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