WO2023141669A1 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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WO2023141669A1
WO2023141669A1 PCT/AT2023/060018 AT2023060018W WO2023141669A1 WO 2023141669 A1 WO2023141669 A1 WO 2023141669A1 AT 2023060018 W AT2023060018 W AT 2023060018W WO 2023141669 A1 WO2023141669 A1 WO 2023141669A1
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WO
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heat exchanger
section
fuel cell
cathode
cell system
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Application number
PCT/AT2023/060018
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English (en)
French (fr)
Inventor
Raphael NEUBAUER
Original Assignee
Avl List Gmbh
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    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell system, in particular an SOFC system, comprising at least one fuel cell stack with an anode section and a cathode section, an air supply section, a fuel supply section, a cathode discharge line, an anode discharge line, an exhaust gas section with an afterburner and a recirculation section.
  • a fuel cell system in particular an SOFC system, comprising at least one fuel cell stack with an anode section and a cathode section, an air supply section, a fuel supply section, a cathode discharge line, an anode discharge line, an exhaust gas section with an afterburner and a recirculation section.
  • the invention further relates to the use of such a fuel cell system.
  • SOFC systems are known from the prior art.
  • a heat exchanger network In order to properly distribute and also retain heat in such a fuel cell system, it is known from the prior art to use a heat exchanger network.
  • unused or unused fuel in the system is typically converted in an oxidation catalyst or afterburner in order to use this heat in the fuel cell system itself.
  • oxidation catalyst or afterburner In this purpose it is known from the prior art to mix oxidizing agent from a fuel cell stack with the unused fuel and to supply the oxidation catalytic converter as such a mixture. This hot exhaust gas is then routed through the heat exchanger network, allowing heat to be dissipated throughout the system.
  • a temperature at its outlet may be 650°C or more. This then results in very high outlet temperatures at the oxidation catalytic converter and much higher temperature peaks in the oxidation catalytic converter. This can lead to significantly increased thermal degradation of the oxidation catalyst.
  • the unused fuel can ignite when mixed with the hot oxidant from the fuel cell stack and damage z. B. pipelines and also cause the downstream oxidation catalyst.
  • only a single heat exchanger is typically employed to raise the oxidant from ambient conditions to the desired inlet temperature. This causes high thermal loads on this one heat exchanger and also often means that very high efficiency requirements have to be placed on this one heat exchanger. This is where the invention comes in.
  • the object of the invention is to provide a fuel cell system which can be operated particularly efficiently, in particular even at very high fuel cell stack temperatures.
  • Another aim is to specify a use of such a fuel cell system.
  • the object is achieved according to the invention in that in a fuel cell system of the type mentioned at least two heat exchangers are arranged in the air supply section, with a warm side of a second heat exchanger being arranged in the cathode discharge line downstream of the cathode section.
  • Cathode air is preheated and brought up to temperature in the air supply section via the two heat exchangers.
  • the two heat exchangers are designed as two separate elements, it can also be advantageous to integrate both heat exchangers into a common component.
  • Such an integral design of the heat exchanger has the advantage that the space required and the heat losses to the outside are reduced.
  • the fuel cell system is designed in particular as a high-temperature fuel cell system and preferably as an SOFC system.
  • the recirculation section serves to recirculate anode exhaust gas as recirculation gas from the anode section of the fuel cell stack of the fuel cell system.
  • the recirculation section is equipped in particular with a recirculation line, which is connected in particular to the anode section, in particular to the fuel supply line, in a fluid-communicating manner.
  • the recirculation section is integrated in the fuel cell system.
  • an air supply section is provided, via which air can be conveyed from an air source in the direction of the cathode section.
  • air is to be understood as meaning an oxygen-containing gas.
  • the fuel cell system also has a fuel feed section, via which fuel can be conveyed from a fuel source in the direction of the anode section.
  • a carbon-containing gas such as methane or ethane, natural gas or else hydrogen can be used as fuel, for example.
  • a liquid fuel can also be used.
  • additional components are preferably provided in the fuel cell system, for example a reformer or a reformer heat exchanger, which reforms fuel for conversion in the anode section, catalysts, evaporators, valves or other heat exchanger devices.
  • the afterburner is designed in particular as an oxidation catalyst for converting the remaining fuel components in the exhaust gas or for further thermal processing of the same. Downstream of the afterburner, an exhaust gas line is provided in the exhaust gas section for discharging the exhaust gas to the environment.
  • the afterburner may also be beneficial to convert the afterburner into a heat exchanger, e.g. B. in the first heat exchanger, which is then preferably designed as a coated heat exchanger.
  • the afterburner and the first heat exchanger are then formed integrally. This is particularly advantageous if, on the one hand, the installation space is to be kept small and, on the other hand, the back pressure applied to the fuel cell stack is to be kept low. By reducing the number of components in the fuel cell system, both the installation space and the pressure loss are reduced.
  • a cathode discharge line and an anode discharge line are provided. There are therefore two separate sections provided downstream of the fuel cell stack, with cathode exhaust gas being discharged in the cathode discharge line and cathode exhaust gas being discharged in the anode denabschreib ein anode exhaust gas can be guided.
  • both discharge lines are routed separately from one another to the afterburner.
  • the anode exhaust gas line can at least partially be regarded as part of the recirculation section. It can also be advantageous if the cathode discharge line and the anode discharge line are already combined to form a common line upstream of the afterburner.
  • a cold side of the second heat exchanger is arranged in the air supply section downstream of a cold side of a first heat exchanger. That is, the first heat exchanger is provided in the air supply section upstream of the second heat exchanger.
  • the cathode air is therefore heated in two stages: in a first step via the first heat exchanger and in a second step via the second heat exchanger. Downstream of the second heat exchanger, the cathode air then has the predetermined inlet temperature for entering the cathode section of the fuel cell stack.
  • a warm side of the first heat exchanger is arranged in the exhaust gas section downstream of the afterburner.
  • the residual heat which is still present in the exhaust gas downstream of the afterburner, is therefore used to heat the cathode air in the air supply section by the first heat exchanger.
  • the outlet temperature of the afterburner designed as an oxidation catalyst is usually in the range between 550 °C and 700 °C, but depends on the anode exhaust gas recirculation rate and the temperature level at the fuel cell stack and is therefore well below the critical temperature level of 800 °C to 950 °C.
  • the exhaust gas which is now hotter again, is routed through the first air heat exchanger and heats the cathode air to over 400 °C in particular. This two-stage heating of the cathode air significantly reduces both the thermal load on the components and the efficiency requirements. This means that cheaper and more durable components can be used.
  • a reformer heat exchanger is arranged in the fuel feed section, with at least part of the cathode exhaust gas being able to be fed to the reformer heat exchanger.
  • a warm side of the reformer heat exchanger is therefore arranged in the cathode discharge line. This means that the reformer is brought up to operating temperature by the hot cathode exhaust gas.
  • the cathode exhaust gas is then fed to the afterburner downstream of the reformer heat exchanger.
  • the Reformer heat exchanger is preferably arranged with a cold side in the fuel feed section upstream of the anode section. This therefore includes a cold side upstream of the anode section, which forms a reformer, and a warm side downstream of the cathode section, which forms a heat exchanger.
  • the heat exchanger side of the reformer heat exchanger is arranged in the cathode discharge line downstream of the warm side of the second heat exchanger. Consequently, the hot cathode exhaust gas first gives off heat via the second heat exchanger to the air supply line and then to the reformer in the fuel supply line.
  • the cooled cathode exhaust gas which has a temperature in the range between 500° C. and 620° C. downstream of the second heat exchanger, is now passed on and gives off heat to the reformer.
  • both the mass flow ratio and, in particular, the temperature level for heat transfer are suitable, since the desired reformer outlet temperatures are in particular in the temperature ranges between 350° C. and 520° C.
  • the reformer outlet temperature can be kept stable at different load points without further regulation. It has been found that, when various factors are weighed up, it is entirely possible and can also be advantageous to feed the cathode exhaust gas completely to the heat exchanger on the reformer or to the hot side of the reformer heat exchanger. Firstly, it is advantageous that no flow dividers or dividing devices are required downstream of the cathode section. It can therefore be advantageous if the cathode exhaust gas is routed from the cathode section directly and unbranched, ie completely, to the heat exchanger on the reformer. The cathode exhaust gas is thus conducted in particular via the reformer and there gives off heat to the endothermic steam reforming process in particular.
  • the cathode exhaust gas is then mixed in particular with the anode exhaust gas and converted in the afterburner. Downstream of the reformer heat exchanger, the temperature of the cathode exhaust gas is on the order of 460° C. to 560° C. and is therefore below the ignition temperature of anode exhaust gas.
  • the anode exhaust gas which is not recirculated, can thus be introduced into the cool cathode exhaust gas without self-ignition in order to be converted downstream in the afterburner designed as an oxidation catalytic converter.
  • a first partial device is arranged upstream of the reformer heat exchanger in the cathode discharge line.
  • the first sub-device is provided for dividing the cathode exhaust line to direct part of the cathode exhaust gas to the afterburner without this is led through the reformer heat exchanger.
  • the temperature in the afterburner can be regulated even better, since heat can be drawn from both the anode exhaust gas, as will be explained below, and the cathode exhaust gas via a suitable heat exchanger network, before these gases are fed into the afterburner.
  • the temperature in the mixing point is reduced by the heat release from the cathode exhaust gas as well as the anode exhaust gas before the mixing point upstream of or in the afterburner.
  • this also reduces the temperature in and after the afterburner, as a result of which increased thermal degradation of the same is prevented.
  • This embodiment also has the advantage that the temperature at the reformer heat exchanger can be actively controlled by reducing the mass flow through the reformer heat exchanger. This means that the design of the heat transfer in the reformer is no longer so critical.
  • a third heat exchanger and a fourth heat exchanger are arranged in the fuel feed section in order to regulate temperatures in the anode path efficiently and as intended.
  • the third heat exchanger is arranged in the fuel supply section, in particular, upstream of the fourth heat exchanger.
  • a cold side of the third heat exchanger is arranged upstream of the reformer heat exchanger and a cold side of the fourth heat exchanger is arranged downstream of the reformer heat exchanger.
  • the third heat exchanger is therefore arranged upstream of the fourth heat exchanger, the reformer heat exchanger being arranged between the third and fourth heat exchangers.
  • the cold sides of the two heat exchangers are arranged in the fuel feed section in order to bring the temperature of the fuel to a desired temperature.
  • the anode waste gas is conducted via the warm side of the fourth heat exchanger, for which purpose it is arranged in the anode discharge line.
  • the hot anode off-gas thus gives off heat to the already reformed fuel in the fuel feed line.
  • a warm side of the fourth heat exchanger is arranged in the anode discharge line downstream of the anode section, with a second sub-device for dividing the anode exhaust gas line into the recirculation section and the exhaust gas section being provided downstream of the warm side of the fourth heat exchanger.
  • the anode waste gas can therefore be cooled in the fourth heat exchanger, after which it is divided by the second dividing device into a section that goes to the afterburner and into the recirculation section.
  • a warm side of the third heat exchanger is arranged in the recirculation section downstream of the dividing device and a connection is provided downstream of the warm side of the third heat exchanger in order to conduct recirculated exhaust gas into the fuel supply line.
  • the third heat exchanger is arranged in the recirculation section, to which part of the hot exhaust gas which is not routed to the afterburner is supplied.
  • the portion of the anode waste gas to be recirculated is routed via the third heat exchanger and cooled again by it. Subsequently, the anode off-gas thus recirculated is supplied to the fuel supply section.
  • a warm side of the third heat exchanger is arranged in the recirculation section, with a cold side of the third heat exchanger being arranged in particular in the fuel supply section, so that the third heat exchanger, like the fourth heat exchanger, is designed in particular as a fuel/fuel heat exchanger.
  • the fan is designed in particular as a recirculation fan and is arranged, for example, downstream of the cold side of the third heat exchanger.
  • the fan can also be arranged in the fuel supply section, which is connected to the recirculation section.
  • the arrangement of the third heat exchanger has the advantage that the thermal load of the fan and also the compression labor can be reduced.
  • a fluidic connection to the recirculation section is preferably provided in the fuel supply section, via which fresh fuel is introduced into the recirculation section between the fuel supply section and the recirculation section.
  • a control unit can be installed in the fuel feed section in order to be able to regulate the fuel feed independently of the recirculation rate. If the supply pressure from the fresh fuel is high (e.g. over 300 mbar), the fresh fuel can only be fed to the recirculation section after the blower.
  • the fuel supply section now enriched with fresh fuel is preheated in the third heat exchanger and introduced into the reformer and reformed (with heat input from the cathode exhaust gas as described above). Thereafter, the fuel is brought to the required anode inlet temperature in the fourth heat exchanger (heat from the anode exhaust gas, as described above).
  • a starting burner is advantageously provided.
  • the fuel cell system is heated up by the starting burner.
  • the starting burner can advantageously be designed, for example, as a flame burner, as a catalytic burner or as a hybrid burner (combined catalytically with a flame). It can also be favorable if the starting burner is integrated into an oxidation catalytic converter or is designed in combination with this.
  • the heat released by the star burner can advantageously be introduced into the system at various points, for example in a cathode exhaust gas line directly downstream of the cathode section, in the air supply line or directly in the oxidation catalytic converter or downstream or upstream thereof.
  • the location of the starting burner depends on individual component specifications such as temperature limits, compatibility with combustion exhaust gases, and the like.
  • heat is generated in the starting burner, lines for supplying fuel and air to the starting burner being provided.
  • a cathode inlet temperature at the fuel cell stack can be regulated, for example, with the above-described division of the cathode exhaust gas, since this simultaneously influences a reformer outlet temperature.
  • the cathode inlet temperature can also be regulated via the start-up burner, in which case air and/or fuel can be supplied to the start-up burner.
  • a fuel cell system according to the invention is advantageously used as a stationary system or in a motor vehicle.
  • the fuel cell system according to the invention can also be used advantageously in other applications or in aircraft.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell system according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a further fuel cell system according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a further fuel cell system according to the invention.
  • the fuel cell system 1 shows a fuel cell system 1 according to the invention with a fuel cell stack 2 comprising an anode section 3 and a cathode section 4.
  • An air source 22 is provided, to which an air supply section 5 is connected in order to convey air in the direction of the cathode section 4.
  • a fuel source 23 is also provided, which is followed by a fuel feed section 6 in order to convey fuel in the direction of the anode section 3 .
  • the fuel cell system 1 also includes a recirculation section 11 via which exhaust gas from the anode section 3 is conveyed back in the direction of the anode section 3 by a blower 20 .
  • An exhaust section 9 with an afterburner 10 is provided.
  • the afterburner 10 is designed as an oxidation catalytic converter, with both a cathode discharge line 7 and an anode discharge line 8 leading at least indirectly into it. Anode waste gas is therefore burned with supply of cathode waste gas. The combusted exhaust gas is then discharged to the environment 24 via a first heat exchanger 12 .
  • the anode discharge line 8 and the cathode discharge line 7 are designed as two separate lines. In the fuel cell system 1 according to FIG. 1, these lines are routed separately up to the afterburner 10.
  • air is guided from the air source 22 in the direction of the cathode section 4, with the air being guided downstream of the air source 22 first through the cold side of the first heat exchanger 12 and then through the cold side of a second heat exchanger 13 and is thereby heated.
  • a second connection 28 is provided downstream of the second heat exchanger 13 and upstream of the cathode section 4, in which the heated air can optionally be mixed with fresh air, which is introduced via an additional air line 25, in order to regulate an inlet temperature of the cathode section in particular without delay .
  • a warm side of a second heat exchanger 13 is located in the cathode exhaust line 7 downstream of the cathode section 4 and a warm side of the first heat exchanger 12 is located in the exhaust section 9 downstream of the afterburner 10 .
  • the respective cold sides of the two heat exchangers 12, 13 are arranged in the air supply section 5, with the first heat exchanger 12 being arranged directly upstream of the second heat exchanger 13.
  • Both heat exchangers 12, 13 are designed as air/air heat exchangers.
  • a third heat exchanger 16 and, downstream thereof, a fourth heat exchanger 17 are provided in the fuel feed section 6, each of which is designed as a fuel/fuel heat exchanger.
  • a reformer heat exchanger 14 is arranged between the two heat exchangers 16, 17, in which the fuel for use in the anode section 3 is reformed.
  • the reformer part of the reformer heat exchanger 14, which forms the cold side, is in the fuel supply section 6 and the heat exchanger part of the reformer heat exchanger 14, which is formed as the warm side, is arranged in the cathode discharge line 7 downstream of the warm side of the second heat exchanger 13.
  • the reformer is thus brought to operating temperature by the cathode exhaust gas, which has already given off part of its heat via the second heat exchanger 13 to the air supply line 5 .
  • the reformer heat exchanger 14 which prepares the fuel for use in the anode section 3 , is arranged upstream of the anode section 3 and the cold side of the fourth heat exchanger 17 .
  • Cathode waste gas is fed to the reformer heat exchanger 14 via the cathode discharge line 7 in order to heat up the corresponding reformer section.
  • the entire cathode waste gas is supplied to the hot side of the reformer heat exchanger 14. bar, which is then fed to the afterburner 10 downstream of the reformer heat exchanger 14 .
  • the two heat exchangers 16, 17 in the fuel supply section 6 are each heated by anode off-gas.
  • the anode waste gas in the anode discharge line 8 is first passed through the fourth heat exchanger.
  • a second partial device 18 is provided downstream of the warm side of the fourth heat exchanger 17 in order to direct part of the exhaust gas into the recirculation section 11 in which the third heat exchanger is arranged and is thus heated by the exhaust gas.
  • the other part of the anode off-gas remains in the anode discharge section 8 and is led toward the afterburner, in which the anode off-gas is burned while supplying cathode off-gas.
  • the residual heat of the exhaust gas is conducted downstream of the afterburner 10 via the first heat exchanger 12 and finally released to the environment.
  • the recirculated exhaust gas is reintroduced into the fuel feed section 6 via a connection 19 .
  • a fan 20 is also provided in the fuel feed section 6 , which is designed as a recirculation fan and is arranged in the fuel feed section 6 between the connection 19 and the cold side of the third heat exchanger 16 according to FIG. 1 .
  • the fan 20 it is possible to reduce the thermal load on the fan 20 and also the compression work.
  • the fresh fuel can be sucked in via the blower 20 if the supply pressure is too low.
  • a control unit can be installed in the fuel supply section 6 (not shown) in order to be able to regulate the fuel supply independently of a recirculation rate.
  • the fluidic connection 19 between the recirculation section 11 and the fuel supply section 6 is provided upstream of the blower 20 , so that fresh fuel can be introduced into the recirculation section 11 .
  • the fresh fuel is now conveyed in the direction of the anode section 3 together with the recirculated exhaust gas. In this case, this fuel is now passed through the cold side of the second heat exchanger 16 in a first step, as a result of which it is heated again.
  • the fuel cell system 1 according to FIG. 1 also includes a starting burner 21 to which both fuel from the fuel source 23 and air from the air source 22 are supplied.
  • the starting burner 21 is arranged and designed to heat up the fuel cell system 1 .
  • the heat is supplied, for example, downstream of the cathode section 4 of the cathode discharge line 7 (solid line) or downstream of the second heat exchanger 13 of the air supply line 5 (dashed line).
  • FIG. 2 shows a further fuel cell system 1 according to the invention. Elements which have the same function and in particular the same arrangement as those according to FIG. 1 also have the same reference symbols and are not described further.
  • the fuel cell system 1 according to FIG. 2 the fan 20 is arranged downstream of the warm side of the third heat exchanger 16 and upstream of the connection 19. This design is advantageous if the supply pressure from the fresh fuel should be high (e.g. more than 300 mbar). The fresh fuel is then fed to the recirculation section 11 only after the blower 20 via the connection 19 .
  • a first partial device 15 is provided for dividing the cathode discharge line 7 in order to direct part of the cathode exhaust gas directly to the afterburner 10.
  • the entire cathode exhaust gas is therefore not routed to the afterburner 10 via the reformer heat exchanger 14 , but part of it is routed directly to the afterburner 10 .
  • a third connection 26 is provided in order to recombine the two partial flows of the cathode exhaust gas upstream of the afterburner 10 .
  • a separate air line 5a and a separate fuel line 6a are provided in the fuel cell system 1 according to FIG. 2, via which air and fuel can be brought to the afterburner 10.
  • the temperature and ignitability in the afterburner can be controlled even better.
  • the second connection 28 is again provided, in which the heated air can optionally be mixed with fresh air, which is introduced via the additional air line 25 .
  • a heater 27, in particular an electric heater 27, is also provided, as a result of which the additional air line 25 can also be used for a heating process.
  • the starting burner 21 is not shown in FIG.
  • FIG. 3 A further fuel cell system 1 according to the invention is shown in FIG. 3 .
  • elements which have the same function and in particular the same arrangement as those according to FIG. 1 or 2 also have the same reference symbols and are not described further.
  • the first heat exchanger 12 is formed integrally or as a common component with the afterburner 10 here.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1), insbesondere SOFC-System, umfassend zumindest einen Brennstoffzellenstapel (2) mit einem Anodenabschnitt (3) und einem Kathodenabschnitt (4), einen Luftzuführabschnitt (5), einen Brennstoffzuführabschnitt (6), eine Kathodenabführleitung (7), eine Anodenabführleitung (8), einen Abgasabschnitt (9) mit einem Nachbrenner (10) und einen Rezirkulationsabschnitt (11), wobei im Luftzuführabschnitt (5) zumindest zwei Wärmetauscher (12, 13) angeordnet sind, wobei eine warme Seite eines zweiten Wärmetauschers (13) in der Kathodenabführleitung (7) stromabwärts des Kathodenabschnit tes (4) angeordnet ist. Weiter betrifft die Erfindung eine Verwendung eines solchen Brennstoffzellensystem (1).

Description

Brennstoffzellensystem
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere SOFC-System, umfassend zumindest einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt, einen Luftzuführabschnitt, einen Brennstoffzuführabschnitt, eine Kathodenabführleitung, eine Anodenabführleitung, einen Abgasabschnitt mit einem Nachbrenner und einen Rezirkulationsabschnitt.
Weiter betrifft die Erfindung eine Verwendung eines solchen Brennstoffzellensystems.
SOFC-Systeme sind aus dem Stand der Technik bekannt. Um Wärme in einem solchen Brennstoffzellensystem richtig zu verteilen und auch zu halten, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, ein Wärmetauschernetzwerk einzusetzen. Darüber hinaus wird ungenützter oder nicht verbrauchter Brennstoff im System typischerweise in einem Oxidationskatalysator oder Nachbrenner umgesetzt, um auch diese Wärme im Brennstoffzellensystem selbst zu nützen. Aus dem Stand der Technik ist es hierfür bekannt, Oxidationsmittel aus einem Brennstoffzellenstapel mit dem ungenützten Brennstoff zu vermischen und als solches Gemisch dem Oxidationskatalysator zuzuführen. Dieses heiße Abgas wird dann über das Wärmetauschernetzwerk geleitet, wodurch Wärme im System verteilbar ist.
Dies führt allerdings bei Brennstoffzellenstapel, welche bei hohen Temperaturen arbeiten, zu Problemen. Bei derartigen Brennstoffzellenstapel kann eine Temperatur an dessen Auslass 650 °C oder mehr sein. Dabei ergeben sich dann in weiterer Folge sehr hohe Auslasstemperaturen am Oxidationskatalysator und noch viel höhere Temperaturspitzen im Oxidationskatalysator. Dies kann zu deutlich erhöhten thermischen Degradation des Oxidationskatalysators führen. Darüber hinaus kann sich der ungenutzte Brennstoff bereits bei der Mischung mit dem heißen Oxidationsmittel vom Brennstoffzellenstapel entzünden und hier Schäden an z. B. Rohrleitungen und auch am stromabwärts gelegenen Oxidationskatalysator hervorrufen. Des Weiteren wird typischerweise nur ein einzelner Wärmetauscher eingesetzt, um das Oxidationsmittel von Umgebungsbedingungen auf die gewünschte Einlasstemperatur zu heben. Dies verursacht hohe thermische Belastungen an diesem einen Wärmetauscher und hat auch oft zur Folge, dass sehr hohe Wirkungsgradanforderungen an diesen einen Wärmetauscher gestellt werden müssen. Hier setzt die Erfindung an. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, welches besonders effizient insbesondere auch bei sehr hohen Brennstoffzellenstapeltemperaturen betreibbar ist.
Weiter ist es ein Ziel, ein eine Verwendung eines solchen Brennstoffzellensystems anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einem Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art im Luftzuführabschnitt zumindest zwei Wärmetauscher angeordnet sind, wobei eine warme Seite eines zweiten Wärmetauschers in der Kathodenabführleitung stromabwärts des Kathodenabschnittes angeordnet ist.
Ein dadurch erzielter Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass durch die Anordnung der zumindest zwei Wärmetauscher im Luftzuführabschnitt Kathodenluft insbesondere bei unterschiedlichen Temperaturniveaus vorwärmbar ist, wodurch geforderte Wärmetauscherwirkungsgrade gering gehalten werden können.
Kathodenluft wird im Luftzuführabschnitt über die zwei Wärmetauscher vorgewärmt und auf Temperatur gebracht. Wenngleich es vorteilhaft sein kann, wenn die beiden Wärmetauscher als zwei getrennte Elemente ausgebildet sind, kann es auch günstig sein, beide Wärmetauscher in eine gemeinsame Komponente zu integrieren. Eine solche integrale Ausbildung der Wärmetauscher bringt den Vorteil, dass der benötigte Bauraum und die Wärmeverluste nach außen reduziert sind.
Die warme Seite des zweiten Wärmetauschers ist in der Kathodenabführleitung stromabwärts des Kathodenabschnittes angeordnet. Das Kathodenabgas gibt also einen guten Teil seiner Wärme ab bzw. diese Wärme wird auf den Luftzuführabschnitt übertragen. Dies Anordnung hat den Vorteil, dass dadurch die Kathodenaus- lasstemperatur in der Größenordnung von 50 °C bis 200 °C über der Kathodenein- lasstemperatur liegt, wodurch insbesondere der Brennstoffzellenstapel geschützt ist. Darüber hinaus stehen auch die Massenströme beim Kathodeneingang und beim Kathodenausgang in einem ähnlichen Verhältnis zueinander. Diese beiden Tatsachen bringen ideale Voraussetzungen für eine effiziente und stabile Wärmeübertragung, insbesondere auch einem Teillastbetrieb des Brennstoffzellensystems.
Das Brennstoffzellensystem ist insbesondere als Hochtemperatur- Brennstoffzellensystem und bevorzugt als SOFC-System ausgebildet. Der Rezirkulationsabschnitt dient der Rezirkulation von Anodenabgas als Rezirkula- tionsgas aus dem Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems. Hierfür ist der Rezirkulationsabschnitt insbesondere mit einer Rezirkula- tionsleitung ausgestattet, welche insbesondere fluidkommunizierend mit dem Anodenabschnitt, insbesondere mit der Brennstoffzuführleitung verbunden ist. Der Rezirkulationsabschnitt ist im Brennstoffzellensystem eingebunden.
Beim Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung ist ein Luftzuführabschnitt vorgesehen, über weichen Luft von einer Luftquelle in Richtung des Kathodenabschnittes förderbar ist. Unter Luft ist im Rahmen der Erfindung ein sauerstoffhaltiges Gas zu verstehen. Weiter weist das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzuführabschnitt, über weichen Brennstoff von einer Brennstoffquelle in Richtung des Anodenabschnittes förderbar ist. Als Brennstoff kann beispielsweise ein kohlenstoffhaltiges Gas wie Methan oder Ethan, Erdgas oder auch Wasserstoff eingesetzt werden. Grundsätzlich kann auch ein flüssiger Brennstoff verwendet werden. Selbstverständlich sind im Brennstoffzellensystem vorzugsweise weitere Bauteile vorgesehen, beispielsweise ein Reformer oder ein Reformerwärmetauscher, welcher Brennstoff für die Umsetzung im Anodenabschnitt reformiert, Katalysatoren, Verdampfer, Ventile oder weitere Wärmetauschervorrichtungen.
Der Nachbrenner ist insbesondere als Oxidationskatalysator zum Umsetzten verbleibender Brennstoffanteile im Abgas bzw. zur thermischen Weiterverarbeitung derselben ausgebildet. Stromabwärts des Nachbrenners ist im Abgasabschnitt eine Abgasleitung zur Abgabe des Abgases an die Umgebung vorgesehen.
Es kann auch günstig sein, den Nachbrenner in einen Wärmetauscher, z. B. in den ersten Wärmetauscher zu integrieren, wobei dieser dann bevorzugt als beschichteter Wärmetauscher ausgebildet ist. Dadurch sind dann der Nachbrenner und der erste Wärmetauscher integral ausgebildet. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn einerseits der Bauraum klein gehalten und andererseits der am Brennstoffzellenstapel anliegende Gegendruck gering gehalten werden soll. Durch eine Reduzierung der Anzahl an Komponenten im Brennstoffzellensystem wird sowohl der Bauraum als auch der Druckverlust reduziert.
Es ist eine Kathodenabführleitung und eine Anodenabführleitung vorgesehen. Es sind also zwei getrennte Teilabschnitte stromabwärts des Brennstoffzellenstapels vorgesehen, wobei in der Kathodenabführleitung Kathodenabgas und in der Ano- denabführleitung Anodenabgas führbar ist. Insbesondere sind beide Abführleitungen getrennt voneinander bis zum Nachbrenner geführt. Grundsätzlich kann die Anodenabgasleitung zumindest teilweise als Teil des Rezirkulationsabschnittes angesehen werden. Es kann auch von Vorteil sein, wenn die Kathodenabführleitung und die Anodenabführleitung bereits stromaufwärts des Nachbrenners zu einer gemeinsamen Leitung vereint werden.
Günstig ist es, wenn eine kalte Seite des zweiten Wärmetauschers im Luftzuführabschnitt stromabwärts einer kalten Seite eines ersten Wärmetauschers angeordnet ist. Der erste Wärmetauscher ist im Luftzuführabschnitt also stromaufwärts des zweiten Wärmetauscher vorgesehen. Die Kathodenluft wird also in zwei Stufen erwärmt: in einem ersten Schritt über den ersten Wärmetauscher und in einem zweiten Schritt über den zweiten Wärmetauscher. Stromabwärts des zweiten Wärmetauschers weist die Kathodenluft dann die vorbestimmte Eintrittstemperatur zum Eintritt in den Ka- thodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels auf.
Dabei ist es weiter vorteilhaft, wenn eine warme Seite des ersten Wärmetauschers im Abgasabschnitt stromabwärts des Nachbrenners angeordnet ist. Die Restwärme, welche im Abgas stromabwärts des Nachbrenners noch vorhanden ist, wird also dazu verwendet, die Kathodenluft im Luftzuführabschnitt durch den ersten Wärmetauscher aufzuwärmen. Die Auslasstemperatur des als Oxidationskatalysator ausgebildeten Nachbrenners liegt üblicherweise im Bereich zwischen 550 °C und 700 °C, ist jedoch abhängig von der Anodenabgasrezirkulationsrate und dem Temperaturniveau am Brennstoffzellenstapel und damit deutlich unter kritischen Temperaturniveaus von 800 °C bis 950 °C. Das nun wieder heißere Abgas wird über den ersten Luftwärmetauscher geführt und erwärmt die Kathodenluft auf insbesondere über 400 °C. Durch diese zweistufige Aufwärmung der Kathodenluft werden sowohl die thermische Bauteilbelastung als auch die Wirkungsgradanforderungen deutlich reduziert. Somit können billigere und langlebigere Komponenten eingesetzt werden.
Von Vorteil ist es, wenn im Brennstoffzuführabschnitt ein Reformerwärmetauscher angeordnet ist, wobei dem Reformerwärmetauscher zumindest ein Teil des Katho- denabgases zuführbar ist. Eine warme Seite des Reformerwärmetauschers ist also in der Kathodenabführleitung angeordnet. Das heißt, der Reformer wird durch das heiße Kathodenabgas auf Betriebstemperatur gebracht. Stromabwärts des Reformerwärmetauschers wird das Kathodenabgas dann dem Nachbrenner zugeführt. Der Reformerwärmetauscher ist bevorzugt mit einer kalten Seite im Brennstoffzuführabschnitt stromaufwärts des Anodenabschnittes angeordnet. Dieser umfasst also eine kalte Seite stromaufwärts des Anodenabschnitts, die einen Reformer bildet, und eine warme Seite stromabwärts des Kathodenabschnitts, die einen Wärmetauscher bildet. Die Wärmetauscherseite des Reformerwärmetauschers ist in der Kathodenabführlei- tung stromabwärts der warmen Seite des zweiten Wärmetauschers angeordnet. Das heiße Kathodenabgas gibt folglich zuerst Wärme über den zweiten Wärmetauscher an die Luftzuführleitung und danach an den Reformer in der Brennstoffzuführleitung ab. Das abgekühlte Kathodenabgas, welches stromabwärts des zweiten Wärmetauschers eine Temperatur im Bereich zwischen 500 °C und 620 °C aufweist, wird nun weitergeleitet und gibt Wärme an den Reformer ab. Auch hier passen sowohl das Massenstromverhältnis als auch insbesondere das Temperaturniveau für eine Wärmeübertragung, da die gewünschten Reformerauslasstemperaturen insbesondere in Temperaturbereichen zwischen 350 °C bis 520 °C liegen. Somit kann auch in verschiedenen Lastpunkten die Reformerauslasstemperatur ohne weitere Regelung stabil gehalten werden. Es hat sich herausgestellt, dass es unter Abwägung verschiedener Faktoren durchaus möglich ist und auch von Vorteil sein kann, das Kathodenabgas vollständig dem Wärmetauscher am Reformer bzw. der heißen Seite des Reformerwärmetauschers zuzuführen. Zunächst ist es von Vorteil, dass keine Strömungsteiler oder Teilvorrichtungen stromabwärts des Kathodenabschnitts nötig sind. Es kann also günstig sein, wenn das Kathodenabgas vom Kathodenabschnitt direkt und unverzweigt, also vollständig, zum Wärmetauscher am Reformer geleitet wird. Das Kathodenabgas wird also insbesondere über den Reformer geführt und gibt dort Wärme an den insbesondere endothermen Dampfreformierungsprozess ab. Anschließend wird das Kathodenabgas insbesondere mit dem Anodenabgas gemischt und im Nachbrenner umgesetzt. Stromabwärts des Reformerwärmetauschers liegt die Temperatur des Kathodenabgases in der Größenordnung von 460 °C bis 560 °C und damit unterhalb der Zündtemperatur von Anodenabgas. Damit kann ohne eine Selbstentzündung das Anodenabgas, welches nicht rezirkuliert wird, in das kühle Kathodenabgas eingeleitet werden, um stromabwärts im als Oxidationskatalysator ausgebildeten Nachbrenner umgesetzt zu werden.
Günstigerweise kann jedoch auch vorgesehen sein, dass stromaufwärts des Reformerwärmetauscher in der Kathodenabführleitung eine erste Teilvorrichtung angeordnet ist. Die erste Teilvorrichtung ist zur Aufteilung der Kathodenabführleitung vorgesehen, um einen Teil des Kathodenabgases zum Nachbrenner zu leiten, ohne dass dieses durch den Reformerwärmetauscher geführt wird. Das heißt, es wird nicht das gesamte Kathodenabgas über den Reformerwärmetauscher zum Nachbrenner geleitet, sondern ein Teil davon wird auch direkt zum Nachbrenner geleitet. Hierbei ist weiter vorteilhaft eine Verbindung stromaufwärts des Nachbrenners vorgesehen, bei welcher sich das vorher aufgeteilter Kathodenabgas wiedervereint und gemeinsam zum Nachbrenner geleitet wird. Dadurch ist die Temperatur im Nachbrenner noch besser regelbar, da sowohl dem Anodenabgas wie noch erläutert werden wird als auch dem Kathodenabgas über ein geeignetes Wärmetauschernetzwerk Wärme einziehbar ist, bevor diese Gase in den Nachbrenner geleitet werden. Durch die Wärmeabgabe vom Kathodenabgas als auch Anodenabgas vor dem Mischungspunkt stromaufwärts des oder im Nachbrenners wird die Temperatur im Mischungspunkt herabgesetzt. Darüber hinaus ist dadurch auch die Temperatur im und nach dem Nachbrenner reduziert, wodurch eine erhöhte thermische Degradation desselben verhindert ist. Diese Ausführung bringt weiter den Vorteil, dass die Temperatur am Reformwärmetauscher aktiv regelbar ist, indem der Massenstrom über den Reformerwärmetauscher reduziert wird. Damit ist die Auslegung der Wärmeübertragung im Reformer nicht mehr so kritisch.
Günstig ist es, wenn im Brennstoffzuführabschnitt ein dritter Wärmetauscher und ein vierter Wärmetauscher angeordnet sind, um auch Temperaturen im Anodenpfad effizient und bestimmungsgemäß zu regeln. Der dritte Wärmetauscher ist im Brennstoffzuführabschnitt insbesondere stromaufwärts des vierten Wärmetauschers angeordnet.
Dabei ist es zweckmäßig, wenn eine kalte Seite des dritten Wärmetauschers stromaufwärts des Reformerwärmetauschers und eine kalte Seite des vierten Wärmetauschers stromabwärts des Reformerwärmetauscher angeordnet ist. Der dritte Wärmetauscher ist also stromaufwärts des vierten Wärmetauschers angeordnet, wobei zwischen dem dritten und vierten Wärmetauscher der Reformerwärmetauscher angeordnet ist. Im Brennstoffzuführabschnitt sind jeweils die kalten Seiten der beiden Wärmetauscher angeordnet, um eine Temperatur des Brennstoffes auf eine gewünschte Temperatur zu bringen. Über die warme Seite des vierten Wärmetauschers wird das Anodenabgas geführt, wofür diese in der Anodenabführleitung angeordnet ist. Das heiße Anodenabgas gibt also Wärme auf den bereits reformierten Brennstoff in der Brennstoffzuführleitung ab. Vorteilhaft ist es, wenn eine warme Seite des vierten Wärmetauschers in der Anodenabführleitung stromabwärts des Anodenabschnittes angeordnet ist, wobei stromabwärts der warmen Seite des vierten Wärmetauschers eine zweite Teilvorrichtung zur Aufteilung der Anodenabgasleitung in den Rezirkulationsabschnitt und den Abgasabschnitt vorgesehen ist. Das Anodenabgas ist also im vierten Wärmetauscher abkühlbar, wonach dieses durch die zweite Teilvorrichtung in einen Abschnitt der zum Nachbrenner geht und in den Rezirkulationsabschnitt aufgeteilt wird. Durch die Aufteilung des Anodenabgases wird nicht das ganze, insbesondere sehr heiße Abgas, sondern nur ein Teil desselben direkt zum Nachbrenner geleitet wird, wodurch eine Temperatur im Nachbrenner gesenkt werden kann. Dadurch ist die Temperatur auch stromaufwärts des Nachbrenners unter eine Zündtemperatur senkbar, wodurch unerwünschte Zündungen in Leitungen vermieden werden.
Vorteilhaft ist es, wenn eine warme Seite des dritten Wärmetauschers im Rezirkulationsabschnitt stromabwärts der Teilvorrichtung angeordnet ist und stromabwärts der warmen Seite des dritten Wärmetauschers eine Verbindung vorgesehen ist, um rezirkuliertes Abgas in die Brennstoffzuführleitung zu leiten. Der dritte Wärmetauscher ist im Rezirkulationsabschnitt angeordnet, wobei diesem jener Teil des heißen Abgases zugeführt wird, welcher nicht zum Nachbrenner geleitet wird. Um die thermische Belastung an beispielsweise einem Rezirkulationsgebläse gering zu halten, wird der zu rezirkulierende Anteil des Anodenabgases über den dritten Wärmetauscher geführt und durch diesen noch einmal abgekühlt. Anschließend wird das somit rezirkulierte Anodenabgas dem Brennstoffzuführabschnitt zugeführt. Es ist folglich eine warme Seite des dritten Wärmetauschers im Rezirkulationsabschnitt angeordnet, wobei eine kalte Seite des dritten Wärmetauschers insbesondere im Brennstoffzuführabschnitt angeordnet ist, sodass der dritte Wärmetauscher ebenso wie der vierte Wärmetauscher insbesondere als Brennstoff/Brennstoff-Wärmetauscher ausgebildet ist.
Vorteilhaft ist es weiter, wenn ein Gebläse vorgesehen ist, um eine Förderung und/oder Rezirkulieren des Anodengases sicherzustellen. Das Gebläse ist insbesondere als Rezirkulationsgebläse ausgebildet und beispielsweise stromabwärts der kalten Seite des dritten Wärmetauschers angeordnet. Alternativ kann das Gebläse auch im Brennstoffzuführabschnitt, welcher mit dem Rezirkulationsabschnitt verbunden ist, angeordnet sein. Die Anordnung des dritten Wärmetauschers bringt den Vorteil mit sich, dass im Gebläse die thermische Belastung desselben und auch die Kompressi- onsarbeit reduziert werden können. Es ist bevorzugt im Brennstoffzuführabschnitt eine fluidische Verbindung zum Rezirkulationsabschnitt vorgesehen, über welche frischer Brennstoff zwischen dem Brennstoffzuführabschnitt und dem Rezirkulationsabschnitt in den Rezirkulationsabschnitt eingebracht wird. Dabei kann es günstig sein, wenn der frische Brennstoff im Brennstoffzuführabschnitt über das Gebläse an- gesaugbar ist, wenn der Versorgungsdruck zu gering ist. Dafür kann z. B. eine Regeleinheit im Brennstoffzuführabschnitt eingebaut sein, um hier unabhängig der Re- zirkulationsrate auch die Brennstoffzufuhr regeln zu können. Sollte der Versorgungsdruck vom frischen Brennstoff hoch sein (z. B. über 300 mbar), kann der fische Brennstoff erst nach dem Gebläse dem Rezirkulationsabschnitt zugeführt werden. Der nun mit frischem Brennstoff angereicherte Brennstoffzuführabschnitt wird im dritten Wärmetauscher vorgewärmt und in den Reformer eingebracht und reformiert (mit Wärmeeintrag aus dem Kathodenabgas wie oben beschrieben). Danach wird der Brennstoff im vierten Wärmetauscher (Wärme aus dem Anodenabgas, wie oben beschrieben) auf die geforderte Anodeneinlasstemperatur gebracht.
Günstigerweise ist ein Startbrenner vorgesehen. Durch den Startbrenner erfolgt ein Aufheizen des Brennstoffzellensystems. Der Startbrenner kann vorteilhaft beispielsweise als Flammenbrenner, als katalytischer Brenner oder als Hybridbrenner (katalytisch mit Flamme kombiniert) ausgeführt sein. Günstig kann es auch sein, wenn der Startbrenner in einen Oxidationskatalysator integriert oder kombiniert mit diesem ausgebildet ist. Die durch den Starbrenner freigesetzte Wärme kann mit Vorteil an verschiedenen Stellen in das System eingebracht werden, beispielsweise in eine Ka- thodenabgasleitung direkt stromabwärts des Kathodenabschnittes, in die Luftzuführleitung oder direkt in den Oxidationskatalysator oder stromabwärts oder stromaufwärts davon. Die Anordnung des Startbrenner ist abhängig von einzelnen Komponentenspezifikationen wie Temperaturlimits, Verträglichkeit von Verbrennungsabgas, und Ähnlichem. Im Aufheizprozess des Brennstoffzellensystems wird Wärme im Startbrenner generiert, wobei Leitungen zum Zuführen von Brennstoff und Luft zum Startbrenner vorgesehen sind.
Eine Kathodeneinlasstemperatur am Brennstoffzellenstapel ist beispielsweise mit der oben beschriebenen Aufteilung des Kathodenabgases regelbar, da dadurch gleichzeitige eine Reformeraustrittstemperatur beeinflusst ist. Allerdings kann die Kathodeneinlasstemperatur auch über den Startbrenner geregelt werden, wobei dem Startbrenner Luft und/oder Brennstoff zugeführt werden kann. Eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems erfolgt mit Vorteil als stationäre Anlage oder in einem Kraftfahrzeug. Vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem auch in mannen Anwendungen oder Flugzeugen verwendet werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben ist. Es zeigt schematisch:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1 mit einem Brennstoffzellenstapel 2 umfassend einen Anodenabschnitt 3 und einen Kathodenabschnitt 4. Es ist eine Luftquelle 22 vorgesehen, an welche ein Luftzuführabschnitt 5 anschließt, um Luft in Richtung des Kathodenabschnittes 4 zu fördern. Ebenso ist eine Brennstoffquelle 23 vorgesehen, an welche sich ein Brennstoffzuführabschnitt 6 anschließt, um Brennstoff in Richtung des Anodenabschnittes 3 zu fördern. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst weiter einen Rezirkulationsabschnitt 11 , über welches Abgas aus dem Anodenabschnitt 3 durch ein Gebläse 20 wieder in Richtung des Anodenabschnittes 3 gefördert wird. Es ist ein Abgasabschnitt 9 mit einem Nachbrenner 10 vorgesehen. Der Nachbrenner 10 ist als Oxidationskatalysator ausgebildet, wobei in diesen zumindest mittelbar sowohl eine Kathodenabführleitung 7 als auch eine Anodenabführleitung 8 führen. Es wird also Anodenabgas unter Zufuhr von Kathodenab- gas verbrannt. Das verbrannte Abgas wird dann über einen ersten Wärmetauscher 12 an die Umgebung 24 abgeführt.
Die Anodenabführleitung 8 und die Kathodenabführleitung 7 sind als zwei getrennte Leitungen ausgebildet. Beim Brennstoffzellensystem 1 gemäß Fig. 1 werden diese Leitungen bis zum Nachbrenner 10 getrennt geführt. Im Luftzuführabschnitt 5 wird Luft von der Luftquelle 22 in Richtung des Kathodenab- schnittes 4 geführt, wobei diese stromabwärts der Luftquelle 22 zuerst durch die kalte Seite des ersten Wärmetauschers 12 und dann durch die kalte Seite eines zweiten Wärmetauschers 13 geführt und dadurch erwärmt wird. Stromabwärts des zweiten Wärmetauschers 13 und stromaufwärts des Kathodenabschnittes 4 ist eine zweite Verbindung 28 vorgesehen, bei welcher die erwärmte Luft mit frischer Luft, welche über eine zusätzliche Luftleitung 25 eingebracht wird, gegebenenfalls vermischbar ist, um eine Einlasstemperatur des Kathodenabschnittes insbesondere auch ohne Verzögerung zu regeln.
Eine warme Seite eines zweiten Wärmetauschers 13 ist in der Kathodenabführlei- tung 7 stromabwärts des Kathodenabschnittes 4 und eine warme Seite des ersten Wärmetauschers 12 ist im Abgasabschnitt 9 stromabwärts des Nachbrenners 10 angeordnet ist. Die jeweils kalten Seiten der beiden Wärmetauscher 12, 13 sind im Luftzuführabschnitt 5 angeordnet, wobei der erste Wärmetauscher 12 unmittelbar stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers 13 angeordnet ist. Beide Wärmtauscher 12, 13 sind als Luft/Luft- Wärmetauscher ausgebildet.
Im Brennstoffzuführabschnitt 6 sind ein dritter Wärmetauscher 16 und stromabwärts davon ein vierter Wärmetauscher 17 vorgesehen, welche jeweils als Brenn- stoff/Brennstoff-Wärmetauscher ausgebildet sind. Zwischen den beiden Wärmetauschers 16, 17 ist ein Reformerwärmetauscher 14 angeordnet, in welchem der Brennstoff zur Verwendung im Anodenabschnitt 3 reformiert wird. Der Reformerteil des Reformerwärmetauschers 14, welcher die kalte Seite ausbildet, ist im Brennstoffzuführabschnitt 6 und der Wärmetauscherteil des Reformerwärmetauscher 14, welcher als warme Seite ausgebildet ist, ist in der Kathodenabführleitung 7 stromabwärts der warmen Seites des zweiten Wärmetauschers 13 angeordnet. Der Reformer wird also durch das Kathodenabgas, welches bereits einen Teil seiner Wärme über den zweiten Wärmetauscher 13 auf die Luftzuführleitung 5 abgegeben hat, auf Betriebstemperatur gebracht. Stromaufwärts des Anodenabschnittes 3 und der kalten Seite des vierten Wärmetauschers 17 ist der Reformerwärmetauscher 14 angeordnet, welcher den Brennstoff zur Verwendung im Anodenabschnitt 3 aufbereitet. Dem Reformerwärmetauscher 14 wird zum Aufwärmen des entsprechenden Reformerabschnittes Kathodenabgas über die Kathodenabführleitung 7 zugeführt. Gemäß Fig. 1 ist der warmen Seite des Reformerwärmetauscher 14 das gesamte Kathodenabgas zuführ- bar, welches anschließend stromabwärts des Reformerwärmetauschers 14 dem Nachbrenner 10 zugeführt wird.
Die beiden Wärmetauscher 16, 17 im Brennstoffzuführabschnitt 6 werden jeweils durch Anodenabgas erwärmt. Dabei wird das Anodenabgas in der Anodenabführleitung 8 zuerst über den vierten Wärmetauscher geleitet. Stromabwärts der warmen Seite des vierten Wärmetauschers 17 ist eine zweite Teilvorrichtung 18 vorgesehen, um einen Teil des Abgas in den Rezirkulationsabschnitt 11 zu leiten, in welchem der dritte Wärmetauscher angeordnet ist und somit durch das Abgas erwärmt wird. Der andere Teil des Anodenabgases verbleibt im Anodenabführabschnitt 8 und wird in Richtung des Nachbrenners geleitet, in welchem das Anodenabgas unter Zuführung von Kathodenabgas verbrannt wird. Die Restwärme des Abgases wird stromabwärts des Nachbrenners 10 über den ersten Wärmetauscher 12 geführt und schließlich an die Umgebung abgegeben.
Stromabwärts der warmen Seite des dritten Wärmetauschers 16 wird das rezirkulierte Abgas über eine Verbindung 19 wieder in den Brennstoffzuführabschnitt 6 eingebracht.
Im Brennstoffzuführabschnitt 6 ist weiter ein Gebläse 20 vorgesehen, welches als Rezirkulationsgebläse ausgebildet ist und gemäß Fig. 1 im Brennstoffzuführabschnitt 6 zwischen der Verbindung 19 und der kalten Seiten des dritten Wärmetauschers 16 angeordnet ist. Bei dieser Anordnung des Gebläses 20, ist es möglich, die thermische Belastung des Gebläses 20 und auch die Kompressionsarbeit zu reduzieren. Darüber hinaus kann bei entsprechender Auslegung der frische Brennstoff über das Gebläse 20 angesaugt werden, wenn der Versorgungsdruck zu gering ist. Dafür kann weiter z. B. eine Regeleinheit in den Brennstoffzuführabschnitt 6 eingebaut werden (nicht dargestellt), um unabhängig einer Rezirkulationsrate auch die Brennstoffzufuhr regeln zu können.
Stromaufwärts des Gebläses 20 ist die fluidische Verbindung 19 zwischen dem Rezirkulationsabschnitt 11 und dem Brennstoffzuführabschnitt 6 vorgesehen, sodass frischer Brennstoff in den Rezirkulationsabschnitt 11 einbringbar ist. Der frische Brennstoff wird nun zusammen mit dem rezirkulierten Abgas in Richtung des Anodenabschnittes 3 gefördert. Dabei wird dieser Brennstoff nun in einem ersten Schritt durch die kalte Seite des zweiten Wärmetauschers 16 geführt, wodurch dieser wieder erwärmt wird. Das Brennstoffzellensystem 1 gemäß Fig. 1 umfasst weiter einen Startbrenner 21 , welchem sowohl Brennstoff aus der Brennstoffquelle 23 als auch Luft aus der Luftquelle 22 zugeführt werden. Der Startbrenner 21 ist zum Aufheizen des Brennstoffzellensystems 1 angeordnet und ausgebildet. Hierfür wird die Wärme beispielsweise stromabwärts des Kathodenabschnittes 4 der Kathodenabführleitung 7 (durchgezogenen Linie) oder stromabwärts des zweiten Wärmetauschers 13 der Luftzuführleitung 5 (strichlierte Linie) zugeführt.
Fig. 2 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1. Elemente, welche die gleiche Funktion und insbesondere gleiche Anordnung wie jene gemäß Fig. 1 haben, haben auch die gleichen Bezugszeichen und werden nicht weiter beschrieben. Im Unterschied zur Fig. 1 ist beim Brennstoffzellensystem 1 gemäß Fig . 2 das Gebläse 20 stromabwärts der warmen Seite des dritten Wärmetauschers 16 und stromaufwärts der Verbindung 19 angeordnet. Diese Ausführung ist vorteilhaft, wenn ein Versorgungsdruck vom frischen Brennstoff hoch sein sollte (z. B. mehr als 300 mbar). Der fische Brennstoff wird dann erst nach dem Gebläse 20 über die Verbindung 19 dem Rezirkulationsabschnitt 11 zugeführt.
In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist eine erste Teilvorrichtung 15 zur Aufteilung der Kathodenabführleitung 7 vorgesehen ist, um einen Teil des Kathodenabgases direkt zum Nachbrenner 10 zu leiten. Es wird also nicht das gesamte Kathodenabgas über den Reformerwärmetauscher 14 zum Nachbrenner 10 geführt, sondern ein Teil davon wird direkt zum Nachbrenner 10 geführt. Bei dieser Ausführung ist eine dritte Verbindung 26 vorgesehen, um die beiden Teilströme des Kathodenabgases stromaufwärts des Nachbrenners 10 wieder zusammenzuführen.
Darüber hinaus sind beim Brennstoffzellensystem 1 gemäß Fig. 2 eine separate Luftleitung 5a und eine separate Brennstoffleitung 6a vorgesehen, über welche Luft und Brennstoff zum Nachbrenner 10 bringbar sind. Dadurch ist eine Temperatur und Zündfähigkeit im Nachbrenner noch besser regelbar.
Es ist wieder die zweite Verbindung 28 vorgesehen, bei welcher die erwärmte Luft mit frischer Luft, welche über die zusätzliche Luftleitung 25 eingebracht wird, gegebenenfalls vermischbar ist. Bei dieser Ausführung des Brennstoffzellensystems 1 ist weiter auch ein Heizer 27, insbesondere ein elektrischer Heizer 27, vorgehen, wodurch die zusätzlichen Luftleitung 25 auch für einen Aufheizvorgang benutzbar ist. Zur Vereinfachung ist in Fig. 2 der Startbrenner 21 nicht dargestellt.
In Fig. 3 ist ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1 gezeigt. Auch hier haben Elemente, welche die gleiche Funktion und insbesondere gleiche Anordnung wie jene gemäß Fig. 1 oder 2 haben, haben auch die gleichen Bezugszeichen und werden nicht weiter beschrieben. Im Unterschied zu den Brennstoffzellensystemen 1 gemäß Fig. 1 und 2 ist hier der erste Wärmetauscher 12 integral bzw. als gemeinsame Komponente mit dem Nachbrenner 10 ausgebildet.

Claims

Patentansprüche Brennstoffzellensystem (1 ), insbesondere SOFC-System, umfassend zumindest einen Brennstoffzellenstapel (2) mit einem Anodenabschnitt (3) und einem Kathodenabschnitt (4), einen Luftzuführabschnitt (5), einen Brennstoffzuführabschnitt (6), eine Kathodenabführleitung (7), eine Anodenabführleitung (8), einen Abgasabschnitt (9) mit einem Nachbrenner (10) und einen Re- zirkulationsabschnitt (11 ), dadurch gekennzeichnet, dass im Luftzuführabschnitt (5) zumindest zwei Wärmetauscher (12, 13) angeordnet sind, wobei eine warme Seite eines zweiten Wärmetauschers (13) in der Kathodenabführleitung (7) stromabwärts des Kathodenabschnittes (4) angeordnet ist. Brennstoffzellensystem (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine kalte Seite des zweiten Wärmetauschers (13) im Luftzuführabschnitt (5) stromabwärts einer kalten Seite eines ersten Wärmetauschers (12) angeordnet ist. Brennstoffzellensystem (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine warme Seite des ersten Wärmetauschers (12) im Abgasabschnitt (9) stromabwärts des Nachbrenners (10) angeordnet ist. Brennstoffzellensystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Brennstoffzuführabschnitt (6) ein Reformerwärmetauscher (14) angeordnet ist, wobei dem Reformerwärmetauscher (14) zumindest ein Teil des Kathodenabgases zuführbar ist. Brennstoffzellensystem (1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts des Reformerwärmetauscher (14) in der Kathodenabführleitung (7) eine erste Teilvorrichtung (15) angeordnet ist. Brennstoffzellensystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Brennstoffzuführabschnitt (6) ein dritter Wärmetauscher (16) und ein vierter Wärmetauscher (17) angeordnet sind. Brennstoffzellensystem (1 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine kalte Seite des dritten Wärmetauschers (16) stromaufwärts des Reformwärmetauschers (14) und eine kalte Seite des vierten Wärmetauschers (17) stromabwärts des Reformwärmetauscher (14) angeordnet sind. Brennstoffzellensystem (1 ) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine warme Seite des vierten Wärmetauschers (17) in der Anodenabführleitung (8) stromabwärts des Anodenabschnittes (3) angeordnet ist, wobei stromabwärts der warmen Seite des vierten Wärmetauschers (17) eine zweite Teilvorrichtung (18) zur Aufteilung der Anodenabgasleitung (8) in den Rezirkulationsabschnitt (11 ) und den Abgasabschnitt (9) vorgesehen ist. Brennstoffzellensystem (1 ) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine warme Seite des dritten Wärmetauschers (16) im Rezirkulationsabschnitt (11 ) stromabwärts der zweiten Teilvorrichtung (18) angeordnet ist und stromabwärts der warmen Seite des dritten Wärmetauschers (16) eine Verbindung (19) vorgesehen ist, um rezirkuliertes Abgas in die Brennstoffzuführleitung (6) zu leiten. Brennstoffzellensystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass ein Gebläse (20), insbesondere im Brennstoffzuführabschnitt (6), vorgesehen ist. Brennstoffzellensystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Startbrenner (21 ) vorgesehen ist. Verwendung eines Brennstoffzellensystems (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 als stationäre Anlage oder in einem Kraftfahrzeug.
PCT/AT2023/060018 2022-01-27 2023-01-26 Brennstoffzellensystem WO2023141669A1 (de)

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