AT521838A1 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben desselben - Google Patents
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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 Nachbrenner (5) zum wenigstens teilweisen Verbrennen von Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt (3), und einen Abgaskatalysator (6) stromabwärts des Nachbrenners (5) zur katalytischen Behandlung von Nachbrennerabgas, wobei der Nachbrenner (5) eine Gasbrennkammer (7) für eine Verbrennung von Anodenabgas unter Flammenbildung aufweist und der Abgaskatalysator (6) stromabwärts beabstandet vom Nachbrenner (5) angeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems (1a; 1b; 1c; 1d). Darüber hinaus betrifft die Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems (1a; 1b; 1c; 1d) zur Bereitstellung von elektrischer Energie in einem stationären Kraftwerk.
Description
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Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben desselben
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein SOFGC-System, aufweisend wenigstens einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt, einen Nachbrenner zum wenigstens teilweisen Verbrennen von Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt und/oder Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt, und einen Abgaskatalysator stromabwärts des Nachbrenners zur katalytischen Behandlung von Nachbrennerabgas. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines gattungsgemäßen Brennstoffzellensystems sowie die Verwendung für ein gattungsgemäßes Brennstoffzellensystem.
Bei SOFC-Systemen werden in der Regel katalytische Nachbrenner bzw. Anodenabgasbrenner verwendet, um Anodenabgas aus einem Anodenabschnitt eines Brennstoffzellenstapels zu verbrennen. Das Anodenabgas enthält direkt stromabwärts des Brennstoffzellenstapels in der Regel noch die Brenngase Wasserstoff und Kohlenmonoxid mit typischen volumetrischen Anteilen von 8-10% Wasserstoff und 4-5% Kohlenmonoxid. Verbrannt wird das Anodenabgas bei herkömmlichen Systemen katalytisch mit der Kathodenabluft. Mischt man beide Gasströme, kommt es zu sehr hohen Luftzahlen bzw. einem entsprechenden Verbrennungsluftverhältnis. D.h., für die Verbrennung steht im Nachbrenner in der Regel deutlich mehr Sauerstoff als notwendig zur Verfügung. Gleichzeitig wird dadurch die Verbrennungstemperatur gesenkt, wodurch die Betriebstemperatur in einem solchen Nachbrenner gesenkt werden kann. Katalytische Nachbrenner haben durch die Beschichtung bestimmte Temperaturgrenzen, die nicht überschritten werden dürfen, da die Beschichtung sonst dauerhaft beschädigt werden kann. Wird dieser katalytische Nachbrenner auch als Startbrenner für den Aufheizvorgang verwendet, muss zusätzlich ein weiteres Gas, wie beispielsweise Erdgas, verbrannt werden können. In einem solchen Fall muss ein relativ hoher Aufwand für die katalytische Beschichtung des Nachbrenners betrieben werden. Hinzu kommen spezielle Abweichungen vom Regelbetrieb. Zum Beispiel kann es bei Lastabwürfen des SOFC-Systems passieren, dass das Brenngas im Brennstoffzellenstapel nicht mehr elektrochemisch umgesetzt werden kann und damit vollständig im Nachbrenner ankommt. Bei den vorliegenden Temperaturen kann es nun aber zu einer vollständigen Verbrennung und zu einer deutlich höheren Wärmebelastung für den
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Katalysator als im Normalbetrieb kommen. Dies kann dazu führen, dass der katalytische Nachbrenner dauerhaft beschädigt wird und die gewünschte Lebensdauer nicht mehr erreicht werden kann, wodurch vor Erreichen der maximalen Lebensdauer des Nachbrenners zu vermeidende Abgasemissionen entstehen können.
Alternativ zu katalytischen Nachbrennern werden bei SOFC-Systemen vereinzelt auch Nachbrenner zur Verbrennung von Anodenabgas unter Flammenbildung verwendet. Ein solches System kann der internationalen Patentanmeldung
WO 2016/087389 A1 entnommen werden. Dort wird ein SOFC-System mit einem Nachbrenner beschrieben, wobei der Nachbrenner für die Oxidation von Anodenabgas durch Flammenverbrennung konfiguriert ist. Zum Verbrennen des Anodenabgases wird ausschließlich Frischluft eingesetzt. Die Verbrennungstemperatur wird auf bis zu 1480°C eingestellt, um sicherzustellen, dass möglichst alle Kohlenmonoxidbestandteile im Nachbrenner verbrannt werden. Dies hat allerdings zur Folge, dass bei der Verbrennung zu vermeidende Stickoxide gebildet werden können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, der voranstehend beschriebenen Problematik zumindest teilweise Rechnung zu tragen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem mit einer verbesserten Abgasnachbehandlung zu schaffen. Zudem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems zur
Verfügung zu stellen.
Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch das Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1, das Verfahren gemäß Anspruch 12 sowie die Verwendung eines Brennstoffzellensystems gemäß Anspruch 15 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Brennstoffzellensystems und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein stationäres SOFC-System, bereitgestellt. Das Brennstoffzellensystem weist wenigstens einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt, einen Nachbrenner zum wenigstens teilweisen Verbrennen von Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt, und einen Abgaskatalysator stromabwärts des Nachbrenners zur katalytischen Behandlung von Nachbrennerabgas, auf. Der Nachbrenner weist eine Gasbrennkammer für eine Verbrennung von Anodenabgas unter Flammenbildung auf und der Abgaskatalysator ist stromabwärts beabstandet vom Nachbrenner angeordnet.
Erfindungsgemäß ist der Nachbrenner katalysatorfrei ausgestaltet. Der Nachbrenner ist demnach in Form eines Gasbrenners ausgeführt. Um die Verbrennung zu realisieren und ein gewünschtes Verbrennungsluftverhältnis zu erreichen, bei welchem eine Flammenverbrennung möglich ist, kann als Verbrennungsluft nur ein definierbarer Teil des Kathodenabgases mit dem Anodenabgas gemischt werden. Über die Menge des Kathodenabgases kann auf einfache Weise die Flammentemperatur gesteuert werden. Wird der Nachbrenner nicht katalytisch ausgeführt, so lassen sich andere Materialien für den Nachbrenner bzw. die Gasbrennkammer auswählen, die temperaturstabiler sind. Vor allem kurze, starke Temperaturanstiege bedeuten somit keine Probleme mehr. Ein möglicherweise überschüssiger Anteil des Kathodenabgases kann stromabwärts des Nachbrenners
zum Nachbrennerabgas hinzugemischt werden.
Bei Versuchen im Rahmen der Erfindung hat sich herausgestellt, dass es durch die hohe Prozesstemperatur von beispielsweise über 800°C mit einem Gasbrenner möglich ist, den vorhandenen Wasserstoff wunschgemäß zu oxidieren. Damit wird auch die Verbrennung von Kohlenmonoxid begünstigt. Mit dem richtigen Verbrennungsluftverhältnis, das beispielsweise auf einen Wert zwischen 1 und 1,4, insbesondere auf ca. 1,2, eingestellt wird, ist es dabei möglich, die Anodenabgase zu oxidieren.
Für den Fall, dass in bestimmten Betriebspunkten die vollständige Verbrennung von Kohlenmonoxid nicht möglich ist, ist im erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der Abgaskatalysator, der insbesondere für Kohlenmonoxid ausgelegt ist, weiter stromabwärts des Nachbrenners angeordnet. Der Abgaskatalysator kann im Vergleich zu konventionellen SOFC-Systemen mit katalytischem Nachbrenner
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deutlich kleiner ausgelegt werden, da nur noch geringe Mengen an Kohlenmonoxid
anfallen.
Zudem ist es von Vorteil, dass die Zündung bei einer Verbrennung unter Flammenbildung deutlich einfacher als eine katalytische Verbrennung erkannt werden kann. Während bei katalytischen Nachbrennern die Verbrennung ohne Flamme stattfindet, lassen sich für einen Gasbrenner verschiedenste Möglichkeiten
der Zündungserkennung implementieren.
Durch den Abgaskatalysator, der dem Nachbrenner nachgeschaltet ist, können bessere Emissionswerte erzielt werden. Der Abgaskatalysator wird durch den Nachbrenner entlastet. Dadurch wird auch die Ausfallwahrscheinlichkeit des Abgaskatalysators verringert und die Erreichung von gewünschten Emissionszielen kann über die Lebenszeit des Brennstoffzellensystems verbessert werden.
Bei herkömmlichen Brennstoffzellensystemen ist es bekannt, einen Abgaskatalysator stromabwärts direkt am Nachbrenner zu positionieren. Vorliegend ist der Abgaskatalysator stromabwärts beabstandet, also insbesondere separat vom Nachbrenner angeordnet. Genauer gesagt, weist der Nachbrenner ein erstes Gehäuse auf und der Abgaskatalysator weist ein zweites Gehäuse auf bzw. ist in einem zweiten Gehäuse ausgestaltet, wobei das zweite Gehäuse stromabwärts vom ersten Gehäuse beabstandet, insbesondere in Form eines separaten Gehäuses getrennt vom Nachbrenner bzw. vom ersten Gehäuse, angeordnet ist. Dadurch kann der Abgaskatalysator für besonders niedrigere Temperaturen ausgelegt werden. Nachteilig bei einem direkt dem Nachbrenner nachgeschalteten Abgaskatalysator ist es, dass dieser bei unstetigem Betrieb kurzzeitig zu heiß und dadurch beschädigt werden kann.
Der Nachbrenner ist vorzugsweise als selbstzündender Nachbrenner ausgestaltet. D.h., auf eine separate Zündvorrichtung kann verzichtet werden. Das Brennstoffzellensystem ist bevorzugt als SOFC-System, insbesondere als stationäres SOFC-System, ausgestaltet. Das Brennstoffzellensystem kann einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel aufweisen. Unter dem Anodenabgas kann in dem wenigstens einen Brennstoffzellenstapel verarbeitetes Anodenzuführgas, insbesondere verarbeiteter Wasserstoff, verstanden werden, das bzw. der aus dem Anodenabschnitt ausgegeben wird. Unter dem Kathodenabgas kann in dem
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wenigstens einen Brennstoffzellenstapel verarbeitetes Kathodenzuführgas, insbesondere ein sauerstoffhaltiges Fluid, bevorzugt Luft, verstanden werden, das bzw. die aus dem Kathodenabschnitt ausgegeben wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einem Brennstoffzellensystem stromabwärts des Nachbrenners eine heiße Seite eines Kathodengaswärmetauschers des Brennstoffzellensystems ausgestaltet ist und der Abgaskatalysator stromabwärts der heißen Seite des Kathodengaswärmetauschers angeordnet ist. In einem Bereich stromabwärts des Kathodenwärmetauschers können die Betriebstemperaturen im Abgaskatalysator zwischen 250°C und 400°C liegen. Die katalytische Beschichtung des Abgaskatalysators ist dadurch nicht mehr durch thermische Belastung gefährdet. Außerdem können Abgasemissionsziele zuverlässig über die gesamte Lebensdauer des Brennstoffzellensystems erreicht werden. Die im Abgaskatalysator entstehende Wärme kann ferner für eine Wärmerückgewinnung verwendet werden. Dadurch kann das Brennstoffzellensystem besonders effizient betrieben werden. Neben der heißen Seite weist der Kathodengaswärmetauscher auch eine kalte Seite auf, durch welche dem Kathodenabschnitt Kathodengas, bevorzugt in Form von Luft, zugeführt werden kann. Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems ist die heiße Seite des Kathodengaswärmetauschers in der Regel heißer als die kalte Seite des Kathodengaswärmetauschers.
Weiterhin ist es bei einem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung möglich, dass stromabwärts des Nachbrenners eine heiße Seite eines Reformerwärmetauschers des Brennstoffzellensystems ausgestaltet ist und der Abgaskatalysator stromabwärts der heißen Seite des Reformerwärmetauschers angeordnet ist. Befinden sich in Abgasströmungsrichtung zwischen dem Nachbrenner und dem Abgaskatalysator weitere Bauteile, wie beispielsweise der Kathodengaswärmetauscher und/oder der Reformerwärmetauscher, so können diese als thermische Puffer dienen, in denen kurzzeitige Temperaturspitzen für stromabwärts des Nachbrenners liegende Komponenten geglättet werden können. Durch den Reformerwärmetauscher kann ein Reformer des Brennstoffzellensystems aufgeheizt werden. Der Reformer ist zur Umwandlung von Brennstoff in Wasserstoff, welcher dem Anodenabschnitt zur Stromerzeugung zugeführt werden kann, ausgestaltet. Neben der heißen Seite weist der Reformerwärmetauscher auch eine
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kalte Seite auf, durch welche dem Anodenabschnitt Anodengas, bevorzugt in Form von reformiertem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, zugeführt werden kann. Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems ist die heiße Seite des Reformerwärmetauschers in der Regel heißer als die kalte Seite des Reformerwärmetauschers.
Bei einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass stromabwärts des Nachbrenners ein NachbrennerabgasVerzweigungsabschnitt zum Verzweigen von Nachbrennerabgas auf eine heiße Seite eines Kathodengaswärmetauschers des Brennstoffzellensystems und/oder auf eine heiße Seite eines Reformerwärmetauschers des Brennstoffzellensystems ausgestaltet ist, wobei der Abgaskatalysator stromabwärts der heißen Seite des Kathodenwärmetauschers sowie stromabwärts der heißen Seite des Reformers angeordnet ist. Durch die Verzweigung des Nachbrennerabgases auf die beiden Wärmetauscher kann die Temperatur des Nachbrennerabgases im Vergleich zur Verwendung von nur einem Wärmetauscher besonders effektiv auf eine gewünschte Temperatur bzw. auf eine Temperatur in einem gewünschten Temperaturbereich verringert werden. Der Nachbrennerabgas-Verzweigungsabschnitt kann eine Ventilsteuerung zur Verzweigung des Nachbrennerabgases in Richtung des Kathodengaswärmetauschers und/oder in Richtung des Reformerwärmetauschers aufweisen. D.h., der Verzweigungsabschnitt ist zum wahlweisen Abzweigen des Nachbrennerabgases in Richtung des Kathodengaswärmetauschers und/oder in Richtung des Reformerwärmetauschers ausgestaltet, insbesondere abhängig von einem Nachbrennerabgasbedarf am jeweiligen Wärmetauscher.
Bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem kann es außerdem von Vorteil sein, wenn stromabwärts des Nachbrenners und stromaufwärts des Nachbrennerabgas-Verzweigungsabschnitts eine erste Mischkammer zum Vermischen des Nachbrennerabgases mit reinem oder im Wesentlichen reinem Kathodenabgas angeordnet ist. Damit kann das im Nachbrenner nicht verwendete Kathodenabgas noch stromabwärts des Nachbrenners verwendet werden, beispielsweise um durch den Kathodengaswärmetauscher Kathodenzuführgas zum Kathodenabschnitt und/oder durch den Reformerwärmetauscher Anodenzuführgas zum Anodenabschnitt aufzuheizen. Mittels der ersten Mischkammer kann mithin auf einfache und platzsparende Weise die Effizienz der Betriebsweise des
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Brennstoffzellensystems verbessert werden. Um Kathodenabgas direkt zur ersten Mischkammer zu führen, ist stromaufwärts des Nachbrenners ein Kathodenabgasverzweigungsabschnitt mit einem ersten Kathodenabgaszweig zum Nachbrenner und einem zweiten Kathodenabgaszweig zur ersten Mischkammer ausgestaltet. Der Kathodenabgasverzweigungsabschnitt kann in Form einer Ventilsteuerung ausgestaltet sein oder eine geeignete Ventilsteuerung aufweisen.
Darüber hinaus ist es bei einem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, dass stromabwärts der heißen Seite des Kathodenwärmetauschers, stromabwärts der heißen Seite des Reformerwärmetauschers und stromaufwärts des Abgaskatalysators eine zweite Mischkammer zum Vermischen des Nachbrennerabgases stromabwärts der heißen Seite des Kathodenwärmetauschers und des Nachbrennerabgases stromabwärts der heißen Seite des Reformerwärmetauschers angeordnet ist. Durch die Vermischung des Nachbrennerabgases stromabwärts der heißen Seite des Kathodenwärmetauschers und des Nachbrennerabgases stromabwärts der heißen Seite des Reformerwärmetauschers stromaufwärts des Abgaskatalysators kann eine besonders gleichmäßige katalytische Verbrennung des Nachbrennerabgases erreicht werden. Die zweite Mischkammer ist vorzugsweise stromaufwärts des Abgaskatalysators direkt am Abgaskatalysator angeordnet. Bevorzugt weist der Abgaskatalysator ein Abgaskatalysatorgehäuse, insbesondere in Form des vorstehend beschriebenen zweiten Gehäuses, auf, in welchem die zweite
Mischkammer ausgestaltet ist bzw. welches u.a. die zweite Mischkammer bildet.
Außerdem kann es bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem von Vorteil sein, wenn eine Zündungserkennungseinheit zum Erkennen einer Zündung und/oder einer Verbrennung unter Flammenbildung in der Gasbrennkammer zumindest teilweise am Nachbrenner bereitgestellt ist. Die Zündungserkennungseinheit lässt sich beim erfindungsgemäßen Nachbrenner in Form eines Gasbrenners besonders einfach implementieren. Die Zündungserkennungseinheit kann gemäß einer Ausgestaltungsvariante zur akustischen Erkennung der Zündung zumindest teilweise am Nachbrenner bereitgestellt sein. Ferner ist es denkbar, dass die Zündungserkennungseinheit eine Messvorrichtung zum Messen einer elektrischen Leitfähigkeit von Gas in und/oder an der Brennkammer sowie eine Bestimmungseinheit zum Bestimmen der Zündung
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anhand der gemessenen elektrischen Leitfähigkeit des Gases in und/oder an der Brennkammer aufweist. Außerdem ist es möglich, dass die Zündungserkennungseinheit eine Messvorrichtung zum Messen eines Temperaturanstiegs von Gas in der Brennkammer sowie eine Bestimmungseinheit zum Bestimmen der Zündung anhand des gemessenen Temperaturanstiegs des
Gases in der Brennkammer aufweist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können bei einem Brennstoffzellensystem der wenigstens eine Brennstoffzellenstapel, der Nachbrenner und der Abgaskatalysator in einer Hotbox des Brennstoffzellensystems angeordnet sein, wobei ein Sauerstoffzuführabschnitt zum Zuführen von Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigem Fluid in die Gasbrennkammer zumindest teilweise außerhalb der Hotbox ausgestaltet ist. Außerhalb der Hotbox kann der Sauerstoffzuführabschnitt mit relativ günstigen Materialien zur Verfügung gestellt werden. Darüber hinaus ist der Sauerstoffzuführabschnitt in einem Fehlerfall und/oder im Wartungsfall leicht zugänglich. Durch die Zufuhr von beispielsweise Heißluft von außerhalb der Hotbox kann der Nachbrenner auf einfache Weise dahingehend erwärmt werden, dass bei Zufuhr von Brennstoff, insbesondere in Form von Anodenabgas, eine Selbstzündung erfolgen kann. Unter einer Hotbox kann ein im Stand der Technik bekanntes Gehäuse oder ein gehäuseartiger Mantel zum Abschirmen von hohen Temperaturen innerhalb der Hotbox vom Rest des
Brennstoffzellensystems verstanden werden.
Bei einem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist es außerdem möglich, dass im Sauerstoffzuführabschnitt wenigstens ein Temperiermittel zum einstellbaren Temperieren des Sauerstoffs oder des sauerstoffhaltigen Fluids angeordnet ist. Durch die Anordnung des Temperiermittels im Sauerstoffzuführabschnitt außerhalb der Hotbox kann das Temperiermittel kostengünstig und mit einer zuverlässigen Betriebsweise zur Verfügung gestellt werden. Das Temperiermittel ist insbesondere als Heizmittel, beispielsweise in Form eines elektrischen Heizmittels, ausgestaltet. Der Sauerstoffzuführabschnitt zweigt bevorzugt von einem Kathodenzuführgasabschnitt zum Zuführen von Kathodenzuführgas, insbesondere von Luft, zum Kathodenabschnitt, in Richtung des Nachbrenners ab. Zum Steuern und/oder Regeln des sauerstoffhaltigen Fluids, insbesondere in Form von Luft, zum Nachbrenner, ist im Sauerstoffzuführabschnitt,
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bevorzugt stromaufwärts des Temperiermittels, ein Ventil, insbesondere ein Ein/AusVentil, zum Sperren und/oder Freigeben des Sauerstoffzuführabschnitts, oder ein regelbares Ventil ausgestaltet.
Eine Einstelleinheit eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann zum Einstellen einer Verbrennungstemperatur in der Gasbrennkammer auf maximal 1200°C konfiguriert sein. Dadurch, dass die Verbrennungstemperatur im Nachbrenner bzw. in der Gasbrennkammer unter 1200°C gehalten wird, kann eine Stickoxidbildung vermieden werden. Die geringere Verbrennungstemperatur nimmt zwar in Kauf, dass eventuell ein Teil eines Kohlenmonoxidgases nicht verbrannt wird. Dieser Anteil kann jedoch im nachgeschalteten Abgaskatalysator oxidiert werden.
Von Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem eine Einstelleinheit zum Einstellen eines Anodenabgas/Kathodenabgas-Verhältnisses in der Gasbrennkammer in einem Bereich zwischen 3:1 und 1:1, insbesondere auf ca. 2:1, konfiguriert ist. Bei umfangreichen Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung, insbesondere durch Simulationsergebnisse von einer Verbrennungstemperatur, hat sich überraschend herausgestellt, dass mit diesem Mischungsverhältnis die besten
Ergebnisse für die gewünschte Verbrennung im Nachbrenner erzielt werden können.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines wie vorstehend im Detail beschriebenen Brennstoffzellensystems vorgeschlagen. Bei dem Verfahren wird in der Gasbrennkammer des Nachbrenners eine Verbrennung von Anodenabgas unter Flammenbildung durchgeführt und Nachbrennerabgas aus der Gasbrennkammer wird stromabwärts separat und beabstandet vom Nachbrenner durch den Abgaskatalysator katalytisch behandelt. Bei einer erfindungsgemäßen Weiterbildung des Verfahrens ist es möglich, dass die Verbrennungstemperatur in der Gasbrennkammer durch die Einstelleinheit auf maximal 1200°C eingestellt wird. Ferner kann es von Vorteil sein, wenn das Anodenabgas/Kathodenabgas-Verhältnis in der Gasbrennkammer durch die Einstelleinheit wie bereits vorstehend beschrieben in einem Bereich zwischen 3:1 und 1:1, insbesondere auf ca. 2:1, eingestellt wird. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem beschrieben worden sind.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung eines, wie vorstehend beschriebenen, Brennstoffzellensystems zur Bereitstellung von elektrischer Energie in einem stationären Kraftwerk.
Weitere, die Erfindung verbessernde, Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Figuren hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein.
Es zeigen jeweils schematisch:
Figur 1 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur2 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur3 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur4 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
Figur5 ein Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens gemäß einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 bis 5
jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist ein Blockdiagramm zum Beschreiben eines Brennstoffzellensystems 1a gemäß einer ersten Ausführungsform dargestellt. Das in Fig. 1 gezeigte Brennstoffzellensystem 1a weist einen Brennstoffzellenstapel 2 mit einem Anodenabschnitt 3 und einem Kathodenabschnitt 4 auf. Das Brennstoffzellensystem 1a weist ferner einen Nachbrenner 5 zum wenigstens teilweisen Verbrennen von
Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt 3 und einen Abgaskatalysator 6
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stromabwärts des Nachbrenners zur katalytischen Behandlung von Nachbrennerabgas auf. Der Nachbrenner 5 weist eine Gasbrennkammer 7 für eine Verbrennung von Anodenabgas unter Flammenbildung auf. D.h., der Nachbrenner 5 ist in Form eines Gasbrenners ausgestaltet. Der Abgaskatalysator 6 ist stromabwärts beabstandet vom Nachbrenner 5 angeordnet.
Genauer gesagt ist stromabwärts des Nachbrenners 5 ein NachbrennerabgasVerzweigungsabschnitt 20 zum Verzweigen von Nachbrennerabgas auf eine heiße Seite eines Kathodengaswärmetauschers 8 des Brennstoffzellensystems 1a und auf eine heiße Seite eines Reformerwärmetauschers 10 des Brennstoffzellensystems 1a ausgestaltet, wobei der Abgaskatalysator 6 stromabwärts der heißen Seite des Kathodenwärmetauschers 8 sowie stromabwärts der heißen Seite des Reformerwärmetauschers 10 angeordnet ist.
Stromabwärts des Nachbrenners 5 und stromaufwärts des NachbrennerabgasVerzweigungsabschnitts 20 ist eine erste Mischkammer 11 zum Vermischen des Nachbrennerabgases mit reinem oder im Wesentlichen reinem Kathodenabgas angeordnet. Um Kathodenabgas direkt zur ersten Mischkammer 11 zu führen, ist stromaufwärts des Nachbrenners 5 ein Kathodenabgasverzweigungsabschnitt 17 mit einem ersten Kathodenabgaszweig 18 zum Nachbrenner 5 und einem zweiten Kathodenabgaszweig 19 zur ersten Mischkammer 11 ausgestaltet.
Stromabwärts der heißen Seite des Kathodenwärmetauschers 8, stromabwärts der heißen Seite des Reformerwärmetauschers 10 und stromaufwärts des Abgaskatalysators 6 ist eine zweite Mischkammer 12 zum Vermischen des Nachbrennerabgases stromabwärts der heißen Seite des Kathodenwärmetauschers 8 und des Nachbrennerabgases stromabwärts der heißen Seite des Reformerwärmetauschers 10 angeordnet. Grundsätzlich kann auf die zweite Mischkammer 12 verzichtet werden, indem das Nachbrennerabgas stromabwärts der heißen Seite des Kathodenwärmetauschers 8 und das Nachbrennerabgas stromabwärts der heißen Seite des Reformerwärmetauschers 10 direkt in den Abgaskatalysator 6 bzw. auf eine katalytische Beschichtung in einem geeigneten Gehäuse ein- bzw. aufgebracht wird.
Am Nachbrenner 5 ist zumindest teilweise eine Zündungserkennungseinheit 13 zum
Erkennen einer Zündung und/oder einer Verbrennung unter Flammenbildung in der
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Gasbrennkammer 7 ausgestaltet. Der Brennstoffzellenstapel 2, der Nachbrenner 5 und der Abgaskatalysator 6 sind in einer Hotbox 14 des Brennstoffzellensystems 1a angeordnet, wobei ein Sauerstoffzuführabschnitt 15 zum Zuführen von einem sauerstoffhaltigem Fluid, vorliegend Luft, in die Gasbrennkammer 7 außerhalb bzw. im Wesentlichen außerhalb der Hotbox 14 ausgestaltet ist. Im Sauerstoffzuführabschnitt 15 ist ein Temperiermittel 16 in Form eines Heizmittels
zum einstellbaren Heizen der Zuluft zum Nachbrenner 5 angeordnet.
Eine Einstelleinheit 9, die beispielsweise in Form eines Steuergeräts ausgestaltet sein kann oder ein solches Steuergerät aufweisen kann, ist zum Einstellen einer Verbrennungstemperatur in der Gasbrennkammer 7 auf maximal 1200°C konfiguriert. Hierzu kann die Einstelleinheit mechanische, elektrische und/oder digitale Signalgeber aufweisen. Die Einstelleinheit 9 ist ferner zum Einstellen eines Anodenabgas/Kathodenabgas-Verhältnisses in der Gasbrennkammer 7 in einem Bereich zwischen 3:1 und 1:1, insbesondere auf ca. 2:1, konfiguriert.
In Fig. 2 ist ein Brennstoffzellensystem 1b gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Das dargestellte Brennstoffzellensystem 1b entspricht im Wesentlichen dem in Fig. 1 dargestellten Brennstoffzellensystem 1a. Allerdings wird das Nachbrennerabgas stromabwärts des Nachbrenners 5 nur durch den Kathodengaswärmetauscher 8 geleitet. Dadurch kann gezielt die Luft zum Kathodenabschnitt 4 bzw. im Kathodengaswärmetauscher 8 aufgeheizt werden.
In Fig. 3 ist ein Brennstoffzellensystem 1c gemäß einer dritten Ausführungsform dargestellt. Das dargestellte Brennstoffzellensystem 1c entspricht im Wesentlichen dem in Fig. 1 dargestellten Brennstoffzellensystem 1a. Allerdings wird das Nachbrennerabgas stromabwärts des Nachbrenners 5 nur durch den Reformerwärmetauscher 10 geleitet. Dadurch kann gezielt der Brennstoff oder das Brennstoffgemisch zum Anodenabschnitt 3 bzw. im Reformerwärmetauscher 10 aufgeheizt werden.
In Fig. 4 ist ein Brennstoffzellensystem 1d gemäß einer vierten Ausführungsform dargestellt. Das dargestellte Brennstoffzellensystem 1d entspricht im Wesentlichen dem in Fig. 1 dargestellten Brennstoffzellensystem 1a. Allerdings wird auf den Sauerstoffzuführabschnitt 15 verzichtet. Dies kann durch ein elektrisches Heizmittel
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(nicht dargestellt) direkt am Nachbrenner 5 und/oder durch eine verstärkte Zufuhr von Kathodenabgas zum Nachbrenner 5 kompensiert werden.
Mit Bezug auf Fig. 1 wird nachfolgend ein Verfahren zum Betreiben des dort dargestellten Brennstoffzellensystems 1a gemäß der ersten Ausführungsform erläutert. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass in der Gasbrennkammer 7 des Nachbrenners 5 eine Verbrennung von Anodenabgas unter Flammenbildung durchgeführt wird und Nachbrennerabgas aus der Gasbrennkammer 7 stromabwärts separat und beabstandet vom Nachbrenner 5 durch den Abgaskatalysator 6 katalytisch behandelt wird. Hierbei wird die Verbrennungstemperatur in der Gasbrennkammer 7 durch die Einstelleinheit 9 dahingehend eingestellt, dass ein Maximalwert von 1200°C nicht überschritten wird. Das Anodenabgas/Kathodenabgas-Verhältnis in der Gasbrennkammer 7 wird durch die Einstelleinheit 9 auf ca. 2:1 eingestellt.
Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere Gestaltungsgrundsätze zu. D. h. die Erfindung soll nicht auf die mit Bezug auf die Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden.
Bezugszeichenliste
1a Brennstoffzellensystem 1b Brennstoffzellensystem 1c Brennstoffzellensystem 1d Brennstoffzellensystem 2 Brennstoffzellenstapel 3 Anodenabschnitt
4 Kathodenabschnitt
5 Nachbrenner
6 Abgaskatalysator
7 Gasbrennkammer 8 Kathodengaswärmetauscher 9 Einstelleinheit
10 Reformerwärmetauscher
11 erste Mischkammer
12 zweite Mischkammer
13 Zündungserkennungseinheit
14 Hotbox
15 Sauerstoffzuführabschnitt
16 Temperiermittel
17 Kathodenabgasverzweigungsabschnitt 18 erster Kathodenabgaszweig
19 zweiter Kathodenabgaszweig
20 Nachbrennerabgas-Verzweigungsabschnitt
Claims (15)
1. Brennstoffzellensystem (1a; 1b; 1c; 1d), aufweisend wenigstens einen Brennstoffzellenstapel (2) mit einem Anodenabschnitt (3) und einem Kathodenabschnitt (4), einen Nachbrenner (5) zum wenigstens teilweisen Verbrennen von Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt (3), und einen Abgaskatalysator (6) stromabwärts des Nachbrenners (5) zur katalytischen Behandlung von Nachbrennerabgas, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachbrenner (5) eine Gasbrennkammer (7) für eine Verbrennung von Anodenabgas unter Flammenbildung aufweist und der Abgaskatalysator (6) stromabwärts beabstandet vom Nachbrenner (5) angeordnet ist.
2. Brennstoffzellensystem (1a; 1b; 1d) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Nachbrenners (5) eine heiße Seite eines Kathodengaswärmetauschers (8) des Brennstoffzellensystems (1a; 1b; 1d) ausgestaltet ist und der Abgaskatalysator (6) stromabwärts der heißen Seite des Kathodengaswärmetauschers (8) angeordnet ist.
3. Brennstoffzellensystem (1a; 1c; 1d) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Nachbrenners (5) eine heiße Seite eines Reformerwärmetauschers (10) des Brennstoffzellensystems (1a; 1c; 1d) ausgestaltet ist und der Abgaskatalysator (6) stromabwärts der heißen Seite des Reformerwärmetauschers (10) angeordnet ist.
4. Brennstoffzellensystem (1a; 1d) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Nachbrenners (5) ein NachbrennerabgasVerzweigungsabschnitt (20) zum Verzweigen von Nachbrennerabgas auf eine heiße Seite eines Kathodengaswärmetauschers (8) des Brennstoffzellensystems (1a; 1d) und/oder auf eine heiße Seite eines Reformerwärmetauschers (10) des Brennstoffzellensystems (1a; 1d) ausgestaltet ist, wobei der Abgaskatalysator (6) stromabwärts der heißen Seite
des Kathodenwärmetauschers (8) sowie stromabwärts der heißen Seite des Reformerwärmetauschers (10) angeordnet ist.
5. Brennstoffzellensystem (1a; 1d) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Nachbrenners (5) und stromaufwärts des Nachbrennerabgas-Verzweigungsabschnitts (20) eine erste Mischkammer (11) zum Vermischen des Nachbrennerabgases mit reinem oder im Wesentlichen
reinem Kathodenabgas angeordnet ist.
6. Brennstoffzellensystem (1a; 1d) nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der heißen Seite des Kathodenwärmetauschers (8), stromabwärts der heißen Seite des Reformerwärmetauschers (10) und stromaufwärts des Abgaskatalysators (6) eine zweite Mischkammer (12) zum Vermischen des Nachbrennerabgases stromabwärts der heißen Seite des Kathodenwärmetauschers (8) und des Nachbrennerabgases stromabwärts der heißen Seite des Reformerwärmetauschers (10) angeordnet ist.
7. Brennstoffzellensystem (1a; 1b; 1c; 1d) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zündungserkennungseinheit (13) zum Erkennen einer Zündung und/oder einer Verbrennung unter Flammenbildung in der Gasbrennkammer (7)
zumindest teilweise am Nachbrenner (5) bereitgestellt ist.
8. Brennstoffzellensystem (1a; 1b; 1c) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Brennstoffzellenstapel (2), der Nachbrenner (5) und der Abgaskatalysator (6) in einer Hotbox (14) des Brennstoffzellensystems (1a; 1b; 1c) angeordnet sind, wobei ein Sauerstoffzuführabschnitt (15) zum Zuführen von Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigem Fluid in die Gasbrennkammer (7) zumindest teilweise außerhalb der Hotbox (14) ausgestaltet ist.
9. Brennstoffzellensystem (1a; 1b; 1c) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Sauerstoffzuführabschnitt (15) wenigstens ein Temperiermittel (16) zum einstellbaren Temperieren des Sauerstoffs oder des sauerstoffhaltigen Fluids angeordnet ist.
10. Brennstoffzellensystem (1a; 1b; 1c; 1d) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einstelleinheit (9) zum Einstellen einer Verbrennungstemperatur in der
Gasbrennkammer (7) auf maximal 1200°C konfiguriert ist.
11. Brennstoffzellensystem (1a; 1b; 1c; 1d) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einstelleinheit (9) zum Einstellen eines Anodenabgas/KathodenabgasVerhältnisses in der Gasbrennkammer (7) in einem Bereich zwischen 3:1 und 1:1, insbesondere auf ca. 2:1, konfiguriert ist.
12. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1a; 1b; 1c; 1d) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Gasbrennkammer (7) des Nachbrenners (5) eine Verbrennung von Anodenabgas unter Flammenbildung durchgeführt wird und Nachbrennerabgas aus der Gasbrennkammer (7) stromabwärts separat und beabstandet vom Nachbrenner (5) durch den Abgaskatalysator (6) katalytisch behandelt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungstemperatur in der Gasbrennkammer (7) durch die Einstelleinheit (9) auf maximal 1200°C eingestellt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Anodenabgas/Kathodenabgas-Verhältnis in der Gasbrennkammer (7)
durch die Einstelleinheit (9) in einem Bereich zwischen 3:1 und 1:1, insbesondere auf ca. 2:1, eingestellt wird.
15. Verwendung eines Brennstoffzellensystems (1a; 1b; 1c; 1d) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Bereitstellung von elektrischer Energie in einem stationären Kraftwerk.
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