführt und ein Teil zu dem Kathodeneingang (KI) zurückgeführt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Ströme des verbrauchten Brenngases und des Kathodenabgases ohne weitere Zugabe von Frischluft durch die Brennereinrichtung (16) geführt werden.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der zugeführten Frischluft über die erste Frischluftzuführungsleitung (18) der Brennereinrichtung (16) zugeführt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14 zum Betrieb einer Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Strom des über die Kathodenabgasrückführungsleitung (6) zurückgeführten Katho- denabgases unter Umgehung der Brennereinrichtung (16) zu dem Kathodeneingang (KI) zurückgeführt wird, und dass der Frisch- luftstrom über die erste Frischluftzuführungsleitung (18) ausschließlich der Brennereinrichtung (16) zugeführt wird o- der teilweise über die erste Frischluftzuführungsleitung (18) der Brennereinrichtung (16) und teilweise über die zweite
Frischluftzuführungsleitung (19) unter Umgehung der Brennereinrichtung (16) dem Kathodeneingang (KI) zugeführt wird.
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