EP3563444A1 - Brennstoffzellenvorrichtung und verfahren zu einem anfahren der brennstoffzellenvorrichtung - Google Patents

Brennstoffzellenvorrichtung und verfahren zu einem anfahren der brennstoffzellenvorrichtung

Info

Publication number
EP3563444A1
EP3563444A1 EP17829990.5A EP17829990A EP3563444A1 EP 3563444 A1 EP3563444 A1 EP 3563444A1 EP 17829990 A EP17829990 A EP 17829990A EP 3563444 A1 EP3563444 A1 EP 3563444A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel cell
unit
cell unit
anode
gas
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Withdrawn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
EP17829990.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Maxime Carre
Timo Bosch
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
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 Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3563444A1 publication Critical patent/EP3563444A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • 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
    • 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
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04225—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during start-up
    • 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
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04268—Heating of fuel cells during the start-up of the fuel cells
    • 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
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618—Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
    • 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
    • H01M8/06—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
    • H01M8/10—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
    • 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 is based on a fuel cell device, which is intended to be operated with natural gas, with a fuel cell unit, an anode gas processor connected upstream of the fuel cell unit, which is intended to prepare the natural gas for use in the fuel cell unit, and with a burner unit. which during normal operation of the fuel cell unit is intended to burn combustible substances remaining in an anode exhaust gas of the fuel cell unit. It is proposed that the burner unit is provided during a startup of the fuel cell unit for heating the fuel cell unit to a nominal operating temperature.
  • a "fuel cell device” is intended to mean, in particular, a device for stationary and / or mobile generation, in particular of electrical and / or thermal energy, using at least one combustion engine.
  • a "natural gas” is to be understood as meaning, in particular, a gas and / or a gas mixture, in particular a natural gas mixture, which preferably comprises at least one alkane, in particular methane, ethane, propane and / or butane - have constituents, in particular carbon dioxide and / or nitrogen and / or
  • a "fuel cell unit” in this context is to be understood in particular as a unit having at least one fuel cell which is provided with at least one chemical reaction energy of at least one, in particular continuously supplied, fuel gas, in particular hydrogen and / or carbon monoxide, and at least one cathode gas, in particular
  • the at least one fuel cell is preferably designed as a solid oxide fuel cell (SOFC)
  • the at least one fuel cell unit comprises a multiplicity of fuel cells, which are arranged in particular in a fuel cell stack specially programmed, designed and / or equipped to be understood.
  • an "anode gas processor” is to be understood as meaning, in particular, a unit which is intended to prepare the natural gas before a supply line to an anode of the fuel cell unit for use within a reaction taking place in the fuel cell unit heating a natural gas and / or a fuel gas and / or a gas mixture containing fuel gas to a reaction temperature and / or converting the natural gas into a fuel gas and / or a fuel gas mixture
  • the anode gas processor may be designed as a structural unit under a structural unit
  • a preassembled and / or preferably preassembled unit should be understood, which comprises a plurality of subunits, in particular the desulfurization unit, the oxidation unit and the reformer unit, and / or components, for example fluid so that they can preferably be introduced as a whole into an overall system, in particular into a fuel cell system, and / or removed as a whole from the overall system.
  • a "normal operation of the fuel cell unit” is to be understood as meaning an operating state in which the fuel cell unit has its rated operating temperature and can deliver a maximum electrical output is to heat the fuel cell unit to its rated operating temperature.
  • an anode exhaust gas is supplied to the burner unit of the fuel cell unit.
  • the burner unit is intended to burn combustible substances remaining in the anode exhaust gas of the fuel cell unit, in particular unreacted hydrogen, and / or carbon monoxide.
  • An oxygen required for an operation of the burner unit is supplied to the burner unit in the form of a cathode exhaust gas of the fuel cell unit.
  • the burner unit is provided to contribute at least to a heating of the fuel cell unit to its nominal operating temperature.
  • the burner unit is supplied with at least one of an anode exhaust gas different fuel and a necessary for a combustion of oxygen.
  • a thermal energy obtained by the combustion is at least partially supplied indirectly or directly to the fuel cell unit for heating.
  • the burner unit may comprise at least one electric heater, which is provided to contribute to a heating of the fuel cell unit to its nominal operating temperature during startup of the fuel cell unit.
  • a thermal energy obtained by the electric heater is at least partially supplied indirectly or directly to the fuel cell unit for heating.
  • a generic fuel cell device can be provided with advantageous operating characteristics.
  • the burner unit both as an afterburner during a normal operation of the fuel cell unit and as a starting burner during a startup of the fuel cell unit can advantageously be dispensed with a separate start burner.
  • an advantageous cost and / or space savings can be achieved and / or a maintenance effort can be advantageously reduced.
  • the burner unit has at least one natural gas feed line, which is provided to the burner unit during startup to supply natural gas to the fuel cell unit.
  • the natural gas feed line has at least one valve, in particular designed as a proportional valve, which is provided to regulate a volume flow of the natural gas to the burner unit.
  • the valve is intended to be open during startup of the fuel cell unit.
  • the valve is particularly intended to be closed during normal operation of the fuel cell unit.
  • the burner unit is not supplied with natural gas via the natural gas feed line during normal operation of the fuel cell unit.
  • the natural gas feed line has at least one natural gas feed line, which is provided to the burner unit during startup to supply natural gas to the fuel cell unit.
  • the natural gas feed line has at least one valve, in particular designed as a proportional valve, which is provided to regulate a volume flow of the natural gas to the burner unit.
  • the valve is intended to be open during startup of the fuel cell unit.
  • Natural gas is first passed through the anode of the fuel cell unit during startup of the fuel cell unit and then fed to the burner unit.
  • the burner unit can be ignited by the supply of natural gas advantageously for starting the fuel cell unit.
  • the fuel cell device have at least one heat exchanger which is intended to at least partially transmit a thermal energy of an exhaust gas of the burner unit to an oxidizing gas supplied to a cathode of the fuel cell unit.
  • a heat exchanger is to be understood as meaning, in particular, a unit which is intended to transfer heat in the direction of a temperature gradient between at least two, in particular, fluid mass flows, in particular in a countercurrent operation, crossflow operation and / or direct current operation
  • the heat exchanger is intended to transmit heat from at least one fluid stream, in particular an exhaust gas of the burner unit, in particular to the oxidizing gas supplied to the cathode of the fuel cell unit
  • the heat exchanger is in particular provided for, during startup of the fuel cell unit, heat from an exhaust gas of the burner unit to a heat exchanger to transfer the fuel cell unit to its nominal operating temperature on the cathode gas.
  • the heat exchanger is provided in particular to the To heat cathode gas by a transfer of heat from an exhaust gas of the burner unit to a process temperature.
  • the fuel cell device has a recirculation circuit which is provided during normal operation of the fuel cell unit to supply at least a portion of an anode exhaust gas of the fuel cell unit to the anode gas processor.
  • a "recirculation loop" is to be understood as meaning, in particular, a connecting unit which is intended for transporting, in particular, liquid and / or gaseous substances and / or substance mixtures /or
  • the recirculation circuit is provided, in particular, for supplying to the anode gas processor on the input side a particularly fixed percentage of a volumetric flow of an exhaust gas, in particular containing water vapor and / or hydrogen and / or carbon monoxide, of the fuel cell unit, in particular an anode exhaust gas.
  • an exhaust gas in particular containing water vapor and / or hydrogen and / or carbon monoxide
  • the steam and / or hydrogen required for the treatment of the natural gas can be supplied to the anode gas processor.
  • a fuel utilization rate of the fuel cell device can be advantageously increased.
  • a "reformer unit” is to be understood as meaning, in particular, a chemical-technical unit for at least one preparation of at least one hydrocarbon-containing fuel, in particular of the natural gas, in particular by steam reforming, by partial oxidation, by autothermal reforming and / or by a
  • a combination of steam reforming with CO 2 dry reforming, in particular for obtaining a fuel gas, in particular hydrogen, and / or breaking up higher-alkanes is to be understood in this context as meaning in particular a unit which is intended to be natural gas insbesonde- re by means of thermal partial oxidation and / or catalytically partial oxidation with the addition of oxygen, in particular atmospheric oxygen, at least partially in a fuel gas, in particular hydrogen, and / or to convert a fuel gas-containing gas mixture.
  • the oxidation unit makes it possible, in particular during startup of the fuel cell device during which too little a proportion of water vapor is available for the reformer unit, to obtain hydrogen. In the presence of a sufficient amount of water vapor, steam reforming by means of the reformer unit has, in particular, a greater hydrogen yield compared with the partial oxidation by means of the oxidation unit.
  • the anode gas processor may include a desulfurization unit.
  • a "desulfurization unit” is to be understood as meaning in particular a unit which is provided, preferably by at least one physical and / or chemical adsorption method and / or absorption method, a volume and / or molar proportion of sulfur compounds in the natural gas in particular
  • the desulfurization unit may be designed as a hydrodesulfurization unit.
  • a hydrodesulfurization unit is to be understood in this context as meaning, in particular, a desulfurization unit which is provided for Natural gas with the addition of hydrogen below a predetermined limit and preferably at least substantially desulfurize.
  • sulfur components of the natural gas react with the hydrogen to form hydrogen sulphide and sulfur-free hydrocarbons.
  • the hydrogen sulfide can be bound in particular by absorption, for example in a zinc oxide bed, in a solid sulfide compound.
  • the desulfurization unit is upstream of the oxidation unit and downstream of the reformer unit of the oxidation unit. As a result, an advantageous treatment of the natural gas can be achieved.
  • an anode of the fuel cell unit and the anode gas processor are at least temporarily substantially resistant to oxidation and / or oxidation of an anode of the fuel cell unit and the anode gas processor is at least largely reversible. In particular, this can be done by a skilful selection of
  • Catalyst materials and / or functional layer materials of the anode achieved become.
  • the functional layers of the anode can be designed to be very thin, whereby the negative effect of the volume change upon oxidation can be reduced.
  • nitrogen may be introduced into an anode path when the anode of the fuel cell unit and the anode gas processor does not require a reducing atmosphere at the start of the startup.
  • air may be introduced into an anode path and / or a gas in the anode path may be recirculated in the anode path if the anode of the fuel cell unit and the anode gas processor are resistant to oxidation at the start of the startup or oxidation of the anode and the anode gas processor is at least largely reversible in later phases of the startup of the fuel cell unit.
  • a protective gas or forming gas into an anode path during startup of the fuel cell unit, whereby an advantageous cost saving and / or an advantageously simple design of the fuel cell device can be achieved.
  • a method for starting up a fuel cell device with a fuel cell unit and with a burner unit which is provided during a normal operation of the fuel cell unit to burn combustible substances remaining in an anode exhaust gas of the fuel cell unit, is proposed in which in at least one method step the fuel cell unit during a start the burner unit is heated to a nominal operating temperature.
  • the fuel cell device according to the invention should not be limited to the application and embodiment described above.
  • the fuel cell device according to the invention may have a different number from a number of individual elements, components and units mentioned herein for fulfilling a mode of operation described herein.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a fuel cell device with a fuel cell unit, an anode gas processor and a burner unit and
  • FIG. 2 is a flowchart of a method for starting the fuel cell device.
  • FIG 1 shows a schematic representation of a fuel cell device 10, which is intended to be operated with natural gas 12. Alternatively, the fuel cell device 10 may be operated with methane.
  • the fuel cell device 10 has a fuel cell unit 14.
  • the fuel cell unit 14 is shown here in simplified form as a fuel cell 42. However, it is useful
  • the fuel cell unit 14 has an anode 38 and a cathode 28.
  • the anode 38 is supplied with a reformate 44 obtained from the natural gas 12 during normal operation of the fuel cell unit 14.
  • the cathode 28 is supplied with a cathode gas 30, in particular atmospheric oxygen, during normal operation of the fuel cell unit 14.
  • the fuel cell apparatus 10 includes an anode gas processor 16, which is adapted to treat the natural gas 12 for use in the fuel cell unit 14.
  • the anode gas processor 16 is upstream of the anode 38 of the fuel line unit 14 in terms of flow.
  • the anode gas processor 16 includes an oxidation unit 34 and a reformer unit 36.
  • the anode gas processor 16 may include a desulfurization unit (not shown).
  • the oxidation unit 34 and the reformer unit 36 are fluidically connected in series with one another within the anode gas processor 16.
  • the reformer unit 36 is downstream of the oxidation unit 34 in terms of flow.
  • the oxidation unit 34 is provided to partially convert the natural gas 12 into hydrogen and / or carbon monoxide by means of partial oxidation with the addition of oxygen from the ambient air.
  • the reforming unit 36 connected downstream of the oxidation unit 34 is designed in particular as a steam reformer unit.
  • the reformer unit 36 is intended, in particular by means of a steam reforming long-chain hydrocarbons to methane, hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide split.
  • the reformate 44 thus obtained is fed to the anode 38 of the fuel cell unit 14.
  • too little a proportion of water vapor is available for operation of the reformer unit 36 and / or an insufficient amount of hydrogen for the operation of the fuel cell unit 14.
  • the oxidation unit 34 in particular during startup of the fuel cell unit 14, enables recovery of hydrogen using atmospheric oxygen from the ambient air.
  • the hydrogen thus obtained may be used for startup operation of the fuel cell unit 14.
  • the oxidation unit 34 and the reformer unit 36 each have an electrical
  • the natural gas 12 is fed to the fuel cell apparatus 10 via an umbilical 52 during operation of the fuel cell unit 14.
  • the natural gas 12 is conveyed by means of a compressor 54.
  • natural gas 12 is heated to a process temperature by means of a heat exchanger 56.
  • the cathode gas 30 is fed via a further supply line 58 into the fuel cell device 10.
  • the cathode gas 30 is conveyed by means of a compressor 60.
  • the fuel cell device 10 has an air supply line 62, which is intended to feed air 64 into an anode path 40, and a protective gas feed line 66, which is provided to feed a protective gas 68 into an anode path 40.
  • the fuel cell device 10 comprises a burner unit 18 arranged downstream of the fuel cell unit 14.
  • the burner unit 18 is supplied with a portion of an anode exhaust gas 20 of the fuel cell unit 14 to the fuel cell unit 14.
  • the burner unit 18 is provided to combust combustible substances remaining in the anode exhaust gas 20 of the fuel cell unit 14, in particular unreacted hydrogen.
  • An oxygen required for operation of the burner unit 18 is supplied to the burner unit 18 in the form of a cathode exhaust gas 76.
  • the burner unit 18 is further provided during startup of the fuel cell unit 14 for heating the fuel cell unit 14 to a nominal operating temperature.
  • the burner unit 18 has at least one natural gas feed line 22, which is provided to supply the burner unit 18 during startup of the fuel cell unit 14 natural gas 12 in particular directly.
  • the natural gas 12 is supplied to the burner unit 18, which is provided to heat the cathode gas 30 during startup of the fuel cell unit 14.
  • the fuel cell unit 14 is heated to a nominal operating temperature.
  • the fuel cell device 10 has a heat exchanger 24, which is provided to at least partially transfer a thermal energy of an exhaust gas 26 of the burner unit 18 to the cathode 28 of the fuel cell unit 14 supplied cathode gas 30.
  • the fuel cell device 10 further includes a recirculation circuit 32, which is provided for a partial recirculation of the hydrogen and water-containing anode exhaust gas 20 of the fuel cell unit 14.
  • the recirculation circuit 32 is provided in particular for returning the anode exhaust gas 20 of the fuel cell unit 14 at least partially for mixing with the natural gas 12.
  • a compressor 46 is disposed in the recirculation circuit 32.
  • FIG. 2 shows a flow diagram of a method for starting up the fuel cell device 10.
  • the burner unit 18 is ignited.
  • the burner unit 18 is supplied with natural gas 12 via the natural gas feed line 22 for carrying out combustion.
  • the exhaust gas 26 of the burner unit 18 is supplied to the heat exchanger 24 for heating the cathode gas 30.
  • a protective gas 68 is introduced into the anode path 40 via the protective gas feed line 66 for protection against oxidation.
  • a heating of the anode path 40 via the electric heater 48 of the reformer unit 36.
  • an introduction of a protective gas 68 can be dispensed with.
  • nitrogen may be introduced into the anode path 40 when the anode 38 of the fuel cell unit 14 and the anode gas processor 16 do not require a reducing atmosphere.
  • air 64 may be introduced into the anode path 40 and / or a gas in the anode path 40 may be recirculated in the anode path 40.
  • a second phase 72 the oxidation unit 34 is heated by the electric heater 50 to a temperature greater than 300 ° C.
  • a mixture of natural gas 12 and air 64 is fed to the anode path 40.
  • the electric heater 50 can be switched off and a supply line of the protective gas 68 can be terminated if necessary.
  • the compressor 46 of the recirculation circuit 32 is switched on and a recirculation rate is set to approximately 50%.
  • a current operation of the fuel cell unit 14 begins.
  • the burner unit 18 is increasingly operated by the supply of anode exhaust gas 20.
  • the supply of natural gas 12 to the burner unit 18 is gradually reduced and finally completely stopped.
  • the anode 38 of the fuel cell unit 14 and the anode gas processor 16 at least to a temperature resistant to oxidation, in which a Current operation of the fuel cell unit 14 is possible, and / or oxidation of the anode 38 of the fuel cell unit 14 and the anode gas processor 16 during a current operation is at least largely reversible
  • the first phase 70 and the second phase 72 can be merged as follows.
  • the compressor 46 of the recirculation circuit 32 is switched on.
  • the electric heaters 48, 50 of the oxidation unit 34 and the reformer unit 36 are started. Immediately before the onset of the current operation, natural gas 12 and air 64 or only natural gas 12 are metered into the anode path 40, whereupon the third phase 74 starts immediately.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Brennstoffzellenvorrichtung, welche dazu vorgesehen ist, mit Erdgas (12) betrieben zu werden, mit einer Brennstoffzelleneinheit (14), einem der Brennstoffzelleneinheit (14) vorgeschalteten Anodengasprozessor (16), welcher dazu vorgesehen ist, das Erdgas (12) zur Verwendung in der Brennstoffzelleneinheit (14) aufzubereiten, und mit einer Brennereinheit (18), welche während eines Normalbetriebs der Brennstoffzelleneinheit (14) dazu vorgesehen ist, in einem Anodenabgas (20) der Brennstoffzelleneinheit (14) verbliebene brennbare Stoffe zu verbrennen. Es wird vorgeschlagen, dass die Brennereinheit (18) während eines Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit (14) zu einer Erwärmung der Brennstoffzelleneinheit (14) auf eine Nennbetriebstemperatur vorgesehen ist.

Description

Beschreibung
Brennstoffzellenvorrichtung und Verfahren zu einem Anfahren der Brennstoffzellenvorrichtung Stand der Technik
Es ist bereits eine Brennstoffzellenvorrichtung, welche dazu vorgesehen ist, mit Erdgas betrieben zu werden, mit einer Brennstoffzelleneinheit, einem der Brennstoffzelleneinheit vorgeschalteten Anodengasprozessor, welcher dazu vorgesehen ist, das Erdgas zur Verwendung in der Brennstoffzelleneinheit aufzubereiten, und mit einer Brennereinheit, welche während eines Normalbetriebs der Brennstoffzelleneinheit dazu vorgesehen ist, in einem Anodenabgas der Brennstoffzelleneinheit verbliebene brennbare Stoffe zu verbrennen, bekannt. Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer Brennstoffzellenvorrichtung, welche dazu vorgesehen ist, mit Erdgas betrieben zu werden, mit einer Brennstoffzelleneinheit, einem der Brennstoffzelleneinheit vorgeschalteten Anodengasprozessor, welcher dazu vorgese- hen ist, das Erdgas zur Verwendung in der Brennstoffzelleneinheit aufzubereiten, und mit einer Brennereinheit, welche während eines Normalbetriebs der Brennstoffzellen- einheit dazu vorgesehen ist, in einem Anodenabgas der Brennstoffzelleneinheit verbliebene brennbare Stoffe zu verbrennen. Es wird vorgeschlagen, dass die Brennereinheit während eines Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit zu einer Erwärmung der Brennstoffzelleneinheit auf eine Nennbetriebstemperatur vorgesehen ist.
Unter einer„Brennstoffzellenvorrichtung" soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Vorrichtung zu einer stationären und/oder mobilen Gewinnung insbesondere elektrischer und/oder thermischer Energie unter Verwendung zumindest einer Brenn- Stoffzeileneinheit verstanden werden. Unter einem„Erdgas" soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Gas und/oder ein Gasgemisch, insbesondere ein Naturgasgemisch, verstanden werden, welches vorzugsweise zumindest ein Alkan, insbesondere Methan, Ethan, Propan und/oder Butan, umfasst. Ferner kann das Erdgas weitere Be- standteile aufweisen, wie insbesondere Kohlenstoffdioxid und/oder Stickstoff und/oder
Sauerstoff und/oder Schwefelverbindungen. Unter einer„Brennstoffzelleneinheit" soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit mit zumindest einer Brennstoffzelle verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, zumindest eine chemische Reaktionsenergie zumindest eines, insbesondere kontinuierlich zugeführten, Brenngases, insbesondere Wasserstoff und/oder Kohlenstoffmonoxid, und zumindest eines Kathodengases, insbesondere Sauerstoff, insbesondere in elektrische Energie umzuwandeln. Die zumindest eine Brennstoffzelle ist vorzugsweise als Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) ausgebildet. Vorzugsweise umfasst die zumindest eine Brennstoffzelleneinheit eine Vielzahl von Brennstoffzellen, welche insbesondere in einem Brennstoffzellen- Stack angeordnet sind. Unter„vorgesehen" soll insbesondere speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt.
Unter einem„Anodengasprozessor" soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, das Erdgas vor einer Zuleitung zu einer Anode der Brennstoffzelleneinheit für eine Verwendung innerhalb einer in der Brennstoffzelleneinheit ablaufenden Reaktion aufzubereiten. Insbesondere ist der Anodengasprozessor dazu vorgesehen, insbesondere ein Erdgas und/oder ein Brenngas und/oder ein brenngashaltiges Gasgemisch auf eine Reaktionstemperatur zu erwärmen und/oder das Erdgas in ein Brenngas und/oder ein Brenngasgemisch zu überführen. Insbesondere kann der Anodengasprozessor als eine bauliche Einheit ausgebildet sein. Unter einer„baulichen Einheit" soll in diesem Zusammenhang insbesonde- re eine vormontierbare und/oder vorzugsweise vormontierte Einheit verstanden werden, welche eine Mehrzahl von Untereinheiten, insbesondere die Entschwefelungseinheit, die Oxidationseinheit und die Reformereinheit, und/oder Komponenten, beispielsweise Fluidverbindungen und/oder Sensoren und/oder Wärmeübertrager, derart zusammenfasse dass diese vorzugsweise als Ganzes in ein Gesamtsystem, insbesonde- re in ein Brennstoffzellensystem, einbringbar und/oder als Ganzes aus dem Gesamtsystem entfernbar sind. Unter einem„Normalbetrieb der Brennstoffzelleneinheit" soll in diesem Zusammenhang ein Betriebszustand verstanden werden in welchem die Brennstoffzelleneinheit ihre Nennbetriebstemperatur aufweist und eine maximale elektrische Leistung abgeben kann. Unter einem„Anfahren der Brennstoffzelleneinheit" soll insbesondere ein Pro- zess verstanden werden, welcher insbesondere dazu vorgesehen ist, die Brennstoffzelleneinheit auf ihre Nennbetriebstemperatur zu erwärmen. Der Brennereinheit wird während eines Normalbetriebs der Brennstoffzelleneinheit zumindest ein Teil eines Anodenabgases der Brennstoffzelleneinheit zugeführt. Die Brennereinheit ist dazu vorgesehen, in dem Anodenabgas der Brennstoffzelleneinheit verbliebene brennbare Stoffe, insbesondere nicht umgesetzten Wasserstoff, und/oder Kohlenmonoxid zu verbrennen. Ein für einen Betrieb der Brennereinheit benötigter Sauerstoff wird der Brennereinheit in Form eines Kathodenabgases der Brennstoffzelleneinheit zugeführt. Während eines Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit ist die Brennereinheit dazu vorgesehen, zumindest einen Beitrag zu einer Erwärmung der Brennstoffzelleneinheit auf ihre Nennbetriebstemperatur zu leisten. Während eines Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit wird der Brennereinheit zumindest ein von einem Anodenabgas verschiedener Brennstoff und ein für ein für eine Verbrennung notweniger Sauerstoff zugeführt. Eine durch die Verbrennung gewonnene thermische Energie wird zumindest teilweise indirekt oder direkt der Brennstoffzelleneinheit zu einer Erwärmung zugeführt. Alternativ oder zusätzlich kann die Brennereinheit zumindest einen elektrischen Heizer umfassen, welcher dazu vorgesehen ist, während eines Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit einen Beitrag zu einer Erwärmung der Brennstoffzelleneinheit auf ihre Nennbetriebstemperatur zu leisten. Eine durch den elektrischen Heizer gewonnene thermische Energie wird zumindest teilweise indirekt oder direkt der Brennstoffzelleneinheit zu einer Erwärmung zugeführt.
Durch eine derartige Ausgestaltung kann eine gattungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung mit vorteilhaften Betriebseigenschaften bereitgestellt werden. Insbesondere kann durch die Verwendung der Brennereinheit sowohl als Nachbrenner während eines Normalbetriebs der Brennstoffzelleneinheit als auch als Startbrenner während eines Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit vorteilhaft auf einen separaten Startbrenner verzichtet werden. Hierdurch können eine vorteilhafte Kosten- und/oder Platzersparnis erreicht werden und/oder ein Wartungsaufwand vorteilhaft reduziert werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Brennereinheit zumindest eine Erdgaszuleitung aufweist, welche dazu vorgesehen ist, der Brennereinheit während eines Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit Erdgas zuzuführen. Insbesondere weist die Erdgaszuleitung zumindest ein insbesondere als Proportionalventil ausgebildetes Ventil auf, welches dazu vorgesehen ist, einen Volumenstrom des Erdgases zu der Brennereinheit zu regulieren. Insbesondere ist das Ventil dazu vorgesehen, während eines Anfahrens der Brennstoffzelleinheit geöffnet zu sein. Das Ventil ist insbesondere dazu vorgesehen während eines Normalbetriebs der Brennstoffzelleneinheit geschlossen zu sein. Insbesondere wird der Brennereinheit während eines Normalbetriebs der Brennstoffzelleneinheit kein Erdgas über die Erdgaszuleitung zugeführt. Insbesondere kann die Zuführung von Erdgas an die Brennereinheit während des Anfahrens der Brennstoffzellen- einheit temperatur- und/oder zeitgesteuert erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann das
Erdgas während eines Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit zunächst durch die Anode der Brennstoffzelleneinheit geleitet und anschließend der der Brennereinheit zugeführt werden. Hierdurch kann eine vorteilhaft einfache und/oder zuverlässige Versorgung der Brennereinheit während eines Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit mit ei- nem Brennstoff erfolgen. Ferner kann die Brennereinheit durch die Zuführung von Erdgas vorteilhaft zum Anfahren der Brennstoffzelleneinheit gezündet werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest einen Wärmeübertrager aufweist, welcher dazu vor- gesehen ist, eine thermische Energie eines Abgases der Brennereinheit zumindest teilweise auf ein einer Kathode der Brennstoffzelleneinheit zugeführtes Oxidationsgas zu übertragen. Unter einem„Wärmeübertrager" soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, Wärme in Richtung eines Temperaturgefälles zwischen zumindest zwei insbesondere fluiden Stoff- strömen zu übertragen, insbesondere in einem Gegenstrombetrieb, Kreuzstrom betrieb und/oder Gleichstrombetrieb. Der Wärmeübertrager ist insbesondere dazu vorgesehen, Wärme von zumindest einem fluiden Stoffstrom, insbesondere einem Abgas der Brennereinheit, insbesondere auf das der Kathode der Brennstoffzelleneinheit zugeführte Oxidationsgas, zu übertragen. Insbesondere ist der Wärmeübertrager dazu vor- gesehen, sowohl während eines Anfahrens als auch während eines Normalbetriebs der Brennstoffzelleneinheit von einem Abgas der Brennereinheit und einem Kathodengas durchströmt zu werden. Der Wärmeübertrager ist insbesondere dazu vorgesehen, während eines Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit Wärme von einem Abgas der Brennereinheit zu einer Erwärmung der Brennstoffzelleinheit auf ihre Nennbetriebs- temperatur auf das Kathodengas zu übertragen. Während eines Normalbetriebs der
Brennstoffzelleneinheit ist der Wärmeübertrager insbesondere dazu vorgesehen, das Kathodengas durch eine Übertragung von Wärme von einem Abgas der Brennereinheit auf eine Prozesstemperatur zu erwärmen. Hierdurch kann ein vorteilhaft einfaches und/oder effizientes Erwärmen der Brennstoffzelleneinheit auf eine Nennbetriebstemperatur während eines Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit und ein vorteilhaft einfa- ches und/oder effizientes Erwärmen des Kathodengases auf eine Prozesstemperatur während eines Normalbetriebs der Brennstoffzelleneinheit erreicht werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung einen Rezirkulations- kreis aufweist, welcher während eines Normalbetriebs der Brennstoffzelleneinheit dazu vorgesehen ist, dem Anodengasprozessor zumindest einen Teil eines Anodenabgases der Brennstoffzelleneinheit zuzuführen. Unter einem„Rezirkulationskreis" soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Verbindungseinheit verstanden werden, die zu einem Transport von insbesondere flüssigen und/oder gasförmigen Stoffen und/oder Stoffgemischen vorgesehen ist. Insbesondere umfasst der Rezirkulations- kreis zumindest eine Hohlleitung, beispielsweise zumindest eine Rohr- und/oder
Schlauchleitung. Der Rezirkulationskreis ist insbesondere dazu vorgesehen, dem Anodengasprozessor eingangsseitig einen insbesondere festgelegten Prozentsatz eines Volumenstroms eines insbesondere wasserdampfhaltigen und/oder wasserstoffhalti- gen und/oder kohlenmonoxidhaltigen Abgases der Brennstoffzelleneinheit, insbeson- dere eines Anodenabgases, zuzuführen. Hierdurch kann dem Anodengasprozessor für eine Aufbereitung des Erdgases benötigter Wasserdampf und/oder Wasserstoff zugeführt werden. Ferner kann eine Brennstoffnutzungsrate der Brennstoffzellenvorrichtung vorteilhaft erhöht werden. Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Anodengasprozessor, eine Oxidationsein- heit, welche zur Durchführung einer partiellen Oxidation vorgesehen ist, und eine Reformereinheit, welche zu einer zumindest teilweisen Reformierung des Erdgases vorgesehen ist, aufweist. Unter einer„Reformereinheit" soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine chemisch-technische Einheit zu zumindest einer Aufbereitung zu- mindest eines kohlenwasserstoff haltigen Brennstoffs, insbesondere des Erdgases, insbesondere durch eine Dampfreformierung, durch eine partielle Oxidation, durch eine autotherme Reformierung und/oder durch eine Kombination einer Dampfreformierung mit einer C02-Trockenreformierung, insbesondere zur Gewinnung eines Brenngases, insbesondere Wasserstoff, und/oder zum Aufbrechen höherkettiger Alkane verstanden werden. Unter einer„Oxidationseinheit" soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, das Erdgas insbesonde- re mittels Thermisch Partieller Oxidation und/oder Katalytisch Partieller Oxidation unter Zugabe von Sauerstoff, insbesondere Luftsauerstoff, zumindest teilweise in ein Brenngas, insbesondere Wasserstoff, und/oder ein brenngashaltiges Gasgemisch zu überführen. Die Oxidationseinheit ermöglicht insbesondere während eines Anfahrens der Brennstoffzellenvorrichtung während welchem ein zu geringer Anteil an Wasserdampf für die Reformereinheit zur Verfügung steht, eine Gewinnung von Wasserstoff. Bei einem Vorhandensein einer ausreichenden Menge von Wasserdampf weist die Dampfre- formierung mittels der Reformereinheit gegenüber der partiellen Oxidation mittels der Oxidationseinheit insbesondere eine größere Wasserstoffausbeute auf. Ferner kann der Anodengasprozessor eine Entschweflungseinheit umfassen. Unter einer„Entschwefelungseinheit" soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, vorzugsweise durch zumindest ein physikalisches und/oder chemisches Adsorptionsverfahren und/oder Absorptionsverfahren, einen Volumen- und/oder Molanteil an Schwefelverbindungen in dem Erdgas ins- besondere unter einen festgelegten Grenzwert zu senken und vorzugsweise zumindest im Wesentlichen aus dem Erdgas zu entfernen. Insbesondere kann die Entschwefelungseinheit als eine Hydrodesulfierungseinheit ausgebildet sein. Unter einer„Hydro- desulfierungseinheit" soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Entschwefelungseinheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, das Erdgas unter Zuga- be von Wasserstoff unter einen vorbestimmten Grenzwert und vorzugsweise zumindest weitgehend zu entschwefeln. Insbesondere reagieren dabei in einem ersten Prozessschritt Schwefelkomponenten des Erdgases mit dem Wasserstoff zu Schwefelwasserstoff und zu schwefelfreien Kohlenwasserstoffen. In einem zweiten Prozessschritt kann der Schwefelwasserstoff insbesondere durch eine Absorption, beispiels- weise in einem Zinkoxid-Bett, in einer festen Sulfidverbindung gebunden werden. Insbesondere ist die Entschwefelungseinheit der Oxidationseinheit strömungstechnisch vorgeschaltet und die Reformereinheit der Oxidationseinheit strömungstechnisch nachgeschaltet. Hierdurch kann eine vorteilhafte Aufbereitung des Erdgases erreicht werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass eine Anode der Brennstoffzelleneinheit und der Anodengasprozessor zumindest zeitweise im Wesentlichen resistent gegen eine Oxidation sind und/oder eine Oxidation einer Anode der Brennstoffzelleneinheit und des Anodengasprozessors zumindest weitgehend reversibel ist. Insbesondere kann dies durch eine geschickte Auswahl von
Katalysator-Werkstoffen und/oder Funktionsschicht-Werkstoffen der Anode erreicht werden. Alternativ oder zusätzlich können die Funktionsschichten der Anode sehr dünn konzipiert werden, wodurch der negative Effekt der Volumenänderung bei Oxidation gemindert werden kann. Insbesondere kann während eines Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit Stickstoff in einen Anodenpfad eingeleitet werden, wenn die Anode der Brennstoffzelleneinheit und der Anodengasprozessor zu Beginn des Anfahrens keine reduzierende Atmosphäre benötigt. Alternativ kann während eines Anfahrens der Brennstoffzelleinheit insbesondere Luft in einen Anodenpfad eingeleitet und/oder ein in dem Anodenpfad befindliches Gas im Anodenpfad rezirkuliert werden, wenn die Anode der Brennstoffzelleneinheit und der Anodengasprozessor zu Beginn des Anfahrens resistent gegen eine Oxidation sind oder eine Oxidation der Anode und des Anoden- gasprozessors in späteren Phasen des Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit zumindest weitgehend reversibel ist. Hierdurch kann während eines Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit vorteilhaft auf eine Einleitung eines Schutz- oder Formiergases in einen Anodenpfad verzichtet werden, wodurch eine vorteilhafte Kostenersparnis und/oder ein vorteilhaft einfacher Aufbau der Brennstoffzellenvorrichtung erreicht werden kann.
Ferner wird ein Verfahren zum Anfahren einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Brennstoffzelleneinheit und mit einer Brennereinheit, welche während eines Normalbetriebs der Brennstoffzelleneinheit dazu vorgesehen ist, in einem Anodenabgas der Brennstoffzelleneinheit verbliebene brennbare Stoffe zu verbrennen, vorgeschlagen bei welchem in zumindest einem Verfahrensschritt die Brennstoffzelleneinheit während eines Anfahrens mittels der Brennereinheit auf eine Nennbetriebstemperatur erwärmt wird. Durch die Verwendung der Brennereinheit sowohl als Nachbrenner während eines Normalbetriebs der Brennstoffzelleneinheit als auch als Startbrenner während eines Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit kann vorteilhaft auf einen separaten Startbrenner verzichtet werden. Hierdurch können eine vorteilhafte Kosten- und/oder Platzersparnis erreicht werden und/oder ein Wartungsaufwand vorteilhaft reduziert werden
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass zu Beginn eines Erwärmens der Brennstoffzelleneinheit Stickstoff oder Luft in einen Anodenpfad eingeleitet oder in dem Anodenpfad vorhandenes Gas rezirkuliert wird. Hierdurch kann ein Anfahren der Brennstoffzelleinheit vorteilhaft vereinfacht werden. Zudem wird vorgeschlagen, dass unmittelbar vor Eintritt eines Strombetriebs der Brennstoffzelleneinheit Erdgas und/oder Luft in einen Anodenpfad zudosiert wird. Hierdurch kann ein Anfahren der Brennstoffzelleinheit vorteilhaft vereinfacht werden.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Brennstoffzellen Vorrichtung zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten abweichende Anzahl aufweisen.
Zeichnung
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Brennstoffzelleneinheit, einem Anodengasprozessor und einer Brennereinheit und
Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Anfahren der Brennstoffzellenvorrichtung.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung 10, welche dazu vorgesehen ist, mit Erdgas 12 betrieben zu werden. Alternativ kann die Brennstoffzellenvorrichtung 10 mit Methan betrieben werden. Die Brennstoffzellen Vorrichtung 10 weist eine Brennstoffzelleneinheit 14 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 14 ist hier vereinfacht als eine Brennstoffzelle 42 dargestellt. Zweckmäßig ist jedoch eine
Ausbildung einer Brennstoffzelleneinheit als ein Brennstoffzellenstack mit einer Viel- zahl von Brennstoffzellen. Die Brennstoffzelleneinheit 14 weist eine Anode 38 und eine Kathode 28 auf. Der Anode 38 wird während eines Normalbetriebs der Brennstoffzelleneinheit 14 ein aus dem Erdgas 12 gewonnenes Reformat 44 zugeführt. Der Kathode 28 wird während eines Normalbetriebs der Brennstoffzelleneinheit 14 ein Kathodengas 30, insbesondere Luftsauerstoff, zugeführt.
Ferner weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10 einen Anodengasprozessor 16 auf, welcher dazu vorgesehen ist, das Erdgas 12 zur Verwendung in der Brennstoffzelleneinheit 14 aufzubereiten. Der Anodengasprozessor 16 ist der Anode 38 der Brennstoff- Zeileneinheit 14 strömungstechnisch vorgeschaltet. Der Anodengasprozessor 16 um- fasst eine Oxidationseinheit 34 und eine Reformereinheit 36. Zusätzlich kann der Anodengasprozessor 16 eine hier nicht dargestellte Entschwefelungseinheit umfassen. Die Oxidationseinheit 34 und die Reformereinheit 36 sind innerhalb des Anodengasprozes- sors 16 strömungstechnisch seriell miteinander verschaltet. Die Reformereinheit 36 ist der Oxidationseinheit 34 strömungstechnisch nachgeschaltet. Die Oxidationseinheit 34 ist dazu vorgesehen, das Erdgas 12 mittels partieller Oxidation unter Zugabe von Sauerstoff aus der Umgebungsluft teilweise in Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid zu überführen. Die der Oxidationseinheit 34 nachgeschaltete Reformereinheit 36 ist insbesondere als eine Dampfreformereinheit ausgebildet. Die Reformereinheit 36 ist dazu vorgesehen, insbesondere mittels einer Dampfreformierung langkettige Kohlenwasserstoffe zu Methan, Wasserstoff, Kohlenstoff monoxid sowie Kohlenstoffdioxid aufzuspalten. Das so gewonnene Reformat 44 wird der Anode 38 der Brennstoffzelleneinheit 14 zugeführt. Insbesondere während eines Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit 14 steht ein zu geringer Anteil an Wasserdampf für einen Betrieb der Reformereinheit 36 und/oder ein zu geringer Anteil an Wasserstoff für den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 14 zur Verfügung. Die Oxidationseinheit 34 ermöglicht, insbesondere während des Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit 14, eine Gewinnung von Wasserstoff unter Verwendung von Luftsauerstoff aus der Umgebungsluft. Der so gewonnene Wasserstoff kann zu einem Anlaufbetrieb der Brennstoffzelleneinheit 14 verwendet werden. Die Oxidationseinheit 34 und die Reformereinheit 36 weisen jeweils einen elektrischen
Heizer 48, 50 auf. Das Erdgas 12 wird während eines Betriebs der Brennstoffzel leneinheit 14 über eine Versorgungsleitung 52 in die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eingespeist. Das Erdgas 12 wird mittels eines Verdichters 54 gefördert. Vor Eintritt in einen Anodengasprozessor 16 wird Erdgas 12 mittels eines Wärmeübertragers 56 auf eine Prozesstemperatur erwärmt. Das Kathodengas 30 wird über eine weitere Versorgungsleitung 58 in die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eingespeist. Das Kathodengas 30 wird mittels eines Verdichters 60 gefördert. Ferner weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine Luftzuleitung 62, welche dazu vorgesehen ist Luft 64 in einen Anodenpfad 40 einzuspeisen, und eine Schutzgaszuleitung 66, welche dazu vorgesehen ist, ein Schutzgas 68 in einen Anodenpfad 40 einzuspeisen, auf.
Ferner umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine der Brennstoffzelleneinheit 14 nachgeschaltete Brennereinheit 18. Der Brennereinheit 18 wird während eines Normalbetriebs der Brennstoffzelleneinheit 14 ein Teil eines Anodenabgases 20 der Brennstoffzelleneinheit 14 zugeführt. Die Brennereinheit 18 ist dazu vorgesehen, in dem Anodenabgas 20 der Brennstoffzelleneinheit 14 verbliebene brennbare Stoffe, insbesondere nicht umgesetzten Wasserstoff, zu verbrennen. Ein für einen Betrieb der Brennereinheit 18 benötigter Sauerstoff wird der Brennereinheit 18 in Form eines Kathodenabgases 76 zugeführt. Die Brennereinheit 18 ist ferner während eines Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit 14 zu einer Erwärmung der Brennstoffzelleneinheit 14 auf eine Nennbetriebstemperatur vorgesehen ist. Die Brennereinheit 18 weist zumindest eine Erdgaszuleitung 22 auf, welche dazu vorgesehen ist, der Brennereinheit 18 während eines Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit 14 Erdgas 12 insbesondere unmittelbar zuzuführen. Während eines Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit 14 wird das Erdgas 12 der Brennereinheit 18, welche dazu vorgesehen ist, das Kathodengas 30 während des Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit 14 aufzuheizen, zugeführt. Über das aufgeheizte Kathodengas 30 wird die Brennstoffzelleneinheit 14, auf eine Nennbetriebstemperatur erwärmt. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 weist einen Wärmeübertrager 24 auf, welcher dazu vorgesehen ist, eine thermische Energie eines Abgases 26 der Brennereinheit 18 zumindest teilweise auf das der Kathode 28 der Brennstoffzel- leneinheit 14 zugeführte Kathodengas 30 zu übertragen.
Die Brennstoff zellen Vorrichtung 10 weist ferner einen Rezirkulationskreis 32 auf, welcher zu einer teilweisen Rezirkulation des Wasserstoff- und wasserhaltigen Anodenabgases 20 der Brennstoffzelleneinheit 14 vorgesehen ist. Der Rezirkulationskreis 32 ist insbesondere dazu vorgesehen, das Anodenabgas 20 der Brennstoffzelleneinheit 14 zumindest teilweise zur Vermischung mit dem Erdgas 12 zurückzuführen. Ferner ist ein Verdichter 46 in dem Rezirkulationskreis 32 angeordnet. Durch die Rezirkulation des Anodenabgases 20 kann Wasserdampf aus einem Reaktionsvorgang in der Brennstoffzelleneinheit 14 zur Reformierung des Erdgases 12 innerhalb der Reformereinheit 36 verwendet werden. Ferner kann nicht umgesetzter Wasserstoff in die Brennstoffzel- leneinheit 14 zurückgeführt werden, wodurch ein Brennstoffnutzungsgrad erhöht werden kann.
Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Anfahren der Brennstoffzellenvorrichtung 10. In einer ersten Phase 70 des Verfahrens erfolgt eine Zündung der Brennereinheit 18. Der Brennereinheit 18 wird über die Erdgaszuleitung 22 Erdgas 12 zur Durchführung einer Verbrennung zugeleitet. Das Abgas 26 der Brennereinheit 18 wird dem Wärmeübertrager 24 zur Erwärmung des Kathodengases 30 zugeführt. Über die Schutzgaszuleitung 66 wird ein Schutzgas 68 zum Schutz vor Oxidationen in den Anodenpfad 40 eingeleitet. Eine Erwärmung des Anodenpfads 40 erfolgt über den elektrischen Heizer 48 der Reformereinheit 36. Sind die Anode 38 der Brennstoffzelleneinheit 14 und der Anodengasprozessor 16 zumindest zeitweise im Wesentlichen resistent gegen eine Oxidation und/oder ist eine Oxidation der Anode 38 der Brennstoffzelleneinheit 14 und des Anodengasprozessors 16 in weiteren Phasen des Verfahrens zumindest weitgehend reversibel, kann eine Einleitung eines Schutzgases 68 entfallen. Insbesondere kann während der ersten Phase 70 Stickstoff in den Anodenpfad 40 eingeleitet werden, wenn die Anode 38 der Brennstoffzelleneinheit 14 und der Anodengasprozessor 16 keine reduzierende Atmosphäre benötigt. Alternativ kann während der ersten Phase 70 Luft 64 in den Anodenpfad 40 eingeleitet und/oder ein in dem Anodenpfad 40 befindliches Gas im Anodenpfad 40 rezirkuliert werden.
In einer zweiten Phase 72 wird die Oxidationseinheit 34 mittels des elektrischen Heizers 50 auf eine Temperatur größer 300°C erwärmt. Ein Gemisch aus Erdgas 12 und Luft 64 wird in den Anodenpfad 40 eingespeist. Sobald die partielle Oxidation innerhalb der Oxidationseinheit 34 einsetzt, kann der der elektrische Heizer 50 ausgeschaltet werden und eine Zuleitung des Schutzgases 68 gegebenenfalls beendet werden. Der Verdichter 46 des Rezirkulationskreises 32 wird eingeschaltet und eine Rezirkulations- rate auf circa 50 % eingestellt.
In einer dritten Phase 74 setzt ein Strombetrieb der Brennstoffzelleneinheit 14 ein. Die Brennereinheit 18 wird zunehmend durch die Zuführung von Anodenabgas 20 betrieben. Die Zuführung von Erdgas 12 zu der Brennereinheit 18 wird schrittweise reduziert und schließlich vollständig beendet. Sind die Anode 38 der Brennstoffzelleneinheit 14 und der Anodengasprozessor 16 zumindest bis zu einer Temperatur resistent gegen eine Oxidation, bei welcher ein Strombetrieb der Brennstoffzelleneinheit 14 möglich ist, und/oder ist eine Oxidation der Anode 38 der Brennstoffzelleneinheit 14 und des Anodengasprozessor 16 während eines Strombetriebs zumindest weitgehend reversibel, können die erste Phase 70 und die zweite Phase 72 wie folgt zusammengelegt werden. Der Verdichter 46 des Rezirku- lationskreises 32 wird eingeschaltet. Die elektrischen Heizer 48, 50 der Oxidationsein- heit 34 und der Reformereinheit 36 werden gestartet. Unmittelbar vor Einsetzen des Strombetriebs werden Erdgas 12 und Luft 64 oder nur Erdgas 12 in den Anodenpfad 40 zudosiert, woraufhin unmittelbar die dritte Phase 74 einsetzt.

Claims

Ansprüche
Brennstoffzellenvorrichtung, welche dazu vorgesehen ist, mit Erdgas (12) betrieben zu werden, mit einer Brennstoffzelleneinheit (14), einem der
Brennstoffzelleneinheit (14) vorgeschalteten Anodengasprozessor (16), welcher dazu vorgesehen ist, das Erdgas (12) zur Verwendung in der
Brennstoffzelleneinheit (14) aufzubereiten, und mit einer Brennereinheit (18), welche während eines Normalbetriebs der Brennstoffzelleneinheit (14) dazu vorgesehen ist, in einem Anodenabgas (20) der Brennstoffzelleneinheit (14) verbliebene brennbare Stoffe zu verbrennen, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennereinheit (18) während eines Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit (14) zu einer Erwärmung der Brennstoffzelleneinheit (14) auf eine
Nennbetriebstemperatur vorgesehen ist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennereinheit (18) zumindest eine Erdgaszuleitung (22) aufweist, welche dazu vorgesehen ist, der Brennereinheit (18) während eines Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit (14) Erdgas (12) zuzuführen.
Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch zumindest einen Wärmeübertrager (24), welcher dazu vorgesehen ist, eine thermische Energie eines Abgases (26) der Brennereinheit (18) zumindest teilweise auf ein einer Kathode (28) der Brennstoffzelleneinheit (14) zugeführtes Kathodengas (30) zu übertragen. 4. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch einen Rezirkulationskreis (32), welche während eines Normalbetriebs der Brennstoffzelleneinheit (14) dazu vorgesehen ist, dem Anodengasprozessor (16) zumindest einen Teil eines Anodenabgases (20) der Brennstoffzelleneinheit (14) zuzuführen.
5. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodengasprozessor(16), eine
Oxidationseinheit (34), welche zur Durchführung einer partiellen Oxidation vorgesehen ist, und eine Reformereinheit (36), welche zu einer zumindest teilweisen Reformierung des Erdgases (12) vorgesehen ist, aufweist.
6. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Anode (38) der Brennstoffzelleneinheit (14) und der Anodengasprozessor (16) zumindest zeitweise im Wesentlichen resistent gegen eine Oxidation sind und/oder eine Oxidation einer Anode (38) der Brennstoffzelleneinheit (14) und des Anodengasprozessors (16) zumindest weitgehend reversibel ist.
7. Verfahren zum Anfahren einer Brennstoffzellenvorrichtung (10), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Brennstoffzelleneinheit (14) und mit einer Brennereinheit(18), welche während eines Normalbetriebs der Brennstoffzelleneinheit (14) dazu vorgesehen ist, in einem Anodenabgas (20) der Brennstoffzelleneinheit (14) verbliebene brennbare Stoffe zu verbrennen, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (14) während eines Anfahrens mittels der Brennereinheit (18) auf eine Nennbetriebstemperatur erwärmt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn eines Erwärmens der Brennstoffzelleneinheit (14) Stickstoff oder Luft (64) in einen Anodenpfad (40) eingeleitet oder in dem Anodenpfad (40) vorhandenes Gas rezirkuliert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass
unmittelbar vor Eintritt eines Strombetriebs der Brennstoffzelleneinheit (14) Erdgas (12) und/oder Luft (64) in einen Anodenpfad (40) zudosiert wird.
EP17829990.5A 2016-12-28 2017-12-27 Brennstoffzellenvorrichtung und verfahren zu einem anfahren der brennstoffzellenvorrichtung Withdrawn EP3563444A1 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102016226239 2016-12-28
DE102017200995.0A DE102017200995A1 (de) 2016-12-28 2017-01-23 Brennstoffzellenvorrichtung und Verfahren zu einem Anfahren der Brennstoffzellenvorrichtung
PCT/EP2017/084630 WO2018122252A1 (de) 2016-12-28 2017-12-27 Brennstoffzellenvorrichtung und verfahren zu einem anfahren der brennstoffzellenvorrichtung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP3563444A1 true EP3563444A1 (de) 2019-11-06

Family

ID=62510341

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP17829990.5A Withdrawn EP3563444A1 (de) 2016-12-28 2017-12-27 Brennstoffzellenvorrichtung und verfahren zu einem anfahren der brennstoffzellenvorrichtung

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP3563444A1 (de)
CN (1) CN110088957B (de)
DE (1) DE102017200995A1 (de)
WO (1) WO2018122252A1 (de)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT521901B1 (de) * 2018-11-19 2020-10-15 Avl List Gmbh Verfahren zum Aufheizen eines Brennstoffzellensystems sowie Brennstoffzellensystem
DE102019215230A1 (de) * 2019-10-02 2021-04-08 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellenvorrichtung
AT523488B1 (de) * 2020-02-06 2021-12-15 Avl List Gmbh Schutz-Reformervorrichtung zum Schutz eines Anodenabschnitts eines Brennstoffzellenstapels

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101593838A (zh) * 2003-06-27 2009-12-02 超电池公司 微燃料电池结构
DE102006003740B4 (de) * 2006-01-20 2011-06-30 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 80686 Verfahren und System zum Betreiben einer Hochtemperaturbrennstoffzelle
JP5323333B2 (ja) * 2007-08-28 2013-10-23 本田技研工業株式会社 燃料電池システム及びその運転方法
JP2013545649A (ja) * 2010-09-30 2013-12-26 ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ 航空機燃料電池システム
EP2783413B1 (de) * 2011-11-21 2018-10-17 Saudi Arabian Oil Company Verfahren und system zur kombinierten wasserstoff- und elektrizitätsherstellung mithilfe von petroleumbrennstoffen
JP5981872B2 (ja) * 2013-04-18 2016-08-31 本田技研工業株式会社 燃料電池モジュール
GB201312329D0 (en) * 2013-07-09 2013-08-21 Ceres Ip Co Ltd Improved fuel cell systems and methods
CN107112560B (zh) * 2014-12-01 2020-08-18 Ht切拉米克斯有限公司 Sofc系统和操作sofc系统的方法

Also Published As

Publication number Publication date
WO2018122252A1 (de) 2018-07-05
CN110088957B (zh) 2023-03-07
DE102017200995A1 (de) 2018-06-28
CN110088957A (zh) 2019-08-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE19755813C2 (de) Verfahren zum Betrieb einer Wasserdampfreformierungsanlage, damit betreibbare Reformierungsanlage und Brennstoffzellensystem-Betriebsverfahren
EP1817813B1 (de) Brennstoffzellenheizgerät sowie verfahren zum betreiben eines brennstoffzellenheizgeräts
EP3563444A1 (de) Brennstoffzellenvorrichtung und verfahren zu einem anfahren der brennstoffzellenvorrichtung
WO2018233945A1 (de) Brennstoffzellenvorrichtung mit befeuchtungseinheit zur befeuchtung von brennstoff
EP1947723B1 (de) Energiebereitstellungssystem
WO2003021696A2 (de) System zum erzeugen elektrischer energie und verfahren zum betreiben eines systems zum erzeugen elektrischer energie
DE19902926A1 (de) Wasserdampfreformierungsanlage und Betriebsverfahren hierfür
DE102007019359A1 (de) Brennstoffzellensystem und zugehöriges Startverfahren
EP3586390B1 (de) Brennstoffzellenvorrichtung
DE102015216254B4 (de) Brennstoffzellenmodul
DE102014214848A1 (de) Brennstoffzellenvorrichtung
DE112009000652B4 (de) Reformiervorrichtung
WO2018060440A1 (de) Brennstoffzellenvorrichtung
DE102007033150B4 (de) Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem
EP3316371B1 (de) Brennstoffzellenvorrichtung mit durch kathodenabgas temperiertem reformer
DE10104607A1 (de) Gaserzeugungssystem für ein Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betrieb eines Gaserzeugungssystems
DE102008008907A1 (de) Brennstoffzellensystem
DE102008037028B4 (de) Brennstoffzellensystem für gasförmige Kohlenwassserstoffe und dazugehöriges Betriebsverfahren
EP2041821A1 (de) Brennstoff zellensystem mit reformer und nachbrenner
EP2075226B1 (de) Reformer, Brennstoffzelle und zugehörige Betriebsverfahren
WO2016041654A1 (de) Brennstoffzellenvorrichtung mit verbessertem anodengasprozessor
WO2018033287A1 (de) Brennstoffzellenvorrichtung
DE102007033151B4 (de) Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem
WO2019206392A1 (de) Verfahren zur entkokung einer anode einer brennstoffzellenvorrichtung
EP3084869B1 (de) Gaskreislauf für ein festoxidbrennstoffzellen-system und festoxidbrennstoffzellen-system

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20190729

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: BA ME

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)
RAP1 Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred)

Owner name: ROBERT BOSCH GMBH

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS

17Q First examination report despatched

Effective date: 20200916

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20210327