WO2020102841A1 - Brennstoffzellensystem und verfahren zum temperieren eines brennstoffzellensystems - Google Patents

Brennstoffzellensystem und verfahren zum temperieren eines brennstoffzellensystems

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WO2020102841A1
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Raphael NEUBAUER
Thomas Krauss
Michael Seidl
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    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system, in particular in the form of an SOFC system, comprising at least one fuel cell stack with an anode section and a cathode section, a reformer heat exchanger with a cold side upstream of the anode section, which forms a reformer, and a hot side downstream of the cathode section , which forms a heat exchanger, and an afterburner downstream of the heat exchanger for burning anode exhaust gas from the anode section and / or cathode exhaust gas from the cathode section. Furthermore, the invention relates to a method for tempering a generic fuel cell system.
  • a reformer In generic SOFC systems, a reformer is arranged upstream of the anode section, by means of which fuel or a fuel mixture is reformed in order to subsequently feed it to the anode section. To operate the reformer efficiently, it must be brought to a certain operating temperature or kept at it.
  • a heat exchanger is arranged on the reformer. More specifically, the reformer in this case is designed as a reformer heat exchanger, in which the cold side of the reformer heat exchanger forms the reformer and the hot side of the reformer heat exchanger forms the heat exchanger.
  • the heat exchanger can be arranged downstream of the cathode section, so that the reformer can be heated or heated by heated cathode exhaust gas.
  • the cathode exhaust gas has a relatively high temperature directly downstream of the cathode section, it is not supplied completely or at least not directly to the hot side of the reformer heat exchanger in known systems. This involves a corresponding effort in terms of fluid management, for example with the aid of flow separators, and temperature management downstream of the cathode section.
  • the object of the present invention is to at least partially take into account the above-described problematic.
  • a fuel cell system comprising at least one fuel cell stack with an anode section and a cathode section, a reformer heat exchanger with a cold side upstream of the anode section, which forms a reformer, and a hot side downstream of the cathode section , Which forms a heat exchanger, and an afterburner downstream of the heat exchanger for burning anode exhaust gas from the anode section and / or cathode exhaust gas from the cathode section.
  • the heat exchanger is designed and / or arranged directly downstream of the cathode section and is in fluid-communicating connection with the cathode section through ei ne cathode exhaust line, for completely guiding the cathode exhaust gas through the heat exchanger.
  • the fuel cell system corresponds in particular to a high-temperature fuel cell system and preferably an SOFC system.
  • the operating temperatures in the at least one fuel cell stack are too high to lead cathode exhaust gas from the cathode section during operation of the fuel cell system directly into a generic heat exchanger downstream of the at least one fuel cell stack on the reformer.
  • the reformer heat exchanger was too badly influenced by such a design option. Therefore, the cathode exhaust gas was Up to now, the cathode section has either been at least partially branched off before it was led to the heat exchanger, or cooled by further heat exchangers before it was fed to the heat exchanger on the reformer.
  • the fuel or anode gas supply can be predefined, depending on a desired power to be obtained from the fuel cell stack, while only the amount of air or oxygen is changed for the cathode section.
  • the afterburner is arranged separately and at a distance from the refor mer heat exchanger. Air or an oxygen-containing fluid is fed to the afterburner for combustion.
  • an air supply to or to the reformer can be dispensed with.
  • the afterburner can be designed, for example, as a flame burner or as a catalytic burner. If appropriate, it can be expedient to supply air to the reformer when the fuel cell system is started up, that is to say when the fuel cell system is starting up.
  • the reformer heat exchanger is preferably designed in the form of a plate heat exchanger, it being possible for the cold side forming the reformer to be catalytically coated.
  • the reformer heat exchanger can be formed as desired, for example as a tube bundle heat exchanger. It can also be beneficial if both the cold side and the warm side of the reformer heat exchanger are coated catalytically. In this way, for example, even if air is supplied during operation, a temperature level in the reformer heat exchanger can be regulated directly.
  • the arrangement of the heat exchanger directly downstream of the cathode section means that no functional components, such as further heat exchangers, flow dividers, valves or the like, are arranged in the flow direction from the cathode section to the heat exchanger.
  • the cathode exhaust line is designed to completely conduct the cathode exhaust gas from the cathode section to or through the heat exchanger, the cathode exhaust gas can be passed completely to the heat exchanger without being branched beforehand or in between.
  • the operating temperature of cathode exhaust gas at the outlet of the at least one fuel cell stack is in a range from approximately 550 ° C., in particular approximately 600 ° C. to approximately 620 ° C. A temperature of approx. 500 ° C, in particular approx.
  • the cathode section can be metered through the heat exchanger or heat can be supplied in a targeted manner. More specifically, in this case, the heating fluid is first given to the start burner Afterburner fed. The heating fluid can be guided in or at least to the after burner. The heating fluid can be conducted further from the afterburner in the direction of the hot side of the cathode gas heat exchanger in order to heat up cathode supply gas, in particular air, which is conducted to the cathode section.
  • the cathode section and later the heat exchanger on the reformer are heated accordingly.
  • the start burner on the afterburner several system components of the fuel cell system can be easily heated. This can be particularly advantageous when the fuel cell system is started.
  • heating fluid is to be understood as a gaseous and / or liquid fluid, in particular at least partially, preferably in advance, in the starting burner, preferably with the addition of air, combusted fuel.
  • a cathode exhaust gas starting burner it is possible for a cathode exhaust gas starting burner to be provided for the meterable supply of a heating fluid into the cathode exhaust gas line.
  • a desired temperature increase in the heat exchanger on the reformer can be achieved directly and quickly. Heat losses can be avoided as far as possible.
  • a cathode supply gas line is designed for supplying cathode supply gas to the cathode section and a cathode supply gas start burner is provided for the metered supply of a heating fluid into the cathode supply gas line. So that the cathode supply gas start burner is arranged directly upstream of the cathode section and it can be reacted accordingly quickly to desired temperature increases in the cathode section.
  • a method for tempering a fuel cell system as described in detail above, is proposed.
  • the process has the following steps:
  • the fuel cell system is operated with a cathode outlet temperature of below 700 ° C., in particular with a cathode outlet temperature of approximately 560 ° C., in particular approximately 600 ° C. to approximately 620 ° C.
  • This temperature range has proven to be an advantageous compromise between sufficiently hot for the at least one fuel cell stack and not too hot for the cathode exhaust gas for the heat exchanger on the reformer.
  • the fuel cell system can be operated at least during normal operation with a preferred reformer heat exchanger temperature of about 500 ° C to about 560 ° C, in particular with a reformer heat exchanger temperature of about 520 ° C to about 540 ° C.
  • the fuel cell system can only be regulated by the air supply to the cathode section.
  • the supply of the cathode supply gas in particular exclusively the supply of the cathode supply gas, is regulated to regulate the temperature in the fuel cell system.
  • at least one temperature sensor can be provided for determining at least one temperature in the fuel cell system. If it is recognized that the mean temperature is below or above a predefinable threshold value, the amount of cathode supply gas is regulated accordingly. This enables simple and cost-effective temperature management for the fuel cell system.
  • Another aspect of the present invention includes the use of a fuel cell system, as described above, for providing electrical energy in a motor vehicle.
  • a fuel cell system as described above, for providing electrical energy in a motor vehicle.
  • FIG. 1 shows a block diagram to illustrate a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows a block diagram to illustrate a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 3 shows a block diagram to illustrate a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention
  • FIG. 4 shows a block diagram to illustrate a fuel cell system according to a fourth embodiment of the present invention
  • FIG. 5 shows a flow diagram for explaining a method according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 1 shows a block diagram of a fuel cell system 1 a in the form of an SOFC system according to a preferred embodiment.
  • the fuel cell system 1 a has a fuel cell stack 2 with an anode section 3 and a cathode section 4.
  • the fuel cell system 1 a also has a reformer heat exchanger 5 with a cold side upstream of the anode section 3, which forms a reformer 6, and a hot side flowing. downward of the cathode section 4, which forms a heat exchanger 7.
  • the reformer 6 forms the cold side of the reformer heat exchanger 5 and the heat exchanger 7 forms the hot side of the reformer heat exchanger 5.
  • the reformer heat exchanger 5 is designed according to the illustrated embodiment as a plate heat exchanger, in which the reformer 6 is catalytically coated.
  • the fuel cell system 1 a has an afterburner 8 downstream of the heat exchanger 7 for burning anode exhaust gas from the anode section 3 and / or cathode exhaust gas from the cathode section 4.
  • the heat exchanger 7 is configured directly downstream of the cathode section 4 and is in fluid communication communication with the cathode section 4 through a cathode exhaust line 9 for completely guiding the cathode exhaust gas to and through the heat exchanger 7.
  • a branch section 13 Directly downstream of the anode section 3 is a branch section 13 for branching off part of anode exhaust gas into the afterburner 8 and for branching off or returning another part of the anode exhaust gas to a fork section 14, through which the anode exhaust gas is fed back into an anode supply gas line 20 can.
  • anode supply gas in the form of a fuel or a fuel mixture can be passed from an anode supply gas source 16 via the fork section 14 and the reformer 6 to the anode section.
  • Cathode supply gas can be supplied in the form of air from a cathode supply gas source 17 via the cathode gas heat exchanger 15 or its cold side through the cathode supply gas line 19 to the cathode section.
  • Exhaust gas, or at least partially consumed process gas can be passed through the afterburner 8 and the hot side of the cathode gas heat exchanger 15 through a fluid outlet 18 into the environment of the fuel cell system 1 a.
  • FIG. 2 shows a fuel cell system 1 b according to a second embodiment.
  • the fuel cell system 1 b shown in FIG. 2 essentially corresponds to the fuel cell system 1 a shown in FIG. 1 and differs by a starting burner 10 for the metered supply of a heating fluid to the afterburner 8.
  • the afterburner 8 can be directly or essentially directly and the cathode gas heat exchanger 15, the cathode section 4 and adjacent functional components are indirectly heated to a desired operating temperature.
  • a fuel cell system 1 c according to a third embodiment is provided.
  • the fuel cell system 1 c shown in FIG. 3 corresponds essentially to the fuel cell system 1 a shown in FIG. 1 and differs by a cathode exhaust gas start burner 1 1 for the metered supply of a heating fluid into the cathode exhaust gas line 9.
  • the cathode exhaust gas start burner 1 1 The heat exchanger 7 can be heated directly or essentially directly and the afterburner 8, the cathode gas heat exchanger 15 and adjacent functional components in directly to a desired operating temperature.
  • the fuel cell system 1 d shown in FIG. 4 essentially corresponds to the fuel cell system 1 a shown in FIG. 1 and differs in the cathode supply gas start burner 12 for the metered supply of heating fluid into the cathode supply gas line 19.
  • the cathode section can be used in the cathode supply gas start burner 12 4 directly or essentially directly and the heat exchanger 7, the afterburner 8, the cathode gas heat exchanger 15 and adjacent functional components are indirectly heated to a desired operating temperature.
  • a method for tempering a fuel cell system 1 a as shown in FIG. 1 a is subsequently described with reference to FIG. 5.
  • a first step S1 the operation of the fuel cell system 1 a is started.
  • Flierzu in a second step S2, leads cathode supply gas in the form of air through the cathode supply gas line 19 via the cold side of the cathode gas heat exchanger 15 to the cathode section 4.
  • a third step S3 the entire cathode exhaust gas downstream of the cathode section 4 is passed through the cathode exhaust line 9 directly to the heat exchanger 7.
  • the supply of the cathode supply gas to the cathode section 4 can be regulated at least temporarily only to regulate the temperature in the fuel cell system 1 a.
  • the invention permits further design principles. That is, the invention is not intended to refer to the figures explained embodiments are considered limited.
  • the temperature control of the fuel cell system 1 b depending on a determined temperature of the reformer 6, heating fluid through the starting burner 10 to the afterburner 8 and from there to the hot side of the cathode heat exchanger 15, the cold side of which is upstream of the cathode section 4 is arranged in the cathode supply gas line 19.
  • the temperature control of the fuel cell system 1 c depending on a determined temperature of the reformer 6, heating fluid is fed into the cathode exhaust gas line 9 through the cathode exhaust gas start burner 11.
  • heating fluid can be fed into the cathode supply gas line 19 through the cathode supply gas start burner 12 during the temperature control of the fuel cell system 1 d, depending on a determined temperature of the reformer 6.
  • the starting burners 10, 11, 12 shown in FIGS. 2 to 4 can be used together in any combination in a single embodiment.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1a; 1b; 1c; 1d), aufweisend wenigstens einen Brennstoffzellenstapel (2) mit einem Anodenabschnitt (3) und einem Kathodenabschnitt (4), einen Reformerwärmetauscher (5) mit einer kalten Seite stromaufwärts des Anodenabschnitts (3), die einen Reformer (6) bildet, und einer heißen Seite stromabwärts des Kathodenabschnitts (4), die einen Wärmetauscher (7) bildet, und einen Nachbrenner (8) stromabwärts des Wärmetauschers (7) zum Verbrennen von Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt (3) und/oder Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt (4), wobei der Wärmetauscher (7) direkt stromabwärts des Kathodenabschnitts (4) ausgestaltet ist und durch eine Kathodenabgasleitung (9), zum vollständigen Leiten des Kathodenabgases durch den Wärmetauscher (7), in fluidkommunizierender Verbindung mit dem Kathodenabschnitt (4) steht. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Temperieren eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems (1a; 1b; 1c; 1d).

Description

Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Temperieren
eines Brennstoffzellensystems
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere in Form eines SOFC-Systems, aufweisend wenigstens einen Brennstoffzellenstapel mit ei nem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt, einen Reformerwärmetauscher mit einer kalten Seite stromaufwärts des Anodenabschnitts, die einen Reformer bil det, und einer heißen Seite stromabwärts des Kathodenabschnitts, die einen Wärme tauscher bildet, und einen Nachbrenner stromabwärts des Wärmetauschers zum Verbrennen von Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt und/oder Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Tempe rieren eines gattungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
Bei gattungsgemäßen SOFC-Systemen ist stromaufwärts des Anodenabschnitts ein Reformer angeordnet, durch welchen Brennstoff bzw. ein Brennstoffgemisch refor miert wird, um es anschließend dem Anodenabschnitt zuzuführen. Für einen effizien ten Betrieb des Reformers, muss dieser auf eine bestimmte Betriebstemperatur ge bracht werden bzw. auf dieser gehalten werden. Flierzu sind verschiedene Ansätze bekannt. Gemäß einem Ansatz ist am Reformer ein Wärmetauscher angeordnet. Genauer gesagt ist der Reformer in diesem Fall als Reformerwärmetauscher ausge staltet, bei welchem die kalte Seite des Reformerwärmetauschers den Reformer bil det und die heiße Seite des Reformerwärmetauschers den Wärmetauscher bildet.
Der Wärmetauscher kann in diesem Fall stromabwärts des Kathodenabschnitts an geordnet sein, sodass der Reformer durch erhitztes Kathodenabgas temperiert bzw. geheizt werden kann.
Da das Kathodenabgas direkt stromabwärts des Kathodenabschnitts eine relativ ho he Temperatur aufweist, wird es bei bekannten Systemen nicht vollständig oder zu mindest nicht direkt der heißen Seite des Reformerwärmetauschers zugeführt. Damit ist ein entsprechender Aufwand bezüglich der Fluidführung, beispielsweise mit Hilfe von Strömungstrennern, und des Temperaturmanagements stromabwärts des Ka thodenabschnitts verbunden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, der voranstehend beschriebenen Prob lematik zumindest teilweise Rechnung zu tragen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren mit einem verbesserten bzw. für ein verbessertes Temperaturmanagement zur Temperierung des Reformers zur Verfügung zu stellen.
Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch das Brennstoffzellensystem gemäß An spruch 1 , das Verfahren gemäß Anspruch 5 sowie die Verwendung gemäß An spruch 10 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprü chen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstver ständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensys tem, der erfindungsgemäßen Verwendung und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellen system zur Verfügung gestellt, aufweisend wenigstens einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt, einen Reformerwärme tauscher mit einer kalten Seite stromaufwärts des Anodenabschnitts, die einen Re former bildet, und einer heißen Seite stromabwärts des Kathodenabschnitts, die ei nen Wärmetauscher bildet, und einen Nachbrenner stromabwärts des Wärmetau schers zum Verbrennen von Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt und/oder Ka thodenabgas aus dem Kathodenabschnitt. Der Wärmetauscher ist direkt stromab wärts des Kathodenabschnitts ausgestaltet und/oder angeordnet und steht durch ei ne Kathodenabgasleitung, zum vollständigen Leiten des Kathodenabgases durch den Wärmetauscher, in fluidkommunizierender Verbindung mit dem Kathodenab schnitt.
Das Brennstoffzellensystem entspricht insbesondere einem Hochtemperatur- Brennstoffzellensystem und bevorzugt einem SOFC-System. Bei solchen Systemen ist man bisher davon ausgegangen, dass die Betriebstemperaturen in dem wenigs tens einen Brennstoffzellenstapel zu hoch seien, um Kathodenabgas aus dem Ka thodenabschnitt während des Betriebs des Brennstoffzellensystems direkt in einen gattungsgemäßen Wärmetauscher stromabwärts des wenigstens einen Brennstoff zellenstapels am Reformer zu führen. Genauer gesagt wurde bislang von einem zu starken negativen Einfluss auf den Reformerwärmetauscher bei einer solchen Aus gestaltungsmöglichkeit ausgegangen. Deshalb wurde das Kathodenabgas stromab- wärts des Kathodenabschnitts bisher entweder zumindest teilweise abgezweigt, be vor es zum Wärmetauscher geführt wurde, oder durch weitere Wärmetauscher ab gekühlt, bevor es dem Wärmetauscher am Reformer zugeführt wurde.
Bei umfangreichen Versuchen, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchge führt wurden, hat sich nun allerdings überraschend herausgestellt, dass es unter Ab wägung verschiedener Faktoren durchaus möglich ist, bzw. auch von Vorteil sein kann, das Kathodenabgas vollständig dem Wärmetauschert am Reformer bzw. der heißen Seite des Reformerwärmetauschers zuzuführen. Zunächst ist es von Vorteil, dass keine Strömungsteiler stromabwärts des Kathodenabschnitts nötig sind. Strö mungsteiler führen zu einem komplexen Systemaufbau, für welchen entsprechend komplexe Funktionsbauteile erforderlich sind. Diese sind nicht nur teuer, sondern schlagen sich auch im Gewicht nieder, welches es insbesondere bei mobilen An wendungen stets zu reduzieren gilt. Darüber hinaus müssen durch die Verwendung von Strömungsteilern komplexe Steuerungs- und Regelungsschritte in das Brenn stoffzellensystem implementiert werden. Darauf kann verzichtet werden, wenn das Kathodenabgas vom Kathodenabschnitt direkt und unverzweigt, also vollständig, zum Wärmetauscher am Reformer geleitet wird.
Ohne Strömungsteiler stromabwärts des Kathodenabschnitts und stromaufwärts des Wärmetauschers ist es zudem möglich, das gesamte Brennstoffzellensystem einzig über die Luftzufuhr bzw. Kathodengaszufuhr zum Kathodenabschnitt zu regeln. Bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystemen kann die Brennstoff- bzw. Anodengaszufuhr, abhängig von einer gewünschten vom Brennstoffzellenstapel ab zugreifenden Leistung, fest vorgegeben sein, während nur die Luft- bzw. Sauerstoff menge für den Kathodenabschnitt verändert wird.
Erfindungsgemäß ist der Nachbrenner separat zum und beabstandet vom Refor merwärmetauscher angeordnet. Dem Nachbrenner wird für die Verbrennung Luft bzw. ein sauerstoffhaltiges Fluid zugeführt. Bei dem erfindungsgemäßen Reformer wärmetauscher kann auf eine Luftzufuhr zu dem oder an den Reformer verzichtet werden. Der Nachbrenner kann beispielsweise als Flammenbrenner oder als kataly tischer Brenner ausgebildet sein. Gegebenenfalls kann es günstig sein, dem Reformer beim Hochfahren des Brenn stoffzellensystems, das heißt bei einer Startphase des Brennstoffzellensystems, Luft zuzuführen.
Der Reformerwärmetauscher ist vorzugsweise in Form eines Plattenwärmetauschers ausgestaltet, wobei die kalte, den Reformer bildende Seite, katalytisch beschichtet sein kann. Grundsätzlich kann der Reformerwärmetauscher allerdings beliebig aus gebildet sein, wie beispielsweise als Rohrbündelwärmetauscher. Es kann auch güns tig sein, wenn sowohl die kalte Seite als auch die warme Seite des Reformerwärme tauschers katalytisch beschichtet ist. Dadurch kann beispielsweise, wenn auch wäh rend eines Betriebes Luft zugeführt wird, ein Temperaturniveau im Reformerwärme tauscher direkt geregelt werden.
Unter der Anordnung des Wärmetauschers direkt stromabwärts des Kathodenab schnitts ist zu verstehen, dass in Strömungsrichtung vom Kathodenabschnitt zum Wärmetauscher keine Funktionsbauteile, wie weitere Wärmetauscher, Strömungstei ler, Ventile oder dergleichen, angeordnet sind. Dadurch, dass die Kathodenabgaslei tung zum vollständigen Leiten des Kathodenabgases vom Kathodenabschnitt zu dem bzw. durch den Wärmetauscher ausgestaltet ist, kann das Kathodenabgas vollstän dig zum Wärmetauscher geleitet werden, ohne vorher bzw. dazwischen abgezweigt zu werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass ein Startbrenner zum dosierbaren Zuführen eines Heizfluids zum Nachbrenner bereitgestellt ist, wobei der Nachbrenner stromaufwärts einer heißen Seite eines Ka thodengaswärmetauschers angeordnet ist, dessen kalte Seite stromaufwärts des Ka thodenabschnitts in einer Kathodenzuführgasleitung zum Zuführen von Kathodenzu- führgas zum Kathodenabschnitt angeordnet ist. Bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem liegt die Betriebstemperatur von Kathodenabgas am Aus gang des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels in einem Bereich von ca. 550 °C, insbesondere ca. 600 °C bis ca. 620 °C. Am Wärmetauscher soll eine Temperatur von ca. 500 °C, insbesondere ca. 520 °C bis ca. 540 °C erreicht werden. Für den Fall, dass die Temperatur des Kathodenabgases nicht ausreicht, um den Wärmetau scher auf die gewünschte Temperatur zu erhitzen, kann dem Kathodenabschnitt durch den Wärmetauscher dosiert bzw. gezielt Wärme zugeführt werden. Genauer gesagt wird in diesem Fall das Heizfluid durch den Startbrenner zunächst dem Nachbrenner zugeführt. Dabei kann das Heizfluid in oder zumindest an den Nach brenner geführt werden. Vom Nachbrenner kann das Heizfluid weiter in Richtung der heißen Seite des Kathodengaswärmetauschers geleitet werden, um dort Kathoden- zuführgas, insbesondere Luft, das bzw. die zum Kathodenabschnitt geleitet wird, aufzuheizen. Dadurch werden entsprechend der Kathodenabschnitt und später der Wärmetauscher am Reformer erhitzt. Mithin können durch die Anordnung des Start brenners am Nachbrenner auf einfache Weise mehrere Systemkomponenten des Brennstoffzellensystems aufgeheizt werden. Dies kann insbesondere bei einem Startbetrieb des Brennstoffzellensystems von Vorteil sein.
Unter Heizfluid ist im Rahmen der Erfindung ein gasförmiges und/oder flüssiges Fluid zu verstehen, insbesondere vorab im Startbrenner zumindest teilweise, bevorzugt unter Zuführung von Luft, verbrannter Brennstoff.
Weiterhin ist es bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem möglich, dass ein Kathodenabgas-Startbrenner zum dosierbaren Zuführen eines Heizfluids in die Kathodenabgasleitung bereitgestellt ist. Durch das Zugeben von Heizfluid in die Ka thodenabgasleitung kann eine gewünschte Temperaturerhöhung im Wärmetauscher am Reformer direkt und schnell realisiert werden. Wärmeverluste können weitestge hend vermieden werden.
Außerdem ist es möglich, dass bei einem Brennstoffzellensystem gemäß der vorlie genden Erfindung stromaufwärts des Kathodenabschnitts eine Kathodenzuführgas- leitung zum Zuführen von Kathodenzuführgas zum Kathodenabschnitt ausgestaltet ist und ein Kathodenzuführgas-Startbrenner zum dosierbaren Zuführen eines Heizflu ids in die Kathodenzuführgasleitung bereitgestellt ist. Damit ist der Kathodenzuführ gas-Startbrenner direkt stromaufwärts des Kathodenabschnitts angeordnet und es kann entsprechend schnell auf gewünschte Temperaturerhöhungen im Kathodenab schnitt reagiert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Temperieren eines, wie vorstehend im Detail beschriebenen, Brennstoffzellensys tems vorgeschlagen. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
Zuführen von Kathodenzuführgas durch die Kathodenzuführgasleitung zum Ka thodenabschnitt, und Zuführen des gesamten Kathodenabgases stromabwärts des Kathodenab schnitts durch die Kathodenabgasleitung direkt zum Wärmetauscher.
Damit bringt ein erfindungsgemäßes Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem beschrie ben worden sind. Erfindungsgemäß wird das Brennstoffzellensystem mit einer Ka thodenausgangstemperatur von unter 700 °C, insbesondere mit einer Kathodenaus gangstemperatur von ca.560 °C, insbesondere ca. 600 °C bis ca. 620 °C, betrieben. Dieser Temperaturbereich hat sich als vorteilhafter Kompromiss zwischen ausrei chend heiß für den wenigstens einen Brennstoffzellenstapel und nicht zu heiß für das Kathodenabgas für den Wärmetauscher am Reformer herausgestellt. Damit kann das Brennstoffzellensystem zumindest während eines Normalbetriebs mit einer be vorzugten Reformerwärmetauschertemperatur von ca. 500 °C bis ca. 560 °C, insbe sondere mit einer Reformerwärmetauschertemperatur von ca. 520 °C bis ca. 540 °C, betrieben werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann das Brennstoffzellensystem, wie vor stehend bereits erwähnt, einzig durch die Luftzufuhr zum Kathodenabschnitt geregelt werden. D.h., bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird zur Rege lung der Temperatur im Brennstoffzellensystem das Zuführen des Kathodenzuführ- gases, insbesondere ausschließlich das Zuführen des Kathodenzuführgases, gere gelt. Hierzu kann wenigstens ein Temperatursensor zur Ermittlung wenigstens einer Temperatur im Brennstoffzellensystem bereitgestellt sein. Wird erkannt, dass die er mittelte Temperatur unter oder über einem vordefinierbaren Schwellenwert liegt, wird die Kathodenzuführgasmenge entsprechend geregelt. Damit kann ein einfaches und kostengünstiges Temperaturmanagement für das Brennstoffzellensystem zur Verfü gung gestellt werden.
Darüber hinaus kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren während der Tempe rierung des Brennstoffzellensystems, abhängig von einer ermittelten Temperatur des Reformers, durch den Startbrenner Heizfluid zum Nachbrenner und von dort weiter zu der heißen Seite des Kathodenwärmetauschers, dessen kalte Seite stromaufwärts des Kathodenabschnitts in der Kathodenzuführgasleitung angeordnet ist, zugeführt werden. Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, dass während der Temperierung des Brennstoffzellensystems, abhängig von einer ermittelten Temperatur des Refor mers, durch den Kathodenabgas-Startbrenner Heizfluid in die Kathodenabgasleitung und/oder durch den Kathodenzuführgas-Startbrenner Heizfluid in die Kathodenzu- führgasleitung zugeführt werden. Damit können die bereits vorstehend beschriebe nen Vorteile bezüglich einer schnellen und direkten Temperierung der gewünschten Funktionsbauteile erzielt werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die Verwendung eines, wie vorstehend beschriebenen, Brennstoffzellensystems zur Bereitstellung elektrischer Energie in einem Kraftfahrzeug. Damit bringt auch die erfindungsgemäße Verwen dung die vorstehend beschriebenen Vorteile mit sich.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgen den Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Es zeigen jeweils schematisch:
Figur 1 ein Blockschaltbild zur Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 2 ein Blockschaltbild zur Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 3 ein Blockschaltbild zur Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 4 ein Blockschaltbild zur Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 5 ein Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens gemäß einer erfin dungsgemäßen Ausführungsform.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 bis 4 je weils mit denselben Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems 1 a in Form eines SOFC-Systems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform. Das in Fig. 1 dargestell te Brennstoffzellensystem 1 a weist einen Brennstoffzellenstapel 2 mit einem Ano denabschnitt 3 und einem Kathodenabschnitt 4 auf. Das Brennstoffzellensystem 1 a weist ferner einen Reformerwärmetauscher 5 mit einer kalten Seite stromaufwärts des Anodenabschnitts 3, die einen Reformer 6 bildet, und einer heißen Seite ström- abwärts des Kathodenabschnitts 4, die einen Wärmetauscher 7 bildet, auf. Mit ande ren Worten bildet der Reformer 6 die kalte Seite des Reformerwärmetauschers 5 und der Wärmetauscher 7 bildet die heiße Seite des Reformerwärmetauschers 5. Der Reformerwärmetauscher 5 ist gemäß der dargestellten Ausführungsvariante als Plat tenwärmetauscher ausgestaltet, bei welchem der Reformer 6 katalytisch beschichtet ist.
Weiterhin weist das Brennstoffzellensystem 1 a einen Nachbrenner 8 stromabwärts des Wärmetauschers 7 zum Verbrennen von Anodenabgas aus dem Anodenab schnitt 3 und/oder Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt 4 auf. Wie in Fig. 1 zu erkennen, ist der Wärmetauscher 7 direkt stromabwärts des Kathodenabschnitts 4 ausgestaltet und steht durch eine Kathodenabgasleitung 9 zum vollständigen Leiten des Kathodenabgases zu dem bzw. durch den Wärmetauscher 7 in fluidkommunizie render Verbindung mit dem Kathodenabschnitt 4.
Direkt stromabwärts des Anodenabschnitts 3 ist ein Abzweigabschnitt 13 zum Ab zweigen eines Teils von Anodenabgas in den Nachbrenner 8 sowie zum Abzweigen bzw. Rückführen eines anderen Teils des Anodenabgases zu einem Gabelab schnitt 14, durch welchen das Anodenabgas zurück in eine Anodenzuführgaslei- tung 20 geführt werden kann.
Durch die Anodenzuführgasleitung 20 kann Anodenzuführgas in Form eines Brenn stoffs oder eines Brennstoffgemisches von einer Anodenzuführgasquelle 16 über den Gabelabschnitt 14 und den Reformer 6 zum Anodenabschnitt geleitet werden. Ka- thodenzuführgas kann in Form von Luft von einer Kathodenzuführgasquelle 17 über den Kathodengaswärmetauscher 15 bzw. dessen kalte Seite durch die Kathodenzu- führgasleitung 19 zum Kathodenabschnitt geführt werden. Abgas, bzw. zumindest teilweise verbrauchtes Prozessgas, kann über den Nachbrenner 8 und die heiße Sei te des Kathodengaswärmetauschers 15 durch einen Fluidauslass 18 in die Umge bung des Brennstoffzellensystems 1 a geführt werden.
In Fig. 2 ist ein Brennstoffzellensystem 1 b gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Das in Fig. 2 dargestellte Brennstoffzellensystem 1 b entspricht im We sentlichen dem in Fig. 1 dargestellten Brennstoffzellensystem 1 a und unterscheidet sich durch einen Startbrenner 10 zum dosierbaren Zuführen eines Heizfluids zum Nachbrenner 8. Mit Hilfe des Startbrenners 10 können der Nachbrenner 8 direkt oder im Wesentlichen direkt und der Kathodengaswärmetauscher 15, der Kathodenab schnitt 4 sowie angrenzende Funktionsbauteile indirekt auf eine gewünschte Be triebstemperatur aufgeheizt werden.
In Fig. 3 ist ein Brennstoffzellensystem 1 c gemäß einer dritten Ausführungsform dar gestellt. Das in Fig. 3 dargestellte Brennstoffzellensystem 1 c entspricht im Wesentli chen dem in Fig. 1 dargestellten Brennstoffzellensystem 1 a und unterscheidet sich durch einen Kathodenabgas-Startbrenner 1 1 zum dosierbaren Zuführen eines Heiz fluids in die Kathodenabgasleitung 9. Durch den Kathodenabgas-Startbrenner 1 1 können der Wärmetauscher 7 direkt oder im Wesentlichen direkt und der Nachbren ner 8, der Kathodengaswärmetauscher 15 sowie angrenzende Funktionsbauteile in direkt auf eine gewünschte Betriebstemperatur aufgeheizt werden.
In Fig. 4 ist ein Brennstoffzellensystem 1 d gemäß einer vierten Ausführungsform dargestellt. Das in Fig. 4 dargestellte Brennstoffzellensystem 1 d entspricht im We sentlichen dem in Fig. 1 dargestellten Brennstoffzellensystem 1 a und unterscheidet sich durch den Kathodenzuführgas-Startbrenner 12 zum dosierbaren Zuführen eines Heizfluids in die Kathodenzuführgasleitung 19. Durch den Kathodenzuführgas- Startbrenner 12 können der Kathodenabschnitt 4 direkt oder im Wesentlichen direkt und der Wärmetauscher 7, der Nachbrenner 8, der Kathodengaswärmetauscher 15 sowie angrenzende Funktionsbauteile indirekt auf eine gewünschte Betriebstempera tur aufgeheizt werden.
Mit Bezug auf Fig. 5 wird anschließend ein Verfahren zum Temperieren eines wie in Fig. 1 dargestellten Brennstoffzellensystems 1 a beschrieben. In einem ersten Schritt S1 wird zunächst der Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 a gestartet. Flierzu wird gemäß einem zweiten Schritt S2 Kathodenzuführgas in Form von Luft durch die Ka thodenzuführgasleitung 19 über die kalte Seite des Kathodengaswärmetauschers 15 zum Kathodenabschnitt 4 geleitet. In einem dritten Schritt S3 wird das gesamte Ka thodenabgas stromabwärts des Kathodenabschnitts 4 durch die Kathodenabgaslei tung 9 direkt zum Wärmetauscher 7 geleitet. Verfahrensgemäß kann zur Regelung der Temperatur im Brennstoffzellensystem 1 a zumindest zeitweise einzig die Zufuhr des Kathodenzuführgases zum Kathodenabschnitt 4 geregelt werden.
Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere Gestal tungsgrundsätze zu. D.h., die Erfindung soll nicht auf die mit Bezug auf die Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden. So kann im Rahmen des Verfahrens während der Temperierung des Brennstoffzellensystems 1 b, abhän gig von einer ermittelten Temperatur des Reformers 6, durch den Startbrenner 10 Heizfluid zum Nachbrenner 8 und von dort weiter zu der heißen Seite des Katho- denwärmetauschers 15, dessen kalte Seite stromaufwärts des Kathodenabschnitts 4 in der Kathodenzuführgasleitung 19 angeordnet ist, zugeführt werden. Ferner ist es möglich, dass während der Temperierung des Brennstoffzellensystems 1 c, abhängig von einer ermittelten Temperatur des Reformers 6, durch den Kathodenabgas- Startbrenner 11 Heizfluid in die Kathodenabgasleitung 9 zugeführt wird. Darüber hin- aus kann während der Temperierung des Brennstoffzellensystems 1 d, abhängig von einer ermittelten Temperatur des Reformers 6, durch den Kathodenzuführgas- Startbrenner 12 Heizfluid in die Kathodenzuführgasleitung 19 zugeführt werden. Die in den Figuren 2 bis 4 dargestellten Startbrenner 10, 11 , 12 können in beliebiger Kombination in einer einzigen Ausführungsform zusammen verwendet werden.
Bezugszeichenliste
1 a-1d Brennstoffzellensystem
2 Brennstoffzellenstapel
3 Anodenabschnitt
4 Kathodenabschnitt
5 Reformerwärmetauscher
6 Reformer
7 Wärmetauscher
8 Nachbrenner
9 Kathodenabgasleitung
10 Startbrenner
11 Kathodenabgas-Startbrenner
12 Kathodenzuführgas-Startbrenner
13 Abzweigabschnitt
14 Gabelabschnitt
15 Kathodengaswärmetauscher
16 Anodenzuführgasquelle
17 Kathodenzuführgasquelle
18 Fluidauslass
19 Kathodenzuführgasleitung
20 Anodenzuführgasleitung

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzellensystem (1 a; 1 b; 1 c; 1 d), aufweisend wenigstens einen Brenn stoffzellenstapel (2) mit einem Anodenabschnitt (3) und einem Kathodenab schnitt (4), einen Reformerwärmetauscher (5) mit einer kalten Seite stromauf wärts des Anodenabschnitts (3), die einen Reformer (6) bildet, und einer heißen Seite stromabwärts des Kathodenabschnitts (4), die einen Wärmetauscher (7) bildet, und einen Nachbrenner (8) stromabwärts des Wärmetauschers (7) zum Verbrennen von Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt (3) und/oder Katho denabgas aus dem Kathodenabschnitt (4),
dadurch gekennzeichnet, dass
der Wärmetauscher (7) direkt stromabwärts des Kathodenabschnitts (4) ausge staltet ist und durch eine Kathodenabgasleitung (9), zum vollständigen Leiten des Kathodenabgases durch den Wärmetauscher (6), in fluidkommunizierender Verbindung mit dem Kathodenabschnitt (4) steht.
2. Brennstoffzellensystem (1 b) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Startbrenner (10) zum dosierbaren Zuführen eines Heizfluids zum Nach brenner (8) bereitgestellt ist, wobei der Nachbrenner (8) stromaufwärts einer heißen Seite eines Kathodengaswärmetauschers (15) angeordnet ist, dessen kalte Seite stromaufwärts des Kathodenabschnitts (4) in einer Kathodenzuführ- gasleitung (19) zum Zuführen von Kathodenzuführgas zum Kathodenab schnitt (4) angeordnet ist.
3. Brennstoffzellensystem (1 c) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Kathodenabgas-Startbrenner (11 ) zum dosierbaren Zuführen eines Heizflu ids in die Kathodenabgasleitung (9) bereitgestellt ist.
4. Brennstoffzellensystem (1 d) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
stromaufwärts des Kathodenabschnitts (4) eine Kathodenzuführgasleitung (19) zum Zuführen von Kathodenzuführgas zum Kathodenabschnitt (4) ausgestaltet ist und ein Kathodenzuführgas-Startbrenner (12) zum dosierbaren Zuführen ei nes Heizfluids in die Kathodenzuführgasleitung (19) bereitgestellt ist.
5. Verfahren zum Temperieren eines Brennstoffzellensystems (1 a; 1 b; 1 c; 1 d), das nach einem der voranstehenden Ansprüche ausgestaltet ist, aufweisend die Schritte:
Zuführen von Kathodenzuführgas durch die Kathodenzuführgaslei- tung (19) zum Kathodenabschnitt (4) und
Zuführen des gesamten Kathodenabgases stromabwärts des Kathoden abschnitts (4) durch die Kathodenabgasleitung (9) direkt zum Wärmetau scher (7).
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Regelung der Temperatur im Brennstoffzellensystem (1 a) das Zuführen des Kathodenzuführgases, insbesondere ausschließlich das Zuführen des Katho- denzuführgases, geregelt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
während der Temperierung des Brennstoffzellensystems (1 b), abhängig von ei ner ermittelten Temperatur des Reformers (6), durch den Startbrenner (10) Heizfluid zum Nachbrenner (8) und von dort weiter zu der heißen Seite des Ka thodengaswärmetauschers (15), dessen kalte Seite stromaufwärts des Katho denabschnitts (4) in der Kathodenzuführgasleitung (19) angeordnet ist, zuge führt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
während der Temperierung des Brennstoffzellensystems (1 c), abhängig von ei ner ermittelten Temperatur des Reformers (6), durch den Kathodenabgas- Startbrenner (11 ) Heizfluid in die Kathodenabgasleitung (9) zugeführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
während der Temperierung des Brennstoffzellensystems (1 d), abhängig von ei ner ermittelten Temperatur des Reformers (6), durch den Kathodenzuführgas- Startbrenner (12) Heizfluid in die Kathodenzuführgasleitung (19) zugeführt wird.
10. Verwendung eines Brennstoffzellensystems (1a; 1b; 1c; 1d) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Bereitstellung elektrischer Energie in einem Kraftfahr zeug.
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