EP1856758A1 - Reformer, brennstoffzellensystem und verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems - Google Patents

Reformer, brennstoffzellensystem und verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems

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EP1856758A1
EP1856758A1 EP06722551A EP06722551A EP1856758A1 EP 1856758 A1 EP1856758 A1 EP 1856758A1 EP 06722551 A EP06722551 A EP 06722551A EP 06722551 A EP06722551 A EP 06722551A EP 1856758 A1 EP1856758 A1 EP 1856758A1
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fuel cell
exhaust gas
burner
fuel
cell system
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (10) mit einem Reformer (12), der einen Brenner (14) und einen Katalysator (16) umfasst und zum Umsetzen von Brennstoff (18) und Oxidationsmittel (20) zu Reformat (22) vorgesehen ist, und mit einer Brennstoffzelle (24), insbesondere einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle, die auf der Grundlage von durch den Reformer (12) erzeugtem Reformat (22) elektrische Energie erzeugt und dabei Anodenabgas (26) freisetzt. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das System Mittel (28, 30) umfasst, die dazu geeignet sind, das gesamte Anodenabgas (26) dem Brenner (30) zuzuführen. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Reformer (12) zum Umsetzen von Oxidationsmittel (20) und Brennstoff (18) zu Reformat (22), ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10) sowie ein Verfahren zum Umsetzen von Brennstoff (18) und Oxidationsmittel (20) zu Reformat (22).

Description

Reformer, BrennstoffZeilensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem Reformer, der einen Brenner und einen Katalysator umfasst und zum Umsetzen von Brennstoff und Oxidationsmittel zu Re- format vorgesehen ist, und mit einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle, die auf der Grundlage von durch den Reformer erzeugtem Reformat elektrische Energie erzeugt und dabei Anodenabgas freisetzt.
Weiterhin betrifft die Erfindung einen Reformer zum Umsetzten von Oxidationsmittel und Brennstoff zu Reformat, das zum Betrieb einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle, geeignet ist, wobei der Reformer einen Brenner und einen diesem nachgeschalteten Katalysator umfasst.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Hochtemperatur-BrennstoffZeilensystems, mit den folgenden Schritten:
Umsetzen von Brennstoff und Oxidationsmittel zu Reformat, in einem Reformer, der einen Brenner und einen Katalysator umfasst,
Erzeugen von elektrischer Energie in einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle, auf der Grundlage von Reformat, und dabei Freisetzen von Anodenabgas. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Umsetzen von Brennstoff und Oxidationsmittel zu Reformat, das zum Betrieb einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle, geeignet ist.
Brennstoffzellensysteme, insbesondere zum Betrieb mit flüssigen Brennstoffen wie Benzin oder Diesel ausgelegte Brennstoffzellensysteme, benötigen eine Reformierungseinheit, welche ein Gemisch aus einem Oxidationsmittel, in der Regel Luft, und Brennstoffdampf zu einem Wasserstoffreichen Reformat umsetzen, mit dem die Brennstoffzelle betrieben werden kann. Brennstoffzellensysteme, insbesondere Hochtemperatur-Brennstoffzellensysteme wie SOFC-Brennstoff- zellensysteme, sind häufig so ausgelegt, dass ein Teil des Anodenabgases vor den Reformer oder andere Komponenten der Brenngasaufbereitung zurückgeführt wird. Der nicht zurückgeführte Teil des Anodenabgases wird in einem Nachbrenner vollständig verbrannt, so dass das aus dem Nachbrenner austretende Abgas in die Umgebung abgegeben werden kann.
Demgemäß sind bei derartigen Lösungen zwei Brenner erforderlich, nämlich ein dem Reformer zugeordneter Brenner und ein Nachbrenner, wodurch sich eine hohe Komplexität der bekannten Systeme ergibt, was zu hohen Kosten führt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Komplexität der gattungsgemäßen Systeme sowie der gattungs- gemäßen Verfahren zu senken.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst . Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass Mittel vorgesehen sind, die dazu geeignet sind, das gesamte Anodenabgas dem Brenner zuzuführen. Durch diese Lösung werden die Vorteile einer Rückführung des Anodenabgases mit denen eines Reformerbrenners kombiniert . Insbesondere kann der beim Stand der Technik erforderliche Nachbrenner entfallen, so dass die Komplexität des Systems gesenkt werden kann, was zu niedrigeren Kosten führt.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist vorgesehen, dass es nur eine einzige Abgasabführung zum Abführen von Abgas an die Umgebung aufweist, wobei die Abgasabführung zwischen dem Brenner und dem Katalysator vorgesehen ist. Dabei führt der Brenner vorzugsweise eine zumindest im Wesentlichen voll- ständige Verbrennung durch.
Für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem wird weiterhin bevorzugt, dass es eine erste BrennstoffZuführung aufweist, die zwischen der Abgasabführung und dem Katalysa- tor vorgesehen ist. Diese Art der KraftstoffZuführung in das aus dem Brenner austretende, nicht in die Umgebung abgeführte Abgas ist aufgrund der Tatsache, dass der Brenner eine im Wesentlichen vollständige Verbrennung durchführt, erforderlich, um den Katalysator eine zur Bildung des Re- formats geeignete Abgas/Brennstoff-Mischung zuzuführen.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass es eine zweite Brennstoffzufüh- rung aufweist, die dem Brenner zugeordnet ist. Der Kraftstoff kann dem Brenner dabei sowohl zusammen mit dem Anodenabgas beziehungsweise dem Oxidationsmittel als auch separat zugeführt werden. In vielen Fällen ist es jedoch nicht erforderlich dem Brenner permanent Kraftstoff zuzuführen, da im Normalbetrieb die Mischung aus Anodenabgas und Oxidationsmittel (in der Regel Luft) zum Betrieb des Brenners zumindest zeitweise ausreicht. Insbesondere in der Startphase ist es jedoch vorteilhaft oder sogar erforder- lieh, dem Brenner über die zweite BrennstoffZuführung direkt Brennstoff zuzuführen.
Für das erfindungsgemäße BrennstoffZeilensystem wird weiterhin bevorzugt, dass das Oxidationsmittel dem Brenner in Form eines Oxidationsmittelstroms zugeführt wird und dass das Anodenabgas dem Oxidationsmittelstrom zugeführt wird. Bei dieser Lösung wird bevorzugt, dass dem Brenner separat Kraftstoff zugeführt wird.
In diesem Zusammenhang wird bevorzugt, dass die Mittel einen Injektor umfassen, um das Anodenabgas dem Oxidationsmittelstrom zuzuführen. Der Injektor kann beispielsweise nach Art einer Venturidüse ausgebildet sein, an der ein Unterdruck entsteht, der den Gasumlauf fördert und Abgase vom Ausgang der Brennstoffzelle ansaugt.
Für das erfindungsgemäße BrennstoffZellensystem wird weiterhin bevorzugt, dass Luft als Oxidationsmittel verwendet wird und dass die Mittel zur Erzeugung des Oxidationsmit- telstroms ein Gebläse umfassen. Das Gebläse ist bei bevorzugten Ausführungsformen vor dem Injektor angeordnet, das heißt derart, dass sich der Injektor zwischen dem Gebläse und dem Brenner befindet. Der erfindungsgemäße Reformer baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass der Brenner dazu ausgelegt ist, eine im Wesentlichen vollständige Verbrennung durchzuführen, wobei aus dem Brenner austretendem Abgas Brennstoff zugeführt wird, um eine Abgas/Brennstoff- Mischung zu erzeugen, die dem Katalysator zugeführt wird. Auch durch diese Lösung kann der beim Stand der Technik erforderliche Nachbrenner entfallen, so dass sich ein einfa- cherer Systemaufbau ergibt. Die vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem erläuterten Ausführungsformen lassen sich zum großen Teil sinngemäß auf den erfindungsgemäßen Reformer übertragen, weshalb auch derartige Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Reformers als offenbart gelten sollen. Dies gilt insbesondere für die Art der Abgasabführung zwischen dem Brenner und dem Katalysator sowie die Art der BrennstoffZuführung zu dem Brenner.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Brenn- stoffzellensystems baut auf dem gattungsgemäßen Stand der
Technik dadurch auf, dass das gesamte Anodenabgas dem Brenner zugeführt wird. Dadurch ergeben sich die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem erläuterten Eigenschaften und Vorteile in gleicher oder ähn- licher Weise, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die entsprechenden Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem verwiesen wird.
Gleiches gilt sinngemäß für die folgenden bevorzugten Aus- führungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auch diesbezüglich auf die entsprechen- den Ausführungen im Zusammenhang mit erfindungsgemäßen BrennstoffZeilensystem verwiesen wird.
Für das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt, dass nur eine einzige Abgasabführung in die Umgebung erfolgt, wobei das Abgas zwischen dem Brenner und dem Katalysator abgeführt wird.
Dabei wird es als vorteilhaft erachtet, dass zwischen der Abgasabführung und dem Katalysator Brennstoff zugeführt wird.
Weiterhin ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass dem Brenner zumindest zeitweise Brennstoff zuge- führt wird, vorzugsweise zumindest in der Startphase.
Für das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems wird es weiterhin als vorteilhaft erachtet, dass das Anodenabgas einem Oxidationsmittelstrom zugeführt wird.
Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass das Anodenabgas dem Oxidationsmittelstrom über einen Injektor zugeführt wird.
Im vorstehend erläuterten Zusammenhang wird es weiterhin als vorteilhaft erachtet, dass Luft als Oxidationsmittel verwendet wird und dass zur Erzeugung des Oxidationsmittel- Stroms ein Gebläse verwendet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Umsetzen von Brennstoff und Oxidationsmittel zu Reformat baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass es die folgenden Schritte umfasst: Durchführen einer im Wesentlichen vollständigen Verbrennung in einem Brenner,
- Zuführen von Brennstoff zu aus . dem Brenner austretendem Abgas, um eine Abgas/Brennstoff-Mischung zu erzeugen, und
Zuführen der Abgas/Brennstoff-Mischung zu einem Kata- lysator, um Reformat bereitzustellen.
Auch in diesem Fall kann auf einen beim Stand der Technik erforderlichen Nachbrenner verzichtet werden, so dass die Kosten zur Durchführung des Verfahrens sinken.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Umsetzen von Brennstoff und Oxidationsmittel zu Reformat kann in vorteilhafter Weise durch die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beziehungsweise dem erfindungsgemä- ßen Verfahren zum Betreiben eines BrennstoffZellensystems erläuterten Verfahrensschritte weitergebildet sein, und auch derartige Verfahrensvarianten sollen als offenbart gelten. Dies gilt auch in diesem Fall, insbesondere für die Art der Abgasabführung zwischen dem Brenner und dem Kataly- sator sowie die Art der BrennstoffZuführung zu dem Brenner.
Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, das gesamte Anodenabgas dem Reformerbrenner zuzuführen und in diesem Reformerbrenner eine zumindest im Wesentlichen voll- ständige Verbrennung durchzuführen. In diesem Fall kann das aus dem System abzuführende Abgas unmittelbar hinter dem Reformerbrenner abgeleitet werden, und es ist kein separater Nachbrenner erforderlich. Weiterhin ist die Mischung aus Anodenabgas und Oxidationsmittel (in der Regel Luft) in vielen Fällen zumindest im Normalbetrieb dazu geeignet den Brenner zu betreiben, ohne ihm direkt Brennstoff zuzuführen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beispielhaft erläutert.
Es zeigt :
Figur 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellen- systems, das einen erfindungsgemäßen Reformer ura- fasst und zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren geeignet ist.
Bei dem in Figur 1 dargestellten Brennstoffzellensystem 10 handelt es sich um ein SOFC-Hochtemperatur-Brennstoff- zellensystem. Das System umfasst einen Reformer 12, der ei- nen Brenner 14 und einen Katalysator 16 aufweist. Der Reformer 12 ist dazu vorgesehen, Reformat 22 zu erzeugen, mit dem eine Brennstoffzelle 24 betrieben werden kann. Erfindungsgemäß sind Mittel 28, 30 vorgesehen, mit denen es möglich ist, das gesamte aus der Brennstoffzelle 24 austreten- de Anodenabgas 26 dem Brenner 14 zuzuführen. Diese Mittel umfassen im dargestellten Fall ein Gebläse 28 und einen Injektor 30, der in vorteilhafter Weise nach dem Venturiprin- zip arbeiten kann. Das Gebläse 28 fördert über den Injektor 30 als Oxidationsmittel dienende Luft 20, die zum Betrieb des Brenners 14 im Reformer 12 erforderlich ist. Hierdurch entsteht am Injektor 30 ein Unterdruck, der wiederum den Gasumlauf fördert und Anodenabgas 26 vom Ausgang der Brennstoffzelle 24 ansaugt. Neben der Luft 20 und dem Anodenab- gas 26 wird dem Brenner 14 über eine zweite BrennstoffZuführung 36 Brennstoff zugeführt, der in dem Brenner 14 vollständig verbrannt wird. In dem Teil des Brennerabgases 38, welches vom Injektor 30 über die Brennstoffzelle 24 und den Katalysator 16 angesaugt wurde, wird über eine erste BrennstoffZuführung 34 Brennstoff 18 eingebracht, so dass dem Katalysator 16 eine Abgas/Brennstoff-Mischung zugeführt wird, die zur Erzeugung des Reformats 22 geeignet ist. Der nicht angesaugte Teil des Brennerabgases verlässt über eine Abgasabführung 32 als Abgas das System. Im Reformerkatalysator 16 erfolgt die Reformierung des Abgas/Brennstoff- Gemisches zu Wasserstoffhaltigem Reformat 22, welches in der Brennstoffzelle 24 zum großem Teil in Strom umgesetzt wird. Das verbleibende Anodenabgas 26 wird über den Injek- tor 33 erneut dem Reformierungsprozess zugeführt. Durch das in dem Anodenabgas 26 enthaltene Wasser wird der Reformie- rungsprozess positiv beeinflusst und eine Russbildung zumindest größtenteils vermieden. Weiterhin steigt durch die erfindungsgemäße Lösung der Systemwirkungsgrad.
Da der beim Stand der Technik erforderliche Nachbrenner erfindungsgemäß entfallen kann, werden für ein vollständiges Brennstoffzellensystem 10 als Hauptkomponenten nur noch der Reformer 12 und die Brennstoffzelle 24 benötigt, wodurch sich die Komplexität und damit die Systemkosten erheblich senken lassen.
Die Erfindung ist, ohne darauf beschränkt zu sein, insbesondere für mobile Anwendungen geeignet, beispielsweise im Zusammenhang mit sogenannten APUs (Auxiliary Power Units / zusätzliche Energiequellen) für Kraftfahrzeuge. Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
Bezugszeichenliste
10 Brennstoffzellensystem
12 Reformer
14 Brenner 16 Katalysator
18 Brennstoff
20 Oxidationsmittel 22 Reformat
24 Brennstoffzelle 26 Anodenabgas
28 Gebläse
30 Injektor
32 Abgasabführung
34 erste BrennstoffZuführung 36 zweite BrennstoffZuführung
38 Abgasabführung
40 Abgas/Brennstoff-Mischung

Claims

ANSPRUCHE
1. Brennstoffzellensystem (10) mit einem Reformer (12), der einen Brenner (14) und einen Katalysator (16) umfasst und zum Umsetzen von Brennstoff (18) und Oxidationsmittel (20) zu Reformat (22) vorgesehen ist, und mit einer Brennstoffzelle (24) , insbesondere einer Hochtemperatur- Brennstoffzelle, die auf der Grundlage von durch den Reformer (12) erzeugtem Reformat (22) elektrische Energie erzeugt und dabei Anodenabgas (26) freisetzt, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (28, 30) vorgesehen sind, die dazu geeignet sind, das gesamte Anodenabgas (26) dem Brenner (14) zuzuführen.
2. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es nur eine einzige Abgasabführung
(32) zum Abführen von Abgas an die Umgebung aufweist, wobei die Abgasabführung (32) zwischen dem Brenner (14) und dem
Katalysator (16) vorgesehen ist.
3. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es eine erste BrennstoffZuführung (34) aufweist, die zwischen der Abgasabführung (32) und dem Katalysator (16) vorgesehen ist.
4. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine zweite BrennstoffZuführung (36) aufweist, die dem Brenner
(14) zugeordnet ist.
5. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxidati- onsmittel (20) dem Brenner (14) in Form eines Oxidations- mittelstroms zugeführt wird und dass das Anodenabgas (26) dem Oxidationsmittelstrom zugeführt wird.
6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (28, 30) einen Injektor (30) umfassen, um das Anodenabgas (26) dem Oxidationsmittelstrom zuzuführen.
7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass Luft als Oxidationsmittel (20) verwendet wird und dass die Mittel (28, 30) zur Erzeugung des O- xidationsmittelstroms ein Gebläse (28) umfassen.
8. Reformer (12) zum Umsetzten von Oxidationsmittel (20) und Brennstoff (18) zu Reformat (22), das zum Betrieb einer Brennstoffzelle (24) , insbesondere einer Hochtemperatur- Brennstoffzelle, geeignet ist, wobei der Reformer (12) einen Brenner (14) und einen diesem nachgeschalteten Katalysator (16) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (14) dazu ausgelegt ist, eine im Wesentlichen vollständige Verbrennung durchzuführen, wobei aus dem Brenner aus- tretendem Abgas (38) Brennstoff (18) zugeführt wird, um eine Abgas/Brennstoff-Mischung (40) zu erzeugen, die dem Katalysator (16) zugeführt wird.
9. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10) , insbesondere eines Hochtemperatur-Brennstoff- zellensystems, mit den folgenden Schritten: Umsetzen von Brennstoff (18) und Oxidationsmittel (20) zu Reformat (22) , in einem Reformer (12) , der einen Brenner (14) und einen Katalysator (16) umfasst,
- Erzeugen von elektrischer Energie in einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle, auf der Grundlage von Reformat (22), und dabei Freisetzen von Anodenabgas (26) ,
dadurch gekennzeichnet, dass das gesamte Anodenabgas (26) dem Brenner (14) zugeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass nur eine einzige Abgasabführung (32) in die Umgebung erfolgt, wobei das Abgas zwischen dem Brenner (14) und dem Katalysator (16) abgeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Abgasabführung (32) und dem Katalysator (16) Brennstoff (18) zugeführt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem Brenner (14) zumindest zeitweise Brennstoff (18) zugeführt wird, vorzugsweise zumindest wäh- rend der Startphase.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Anodenabgas (26) einem Oxidations- mittelstrom (20) zugeführt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Anodenabgas (26) dem Oxidationsmittelstrom (20) über einen Injektor (30) zugeführt wird. - IS ¬
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass Luft als Oxidationsmittel (20) verwendet wird und dass zur Erzeugung des Oxidationsmittelstroms (20) ein Gebläse (28) verwendet wird.
16. Verfahren zum Umsetzen von Brennstoff (18) und Oxida- tionsmittel (20) zu Reformat (22) , das zum Betrieb einer Brennstoffzelle (24) , insbesondere einer Hochtemperatur- Brennstoffzelle, geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst :
Durchführen einer im Wesentlichen vollständigen Verbrennung in einem Brenner (14) ,
Zuführen von Brennstoff (18) zu aus dem Brenner (14) austretendem Abgas (38) , um eine Abgas/Brennstoff- Mischung (40) zu erzeugen, und
- Zuführen der Abgas/Brennstoff-Mischung (40) zu einem Katalysator (16) , um Reformat (22) bereitzustellen.
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