EP4511894A1 - Brennstoffzellensystem zur erzeugung elektrischer energie - Google Patents

Brennstoffzellensystem zur erzeugung elektrischer energie

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EP4511894A1
EP4511894A1 EP23772082.6A EP23772082A EP4511894A1 EP 4511894 A1 EP4511894 A1 EP 4511894A1 EP 23772082 A EP23772082 A EP 23772082A EP 4511894 A1 EP4511894 A1 EP 4511894A1
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EP
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anode
section
gas
cathode
fuel cell
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Application number
EP23772082.6A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Raphael NEUBAUER
Bhargav Pandya
Markus GOLL
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AVL List GmbH
Original Assignee
AVL List GmbH
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Publication date
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    • B01D53/74—General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system for generating electrical energy and a method for recirculating anode exhaust gas in such a fuel cell system.
  • fuel cell systems are used to generate electrical energy.
  • these fuel cell systems are usually equipped with fuel cell stacks in which a large number of individual fuel cells are arranged stacked, each with an anode section and a cathode section.
  • fuel gas and usually ambient air are supplied to the fuel cell stack, so that a chemical conversion of these gases can take place there to generate electrical energy.
  • the disadvantage of the known solutions is that recirculation can reduce the efficiency of operation, particularly when hydrogen is used as fuel gas. If hydrogen is supplied to a fuel cell stack, this hydrogen is converted in the anode section to form a mixture of water and a remaining amount of hydrogen in the anode exhaust gas. When this gas mixture is recirculated, the Nernst voltage can drop significantly due to the water it contains. The decrease in the Nernst voltage for the fuel cell stack leads to a reduction in efficiency, which usually compensates for the increase in efficiency due to recirculation. In other words, when operating a fuel cell system with hydrogen, recirculation does not lead to the desired increase in efficiency or only to a reduced extent.
  • a fuel cell system for generating electrical energy has a fuel cell stack with an anode section and a cathode section.
  • the anode section is equipped with an anode supply section for supplying anode supply gas and an anode discharge section for discharging anode exhaust gas.
  • the cathode section is equipped with a cathode supply section for supplying cathode supply gas and with a cathode discharge section for discharging cathode exhaust gas.
  • a dividing section is provided in the anode discharge section, which allows the anode exhaust gas to be divided into an anode recirculation section for recirculation as anode recirculation gas and an anode outlet section for outlet to the environment as anode outlet gas.
  • a Fuel cell system according to the invention is characterized in that a capacitor device is arranged in heat-transferring contact with the cathode supply section in the anode discharge section or in the anode recirculation section. This serves to cool the anode exhaust gas or the anode recirculation gas by heating the cathode feed gas.
  • a water outlet is provided downstream of this condenser device for an outlet of the condensed water condensed in the condenser device. Further downstream of the water outlet is a mixing section arranged for mixing the anode recirculation gas with the fuel gas and supplying it as anode supply gas into the anode supply section.
  • the core idea according to the invention is based on ensuring recirculation of anode exhaust gas.
  • This recirculation takes place in a divided manner, so that part of the anode exhaust gas is recirculated as anode recirculation gas using the dividing section.
  • the remaining anode exhaust gas is discharged into the environment as anode outlet gas.
  • an aftertreatment can also take place for this anode outlet gas.
  • the anode outlet gas is combined with the cathode exhaust gas.
  • the anode recirculation gas is recirculated in a dried manner, namely by passing it through a condenser device.
  • a condenser device the temperature of the anode exhaust gas or the anode recirculation gas is brought below the boiling temperature of water, i.e. below approximately 100 ° C, depending on the pressure situation and depending on a partial pressure that depends on the composition of the gas. This leads to the water vapor contained in the anode recirculation gas condensing out and being present as liquid condensed water.
  • the capacitor device can be arranged both before this dividing section in the anode discharge section, but also after this dividing section, in the anode recirculation section. In both cases the advantages according to the invention can be achieved.
  • a separator is provided downstream of the condenser device as a water outlet, in which the condensed components and thus the condensed water are separated from the gaseous components of the anode recirculation gas.
  • the remaining anode recirculation gas can also be referred to as dried anode recirculation gas and can accordingly be fed to a mixing section in this dried situation.
  • this mixing section which can be designed, for example, as an ejector device, as a mixing chamber or in a similar manner, the anode recirculation gas is mixed with a fuel gas supplied from a fuel gas source.
  • the necessary remaining amount of fuel gas can be added.
  • the mixed gas of fuel gas and anode recirculation gas is then fed back to the anode section of the fuel cell stack as anode supply gas.
  • the core idea according to the invention is based, among other things, on the fact that no external cold source and no separate external refrigeration circuit are necessary for the condensation of the condensation water in the anode recirculation gas or in the anode exhaust gas. Rather, in accordance with the invention, the capacitor device is designed in heat-transferring contact with the cathode supply section. Since such a fuel cell system is operated with air as the cathode supply gas for the cathode section, air is therefore sucked in from the environment. This suction can be done, for example, with a blower device. The air sucked in has a corresponding ambient temperature, which can range from -20 °C to 50 °C or even more, depending on the temperature situation.
  • the ambient air does not exceed the boiling temperature of water, usually 100 °C.
  • the supplied ambient air is sufficient as a heat sink to provide a cooling capacity for the anode exhaust gas or the anode recirculation gas as the coldest available temperature, which allows cooling below the condensation temperature of water.
  • a cold source is now provided as a secondary functionality, so to speak, simply by supplying air from the environment as a cathode supply gas, which can also be referred to as a heat sink.
  • This heat sink serves to extract so much heat energy from the recirculated anode exhaust gas as anode recirculation gas in the condenser device that the temperature of the anode exhaust gas or the anode recirculation gas drops below the boiling temperature of water.
  • This condensation process occurs According to the invention, free from the influence of external cooling sources, in particular free from an external cooling circuit of the fuel cell system.
  • cooling circuits can of course be provided at other positions in a complex fuel cell system in order to be able to carry out the desired temperature control processes.
  • fuel cell systems that are designed as SOFC systems very high temperatures are to be expected, so that, for example, parts of the fuel cell stack can be designed with an external cooling device.
  • an existing external cooling source is not used for the condensing function of the anode recirculation gas and the anode exhaust gas.
  • the integration of the condensation function into the cathode supply section achieves the desired condensation of condensation in the anode recirculation gas or in the anode exhaust gas.
  • this drying step and the associated increase in efficiency in the operation of the fuel cell system is achieved without additional complex components, in particular exclusively by a capacitor device designed as a gas-gas heat exchanger.
  • the anode discharge section has an anode discharge heat exchanger, in heat-transferring contact with the anode supply section for heat transfer from the anode exhaust gas to the anode supply gas.
  • a heat exchanger system is created, which can also be called a temperature control system, which allows as much as possible to recycle a large proportion of residual heat in the anode exhaust gas as well as in the cathode exhaust gas and to use it for other functions, such as condensation, but also the supply and conditioning of anode feed gas and cathode feed gas.
  • the mixing section is designed as an ejector device, with a fuel supply of fuel gas at a primary connection of the ejector device and the anode recirculation section at the secondary connection of the ejector device.
  • the use of an ejector device as an alternative to classic blower devices for the mixing section brings many advantages.
  • the mixing and the conveying are preferably combined in a common component, so that a separate conveying device in the anode supply section is no longer necessary, particularly when a fuel gas source with a high conveying pressure is available.
  • the cathode discharge section has a catalyst device which is connected to the anode outlet section in fluid communication and for a Catalytic aftertreatment of the anode outlet gas and the cathode exhaust gas is provided.
  • a catalyst device which is connected to the anode outlet section in fluid communication and for a Catalytic aftertreatment of the anode outlet gas and the cathode exhaust gas is provided.
  • part of the anode exhaust gas is separated from the anode recirculation gas in the partition section and is intended to be exhausted to the environment.
  • the anode exhaust gas has a residual component of fuel gas, for example hydrogen or ammonia. In order to ensure that this hydrogen does not enter the environment in pure form, a catalytic aftertreatment can take place in such a catalyst device.
  • mixing with the cathode exhaust gas is preferably provided in or in front of this catalyst device.
  • the aim of this catalytic aftertreatment is, in particular, to reduce the fuel gas content in the anode outlet gas to below a minimum or even to use it up completely. This leads to an increase in safety and, especially if heat is generated in this way, can lead to a further increase in efficiency. This applies especially when the heat generated on this catalyst device, which is designed, for example, as an oxidative catalyst, is returned to the fuel cell system at another position via heat exchanger devices. If the fuel cell system is operated with ammonia, it can be advantageous if an after-treatment unit is also provided, which also converts the last remaining ammonia.
  • the cathode supply section has a cathode supply heat exchanger, in heat-transferring contact with the cathode discharge section for heat transfer from the cathode exhaust gas to the cathode supply gas. Similar to preheating the anode feed gas, it further increases the efficiency in the operation of the fuel cell system if the cathode feed gas is also preconditioned to enter the cathode section at the highest possible temperature, and thus in particular close to the operating temperature of the fuel cell stack.
  • This cathode supply heat exchanger is preferably arranged directly upstream of the cathode section and thus in the cathode discharge section upstream of a catalyst device and in the cathode supply section after the capacitor device.
  • the dividing section is arranged at one of the following positions:
  • the above list involves three different positions, which preferably cannot be taken at the same time. If the splitting takes place upstream of the capacitor device, the subsequent condensation process as well as the removal of condensation water only has to be carried out for the anode recirculation gas that has actually been recycled. However, it can also have advantages to lead the entire anode exhaust gas via the condenser device and even via the water outlet, so that the complete anode exhaust gas is not only cooled but also freed from water by the later arrangement of the dividing section.
  • this dividing section is not only located between the condenser device and the water outlet, but is preferably arranged downstream of the water outlet. This allows a maximum warming effect to be achieved are separated for the cathode feed gas and at the same time the larger amount of condensed water produced from the anode recirculation gas before it is fed to the dividing section and later to the mixing section.
  • a cathode discharge heat exchanger is arranged in the anode supply section, preferably downstream of an anode supply heat exchanger, for heat transfer from the cathode exhaust gas to the anode supply gas.
  • This makes it possible to additionally or alternatively transfer heat contained in the cathode exhaust gas into the anode feed gas.
  • this also allows the corresponding preheating functionality to be increased even further or, in other words, to bring the anode supply gas to an even higher temperature.
  • the system of heat exchangers in a fuel cell system according to the invention can now be equipped at a variety of positions via heat exchanger functions.
  • individual heat exchangers of this heat exchanger system can be controlled via valves, so that different parts of this heat exchanger system can be activated or deactivated particularly flexibly depending on the operating situation. This means you can react specifically and flexibly to different operating situations and always achieve maximum temperature efficiency.
  • a cathode supply heat exchanger is arranged in the cathode supply section for heat transfer from the cathode exhaust gas to the cathode supply gas.
  • valves can preferably activate and deactivate the different heat exchangers.
  • control valve in the anode supply section upstream of the mixing section for controlling the volume flow of fuel gas through the Mixing section is arranged.
  • This makes it possible to regulate the quantity and pressure of the fuel gas in a controlled manner, particularly from a pressurized fuel gas source.
  • a correspondingly adjusted amount of fuel gas can now be mixed in, so that the desired composition and always the desired volume flow of anode supply gas are actually made available to the anode section.
  • This control valve is therefore preferably a quantitatively controllable control valve in order to be able to react flexibly to a wide variety of operating situations of the fuel cell system.
  • the anode discharge section is designed to be free of an external cooling circuit.
  • the core idea of the present invention is aimed at providing this condensation function as efficiently as possible and without additional complexity.
  • the design of the anode discharge section free of external cooling circuits denotes precisely this reduced complexity, since the condensation function is essentially guaranteed exclusively by the heat sink, which is provided by the supplied ambient air as cathode supply gas.
  • a cathode mixing section in particular in the form of an ejector device, is arranged in the cathode supply section.
  • a cathode recirculation section is fluidly connected to this ejector device at the secondary connection for recirculation of a portion of the cathode exhaust gas as cathode recirculation gas.
  • this can also be referred to as double recirculation. This makes it possible to also supply the cathode exhaust gas and the residual oxygen contained therein back to the cathode section as an admixture with the cathode feed gas.
  • the present invention also provides a method for recirculating anode exhaust gas in a fuel cell system according to the invention as anode recirculation gas, comprising the following steps:
  • FIG. 3 shows a further embodiment of a fuel cell system according to the invention
  • Fig. 6 shows a further embodiment of a fuel cell system according to the invention.
  • a fuel cell system 100 for generating electrical energy is shown schematically in FIG.
  • a fuel cell stack 110 is shown schematically here, which has an anode section 120 and a cathode section 130 having.
  • a large number of individual fuel cells are stacked one on top of the other in this fuel cell stack 110, which correspondingly have a large number of individual anode sections 120 and cathode sections 130.
  • the entire stack is shown here with an anode feed section 122, an anode discharge section 124, a cathode feed section 132 and a cathode discharge section 134.
  • fuel gas BRG is supplied from a fuel source, not shown.
  • This fuel gas BRG is mixed here to form anode supply gas AZG with the anode recirculation gas ARG explained later, an ejector device being used as the mixing section 123. This is used to suck in the anode recirculation gas ARG and also mix it with the fuel gas BRG.
  • the anode feed gas AZG is now fed to the anode section 120 in the anode feed section 122 and can be reacted there with cathode feed gas KZG in the form of air LU.
  • cathode feed gas KZG in the form of air LU.
  • heat is generated, as a result of which the anode exhaust gas AAG and the cathode exhaust gas KAG heat up.
  • the hot anode exhaust gas AAG is now fed to a splitting section 125, in which it is split into an anode recirculation gas ARG in an anode recirculation section 140 and an anode outlet gas AUG in an anode outlet section 150.
  • the outlet section can also be flexibly controllable, so that in particular it is possible to adjust the volume proportions between the anode recirculation gas ARG and the anode outlet gas AUG.
  • the still hot anode recirculation gas ARG is continued, it is now passed through a condenser device 126, which has a heat exchanger function with the supplied air LU.
  • the air LU is taken from the environment and has a corresponding ambient temperature, so that it has a temperature below the boiling point of water even in very hot environmental situations. This makes it possible to cool the anode exhaust gas AAG here as anode recirculation gas ARG below this boiling temperature, so that the water components contained condense and are present as condensation water KW in the continued anode recirculation gas ARG.
  • This mixture Condensed water KW and dried anode recirculation gas ARG is passed through a separator in the form of a water outlet 128, so that the condensed water KW can be separated and discharged to the environment.
  • the remaining dried anode recirculation gas ARG is now supplied to the ejector device as a mixing section 123, so that the residual amount of fuel remaining in the anode recirculation gas ARG is mixed with new fuel gas BRG and in turn supplied to the anode section 120 as anode supply gas AZG.
  • the cathode exhaust gas KAG also has a correspondingly high temperature and is post-treated before it is released into the environment.
  • a catalyst device 136 is provided here as an aftertreatment, in which a mixture of cathode exhaust gas KAG and anode outlet gas AUG is catalytically aftertreated together.
  • the aim of this catalytic aftertreatment is in particular to reduce the volume fraction of remaining fuel gas BRG in the anode outlet gas AUG in order to enable the safest possible outlet of this mixed gas from anode outlet gas AUG and cathode exhaust gas KAG to the environment.
  • Figure 2 shows a further development of the embodiment of Figure 1, with various additional components being integrated here by way of example, which can be used individually or in combination.
  • One of these additional components is an anode supply heat exchanger 121.
  • This allows the anode exhaust gas AAG to be pre-cooled from the perspective of the anode exhaust gas AAG in order to subsequently require a lower cooling capacity at the condenser device 126.
  • This pre-cooling takes place through the heat transfer from the hot anode exhaust gas AAG to the anode feed gas AZG to be preconditioned, so that this pre-cooling simultaneously has a positive effect on the anode feed gas, whereby the efficiency of the operation of the fuel cell system 100 can be further increased.
  • FIG. 2 Another additional component in FIG. 2 is the air heat exchanger 190, which is arranged here downstream in the cathode supply section 132 downstream of the capacitor device 126. This means that the cathode feed gas KZG, which has already been heated by the capacitor device 126, is further heated by residual heat after the catalyst device 136 from the mixed gas present there and correspondingly a higher inlet temperature for the cathode feed gas KZG is reached at the cathode section 130.
  • FIG. 1 shows the position of the dividing section 125 in FIG. This makes it possible to provide maximum heat recovery from the anode exhaust gas, but conversely requires a correspondingly larger condenser device 126 in order to be able to suck in and carry out correspondingly larger amounts of air LU for cooling. Because the condensation water KW is now completely separated from the entire dried anode exhaust gas AAG, only the dried anode exhaust gas is further conveyed as anode recirculation gas ARG and as anode outlet gas AUG in the fuel cell system 100.
  • Figure 3 also shows additional components which, in particular, can further increase the efficiency of the fuel cell system 100.
  • a cathode feed heat exchanger 131 is additionally provided here, which allows heat recovery from the hot cathode exhaust gas KAG in the cathode feed gas KZG.
  • the cathode feed gas KZG is supplied with heat at three points, namely in the capacitor device 126, in the air heat exchanger 190 and finally as the last heat transfer in the cathode feed heat exchanger 131.
  • 3 also shows a variant in which the dividing section 125 is now provided downstream of the condenser device 126 but upstream of the water outlet 128.
  • Figure 4 also shows further subcomponents which can be used in a fuel cell system 100 according to the invention.
  • Anode supply gas AZG is used by providing a cathode discharge heat exchanger 133 in heat-transferring contact with the anode supply section 122. With this option, it is intended to introduce the highest possible temperature effect into the anode feed gas AZG.
  • cathode recirculation blowers 171 and a cathode dividing section 137 which allow part of the cathode exhaust gas KAG to be divided into a cathode recirculation section 170.
  • This divided part of the cathode exhaust gas KAG can thus be supplied as cathode recirculation gas KRG to an ejector device as a cathode mixing section 135 and cathode recirculation can be ensured.
  • a variable recirculation proportion at the cathode is therefore possible, with higher recirculation rates being adjustable under partial load operation.
  • the remaining cathode exhaust gas KAG is fed to the catalyst device 136 in the manner already explained several times.
  • control valve 160 in the fuel gas supply for the fuel gas BRG is also shown in Figure 5 .
  • This is designed in particular to be quantitatively controllable, so that different volume flows of fuel gas BRG can be set and different amounts of fuel gas can actually be mixed into the anode recirculation gas ARG for different operating situations .
  • the individual components in particular of the system consisting of a large number of heat exchangers, can be freely combined with one another and, in particular, can be freely switched via control valve systems in order to be able to react as flexibly as possible to a wide variety of operating situations of the fuel cell system 100.
  • the additional component of the embodiment of the fuel cell system 100 shown in FIG. 4 i.e. the cathode discharge heat exchanger 133, can also be combined with the system components of the embodiments of the fuel cell system 100 from FIGS.
  • control valve 160 can be additionally combined with the system components of the embodiments of the fuel cell system 100 from Figures 1, 2, 3 or 4.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (100) zur Erzeugung elektrischer Energie, aufweisend einen Brennstoffzellenstapel (110) mit einem Anodenabschnitt (120) und einem Kathodenabschnitt (130), der Anodenabschnitt (120) aufweisend einen Anodenzuführabschnitt (122) für ein Zuführen von Anodenzuführgas (AZG) und einen Anodenabführabschnitt (124) zum Abführen von Anodenabgas (AAG), der Kathodenabschnitt (130) aufweisend einen Kathodenzuführabschnitt (132) zum Zuführen von Kathodenzuführgas (KZG) und einen Kathodenabführabschnitt (134) zum Abführen von Kathodenabgas (KAG), wobei der Anodenabführabschnitt (124) einen Aufteilabschnitt (125) aufweist für eine Aufteilen des Anodenabgases (AAG) auf einen Anoden-Rezirkulationsabschnitt (140) zur Rezirkulation als Anoden-Rezirkulationsgas (ARG) und einen Anoden-Auslassabschnitt (150) zum Auslass an die Umgebung als Anodenauslassgas (AUG), wobei im Anodenabführabschnitt (124) oder im Anoden-Rezirkulationsabschnitt (140) eine Kondensatorvorrichtung (126) in wärmeübertragendem Kontakt mit dem Kathodenzuführabschnitt (132) angeordnet ist für ein Kühlen des Anodenabgases (AAG) oder des Anoden-Rezirkulationsgases (ARG) durch ein Aufheizen des Kathodenzuführgases (KZG), wobei stromabwärts der Kondensatorvorrichtung (126) ein Wasserauslass (128) für einen Auslass des in der Kondensatorvorrichtung (126) kondensierten Kondenswassers (KW) angeordnet ist, wobei stromabwärts des Wasserauslasses (128) ein Mischabschnitt (123) angeordnet ist für ein Vermischen des Anoden-Rezirkulationsgases (ARG) mit Brenngas (BRG) und für eine Zufuhr als Anodenzuführgas (AZG) in den Anodenzuführabschnitt (122).

Description

Brennstoffzellensystem zur Erzeugung elektrischer Energie
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem zur Erzeugung elektrischer Energie und ein Verfahren zur Rezirkulation von Anodenabgas in einem solchen Brennstoffzellensystem.
Es ist bekannt, dass Brennstoffzellensysteme für die Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt werden. Hierfür sind diese Brennstoffzellensysteme üblicherweise mit Brennstoffzellenstapeln ausgestattet, in welchen eine Vielzahl einzelner Brennstoffzellen jeweils mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt gestapelt angeordnet sind. Für die Erzeugung der elektrischen Energie wird Brenngas und üblicherweise Umgebungsluft dem Brennstoffzellenstapel zugeführt, sodass dort unter Erzeugung elektrischer Energie eine chemische Umsetzung dieser Gase stattfinden kann.
Als Brenngas wird bei bekannten Brennstoffzellensystemen üblicherweise entweder Wasserstoff oder Erdgas als Brenngas eingesetzt. Darüber hinaus ist es bekannt, dass ein Teil des Brenngases, welches bei der Umsetzung im Brennstoffzellenstapel nicht umgesetzt wird, als Rezirkulationsgas wieder dem Brennstoffzellenstapel für einen weiteren Durchlauf zugeführt wird, um die Effizienz in der Nutzung des Brenngases zu steigern.
Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass insbesondere bei der Verwendung von Wasserstoff als Brenngas die Rezirkulation die Effizienz im Betrieb reduzieren kann. Wird Wasserstoff einem Brennstoffzellenstapel zugeführt, so wird im Anodenabschnitt dieser Wasserstoff zu einer Mischung aus Wasser und einem verbleibenden Rest an Wasserstoff im Anodenabgas umgesetzt. Bei der Rezirkulation dieser Gasmischung kann es dazu kommen, dass durch das enthaltene Wasser die Nernstspannung deutlich absinkt. Das Absinken der Nernstspannung für den Brennstoffzellenstapel führt zu einer Reduktion der Effizienz, welche in üblicher Weise die Erhöhung der Effizienz durch die Rezirkulation ausgleicht. Mit anderen Worten führt beim Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit Wasserstoff die Rezirkulation nicht oder nur in reduzierter Weise zu der gewünschten Steigerung der Effizienz.
Es ist zwar bereits grundsätzlich bekannt, dass bei der Rezirkulation ein Abkühlen des Anodenabgases zur Kondensation eines Teils des enthaltenen Wassers und zur Abtrennung dieses Kondenswassers verwendet werden kann, jedoch sind diese Konstruktionen sehr komplex und aufwendig. Insbesondere beruhen sie darauf, dass ein externer Kühlkreislauf eingesetzt werden muss, welcher mit einer externen Wärmesenke in der Lage ist, Kühlmittel zur Rezirkulationsleitung zu führen, um eine Kodensation des dampfförmigen Wassers im Anodenabgas zu bewirken. Das Hinzufügen eines zusätzlichen Kühlkreislaufes und der entsprechenden Peripherie führt zu einer unerwünschten Steigerung der Komplexität und der Kosten für ein Brennstoffzellensystem.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise auch beim Betrieb mit Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem Kondenswasser abzuführen.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass auch bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
Erfindungsgemäß wird ein Brennstoffzellensystem zur Erzeugung elektrischer Energie vorgeschlagen. Dieses weist einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt auf. Der Anodenabschnitt ist mit einem Anodenzuführabschnitt für ein Zuführen von Anodenzuführgas und mit einem Anodenabführabschnitt zum Abführen von Anodenabgas ausgestattet. In gleicher Weise ist der Kathodenabschnitt mit einem Kathodenzuführabschnitt zum Zuführen von Kathoden- zuführgas und mit einem Kathodenabführabschnitt zum Abführen von Kathodenab- gas ausgestattet. Im Anodenabführabschnitt ist ein Aufteilabschnitt vorgesehen, welcher ein Aufteilen des Anodenabgases auf einen Anoden-Rezirkulationsabschnitt zur Rezirkulation als Anoden-Rezirkulationsgas und auf einen Anoden-Auslassabschnitt zum Auslass an die Umgebung als Anodenauslassgas erlaubt. Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem zeichnet sich dadurch aus, dass im Anodenabführabschnitt oder im Anoden-Rezirkulationsabschnitt eine Kondensatorvorrichtung in wärmeübertragendem Kontakt mit dem Kathodenzuführabschnitt angeordnet ist. Dies dient einem Kühlen des Anodenabgases oder des Anoden-Rezirkula- tionsgases durch ein Aufheizen des Kathodenzuführgases. Stromabwärts dieser Kondensatorvorrichtung ist ein Wasserauslass vorgesehen, für einen Auslass des in der Kondensatorvorrichtung kondensierten Kondenswassers. Weiter stromabwärts des Wasserauslasses ist ein Mischabschnitt, angeordnet für ein Vermischen des Anoden-Rezirkulationsgases mit dem Brenngas und für eine Zufuhr als Anodenzuführgas in den Anodenzuführabschnitt.
Der erfindungsgemäße Kerngedanke beruht darauf, eine Rezirkulation von Anodenabgas zu gewährleisten. Diese Rezirkulation findet in aufgeteilter Weise statt, sodass mithilfe des Aufteilabschnitts ein Teil des Anodenabgases als Anoden-Rezirku- lationsgas rezirkuliert wird. Der verbleibende Rest an Anodenabgas wird als Anodenauslassgas in die Umgebung abgeführt. Für dieses Anodenauslassgas kann, wie dies später noch erläutert wird, auch eine Nachbehandlung stattfinden. Insbesondere erfolgt eine Kombination des Anodenauslassgases mit dem Kathodenabgas.
Die Rezirkulation des Anoden-Rezirkulationsgases erfolgt in getrockneter Weise, nämlich durch Führung über eine Kondensatorvorrichtung. In dieser Kondensatorvorrichtung wird die Temperatur des Anodenabgases oder des Anoden-Rezirkulationsgases unter die Siedetemperatur von Wasser, also je nach Drucksituation und je nach einem von der Zusammensetzung des Gases abhängigen Partialdruck unter ca. 100 °C, gebracht. Dies führt dazu, dass der enthaltene Wasserdampf im Anoden- Rezirkulationsgas auskondensiert und als flüssiges Kondenswasser vorliegt. Hier ist darauf hinzuweisen, dass je nach Positionierung des Aufteilabschnitts die Kondensatorvorrichtung sowohl noch vor diesem Aufteilabschnitt im Anodenabführabschnitt, aber auch nach diesem Aufteilabschnitt, im Anoden-Rezirkulationsabschnitt angeordnet sein kann. In beiden Fällen sind die erfindungsgemäßen Vorteile erzielbar.
Stromabwärts der Kondensatorvorrichtung ist ein Separator als Wasserauslass vorgesehen, in welchem die kondensierten Bestandteile und damit das Kondenswasser von den gasförmigen Bestandteilen des Anoden-Rezirkulationsgases abgetrennt werden. Damit kann das flüssige Kondenswasser aus dem System ausgebracht und zum Beispiel an die Umgebung abgegeben werden. Das verbleibende Anoden-Rezir- kulationsgas kann auch als getrocknetes Anoden-Rezirkulationsgas bezeichnet werden und entsprechend in dieser getrockneten Situation einem Mischabschnitt zugeführt werden. In diesem Mischabschnitt, welcher zum Beispiel als Ejektorvorrichtung, als Mischkammer oder in ähnlicher Weise ausgebildet sein kann, erfolgt eine Vermischung des Anoden-Rezirkulationsgases mit einem zugeführten Brenngas von einer Brenngasquelle. Je nachdem, wieviel Anoden-Rezirkulationsgas zur Verfügung steht, kann entsprechend die notwendige Restmenge an Brenngas zugemischt werden. Das Mischgas aus Brenngas und Anoden-Rezirkulationsgas wird dann als Anodenzuführgas wieder dem Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels zugeführt.
Der erfindungsgemäße Kerngedanke beruht nun unter anderem darauf, dass für das Kondensieren des Kondenswassers im Anoden-Rezirkulationsgas oder im Anodenabgas keine externe Kältequelle und auch kein separater externer Kältekreislauf notwendig ist. Vielmehr ist die Kondensatorvorrichtung in erfindungsgemäßer Weise in wärmeübertragenden Kontakt mit dem Kathodenzuführabschnitt ausgebildet. Da ein solches Brennstoffzellensystem mit Luft als Kathodenzuführgas für den Katho- denabschnitt betrieben wird, wird demnach Luft aus der Umgebung angesaugt. Dieses Ansaugen kann zum Beispiel mit einer Gebläsevorrichtung erfolgen. Die angesaugte Luft hat entsprechend Umgebungstemperatur, welche je nach Temperatursituation im Bereich von -20 °C bis zu 50 °C oder sogar mehr betragen kann. Entscheidend ist dabei, dass auch bei sehr heißen Einsatzsituationen, zum Beispiel in Wüstengebieten, trotzdem die Umgebungsluft nicht die Siedetemperatur von Wasser, üblicherweise 100 °C, überschreitet. Mit anderen Worten reicht auch bei einer heißen Umgebungstemperatur die zugeführte Umgebungsluft als Wärmesenke aus, um als kälteste, verfügbare Temperatur eine Kühlleistung für das Anodenabgas oder das Anoden-Rezirkulationsgas zur Verfügung zu stellen, welche ein Abkühlen unter die Kondensationstemperatur von Wasser erlaubt. Wie aus der voranstehenden Erläuterung ersichtlich wird, wird nun alleine durch die Zuführung von Luft aus der Umgebung als Kathodenzuführgas sozusagen als Sekundärfunktionalität eine Kältequelle zur Verfügung gestellt, welche auch als Wärmesenke bezeichnet werden kann. Diese Wärmesenke dient dazu, in der Kondensatorvorrichtung dem rezirkulierten Anodenabgas als Anoden-Rezirkulationsgas so viel Wärmeenergie zu entziehen, dass die Temperatur des Anodenabgases oder des Anoden-Rezirkulationsgases unter die Siedetemperatur von Wasser sinkt. Dieser Kondensationsvorgang erfolgt erfindungsgemäß frei von der Einwirkung externer Kühlquellen, insbesondere frei von einem externen Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems.
Es sei noch darauf hingewiesen, dass selbstverständlich in einem komplexen Brennstoffzellensystemen an anderen Positionen Kühlkreisläufe vorgesehen sein können, um gewünschte Temperiervorgänge durchführen zu können. Insbesondere bei Brennstoffzellensystemen, welche als SOFC-System ausgebildet sind, sind sehr hohe Temperaturen zu erwarten, sodass zum Beispiel Teile des Brennstoffzellenstapels mit einer externen Kühlvorrichtung ausgebildet sein können. Erfindungsgemäß wird jedoch auch eine solche vorhandene externe Kühlquelle nicht für die Kondensierfunktion des Anoden-Rezirkulationsgases und des Anodenabgases verwendet.
Erfindungsgemäß leistet die Integration der Kondensationsfunktion in den Kathoden- zuführabschnitt die gewünschte Kondensierung von Kondenswasser im Anoden-Re- zirkulationsgas oder im Anodenabgas. Damit wird getrocknetes Anoden-Rezirkulati- onsgas dem Brenngas zugemischt und entsprechend die gewünschte Effizienzsteigerung durch die Rezirkulation ohne die Inkaufnahme einer reduzierten Nernstspan- nung bei ungetrocknetem Anoden-Rezirkulationsgas erreicht. Im Vergleich zu den bekannten Lösungen wird dieser Trocknungsschritt und die damit verbundene Effizienzsteigerung im Betrieb des Brennstoffzellensystems ohne zusätzliche komplexe Bauteile, insbesondere ausschließlich durch eine als Gas-Gas-Wärmetauscher ausgebildete Kondensatorvorrichtung, erreicht.
Im Ergebnis kann neben der Effizienzsteigerung insbesondere sogar ein kleinerer E- jektor verwendet werden, da durch die Abtrennung des unerwünschten Kondenswassers entsprechend geringere Volumenströme dem Brenngas beigemischt werden müssen.
Es kann vorteilhaft sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der Anodenabführabschnitt einen Anodenabführ-Wärmetauscher aufweist, in wärmeübertragendem Kontakt mit dem Anodenzuführabschnitt für eine Wärmeübertragung vom Anodenabgas auf das Anodenzuführgas. Hier wird eine weitere Steigerung der Effizienz aus Sicht der Temperatur möglich. Im Zusammenhang mit den später noch erläuterten weiteren möglichen unterschiedlichen Wärmetauschern entsteht somit zusammen mit der Kondensatorvorrichtung ein Wärmetauschersystem, welches auch Temperiersystem genannt werden kann, das es erlaubt, einen möglichst großen Anteil an Restwärme im Anodenabgas wie auch im Kathodenabgas wiederzuverwerten und für andere Funktionen, wie zum Beispiel das Kondensieren, aber auch das Zuführen und Konditionieren von Anodenzuführgas und Kathodenzuführ- gas, zu verwenden. Bei dieser Ausführungsform ist entsprechend eine Möglichkeit gegeben, das heiße Anodenabgas abzukühlen und diese Energie zu verwenden, um das Anodenzuführgas bei der Führung zum Anodenabschnitt aufzuheizen. Dies führt als Nebeneffekt dazu, dass an der Kondensatorvorrichtung bereits vorgekühltes Anodenabgas ankommt, sodass entsprechend von niedrigeren Eingangstemperaturen an der Kondensatorvorrichtung ausgegangen werden kann und entsprechend die notwendige Kondensatorleistung geringer ausfällt. Mit anderen Worten wird es auf diese Weise möglich, auch mit geringeren Luftströmen, aber auch mit kleineren Konstruktionsweisen und Bauvolumina, die Kondensatorvorrichtung mit der gewünschten Kondensationsfunktion auszustatten.
Ebenfalls Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der Mischabschnitt als Ejektorvorrichtung ausgebildet ist, mit einer Brennstoffzufuhr von Brenngas an einem Primäranschluss der Ejektorvorrichtung und dem Anoden-Rezirkulationsabschnitt am Sekundäranschluss der Ejektorvorrichtung. Die Verwendung einer Ejektorvorrichtung als Alternative zu klassischen Gebläsevorrichtungen für den Mischabschnitt bringt viele Vorteile mit sich. Zum einen wird auf rotierende Bauteile und entsprechende Verschleißteile verzichtet. Zum anderen wird das Vermischen und das Fördern vorzugsweise in einem gemeinsamen Bauteil kombiniert, sodass insbesondere dann, wenn eine Brenngasquelle mit hohem Förderdruck zur Verfügung steht, keine separate Fördervorrichtung im Anodenzuführabschnitt mehr notwendig ist. Es reicht vielmehr aus, das entsprechende Brenngas mit dem gewünschten Vordruck am Primäranschluss der Ejektorvorrichtung anzulegen, sodass die entsprechende sich einstellende Saugwirkung am Sekundäranschluss der Ejektorvorrichtung das getrocknete Anoden-Rezirkulationsgas zum Vermischen ansaugt. Die Gesamteffizienz wird damit für ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem weiter gesteigert und insbesondere die Verschleißarmut verbessert.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der Kathodenabführabschnitt eine Katalysatorvorrichtung aufweist, welche mit dem Anoden-Auslassabschnitt fluidkommunizierend verbunden ist und für eine katalytische Nachbehandlung des Anodenauslassgases und des Kathodenabgases vorgesehen ist. Wie bereits erläutert worden ist, wird ein Teil des Anodenabgases in dem Aufteilabschnitt von dem Anoden-Rezirkulationsgas abgetrennt und soll an die Umgebung ausgelassen werden. Wie ebenfalls bereits erläutert worden ist, weist das Anodenabgas einen Restbestandteil an Brenngas, zum Beispiel Wasserstoff oder auch Ammoniak, auf. Um nun sicherzustellen, dass dieser Wasserstoff nicht in reiner Form in die Umgebung gelangt, kann eine katalytische Nachbehandlung in einer solchen Katalysatorvorrichtung stattfinden. Um einen ausreichend großen Sauerstoffanteil für diese katalytische Nachbehandlung zur Verfügung zu stellen, ist bevorzugt in oder vor dieser Katalysatorvorrichtung eine Vermischung mit dem Kathodenabgas vorgesehen. Ziel dieser katalytischen Nachbehandlung ist es insbesondere, den Brenngasgehalt im Anodenauslassgas unter ein Minimum zu reduzieren oder sogar gänzlich aufzubrauchen. Dies führt zu einer Steigerung der Sicherheit und kann, insbesondere wenn auf diese Weise Wärme erzeugt wird, nochmals zu einer Effizienzsteigerung führen. Dies gilt vor alle dann, wenn die an diesem zum Beispiel als oxidativer Katalysator ausgebildeten Katalysatorvorrichtung erzeugte Wärme an anderer Position wieder über Wärmetauschervorrichtungen dem Brennstoffzellensystem zurückgeführt wird. Wird das Brennstoffzellensystem mit Ammoniak betrieben, kann es vorteilhaft sein, wenn zusätzlich eine Nachbehandlungseinheit vorgesehen ist, welche auch letzte Reste von Ammoniak umsetzt.
Ein weiterer Vorteil ist erzielbar, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der Kathodenzuführabschnitt einen Kathodenzuführ-Wärmetauscher aufweist, in wärmeübertragendem Kontakt mit dem Kathodenabführabschnitt für eine Wärmeübertragung vom Kathodenabgas auf das Kathodenzuführgas. Ähnlich dem Vorheizen des Anodenzuführgases steigert es die Effizienz im Betrieb des Brennstoffzellensystems weiter, wenn auch das Kathodenzuführgas vorkonditioniert wird, um mit möglichst hoher Temperatur, und damit insbesondere nahe an der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels, in den Kathodenabschnitt einzutreten. Da das Kathodenabgas als Ergebnis der chemischen Reaktion innerhalb des Brennstoffzellenstapels auf eine entsprechend hohe Auslasttemperatur gebracht worden ist, kann diese hohe Temperatur hier genutzt werden, um teilweise an das Kathodenzuführgas abgegeben zu werden. Dies entspricht also einem Vorkonditionieren in Form eines Vorwärmens vom Kathodenabgas auf das Kathodenzuführgas. Diese Rückgewinnung der im Kathodenabgas enthaltenen Wärme steigert die Effizienz noch weiter und vermeidet einen Wärmeverluste durch das Kathodenabgas. Vorzugsweise ist dieser Kathodenzuführ-Wärmetauscher direkt stromaufwärts vor dem Kathodenab- schnitt und damit in dem Kathodenabführabschnitt stromaufwärts einer Katalysatorvorrichtung und im Kathodenzuführabschnitt nach der Kondensatorvorrichtung angeordnet.
Weitere Vorteile können erzielt werden, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der Aufteilabschnitt an einer der folgenden Positionen angeordnet ist:
- Stromaufwärts der Kondensatorvorrichtung,
- Stromabwärts der Kondensatorvorrichtung und stromabwärts des Wasserauslasses,
- Stromabwärts der Kondensatorvorrichtung und stromaufwärts des Wasserauslasses.
Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um drei unterschiedliche Positionen, welche vorzugsweise nicht gleichzeitig eingenommen werden können. Findet das Aufteilen stromaufwärts der Kondensatorvorrichtung statt, muss der nachfolgende Kondensationsvorgang wie auch das Abführen von Kondenswasser nur für das auch tatsächlich rezurkulierte Anoden-Rezirkulationsgas durchgeführt werden. Es kann jedoch auch Vorteile mit sich bringen, das komplette Anodenabgas über die Kondensatorvorrichtung und sogar auch über den Wasserauslass zu führen, sodass durch die spätere Anordnung des Aufteilabschnitts das komplette Anodenabgas nicht nur gekühlt, sondern auch vom Wasser befreit wird. Insbesondere dann, wenn eine höhere Vorkonditionierleistung für die Luft als Kathodenzuführgas benötigt wird, kann es Vorteile mit sich bringen, die Restwärme des gesamten Volumenstroms an Anodenabgas auch für dieses Vorwärmen zu verwenden, indem entsprechend nicht nur das abgetrennte Anoden-Rezirkulationsgas, sondern das gesamte Anodenabgas über die Kondensatorvorrichtung geführt wird. Da in einem solchen Fall auch entsprechend größere Mengen an Kondenswasser entstehen, ist es darüber hinaus vorteilhaft, wenn dieser Aufteilabschnitt sich nicht nur zwischen der Kondensatorvorrichtung und dem Wasserauslass befindet, sondern vorzugsweise dem Wasserauslass stromabwärts nachgeordnet wird. Damit kann ein maximaler Wärmeeffekt erzielt werden, für das Kathodenzuführgas und gleichzeitig die größere entstehende Menge an Kondenswasser aus dem Anoden-Rezirkulationsgas abgetrennt werden, bevor es dem Aufteilabschnitt und später dem Mischabschnitt zugeführt wird.
Ebenfalls Vorteile bringt es mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem im Anodenzuführabschnitt, vorzugsweise stromabwärts eines Anoden- zuführ-Wärmetauschers, ein Kathodenabführ-Wärmetauscher angeordnet ist für einen Wärmeübergang vom Kathodenabgas an das Anodenzuführgas. Dies erlaubt es, auch im Kathodenabgas enthaltene Wärme zusätzlich oder alternativ in das Anodenzuführgas zu übertragen. Dies erlaubt es darüber hinaus in Kombination mit einem Anodenzuführ-Wärmetauscher die entsprechende Vorheizfunktionalität noch weiter zu steigern oder mit anderen Worten das Anodenzuführgas auf eine noch höhere Temperatur zu bringen. Wie dargestellt, kann an einer Vielzahl von Positionen nun über Wärmetauscherfunktionen das System von Wärmetauschern in einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ausgestattet sein. Selbstverständlich können einzelne Wärmetauscher dieses Wärmetauschersystems über Ventile kontrolliert werden, sodass insbesondere flexibel je nach Betriebssituation unterschiedliche Teile dieses Wärmetauschersystems aktiviert oder deaktiviert werden können. Damit kann gezielt und flexibel auf unterschiedliche Betriebssituationen reagiert und immer die maximale Temperatureffizienz erreicht werden.
Ebenfalls vorteilhaft kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem im Kathodenzuführabschnitt ein Kathodenzuführ-Wärmetauscher angeordnet ist für einen Wärmeübergang vom Kathodenabgas auf das Kathodenzuführgas. Auch dies ist alternativ, wie aber auch zusätzlich zu den anderen genannten Wärmetauschern denkbar, wobei darauf hinzuweisen ist, dass vorzugsweise Ventile die unterschiedlichen Wärmetauscher aktivieren und deaktivieren können. Auch hier ist es wieder möglich, durch den Wärmeübergang Restwärme aus dem Kathodenabgas zu nutzen, um eine Vorkonditionierung in Form eines Vortemperierens des Ka- thodenzuführgases gewährleisten zu können und damit die Betriebseffizienz des Brennstoffzellensystems weiter zu steigern.
Darüber hinaus von Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem im Anodenzuführabschnitt stromaufwärts des Mischabschnitts ein Kontrollventil zur Kontrolle des Volumenstroms an Brenngas durch den Mischabschnitt angeordnet ist. Damit wird es möglich, insbesondere von einer druckbeaufschlagten Brenngasquelle in kontrollierter Weise die Menge und den Druck des Brenngases zu regeln. Je nach aufgeteilter Menge an Anoden-Rezirkulationsgas kann nun eine entsprechend daran angepasste Menge an Brenngas zugemischt werden, sodass immer die gewünschte Zusammensetzung und immer der gewünschte Volumenstrom an Anodenzuführgas auch tatsächlich dem Anodenabschnitt zur Verfügung gestellt wird. Bevorzugt handelt es sich bei diesem Kontrollventil daher um ein quantitativ kontrollierbares Kontrollventil, um entsprechend flexibel auf unterschiedlichste Betriebssituationen des Brennstoffzellensystems reagieren zu können.
Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der Anodenabführabschnitt frei von einem externen Kühlkreislauf ausgebildet ist. Wie bereits erläutert worden ist, ist der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung darauf gerichtet, möglichst effizient und ohne zusätzliche Komplexität diese Kondensationsfunktion zur Verfügung zu stellen. Die Ausbildung des Anodenabführabschnitts frei von externen Kühlkreisläufen bezeichnet genau diese reduzierte Komplexität, da die Kondensierfunktion im Wesentlichen ausschließlich durch die Wärmesenke, welche durch die zugeführte Umgebungsluft als Kathodenzuführgas zur Verfügung gestellt wird, gewährleistet ist.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem im Kathodenzuführabschnitt ein Kathoden-Mischabschnitt, insbesondere in Form einer Ejektorvorrichtung, angeordnet ist. An diese Ejektorvorrichtung ist am Sekundäranschluss ein Kathoden-Rezirkulationsabschnitt fluidkommunizierend verbunden, für eine Rezirkulation eines Teils des Kathodenabgases als Kathoden-Rezirkulations- gas. In Kombination mit der Rezirkulation zum Anodenabschnitt kann dies auch als doppelte Rezirkulation bezeichnet werden. Damit wird es möglich, auch das Katho- denabgas und darin enthaltenen Restsauerstoff wieder dem Kathodenabschnitt als Beimischung mit dem Kathodenzuführgas zuzuführen.
Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren für eine Rezirkulation von Anodenabgas in einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem als Anoden-Rezirkulationsgas, aufweisend die folgenden Schritte:
- Aufteilen wenigstens eines Teils des Anodenabgases als Anoden-Rezirkulationsgas auf den Anoden-Rezirkulationsabschnitt, - Kühlen des Anoden-Rezirkulationsgases durch Wärmeübergang auf das Ka- thodenzuführgas unter die Siedetemperatur vom Wasser,
- Abtrennen des kondensierten Kondenswassers aus dem Anoden-Rezirkulati- onsgas,
- Mischen des getrockneten Anoden-Rezirkulationsgases mit einem Brenngas zu Anodenzuführgas.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren bringt durch die Anwendung in einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem erläutert worden sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schematisch:
Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
Fig. 6 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
In der Figur 1 ist schematisch ein Brennstoffzellensystem 100 zur Erzeugung von elektrischer Energie dargestellt. Schematisch ist hier ein Brennstoffzellenstapel 110 dargestellt, welcher einen Anodenabschnitt 120 und einen Kathodenabschnitt 130 aufweist. Selbstverständlich sind in diesem Brennstoffzellenstapel 110 eine Vielzahl einzelner Brennstoffzellen übereinandergestapelt, welche entsprechend eine Vielzahl einzelner Anodenabschnitte 120 und Kathodenabschnitte 130 aufweisen. Der Einfachheit halber ist hier der gesamte Stapel mit einem Anodenzuführabschnitt 122, einem Anodenabführabschnitt 124, einem Kathodenzuführabschnitt 132 und einem Kathodenabführabschnitt 134 dargestellt.
Im Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 wird Brenngas BRG von einer nicht näher dargestellten Brennstoffquelle zugeführt. Dieses Brenngas BRG wird hier zu Anodenzuführgas AZG mit dem später erläuterten Anoden-Rezirkulationsgas ARG vermischt, wobei als Mischabschnitt 123 eine Ejektorvorrichtung verwendet wird. Diese dient dem Ansaugen des Anoden-Rezirkulationsgases ARG und auch dem Vermischen mit dem Brenngas BRG.
Das Anodenzuführgas AZG wird im Anodenzuführabschnitt 122 nun dem Anodenabschnitt 120 zugeführt und kann dort mit Kathodenzuführgas KZG in Form von Luft LU umgesetzt werden. Bei dieser chemischen Reaktion entsteht neben der elektrischen Energie, welche als Ziel des Brennstoffzellensystems 100 im Betrieb erzeugt werden soll, Wärme, wodurch sich das Anodenabgas AAG und das Kathodenabgas KAG aufheizen. Das heiße Anodenabgas AAG wird nun einem Aufteilabschnitt 125 zugeführt, in welchem es in ein Anoden-Rezirkulationsgas ARG in einem Anoden-Rezir- kulationsabschnitt 140 und in ein Anodenauslassgas AUG in einem Anoden-Auslass- abschnitt 150 aufgeteilt wird. Der Auslassabschnitt kann dabei auch flexibel kontrollierbar sein, sodass insbesondere ein Anpassen der Volumenanteile zwischen Anoden-Rezirkulationsgas ARG und Anodenauslassgas AUG möglich wird.
Bei der Weiterführung des immer noch heißen Anoden-Rezirkulationsgases ARG wird dieses nun über eine Kondensatorvorrichtung 126 geführt, welche eine Wärmetauscherfunktion mit der zugeführten Luft LU aufweist. Die Luft LU wird aus der Umgebung entnommen und weist entsprechend Umgebungstemperatur auf, sodass diese auch in sehr heißen Umgebungssituationen eine Temperatur unterhalb der Siedetemperatur von Wasser aufweist. Damit wird es möglich, das Anodenabgas AAG hier als Anoden-Rezirkulationsgas ARG unter diese Siedetemperatur abzukühlen, sodass enthaltene Wasserbestandteile kondensieren und als Kondenswasser KW im weitergeführten Anoden-Rezirkulationsgas ARG vorliegen. Diese Mischung aus Kondenswasser KW und getrocknetem Anoden-Rezirkulationsgas ARG wird über einen Separator in Form eines Wasserauslasses 128 geführt, sodass das Kondenswasser KW abgetrennt und an die Umgebung abgeleitet werden kann. Das verbleibende getrocknete Anoden-Rezirkulationsgas ARG wird nun der Ejektorvorrichtung als Mischabschnitt 123 zugeführt, sodass die im Anoden-Rezirkulationsgas ARG verbliebene Restmenge an Brennstoff mit neuem Brennstoffgas BRG vermischt und wiederum dem Anodenabschnitt 120 als Anodenzuführgas AZG zugeführt wird.
Auch das Kathodenabgas KAG weist eine entsprechend hohe Temperatur auf und wird nachbehandelt, bevor es an die Umgebung ausgelassen wird. In der einfachsten Version gemäß der Figur 1 ist hier als Nachbehandlung eine Katalysatorvorrichtung 136 vorgesehen, in welcher eine Mischung aus Kathodenabgas KAG und Anodenauslassgas AUG gemeinsam katalytisch nachbehandelt wird. Ziel dieser katalytischen Nachbehandlung ist dabei insbesondere die Reduktion des Volumenanteils an verbliebenem Brenngas BRG im Anodenauslassgas AUG, um einen möglichst sicheren Auslass dieses Mischgases aus Anodenauslassgas AUG und Kathodenabgas KAG an die Umgebung zu ermöglichen.
Die Figur 2 zeigt eine Weiterbildung der Ausführungsform der Figur 1 , wobei hier beispielhaft verschiedene zusätzliche Komponenten integriert sind, welche einzeln oder in Kombination verwendet werden können. Eine dieser zusätzlichen Komponenten ist ein Anodenzuführ-Wärmetauscher 121. Dieser erlaubt es, aus Sicht des Anodenabgases AAG dieses vorzukühlen, um anschließend eine geringere Kühlleistung an der Kondensatorvorrichtung 126 zu benötigen. Dieses Vorkühlen erfolgt durch den Wärmeübergang vom heißen Anodenabgas AAG auf das vorzukonditionierende Anodenzuführgas AZG, sodass dieses Vorkühlen gleichzeitig einen positiven Effekt auf das Anodenzuführgas mit sich bringt, wodurch die Effizienz des Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 weiter gesteigert werden kann.
Eine weitere zusätzliche Komponente in der Figur 2 ist der Luft-Wärmetauscher 190, welcher hier stromabwärts im Kathodenzuführabschnitt 132 stromabwärts der Kondensatorvorrichtung 126 angeordnet ist. Damit wird das bereits durch die Kondensatorvorrichtung 126 aufgeheizte Kathodenzuführgas KZG durch Restwärme nach der Katalysatorvorrichtung 136 aus dem dort vorhandenen Mischgas weiter aufgeheizt und entsprechend eine höhere Eintrittstemperatur für das Kathodenzuführgas KZG am Kathodenabschnitt 130 erreicht.
Eine dritte Unterscheidung zur Figur 1 zeigt in der Figur 2 die Position des Aufteilabschnitts 125. Dieser ist hier dem Wasserauslass 128 nachgeordnet, sodass entsprechend das komplette Anodenabgas AAG der Kondensationsfunktion wie auch der Wasserauslassfunktion unterzogen wird. Dies erlaubt es, eine maximale Wärmerückgewinnung aus dem Anodenabgas zur Verfügung zu stellen, benötigt aber im Umkehrschluss eine entsprechend größere Kondensatorvorrichtung 126, um entsprechend höhere Mengen an Luft LU für die Kühlung ansaugen und durchführen zu können. Dadurch, dass das Kondenswasser KW nun aus dem gesamten getrockneten Anodenabgas AAG auch vollständig abgetrennt wird, wird entsprechend auch nur das getrocknete Anodenabgas weiter als Anoden-Rezirkulationsgas ARG und als Anodenauslassgas AUG im Brennstoffzellensystem 100 gefördert.
Auch die Figur 3 zeigt zusätzliche Komponenten, welche insbesondere die Effizienz des Brennstoffzellensystems 100 weiter steigern können. Zum einen ist hier zusätzlich ein Kathodenzuführ- Wärmetauscher 131 vorgesehen, welcher eine Wärmerückgewinnung aus dem heißen Kathodenabgas KAG im Kathodenzuführgas KZG erlaubt. Damit wird das Kathodenzuführgas KZG an drei Stellen mit Wärmezufuhr beaufschlagt, nämlich in der Kondensatorvorrichtung 126, in dem Luft-Wärmetauscher 190 und final als letzter Wärmeübergang in dem Kathodenzuführ- Wärmetauscher 131 . Auch ist in der Figur 3 eine Variante dargestellt, bei welcher der Aufteilabschnitt 125 nun stromabwärts der Kondensatorvorrichtung 126, aber stromaufwärts des Wasserauslasses 128, vorgesehen ist. Dies erlaubt es, die entsprechenden Vorteile der Wärmerückgewinnung aus dem Anodenabgas AAG vollständig der Luft LU in der Kondensatorvorrichtung 126 zuzuführen. Der Wasserauslass 128 und die Separatorwirkung müssen jedoch hier nur für das tatsächlich gewünschte Anoden-Rezirkulationsgas ARG zur Verfügung gestellt werden, sodass entsprechend der Separator des Wasserauslasses 128 kleiner ausgebildet sein kann als dies bei der Variante der Figur 2 der Fall wäre.
Auch die Figur 4 zeigt weitere Teilkomponenten, welche bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 100 eingesetzt werden können. Hier wird ein Teil der Temperatur des Kathodenabgases KAG nun für ein zusätzliches Aufheizen des Anodenzuführgases AZG verwendet, indem ein Kathodenabführ- Wärmetauscher 133 in wärmeübertragendem Kontakt mit dem Anodenzuführabschnitt 122 vorgesehen ist. Bei dieser Möglichkeit ist es also vorgesehen, eine möglichst hohe Temperatureinwirkung in das Anodenzuführgas AZG einzubringen.
In der Figur 5 sind ebenfalls weitere Komponenten dargestellt, mit welchen sich das Brennstoffzellensystem 100 weiterbilden lässt. Zum einen handelt es sich hier um Kathoden-Rezirkulationsgebläse 171 und einen Kathoden-Aufteilabschnitt 137, welche es erlauben, einen Teil des Kathodenabgases KAG in einen Kathoden-Rezirku- lationsabschnitt 170 aufzuteilen. Damit kann dieser aufgeteilte Teil des Kathodenabgases KAG als Kathoden-Rezirkulationsgas KRG hier einer Ejektorvorrichtung als Kathoden-Mischabschnitt 135 zugeführt werden und eine Kathodenrezirkulation gewährleistet sein. Somit ist ein variabler Rezirkulationsanteil an der Kathode möglich wobei unter Teillastbetrieb höhere Rezirkulationsraten einstellbar sind. Das verbleibende Kathodenabgas KAG wird in der bereits mehrfach erläuterten Weise der Katalysatorvorrichtung 136 zugeführt.
Auch in der Figur 5 gezeigt ist in der Brenngaszufuhr für das Brenngas BRG ein Kontrollventil 160. Dieses ist insbesondere quantitativ kontrollierbar ausgebildet, sodass unterschiedliche Volumenströme an Brenngas BRG eingestellt werden können und für unterschiedliche Betriebssituationen unterschiedliche Mengen an Brenngas dem Anoden-Rezirkulationsgas ARG auch tatsächlich zuzumischen.
In der Figur 6 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100 gezeigt, wobei die meisten dargestellten Elemente jenen der Figur 5 entsprechen. Hier ist zusätzlich eine Nachbehandlungseinheit 191 vorgesehen, welche welche stromabwärts des Luft- Wärmetauschers 190 angeordnet ist. Die Nachbehandlungseinheit 191 ist insbesondere bei einem Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 mit Ammoniak vorteilhaft, um hier nochmal Spuren von Ammoniak umzusetzen bevor das Abgas an die Umgebung abgegeben wird. Die Nachbehandlungseinheit 191 kann hierfür beispielsweise als Ammoniak-Schlupf-Katalysator (ASC) ausgebildet sein, welcher bei Temperaturen zwischen 200 °C und 500 °C arbeitet. Vorteilhaft kann es auch weiter sein, wenn ein Purgeventil und/oder Bypassventil (nicht in Fig. 6 dargestellt) vorgesehen ist, um im Fall einer Leckage Wasserstoff und/oder Ammoniak abzuführen. Ein entsprechendes Ventil kann bei allen Ausführungsformen vorgesehen sein.
Die einzelnen Komponenten, insbesondere des Systems aus einer Vielzahl von Wärmetauschern, können dabei frei miteinander kombiniert werden und insbesondere über Kontrollventilsysteme frei schaltbar sein, um auf unterschiedlichste Betriebssituationen des Brennstoffzellensystems 100 möglichst flexibel reagieren zu können.
Expliziter erläutert, können die zusätzlichen Komponenten der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 100, d.h. der Anodenzuführ-Wärme- tauscher 121 und/ oder der Luft-Wärmetauscher 190 in gleicher Positionierung zum Aufteilabschnitt 125 ebenso mit den Systemkomponenten der Ausführungsformen des Brennstoffzellensystems 100 aus den Figuren 1 , 3, 4 oder 5 ergänzend kombiniert werden
Ferner kann die zusätzliche Komponente der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 100, d.h. der Kathodenzuführ-Wärmetauscher 131 ebenso mit den Systemkomponenten der Ausführungsformen des Brennstoffzellensystems 100 aus den Figuren 1 , 2, 4 oder 5 ergänzend kombiniert werden.
Darüber hinaus kann die zusätzliche Komponente der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 100, d.h. der Kathodenabführ-Wärmetau- scher 133 ebenso mit den Systemkomponenten der Ausführungsformen des Brennstoffzellensystems 100 aus den Figuren 1 , 2, 3 oder 5 ergänzend kombiniert werden.
Ebenso können die zusätzlichen Komponenten der in Fig. 5 und oder Fig. 6 gezeigten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 100, d.h. der Kathoden-Rezirkula- tionsabschnitt 170 mit dem Kathoden-Rezirkulationsgebläse 171 und dem Kathoden- Aufteilabschnitt 137 und/oder die Nachbehandlungseinheit 191 und/oder das Kontrollventil 160 mit den Systemkomponenten der Ausführungsformen des Brennstoffzellensystems 100 aus den Figuren 1 , 2, 3 oder 4 ergänzend kombiniert werden.
Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Bezugszeichenliste
100 Brennstoffzellensystem
110 Brennstoffzellenstapel
120 Anodenabschnitt
121 Anodenzuführ-Wärmetauscher
122 Anodenzuführabschnitt
123 Mischabschnitt
124 Anodenabführabschnitt
125 Aufteilabschnitt
126 Kondensatorvorrichtung
128 Wasserauslass
130 Kathodenabschnitt
131 Kathodenzuführ- Wärmetauscher
132 Kathodenzuführabschnitt
133 Kathodenabführ- Wärmetauscher
134 Kathodenabführabschnitt
135 Kathoden-Mischabschnitt
136 Katalysatorvorrichtung
137 Kathoden-Aufteilabschnitt
140 Anoden-Rezirkulationsabschnitt
150 Anoden-Auslassabschnitt
160 Kontrollventil
170 Kathoden-Rezirkulationsabschnitt
171 Kathoden-Rezirkulationsgebläse
190 Luft- Wärmetauscher
191 Nachbehandlungseinheit
AZG Anodenzuführgas
AAG Anodenabgas
AUG Anodenauslassgas
ARG Anoden-Rezirkulationsgas
KZG Kathodenzuführgas
KAG Kathodenabgas
KRG Kathoden-Rezirkulationsgas BRG Brenngas
LU Luft
KW Kondenswasser

Claims

Patentansprüche Brennstoffzellensystem (100) zur Erzeugung elektrischer Energie, aufweisend einen Brennstoffzellenstapel (110) mit einem Anodenabschnitt (120) und einem Kathodenabschnitt (130), der Anodenabschnitt (120) aufweisend einen Anodenzuführabschnitt (122) für ein Zuführen von Anodenzuführgas (AZG) und einen Anodenabführabschnitt (124) zum Abführen von Anodenabgas (AAG), der Kathodenabschnitt (130) aufweisend einen Kathodenzuführab- schnitt (132) zum Zuführen von Kathodenzuführgas (KZG) und einen Katho- denabführabschnitt (134) zum Abführen von Kathodenabgas (KAG), wobei der Anodenabführabschnitt (124) einen Aufteilabschnitt (125) aufweist für eine Aufteilen des Anodenabgases (AAG) auf einen Anoden-Rezirkulationsab- schnitt (140) zur Rezirkulation als Anoden-Rezirkulationsgas (ARG) und einen Anoden-Auslassabschnitt (150) zum Auslass an die Umgebung als Anodenauslassgas (AUG), dadurch gekennzeichnet, dass im Anodenabführabschnitt (124) oder im Anoden-Rezirkulationsabschnitt (140) eine Kondensatorvorrichtung (126) in wärmeübertragendem Kontakt mit dem Kathodenzu- führabschnitt (132) angeordnet ist für ein Kühlen des Anodenabgases (AAG) oder des Anoden-Rezirkulationsgases (ARG) durch ein Aufheizen des Katho- denzuführgases (KZG), wobei stromabwärts der Kondensatorvorrichtung (126) ein Wasserauslass (128) für einen Auslass des in der Kondensatorvorrichtung (126) kondensierten Kondenswassers (KW) angeordnet ist, wobei stromabwärts des Wasserauslasses (128) ein Mischabschnitt (123) angeordnet ist für ein Vermischen des Anoden-Rezirkulationsgases (ARG) mit Brenngas (BRG) und für eine Zufuhr als Anodenzuführgas (AZG) in den Anodenzuführabschnitt (122). Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenabführabschnitt (124) einen Anodenzuführ-Wärmetauscher (121) aufweist in wärmeübertragendem Kontakt mit dem Anodenzuführabschnitt (122) für eine Wärmeübertragung vom Anodenabgas (AAG) auf das Anodenzuführgas (AZG). Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischabschnitt (123) als Ejektorvorrichtung ausgebildet ist mit einer Brennstoffzufuhr von Brenngas (BRG) an einem Primäranschluss der Ejektorvorrichtung und dem Anoden-Re- zirkulationsabschnitt (140) am Sekundäranschluss der Ejektorvorrichtung. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenabführabschnitt (134) eine Katalysatorvorrichtung (136) aufweist, welche mit dem Anoden-Auslassabschnitt (150) fluidkommunizierend verbunden ist für eine katalytische Nachbehandlung des Anodenauslassgases (AUG) und den Kathodenabgases (KAG). Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenzuführabschnitt (132) einen Ka- thodenzuführ-Wärmetauscher (131) aufweist in wärmeübertragendem Kontakt mit dem Kathodenabführabschnitt (134) für eine Wärmeübertragung vom Ka- thodenabgas (KAG) auf das Kathodenzuführgas (KZG). Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufteilabschnitt (125) an einer der folgenden Positionen angeordnet ist:
- Stromaufwärts der Kondensatorvorrichtung (126),
- Stromabwärts der Kondensatorvorrichtung (126) und stromabwärts des Wasserauslasses (128),
- Stromabwärts der Kondensatorvorrichtung (126) und stromaufwärts des Wasserauslasses (128) Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Anodenzuführabschnitt (122), vorzugsweise stromabwärts eines Anodenzuführ-Wärmetauschers (121), ein Katho- denabführ-Wärmetauscher (133) angeordnet ist für einen Wärmeübergang vom Kathodenabgas (KAG) auf das Anodenzuführgas (AZG). Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Kathodenzuführabschnitt (132) ein Kathodenzuführ-Wärmetauscher (131) angeordnet ist für einen Wärmeübergang vom Kathodenabgas (KAG) auf das Kathodenzuführgas (KZG). Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Anodenzuführabschnitt (122) stromaufwärts des Mischabschnitts (125) ein Kontrollventil (160) zur Kontrolle des Volumenstroms an Brenngas (BRG) durch den Mischabschnitt (125) angeordnet ist. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenabführabschnitt (124) frei von einem externen Kühlkreislauf ausgebildet ist. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Kathodenzuführabschnitt (132) ein Katho- den-Mischabschnitt (135), insbesondere in Form einer Ejektorvorrichtung, angeordnet ist an deren Sekundäranschluss ein Kathoden-Rezirkulationsab- schnitt (170) fluidkommunizierend verbunden ist für eine Rezirkulation eines Teils des Kathodenabgases (KAG) als Kathoden-Rezirkulationsgas (KRG). Verfahren für eine Rezirkulation von Anodenabgas (AAG) in einem Brennstoffzellensystem (100) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 11 , als Ano- den-Rezirkulationsgas (ARG), aufweisend die folgenden Schritte:
- Aufteilen wenigstens eines Teils des Anodenabgases (AAG) als Ano- den-Rezirkulationsgas (ARG) auf den Anoden-Rezirkulationsabschnitt (140),
- Kühlen des Anoden-Rezirkulationsgases (ARG) durch Wärmeübergang auf das Kathodenzuführgas (KZG) unter die Siedetemperatur von Wasser,
- Abtrennen des kondensierten Kondenswassers (KW) aus dem Anoden- Rezirkulationsgas (ARG),
Mischen des getrockneten Anoden-Rezirkulationsgases (ARG) mit einem Brenngas (BRG) zu Anodenzuführgas (AZG).
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