EP2909884A1 - Chromresistentes brennstoffzellensystem und verfahren zum betrieb desselben - Google Patents

Chromresistentes brennstoffzellensystem und verfahren zum betrieb desselben

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EP2909884A1
EP2909884A1 EP13773679.9A EP13773679A EP2909884A1 EP 2909884 A1 EP2909884 A1 EP 2909884A1 EP 13773679 A EP13773679 A EP 13773679A EP 2909884 A1 EP2909884 A1 EP 2909884A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel cell
chromium
cell system
cathode
absorbing
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13773679.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Schulze
Birgit Thoben
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2909884A1 publication Critical patent/EP2909884A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • 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
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
    • H01M8/243—Grouping of unit cells of tubular or cylindrical configuration
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1213—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material
    • H01M8/1226—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material characterised by the supporting layer
    • 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

  • Chromium-resistant fuel cell system Chromium-resistant fuel cell system and method of operating the same
  • the present invention relates to a fuel cell system and a method of operating the same according to the preamble of the independent claims.
  • High-temperature fuel cells such as solid oxide fuel cells (SOFC) have in a preferred embodiment tubular, oxide-ceramic fuel cell units, which may be designed open on both sides, for example, so that fuel gas can be passed through the tubular fuel cell unit.
  • SOFC solid oxide fuel cells
  • Fuel cell units are also performed closed on one end side, in which case the fuel gas is preferably introduced via a lance into the interior of the fuel cell tube.
  • the outside of each fuel cell tube is lapped with air.
  • the oxide-ceramic tube acts as a solid electrolyte and is coated on its inside with a layered anode and on its outside with a layered cathode.
  • Such an embodiment can be found for example in DE 10 2010 001 988.
  • the SO.sub.FC fuel cell stack is preferably located in its own housing, the so-called "hot box.”
  • the SOFC fuel cell stack becomes preferably supplied with preheated air having a temperature> 620 ° C. To ensure the warming up of the air, this is
  • Heat exchanger absorbs the air to be heated in dependence on temperature and humidity chromium compounds, which it emits, for example, within the SO FC fuel cell stack to the material of the cathode placed there again. This results in poisoning of the cathodes of the SOFC fuel cell stack. As a result, degradation of the SOFC
  • Fuel cell stacks and associated with a performance penalty of the same Fuel cell stacks and associated with a performance penalty of the same.
  • Feed gases for the cathode region of the fuel cell are kept continuously at an extremely low moisture level. This is achieved both physically and chemically. This solution is technically complex. It is therefore an object of the present invention to provide a fuel cell system or a method for operating the same in which chromium poisoning of cathodes of a fuel cell stack can be successfully avoided and thus degradation of the fuel cell stack is prevented.
  • Fuel cell system in which a cathode of the fuel cell system, an oxygen-containing gas such as air is supplied, a material is provided, which carried in the oxygen-containing gas stream
  • Chromium absorbed or adsorbed Chromium absorbed or adsorbed. In this way, chromium compounds are removed from the oxygen-containing gas mixture to be supplied to the cathode before it is in contact with the cathode of the
  • Fuel cell system can come. This allows prevention of chromium poisoning of the cathode of the fuel cell system in a technically simple yet effective way.
  • the chromium-absorbing material is part of a sacrificial cathode, which is positioned in the air inlet region of the fuel cell and connected to an anode such that at the sacrificial cathode
  • the sacrificial cathode serves the removal
  • chromium-containing compounds from an oxygen-containing the fuel cell to be supplied gas mixture without their degradation to a
  • the chromium-absorbing material corresponds to a material which is also part of the cathodes of the fuel cell system.
  • This may be, for example, (La, Sr) Mn0 3 (LSM) or (La, Sr) (Co, Fe) 0 3 (LSCF) act.
  • chromium-absorbing material as they would also be bonded to surfaces of the cathode of the fuel cell unit.
  • At least one tube is occupied by the chromium-absorbing material, in particular on the outside thereof, instead of with a fuel cell cathode.
  • Fuel cell unit supplied oxygen-containing gas mixture can be effected.
  • the chromium-absorbing material is in the form of an exchangeable unit within the fuel cell system or in particular within one
  • Fuel cell unit of the fuel cell system positioned. This makes it possible to exchange the chromium-absorbing material, which acts as a so-called getter, without having to replace the fuel cell unit per se.
  • chromium-absorbing material is suitably checked continuously, preferably in a suitable manner, for its further absorption capacity for chromium-containing compounds. This can be done, for example, by switching the chromium-absorbing material as a cathode and monitoring its cathodic potential. If this deviates from an original value beyond a predetermined threshold value, it is concluded that chromium-containing compounds are at least largely occupied by the chromium-absorbing material and, for example, an exchange of the chromium-absorbing material is initiated.
  • This embodiment contributes in a technically simple manner to a high reliability of
  • FIG. 1 is a schematic cross section of a fuel cell unit of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a schematic cross section of a fuel cell unit of a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a schematic longitudinal section of a fuel cell unit of a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a schematic longitudinal sectional view of a fuel cell unit of a fuel cell system according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic cross section of a fuel cell unit of a fuel cell system according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a fuel cell system 10 according to a first embodiment of the present invention. This includes one
  • Fuel cell unit 12 which in turn comprises a plurality of individual fuel cells, of which, by way of example, the fuel cells 14a - 14d with Reference signs are marked.
  • the fuel cells 14a-14d are designed, for example, in the form of high-temperature fuel cells (SOFC), which comprise a cylindrical one-sided closed ceramic tube 16a-16d.
  • SOFC high-temperature fuel cells
  • the tube 16a-16d acts as a solid electrolyte, on the surface of which corresponding anodes or cathodes, not shown, of the individual fuel cells 14a-14d are applied.
  • the fuel cell unit 12 comprises an air inlet 18 and an air outlet 20.
  • the fuel cell unit 12 is supplied with air via the air inlet 18, which preferably circumscribes the outer surfaces of the ceramic electrolytes embodied as tubes 16a-16d. These are in turn occupied by cathodes, not shown, of the individual fuel cells 14a-14d.
  • the air is finally discharged via the air outlet 20 from the fuel cell unit 12.
  • Air input portion 22 of the fuel cell unit 12 a means 24 for
  • the means 24 for absorbing chromium-containing compounds is designed, for example, as a coating on a wall of the air inlet region 22 of the fuel cell unit 12.
  • This coating contains a substance capable of absorbing chromium-containing compounds.
  • This substance may, for example, be a so-called getter material, which contains opposite in the air supplied to the fuel cell unit 12
  • Chromium compounds is chemically reactive and binds. These may be, for example, (La, Sr) (Co, Fe) O 3 (LSCF), (La, Sr) CoO 3 (LSC), a lanthanum strontium ferrite (LSF) or (La, Sr) Mn0 3 (LSM) act.
  • the means 24 for absorbing chromium-containing compounds is connected as the cathode of an electrochemical cell and acts in particular if the means 24 for absorbing chromium-containing compounds additionally contains at least one material, as also for the cathodes of the corresponding fuel cells 14a-14d is used as a sacrificial cathode.
  • This effect is based on the fact that the sacrificial cathode means 24 for the absorption of chromium-containing compounds even before the cathodes of the
  • Fuel cells 14a - 14d of the supplied air which optionally contains chromium-containing compounds, is exposed and thus poisoning of the sacrificial cathode occurs, whereby poisoning of the cathode of the fuel cell 14a - 14d is at least largely avoided.
  • Air input portion 22 of the fuel cell unit 12 is executed, but that, for example, the air inlet portion 22 of the fuel cell unit 12 is at least partially or entirely made of a material for absorbing chromium-containing compounds and thus acts as a means 24 for absorbing chromium-containing compounds.
  • Fuel cell system 10 the supply of air to the
  • Fuel cell unit 12 serve, in whole or in part of a
  • Chromium compounds absorb material or be coated with such a material and thus be used as a means 24 for absorption of chromium-containing compounds.
  • a fuel cell system 10 according to a second embodiment of the present invention is shown in FIG. It includes the
  • Cathodes due to the positioning of the other fuel cells 14e - 14h in the air inlet region 22 of the fuel cell unit 12 act as sacrificial cathodes. Alternatively, however, it is also possible to arrange the further fuel cells 14e-14h statistically distributed within the fuel cell unit 12.
  • fuel cells or high temperature fuel cells are used.
  • these are, for example, (La, Sr) MnO 3 (LSM) or (La, Sr) (Co, Fe) O 3 (LSCF).
  • FIG. 1 Another embodiment of a fuel cell system according to the present invention is shown in FIG. 1
  • the fuel cell unit 12 has further fuel cell units 14i, 14j.
  • the further fuel cells 14i, 14j each contain an electrolyte body 40 which, with regard to its geometric configuration, predetermines the mechanical structure of the fuel cells 14i, 14j.
  • the electrolyte body 40 has a wall thickness which causes a sufficient rigidity of the fuel cell 14i, 14j. It is embodied, for example, from a corresponding ceramic material which, for example, partially or fully stabilized zirconium dioxide, is suitable for use in high-temperature fuel cells.
  • a first electrode material 46 is provided, which forms an anode
  • a second electrode material 42 which represents a cathode
  • the fuel cell unit 12 shown represents only one embodiment of the present invention, wherein the features of the present invention also apply to fuel cells, which are used as anode or
  • cathode-supported SOFC - fuel cells are executed.
  • the anode or cathode material itself is formed as a stiffened body, which causes the mechanical structure of the fuel cell.
  • the SOFC fuel cells are carried inert supported.
  • the electrolyte body 40 is designed as a closed-end body, wherein a cap 48 is provided, which closes the free end of the electrolyte body 40, which is arranged opposite a flange portion 44.
  • the fuel cell 14i, 14j can with a fuel gas, preferably with
  • Hydrogen operated, which passes through a supply channel 47 first into a main body 45 of the fuel cell unit 12 and then into a lance 43. Through the lance 43, the fuel gas is passed to the free end of the electrolyte body 40 and exits there from the lance 43. The fuel gas exiting the end of the lance 43 subsequently flows around the inner first electrode material 46. On the outer side, the second electrode material 42 acting as the cathode is surrounded by air in a manner not shown in more detail.
  • At least part of the cathodes is subdivided into two compartments which are electrically separated from one another by insulating layers 45, for example, where the air supplied to the fuel cell unit 12 is most exposed
  • Cathode is designed as a sacrificial cathode and thus as a means 24 for absorbing chromium-containing compounds.
  • the sacrificial cathode for example, the part of the second electrode material 42 facing the closed end of the tube serving as the electrolyte is designed as a means 24 for absorbing chromium-containing compounds, but alternatively or additionally, other regions of the cathode of the fuel cells 14i, 14j may also be used Means 24 are carried out for the absorption of chromium-containing compounds.
  • FIG. 1 Another embodiment of a fuel cell system according to the present invention is shown in FIG. 1
  • the fuel cell unit 12 also has more
  • the further fuel cells 14i, 14j each contain, as carrier, an inert ceramic body 41, which in terms of its geometrical configuration the mechanical structure of the
  • Fuel cells 14i, 14j pretends.
  • the inert ceramic body 41 in this case has a wall thickness which has sufficient rigidity
  • Fuel cell 14i, 14j causes. It is, for example, made of a corresponding ceramic material such as, for example, aluminum oxide.
  • a first electrode material 46 is provided, which forms an anode, and a second electrode material 42, which represents a cathode.
  • a second electrode material 42 which represents a cathode.
  • an electrolyte layer which corresponds in function to the electrolyte body 40 of the embodiment according to FIG.
  • the layer sequence formed from the first electrode material 46, the electrolyte body 40 and the second electrode material 42 is preferably positioned inside and thus on the fuel gas exposed side of the inert ceramic body 41 that the second, the cathode forming
  • Electrode material 42 is arranged flat on the surface of the inert ceramic body 41.
  • the inert ceramic body 41 is designed as a closed end body, wherein a cap 48 is provided, which is the free end of the
  • Electrolyte body 40 which is arranged opposite a flange portion 44 closes.
  • the fuel cell 14i, 14j can with a fuel gas, preferably with
  • Hydrogen operated, which passes through a supply channel 47 first into a main body 45 of the fuel cell unit 12 and then into a lance 43. Through the lance 43, the fuel gas is passed to the free end of the inert ceramic body 41 and exits there from the lance 43. The fuel gas leaving the end of the lance 43 subsequently flows around the inner first electrode material 46.
  • a porous cathode is provided as means for absorbing chromium-containing compounds and serves as a sacrificial cathode. This is electrically contacted separately and each to an electrochemical cell connected. This can, for example, have a deviating, in particular negative, potential with respect to the cathodes of the fuel cells 14i, 14j.
  • FIG. 1 A fifth embodiment of a fuel cell system according to the present invention is shown in FIG.
  • the fuel cell unit 12 comprises an electrolyte membrane 52a, 52b, 52c, which is coated at least in regions on a first large area, which, for example, forms the inside of a tube formed by the electrolyte membrane 52, with the preferably planar first electrode material 46 functioning as the anode.
  • the electrolyte membrane 52a, 52b, 52c is preferably formed on its second large area opposite the first large area, which is formed, for example, by the outside of the electrolyte membrane 52a, 52b, 52c in the form of a tube, with the second cathode acting as the cathode
  • Electrode material 42 at least partially coated.
  • electrolyte membrane 52a, 52b, 52c forms the support structure of
  • electrolyte membrane 52a, 52b, 52c continue to be wavy in shape, at least in some areas, it is possible, for example, by means of suitable interconnectors 54 each of the in the interior of the tube formed by the electrolyte membrane 52a, 52b, 52c areas of Electrolyte membrane 52a, 52b, 52c with further, these inwardly facing areas opposite, also inwardly facing other areas of the electrolyte membrane 52a, 52b, 52c to connect so that the tube formed from the electrolyte membrane 52a, 52b, 52c in further, spatially separated subunits is subdivided, which in turn each form a sealed gas space 58a, 58b, 58c, 58d in the form of a tube.
  • a honeycomb-shaped basic structure can also be selected.
  • the inner gas spaces 58a, 58b, 58c, 58d with an oxidizable, preferably gaseous fluid such as hydrogen, methane or gaseous methanol fed.
  • gaseous fluid such as hydrogen, methane or gaseous methanol fed.
  • the outer surface of the electrolyte membrane 52a, 52b, 52c provided with the second electrode material 42 functioning as a cathode is brought into contact with a preferably gaseous oxidizing agent such as air or pure oxygen, which is guided in corresponding second gas spaces 54a, 54b, 54c, 54d.
  • a gaseous oxidizing agent such as air or pure oxygen
  • Electrode material 46, 42 which can be tapped and used by a suitable external periphery.
  • acting second electrode material 42 to prevent the air-acted second gas chambers 54a, 54b, 54c, 54d occupied, for example, in their air inlet side area with a not shown here means 24 for the absorption of chromium-containing compounds.
  • This can, as already described above, in the form of a coating by a getter material for
  • the means 24 for absorbing chromium-containing compounds is designed, for example, as a replaceable unit, and thus reversibly connected to the fuel cell system 10.
  • this can be exchanged and replaced by an unused embodiment.
  • Fuel cell unit 12 are reversibly connected as an exchangeable element with the fuel cell unit 12 and / or with the air supply 18 and replaced together with the positioned therein means 24 for absorption of chromium-containing compounds, if necessary.
  • the air inlet area 22 of the fuel cell unit 12 or the air supply 18 itself is formed by a material containing chromium
  • chromium-containing compounds with chromium-containing compounds is at least largely saturated, a corresponding sensor, for example, in the air-conveying system of the fuel cell system 10 to the means 24 for
  • Absorption of chromium-containing compounds to be positioned downstream detects the concentration of chromium-containing compounds in a flowing past the sensor gas mixture.
  • a switched as a sacrificial cathode means 24 for the absorption of chromium-containing compounds in the context of the present application can be used, wherein the potential of the sacrificial cathode is monitored, and in
  • Deviation of the potential on an occupancy of the sacrificial cathode of the sensor is closed with chromium-containing compounds and the replacement of the means 24 for the absorption of chromium-containing compounds is caused.
  • High-temperature fuel cells SOFC such as in cogeneration plants or in power plants for power generation.

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Abstract

Es wird ein Brennstoffzellensystem beschrieben mit einer Brennstoffzelleneinheit (12), umfassend mindestens eine Anode (46) und eine Kathode (42), die über einen Elektrolyten (16a - 16d, 40, 52a - 52c) miteinander in elektrischem Kontakt stehen, wobei die Anode (46) mit einem Brenngas beaufschlagt wird und die Kathode (42) mit einem sauerstoffhaltigen Gas, insbesondere Luft, über luftführende Komponenten (18, 22) des Brennstoffzellensystems (10) beaufschlagt wird. Dabei ist zumindest im Bereich der luftführenden Komponenten (18, 22) ein Chromverbindungen absorbierendes oder adsorbierendes Material (24) vorgesehen, das in Kontakt mit dem der Kathode (42) zugeführten sauerstoffhaltigen Gasgemisch steht.

Description

Beschreibung Titel
Chromresistentes Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betrieb desselben
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betrieb desselben nach dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Stand der Technik
Hochtemperaturbrennstoffzellen, wie beispielsweise Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) weisen in einer bevorzugten Ausführungsform tubuläre, oxidkeramische Brennstoffzelleneinheiten auf, die beispielsweise beidseitig offen ausgeführt sein können, sodass Brenngas durch die rohrförmige Brennstoffzelleneinheit hindurchgeleitet werden kann. Alternativ können derartige
Brennstoffzelleneinheiten auch an einer Endseite geschlossen ausgeführt werden, wobei dann das Brenngas vorzugsweise über eine Lanze in das Innere des Brennstoffzellentubus eingeleitet wird. Die Außenseite des jeweiligen Brennstoffzellentubus wird mit Luft umspült. Vorzugsweise fungiert der oxidkeramische Tubus als Festelektrolyt und ist auf seiner Innenseite mit einer schichtförmigen Anode und auf seiner Außenseite mit einer schichtförmigen Kathode belegt. Eine derartige Ausführungsform ist beispielsweise der DE 10 2010 001 988 zu entnehmen.
Aufgrund der hohen Betriebstemperatur von SO FC- Brennstoffzellensystemen befindet sich der SO FC- Brennstoffzellenstack vorzugsweise in einem eigenen Gehäuse, der sogenannten„hot box". Der SOFC-Brennstoffzellenstack wird vorzugsweise mit vorgewärmter Luft beaufschlagt, die eine Temperatur > 620 °C aufweist. Um die Aufwärmung der Luft zu gewährleisten, wird diese
beispielsweise durch chromhaltige Stahlrohrleitungen bzw. chromhaltige
Wärmetauscher geleitet und dann dem SO FC- Brennstoffzellenstack zugeführt. Beim Passieren chromhaltiger Stahlrohrleitungen bzw. chromhaltiger
Wärmetauscher nimmt die zu erwärmende Luft in Abhängigkeit von Temperatur und Luftfeuchte Chromverbindungen auf, welche sie beispielsweise innerhalb des SO FC- Brennstoffzellenstacks an das Material der dort platzierten Kathoden wieder abgibt. Dabei resultiert eine Vergiftung der Kathoden des SOFC- Brennstoffzellenstacks. In der Folge kommt es zu einer Degradation des SOFC-
Brennstoffzellenstacks und damit verbunden zu einer Leistungseinbuße desselben.
Zur Behebung dieses Problems ist es beispielsweise aus der JP 2008-147086 A bekannt, zur Vermeidung einer Chromvergiftung eines Brennstoffzellenstacks entsprechende Chromdämpfe negativ aufzuladen und dann in einer an einem
Stackeingang angeordneten Chromfalle mit Hilfe entsprechender elektrischer Felder abzufangen. Diese Lösung ist jedoch mit einem gewissen technischen Aufwand verbunden.
Weiterhin ist der US 2005/0142398 AI zu entnehmen, eine chrominduzierte Kathodenvergiftung bei Brennstoffzellen dadurch zu vermeiden, dass
Beschickungsgase für den Kathodenbereich der Brennstoffzelle kontinuierlich auf einem extrem niedrigen Feuchtigkeitsniveau gehalten werden. Dies wird sowohl auf physikalischem als auch auf chemischem Weg erreicht. Auch diese Lösung ist technisch aufwändig. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Brennstoffzellensystem bzw. ein Verfahren zum Betrieb desselben zur Verfügung zu stellen, bei dem eine Chromvergiftung von Kathoden eines Brennstoffzellenstacks erfolgreich vermieden werden kann und somit eine Degradation des Brennstoffzellenstacks verhindert wird.
Offenbarung der Erfindung Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch ein
Brennstoffzellensystem bzw. durch ein Verfahren zum Betrieb desselben mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche in vorteilhafter Weise gelöst.
Dies beruht insbesondere darauf, dass zumindest in einem Bereich des
Brennstoffzellensystems, in dem einer Kathode des Brennstoffzellensystems ein sauerstoffhaltiges Gas wie beispielsweise Luft zugeführt wird, ein Material vorgesehen ist, das im sauerstoffhaltigen Gasstrom mitgeführte
Chromverbindungen absorbiert bzw. adsorbiert. Auf diese Weise werden Chromverbindungen aus dem der Kathode zuzuführenden sauerstoffhaltigen Gasgemisch entfernt, bevor dieses in Kontakt mit der Kathode des
Brennstoffzellensystems kommen kann. Dies ermöglicht eine Verhinderung einer Chromvergiftung der Kathode des Brennstoffzellensystems auf technisch einfachem und dennoch wirkungsvollem Wege.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind
Gegenstand der Unteransprüche.
So ist von Vorteil, wenn das chromabsorbierende Material Bestandteil einer Opferkathode ist, die im Lufteinlassbereich der Brennstoffzelle positioniert und mit einer Anode derart verbunden ist, dass an der Opferkathode ein
entsprechend negatives Potenzial von beispielsweise 750 mV anliegt.
Dabei wird die Opferkathode bzw. die elektrische Zelle, deren Bestandteil die Opferkathode ist, vorzugsweise nicht für die Bereitstellung elektrischer Leistung durch das Brennstoffzellensystem herangezogen, da sonst bei Degradation der Opferkathode eine Leistungseinschränkung des Brennstoffzellensystems die Folge wäre. Auf diese Weise dient die Opferkathode der Entfernung
chromhaltiger Verbindungen aus einem sauerstoffhaltigen, der Brennstoffzelle zuzuführenden Gasgemisch, ohne dass deren Degradation zu einem
Leistungsabfall der Brennstoffzelle führt.
Weiterhin ist von Vorteil, wenn das chromabsorbierende Material einem Material entspricht, das auch Bestandteil der Kathoden des Brennstoffzellensystems ist. Hierbei kann es sich beispielsweise um (La, Sr)Mn03 (LSM) oder um (La, Sr)(Co, Fe)03 (LSCF) handeln. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass chromhaltige Verbindungen, die mit einem sauerstoffhaltigen Gasstrom der Brennstoffzelle zugeführt werden, in dem Umfang im Bereich des
chromabsorbierenden Materials gebunden werden, wie sie auch auf Oberflächen der Kathoden der Brennstoffzelleneinheit gebunden werden würden.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist bei einer in tubulärer Form ausgeführten Brennstoffzelleneinheit mindestens ein Tubus anstatt mit einer Brennstoffzellenkathode insbesondere auf dessen Außenseite mit dem chromabsorbierenden Material belegt. Dies bietet den Vorteil, dass bei nahezu unveränderter Ausführung der Brennstoffzelle eine Eliminierung chromhaltiger Verbindungen in einem der
Brennstoffzelleneinheit zugeführten sauerstoffhaltigen Gasgemisch bewirkt werden kann.
Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform ist das chromabsorbierende Material in Form einer austauschbaren Einheit innerhalb des Brennstoffzellensystems bzw. insbesondere innerhalb einer
Brennstoffzelleneinheit des Brennstoffzellensystems positioniert. Dies ermöglicht einen Austausch des als sogenannter Getter fungierenden chromabsorbierenden Materials, ohne dass die Brennstoffzelleneinheit an sich ausgetauscht werden muss.
Zur Überwachung der Absorptionsfähigkeit bzw. -kapazität des
chromabsorbierenden Materials wird dieses beispielsweise in geeigneter Weise vorzugsweise kontinuierlich auf dessen weitere Absorptionsfähigkeit für chromhaltige Verbindungen überprüft. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem das chromabsorbierende Material als Kathode geschaltet und dessen kathodisches Potenzial überwacht wird. Weicht dies über einen vorgegebenen Schwellenwert hinaus von einem ursprünglichen Wert ab, so wird auf eine zumindest weitgehende Belegung des chromabsorbierenden Materials mit chromhaltigen Verbindungen geschlossen und beispielsweise ein Austausch des chromabsorbierenden Materials veranlasst. Diese Ausführungsform trägt in technisch einfacher Weise zu einer hohen Betriebssicherheit der
Brennstoffzelleneinheit bei. Ausführungsbeispiele
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden darauf bezugnehmenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
Figur 1 einen schematischen Querschnitt einer Brennstoffzelleneinheit eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 2 einen schematischen Querschnitt einer Brennstoffzelleneinheit eines Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 3 einen schematischen Längsschnitt einer Brennstoffzelleneinheit eines Brennstoffzellensystems gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
Figur 4 einen schematischen Längsschnitt einer Brennstoffzelleneinheit eines Brennstoffzellensystems gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
Figur 5 einen schematischen Querschnitt einer Brennstoffzelleneinheit eines Brennstoffzellensystems gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die in den Figuren 1 bis 4 verwendeten Bezugszeichen bezeichnen, soweit nicht anders angegeben, stets funktionsgleiche Bau- bzw. Systemkomponenten.
In Figur 1 ist ein Brennstoffzellensystem 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dieses umfasst eine
Brennstoffzelleneinheit 12, die ihrerseits eine Vielzahl einzelner Brennstoffzellen umfasst, von denen exemplarisch die Brennstoffzellen 14a - 14d mit Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Die Brennstoffzellen 14a - 14d sind beispielsweise in Form von Hochtemperaturbrennstoffzellen (SOFC) ausgeführt, die einen zylinderförmigen, einseitig geschlossenen keramischen Tubus 16a - 16d umfassen. Der Tubus 16a - 16d fungiert als Festelektrolyt, auf dessen Oberfläche entsprechende nicht dargestellte Anoden bzw. Kathoden der einzelnen Brennstoffzellen 14a - 14d aufgebracht sind.
Darüber hinaus umfasst die Brennstoffzelleneinheit 12 einen Lufteinlass 18 sowie einen Luftauslass 20. Über den Lufteinlass 18 wird die Brennstoffzelleneinheit 12 mit Luft versorgt, welche vorzugsweise die Außenflächen der als Tubus 16a - 16d ausgeführten keramischen Elektrolyte umstreicht. Diese sind ihrerseits mit nicht dargestellten Kathoden der einzelnen Brennstoffzellen 14a - 14d belegt. Die Luft wird abschließend über den Luftauslass 20 aus der Brennstoffzelleneinheit 12 abgeführt.
Um zu verhindern, dass chromhaltige Verbindungen, die mit der über den Lufteinlass 18 zugeführten Luft in das Innere der Brennstoffzelleneinheit 12 und somit in Kontakt mit den Kathoden der einzelnen Brennstoffzellen 14a - 14d gelangen können, ist vorzugsweise in Strömungsrichtung der Luft den
Brennstoffzellen 14a - 14d vorgelagert beispielsweise in einem
Lufteingangsbereich 22 der Brennstoffzelleneinheit 12 ein Mittel 24 zur
Absorption chromhaltiger Verbindungen vorgesehen.
Gemäß dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Mittel 24 zur Absorption chromhaltiger Verbindungen beispielsweise als Beschichtung auf einer Wandung des Lufteingangsbereiches 22 der Brennstoffzelleneinheit 12 ausgeführt. Diese Beschichtung enthält eine Substanz, die in der Lage ist, chromhaltige Verbindungen zu absorbieren. Bei dieser Substanz kann es sich beispielsweise um ein sogenanntes Gettermaterial handeln, welches gegenüber in der der Brennstoffzelleneinheit 12 zugeführten Luft enthaltenen
Chromverbindungen chemisch reaktiv ist und diese bindet. Dabei kann es sich zum Beispiel um (La, Sr)(Co, Fe)03 (LSCF), (La,Sr)Co03 (LSC), ein Lanthan- Strontium- Ferrit (LSF) oder um (La, Sr)Mn03 (LSM) handeln. Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist das Mittel 24 zur Absorption chromhaltiger Verbindungen als Kathode einer elektrochemischen Zelle geschaltet und wirkt insbesondere dann, wenn das Mittel 24 zur Absorption chromhaltiger Verbindungen darüber hinaus zumindest ein Material enthält, wie es auch für die Kathoden der entsprechenden Brennstoffzellen 14a - 14d verwendet wird, als Opferkathode.
Diese Wirkung beruht darauf, dass das als Opferkathode ausgeführte Mittel 24 zur Absorption chromhaltiger Verbindungen noch vor den Kathoden der
Brennstoffzellen 14a - 14d der zugeführten Luft, die gegebenenfalls chromhaltige Verbindungen enthält, ausgesetzt ist und somit eine Vergiftung der Opferkathode eintritt, womit eine Vergiftung der Kathoden der Brennstoffzellen 14a - 14d zumindest weitgehend vermieden wird.
Weitere alternative Ausführungsformen dieses Ausführungsbeispiels sehen vor, dass das Mittel 24 chromhaltiger Verbindungen nicht als Schicht im
Lufteingangsbereich 22 der Brennstoffzelleneinheit 12 ausgeführt ist, sondern dass beispielsweise der Lufteingangsbereich 22 der Brennstoffzelleneinheit 12 zumindest teilweise oder insgesamt aus einem Material zur Absorption chromhaltiger Verbindungen ausgeführt ist und somit als Mittel 24 zur Absorption chromhaltiger Verbindungen wirkt.
Alternativ oder zusätzlich können auch luftführende Komponenten des
Brennstoffzellensystems 10, die der Zuführung von Luft zu der
Brennstoffzelleneinheit 12 dienen, ganz oder teilweise aus einem
Chromverbindungen absorbieren Material ausgeführt sein oder mit einem solchen Material beschichtet sein und somit als Mittel 24 zur Absorption chromhaltiger Verbindungen herangezogen werden.
Ein Brennstoffzellensystem 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Figur 2 dargestellt. Dabei umfasst der
Lufteingangsbereich 22 der Brennstoffzelleneinheit 12 als Mittel 24 zur
Absorption chromhaltiger Verbindungen beispielsweise weitere Brennstoffzellen 14e - 14h, die als elektrochemische Zellen betrieben werden und deren
Kathoden aufgrund der Positionierung der weiteren Brennstoffzellen 14e - 14h im Lufteingangsbereich 22 der Brennstoffzelleneinheit 12 als Opferkathoden wirken. Alternativ ist es jedoch auch möglich, die weiteren Brennstoffzellen 14e - 14h auch statistisch verteilt innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 12 anzuordnen.
Dabei werden vorteilhafterweise als Chromverbindungen absorbierende
Substanz des Mittels 24 zur Absorption chromhaltiger Verbindungen Substanzen bzw. Materialien eingesetzt, wie sie auch üblicherweise für Kathoden
entsprechender Brennstoffzellen bzw. Hochtemperaturbrennstoffzellen eingesetzt werden. Im Falle von Hochtemperaturbrennstoffzellen SOFC sind dies beispielsweise (La, Sr)Mn03 (LSM) oder (La, Sr)(Co, Fe)03 (LSCF).
Eine weitere Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist Figur 3 zu entnehmen.
Dabei weist die Brennstoffzelleneinheit 12 weitere Brennstoffzelleneinheiten 14i, 14j auf. Die weiteren Brennstoffzellen 14i, 14j beinhalten je einen Elektrolytkörper 40, der hinsichtlich seiner geometrischen Ausgestaltung die mechanische Struktur der Brennstoffzellen 14i, 14j vorgibt. Der Elektrolytkörper 40 weist eine Wandstärke auf, die eine hinreichende Steifigkeit der Brennstoffzelle 14i, 14j bewirkt. Er ist bspw. aus einem entsprechenden keramischen Material ausgeführt, das, wie beispielsweise teil- oder vollstabilisiertes Zirkondioxid, für die Verwendung in Hochtemperaturbrennstoffzellen geeignet ist.
Auf dem Elektrolytkörper 40 sind innenseitig und außenseitig Elektroden aufgebracht. So ist innenseitig ein erstes Elektrodenmaterial 46 vorgesehen, welches eine Anode bildet, und außenseitig ein zweites Elektrodenmaterial 42, das eine Kathode repräsentiert.
Die gezeigte Brennstoffzelleneinheit 12 stellt lediglich ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar, wobei die Merkmale der vorliegenden Erfindung auch auf Brennstoffzellen Anwendung finden, die als anoden- bzw.
kathodengestützte SOFC - Brennstoffzellen ausgeführt sind. Dabei wird das Anoden- bzw. Kathodenmaterial selbst als ausgesteifter Körper ausgebildet, der die mechanische Gesamtstruktur der Brennstoffzelle bewirkt. Eine weitere Alternative besteht darin, dass die SOFC - Brennstoffzellen inert geträgert ausgeführt werden. Der Elektrolytkörper 40 ist als endseitig geschlossener Körper ausgeführt, wobei eine Kappe 48 vorgesehen ist, die das freie Ende des Elektrolytkörpers 40, das einem Flanschabschnitt 44 gegenüberliegend angeordnet ist, verschließt.
Die Brennstoffzelle 14i, 14j kann mit einem Brenngas, vorzugsweise mit
Wasserstoff, betrieben werden, das über einen Zufuhrkanal 47 zunächst in einen Grundkörper 45 der Brennstoffzelleneinheit 12 und anschließend in eine Lanze 43 gelangt. Durch die Lanze 43 wird das Brenngas bis zum freien Ende des Elektrolytkörpers 40 geleitet und tritt dort aus der Lanze 43 aus. Das endseitig aus der Lanze 43 austretende Brenngas umspült nachfolgend das innen liegende erste Elektrodenmaterial 46. Außenseitig wird das als Kathode fungierende zweite Elektrodenmaterial 42 auf nicht näher gezeigte Weise mit Luft umspült.
Um eine Vergiftung der Kathoden der Brennstoffzellen 14i, 14j zu verhindern, ist bspw. zumindest ein Teil der Kathoden in zwei Kompartimente unterteilt, die beispielsweise voneinander durch Isolationsschichten 45 elektrisch separiert sind, wobei ein beispielsweise der der Brennstoffzelleneinheit 12 zugeführten Luft am ehesten ausgesetzter Bereich der Kathode als Opferkathode und somit als Mittel 24 zur Absorption chromhaltiger Verbindungen ausgeführt ist. In diesem Fall ist als Opferkathode beispielsweise der dem geschlossenen Ende des als Elektrolyt dienenden Tubus 40 zugewandte Teil des zweiten Elektrodenmaterials 42 als Mittel 24 zur Absorption chromhaltiger Verbindungen ausgelegt, darüber hinaus können jedoch alternativ oder zusätzlich auch andere Bereiche der Kathode der Brennstoffzellen 14i, 14j als Mittel 24 zur Absorption chromhaltiger Verbindungen ausgeführt werden. In diesem Fall empfiehlt es sich, die als Opferkathode ausgeführten Bereiche der Kathoden separat elektrisch zu kontaktieren und jeweils zu einer elektrochemischen Zelle zu verschalten. Diese kann beispielsweise ein in Bezug auf die Kathoden der Brennstoffzellen 14i, 14j abweichendes, insbesondere negativeres Potential aufweisen.
Eine weitere Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Figur 4 dargestellt.
Dabei weist die Brennstoffzelleneinheit 12 ebenfalls weitere
Brennstoffzelleneinheiten 14i, 14j auf. Die weiteren Brennstoffzellen 14i, 14j beinhalten als Träger je einen inerten keramischen Körper 41 , der hinsichtlich seiner geometrischen Ausgestaltung die mechanische Struktur der
Brennstoffzellen 14i, 14j vorgibt. Der inerte keramische Körper 41 weist in diesem Fall eine Wandstärke auf, die eine hinreichende Steifigkeit der
Brennstoffzelle 14i, 14j bewirkt. Er ist bspw. aus einem entsprechenden keramischen Material wie bspw. Aluminiumoxid ausgeführt.
Auf dem inerten keramischen Körper 41 sind innenseitig Elektroden aufgebracht. So ist innenseitig ein erstes Elektrodenmaterial 46 vorgesehen, welches eine Anode bildet, und ein zweites Elektrodenmaterial 42, das eine Kathode repräsentiert. Zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodenmaterial 42, 46 befindet sich vorzugsweise eine Elektrolytschicht, die in ihrer Funktion dem Elektrolytkörper 40 des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 3 entspricht. Die aus dem ersten Elektrodenmaterial 46, dem Elektrolytkörper 40 und dem zweiten Elektrodenmaterial 42 gebildete Schichtfolge ist vorzugsweise so innenseitig und somit auf der dem Brenngas ausgesetzten Seite des inerten, keramischen Körpers 41 positioniert, dass das zweite, die Kathode bildende
Elektrodenmaterial 42 flächig auf der Oberfläche des inerten, keramischen Körpers 41 angeordnet ist.
Der inerte keramische Körper 41 ist dabei als endseitig geschlossener Körper ausgeführt, wobei eine Kappe 48 vorgesehen ist, die das freie Ende des
Elektrolytkörpers 40, das einem Flanschabschnitt 44 gegenüberliegend angeordnet ist, verschließt.
Die Brennstoffzelle 14i, 14j kann mit einem Brenngas, vorzugsweise mit
Wasserstoff, betrieben werden, das über einen Zufuhrkanal 47 zunächst in einen Grundkörper 45 der Brennstoffzelleneinheit 12 und anschließend in eine Lanze 43 gelangt. Durch die Lanze 43 wird das Brenngas bis zum freien Ende des inerten keramischen Körpers 41 geleitet und tritt dort aus der Lanze 43 aus. Das endseitig aus der Lanze 43 austretende Brenngas umspült nachfolgend das innen liegende erste Elektrodenmaterial 46.
Um eine Vergiftung der Kathoden der Brennstoffzellen 14i, 14j zu verhindern, ist auf der der zugeführten Luft ausgesetzten Außenseite des inerten keramischen Körpers 41 beispielsweise eine poröse Kathode als Mittel 24 zur Absorption chromhaltiger Verbindungen vorgesehen und dient als Opferkathode. Diese ist separat elektrisch kontaktiert und jeweils zu einer elektrochemischen Zelle verschaltet. Diese kann beispielsweise ein in Bezug auf die Kathoden der Brennstoffzellen 14i, 14j abweichendes, insbesondere negativeres Potential aufweisen.
Eine fünfte Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Figur 5 dargestellt.
Die Brennstoffzelleneinheit 12 umfasst dabei eine Elektrolytmembran 52a, 52b, 52c, die zumindest bereichsweise auf einer ersten Großfläche, die beispielsweise die Innenseite eines durch die Elektrolytmembran 52 gebildeten Tubus bildet, mit dem als Anode fungierenden, vorzugsweise flächigen ersten Elektrodenmaterial 46 beschichtet ist.
Weiterhin ist die Elektrolytmembran 52a, 52b, 52c vorzugsweise auf ihrer der ersten Großfläche gegenüberliegenden zweiten Großfläche, die beispielsweise durch die Außenseite der in Form eines Tubus ausgeführten Elektrolytmembran 52a, 52b, 52c gebildet ist, mit dem als Kathode fungierenden zweiten
Elektrodenmaterial 42 zumindest bereichsweise beschichtet.
Dabei bildet die Elektrolytmembran 52a, 52b, 52c die Tragstruktur der
Brennstoffzelleneinheit 12. Da die Elektrolytmembran 52a, 52b, 52c weiterhin in ihrer Form vorzugsweise zumindest bereichsweise wellenförmig ausgeführt ist, besteht die Möglichkeit, beispielweise mittels geeigneter Interkonnektoren 54 jeweils die in das Innere des durch die Elektrolytmembran 52a, 52b, 52c gebildeten Tubus weisenden Bereiche der Elektrolytmembran 52a, 52b, 52c mit weiteren, diesen nach innen weisenden Bereichen gegenüberliegenden, ebenfalls nach innen weisenden weiteren Bereichen der Elektrolytmembran 52a, 52b, 52c so zu verbinden, dass der aus der Elektrolytmembran 52a, 52b, 52c gebildete Tubus in weitere, voneinander räumlich separierte Untereinheiten untergliedert wird, die ihrerseits jeweils einen abgeschlossenen Gasraum 58a, 58b, 58c, 58d in Form eines Tubus bilden. Alternativ kann anstatt einer wellenförmigen Grundstruktur der Elektrolytmembran 52a, 52b, 52c auch eine wabenförmige Grundstruktur gewählt werden.
Auf diese Weise wird ein Verbund mehrerer Gasräume 58a, 58b, 58c, 58d erzeugt, deren Inneres in Kontakt mit einem als gemeinsame Anode
fungierenden ersten Elektrodenmaterial 46 steht. Im Betrieb werden beispielsweise die inneren Gasräume 58a, 58b, 58c, 58d mit einem oxidierbaren, vorzugsweise gasförmigen Fluid wie beispielsweise Wasserstoff, Methan oder gasförmigem Methanol beschickt. Gleichzeitig wird beispielsweise die
Außenfläche der mit dem zweiten, als Kathode fungierenden Elektrodenmaterial 42 versehene Elektrolytmembran 52a, 52b, 52c mit einem vorzugsweise gasförmigen Oxidationsmittel wie beispielsweise Luft oder reinem Sauerstoff in Kontakt gebracht, das in entsprechenden zweiten Gasräumen 54a, 54b, 54c, 54d geführt wird.
Dabei kommt es zu einer elektrochemischen Umsetzung des in den inneren Gasräumen 58a, 58b, 58c, 58d geführten oxidierbaren Fluids unter Freisetzung eines elektrischen Stromflusses zwischen dem ersten und dem zweiten
Elektrodenmaterial 46, 42, der durch eine geeignete externe Peripherie abgegriffen und genutzt werden kann.
Um eine Vergiftung des als Kathoden der Brennstoffzelleneinheit 12
fungierenden zweiten Elektrodenmaterials 42 zu verhindern, sind die mit Luft beaufschlagten zweiten Gasräume 54a, 54b, 54c, 54d beispielsweise in ihrem lufteingangsseitigen Bereich mit einem hier nicht dargestellten Mittel 24 zur Absorption chromhaltiger Verbindungen belegt. Dies kann, wie oben bereits beschrieben, in Form einer Beschichtung durch ein Gettermaterial für
Chromverbindungen geschehen oder durch die Ausbildung einer entsprechenden Opferkathode.
Um eine lange Laufzeit des Brennstoffzellensystems 10 zu gewährleisten, ist das Mittel 24 zur Absorption chromhaltiger Verbindungen beispielsweise als austauschbare Einheit, und somit reversibel mit dem Brennstoffzellensystem 10 verbunden ausgeführt. Auf diese Weise kann nach einer Belegung des Mittels 24 zur Absorption chromhaltiger Verbindungen mit Chrom oder Chromverbindungen dieses ausgetauscht und durch eine unverbrauchte Ausführungsform ersetzt werden. So kann beispielsweise der Lufteingangsbereich 22 der
Brennstoffzelleneinheit 12 als austauschbares Element reversibel mit der Brennstoffzelleneinheit 12 und/oder mit der Luftzufuhr 18 verbunden werden und zusammen mit dem darin positionierten Mittel 24 zur Absorption chromhaltiger Verbindungen im Bedarfsfall ausgetauscht werden. Gleiches gilt auch, wenn beispielsweise der Lufteingangsbereich 22 der Brennstoffzelleneinheit 12 oder die Luftzufuhr 18 selbst durch ein Material gebildet ist, das chromhaltige
Verbindungen aus der zugeführten Luft absorbiert und somit als Mittel 24 zur Absorption chromhaltiger Verbindungen ausgeführt ist.
Um den Zeitpunkt zu erkennen, an dem das Mittel 24 zur Absorption
chromhaltiger Verbindungen mit chromhaltigen Verbindungen zumindest weitgehend gesättigt ist, kann ein entsprechender Sensor beispielsweise im luftführenden System des Brennstoffzellensystems 10 dem Mittel 24 zur
Absorption von chromhaltigen Verbindungen nachgeordnet positioniert sein, der beispielsweise die Konzentration an chromhaltigen Verbindungen in einem am Sensor vorbeiströmenden Gasgemisch detektiert. Als Sensor kann
beispielsweise ein als Opferkathode geschaltetes Mittel 24 zur Absorption chromhaltiger Verbindungen im Sinne der vorliegenden Anmeldung verwendet werden, wobei das Potential der Opferkathode überwacht wird, und bei
Abweichung des Potentials auf eine Belegung der Opferkathode des Sensors mit chromhalteigen Verbindungen geschlossen und der Austausch des Mittels 24 zur Absorption chromhaltiger Verbindungen veranlasst wird.
Brennstoffzellensysteme gemäß der vorliegenden Erfindung lassen sich vorteilhafter Weise einsetzen in Anwendungsgebieten für
Hochtemperaturbrennstoffzellen SOFC wie beispielsweise in Anlagen zur Kraftwärmekopplung oder in Kraftwerken zur Stromerzeugung.

Claims

Ansprüche
1. Brennstoffzellensystem, insbesondere
Hochtemperaturbrennstoffzellensystem, mit einer Brennstoffzelleneinheit (12), umfassend mindestens eine Anode (46) und eine Kathode(42), die über einen Elektrolyten (16a - 16d, 40, 52a - 52c) miteinander in elektrischem Kontakt stehen, wobei die Anode (46) mit einem Brenngas beaufschlagt wird und die Kathode (42) mit einem sauerstoffhaltigen Gas, insbesondere Luft, über luftführende Komponenten (18, 22) des
Brennstoffzellensystems (10) beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im Bereich der luftführenden Komponenten (18, 22) ein Chromverbindungen absorbierendes oder adsorbierendes Material (24) vorgesehen ist, das in Kontakt mit dem der Kathode (42) zugeführten sauerstoffhaltigen Gasgemisch steht.
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Chromverbindungen absorbierende oder adsorbierende Material (24) Bestandteil einer im Lufteinlassbereich (22) der Brennstoffzelleneinheit (12) positionierten Opferkathode ist.
3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Opferkathode mit einer Anode eine elektrische Zelle bildet, die nicht oder nur unwesentlich an der Bereitstellung von elektrischer Leistung, die durch das Brennstoffzellensystem (10) erfolgt, beteiligt ist. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Chromverbindungen absorbierendes oder adsorbierendes Material (24) ein Material der Kathode (42) des Brennstoffzellensystems (10) herangezogen wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Chrom absorbierende oder adsorbierende Material (24) ein (La, Sr)Mn03 oder ein (La, Sr)(Co, Fe)03 ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit der Brennstoffzelleneinheit (12) verbundene Zuleitung (18) für die Zuführung des sauerstoffhaltigen Gases zu der Brennstoffzelleneinheit (12) und/oder der Lufteinlassbereich (22) der Brennstoffzelleneinheit (12) für das sauerstoffhaltige Gas zumindest teilweise aus dem Chrom absorbierenden oder adsorbierenden Material (24) gefertigt ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoffzellen (14a - 14j) der
Brennstoffzelleneinheit (12) in tubulärer Form ausgeführt sind und dass mindestens ein Tubus (16a, 16b, 40, 58a - 58d)auf seiner Außenseite mit dem Chrom absorbierenden oder adsorbierenden Material (24) belegt ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Chrom absorbierende oder
adsorbierende Material (24) in Strömungsrichtung des der Brennstoffzelleneinheit (12) zugeführten sauerstoffhaltigen Gasg stromaufwärts der Brennstoffzelleneinheit (12) positioniert ist.
Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Überwachung der Kapazität eines Chrom absorbierenden Materials (24), das im Bereich der luftführenden Komponenten (18, 22) des
Brennstoffzellensystems (10) positioniert ist, in Bezug auf eine weitere Absorption oder Adsorption von Chrom oder chromhaltiger Verbindungen vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Chrom absorbierende oder adsorbierende Material (24) als Kathode geschaltet wird und dass bei Veränderung des Kathodenpotenzials dieser Kathode über einen vorgegebenen Schwellenwert hinaus auf eine Belegung des Chrom absorbierenden oder adsorbierenden Materials (24) mit chromhaltigen Verbindungen geschlossen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Chrom absorbierende oder adsorbierende Material als austauschbare
Einheit innerhalb des Brennstoffzellensystems (10) angeordnet wird.
12. Verwendung eines Brennstoffzellensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen und/oder SOFC-Stacks.
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