AT523317A1

AT523317A1 - Aufheizvorrichtung für ein Aufheizen eines Brennstoffzellenstapels

Info

Publication number: AT523317A1
Application number: ATA50019/2020A
Authority: AT
Inventors: Neubauer Dr Raphael
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2020-01-14
Filing date: 2020-01-14
Publication date: 2021-07-15
Also published as: AT523317B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Aufheizvorrichtung (10) für ein Aufheizen eines Brennstoffzellenstapels (110) eines Brennstoffzellensystems (100) auf eine Betriebstemperatur, aufweisend ein Wärmetauschermodul (20) mit einer heißen Wärmetauscherseite (30) und einer kalten Wärmetauscherseite (40), welche miteinander in wärmeübertragendem Kontakt stehen, wobei die heiße Wärmetauscherseite (30) einen heißen Fluideingang (32) und einen heißen Fluidausgang (34) sowie die kalte Wärmetauscherseite (40) einen kalten Fluideingang (42) und einen kalten Fluidausgang (44) aufweisen, wobei weiter die kalte Wärmetauscherseite (40) einen katalytischen Reformerabschnitt (46) aufweist für ein zumindest teilweises Reformieren von durch die kalte Wärmetauscherseite (40) geführtem Brennstofffluid und die heiße Wärmetauscherseite (30) einen katalytischen Oxidationsabschnitt (36) aufweist für ein zumindest teilweises Oxidieren von durch die heiße Wärmetauscherseite (30) geführtem Stapelabgas des Brennstoffzellenstapels (110).

Description

Aufheizvorrichtung für ein Aufheizen eines Brennstoffzellenstapels

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Aufheizvorrichtung für ein Aufheizen eines Brennstoffzellenstapels sowie ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Aufheiz-

vorrichtung.

Es ist bekannt, dass Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite ausgestattet sind. Um das Brennstoffzellensystem und insbesondere den Brennstoffzellenstapel in einen Betriebsmodus zu versetzen, müssen die Anodenbereiche und die Kathodenbereiche und damit der gesamte Brennstoffzellenstapel aufgeheizt werden. Um diese Betriebstemperatur zu erreichen und dabei insbesondere katalytische Beschichtungen des Brennstoffzellenstapels zu schützen, sind bekannte Brennstoffzellensysteme mit sogenannten Startbrennern ausgestattet. Diese Startbrenner sind üblicherweise separate Brennervorrichtung, welche in der Lage sind ausschließlich oder im Wesentlichen ausschließlich während des Aufheizvorgangs betrieben zu werden. Über diese bekannten separaten Brennervorrichtungen wird es möglich Energie in Form von Wärme in den Brennstoffzellenstapel einzubringen und diesen auf diese Weise auf Betriebs-

temperatur zu bringen.

Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass das Vorsehen eines separaten Startbrenners mit hohem konstruktivem Aufwand verbunden ist. Soll das Brennstoffzellensystem darüber hinaus insbesondere für einen mobilen Einsatz vorgesehen sein, ist durch den zusätzlichen Brenner ein Nachteil hinsichtlich der Komplexität, des Bauraums und darüber hinaus hinsichtlich des Gewichts gegeben. Nicht zuletzt wird durch die separate Vorrichtung eines separaten Startbrenners auch der Kosten-

aufwand für die Herstellung eines bekannten Brennstoffzellensystems erhöht.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehenden Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung auf kostengünstige und einfache Weise den Aufheizvorgang des Brennstoffzellensystems zu ermöglichen oder zu verbessern, wobei die Komplexität des Brennstoffzel-

lensystems reduziert werden soll.

Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Aufheizvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einem Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des

Anspruchs 10 und einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Weitere

selseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.

Erfindungsgemäß ist eine Aufheizvorrichtung für ein Aufheizen eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems auf einer Betriebstemperatur ausgebildet. Diese Aufheizvorrichtung ist mit einem Wärmetauschermodul ausgestattet. Dieses Wärmetauschermodul weist eine heiRe Wärmetauscherseite und eine kalte Wärmetauscherseite auf, welche miteinander in wärmeübertragendem Kontakt stehen. Die heiße Wärmetauscherseite ist dabei mit einem heißen Fluideingang und einem heiRen Fluidausgang ausgestattet. In ähnlicher Weise weist die kalte Wärmetauscherseite einen kalten Fluideingang und einen kalten Fluidausgang auf. Die kalte Wärmetauscherseite ist darüber hinaus mit einem katalytischen Reformerabschnitt ausgestattet, der ein zumindest teilweises Reformieren von durch die kalte Wärmetauscherseite geführtem Brennstofffluid erlaubt. Die heiRe Wärmetauscherseite weist einen katalytischen Oxidationsabschnitt auf für ein zumindest teilweises Oxidieren von durch die heiRe Wärmetauscherseite geführtem Stapelabgas des Brennstoffzel-

lenstapels.

Erfindungsgemäß baut die Aufheizvorrichtung auf dem Kerngedanken auf, den Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems während einer Startphase auf Betriebstemperatur zu bringen. Um dieses Aufheizen zu gestalten ist eine Energiezufuhr notwendig. Diese Energiezufuhr wird nun durch zwei separate Energiequellen zur Verfügung gestellt. Die Hauptenergiequelle ist dabei der katalytische Reformerabschnitt auf der kalten Wärmetauscherseite, welcher, wie dies später noch erläutert wird, mit der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels fluiıdkommunizierend verbunden ist. Im normalen Betrieb der Brennstoffzelle kann es sich hierbei um den katalytischen Reformerabschnitt handeln, welcher ein Brennstofffluid reformiert und auf diese Weise zur Nutzung in dem Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels aufbereitet. Die Betriebsweise des Reformerabschnitts für den Aufheizbetrieb kann von dem regulären Betrieb jedoch abweichen, wie dies ebenfalls später noch erläutert wird.

Durch das katalytische, exotherme Reformieren oder eine partielle Oxidation an der

kalten Wärmetauscherseite wird das dem Anodenabschnitt zugeführte Gas in dieser

kalten Wärmetauscherseite aufgeheizt, so dass das Gas als Wärmeträger die von

dem katalytischen Reformerabschnitt durch Katalyse hergestellten Wärme an den

Brennstoffzellenstapel weiterleitet.

Um diesen katalytischen Aufheizprozess durchführen zu können ist es jedoch notwendig, dass der katalytische Reformerabschnitt sich auf einer eigenen ReformerBetriebstemperatur befindet. Unterhalb dieser Reformer-Betriebstemperatur ist die katalytische Aufheizfunktionalität nicht oder nur in geringerem Maße gegeben. An dieser Stelle wirkt erfindungsgemäß die heiRe Wärmetauscherseite ebenfalls mit einer katalytischen Beschichtung, nämlich dem katalytischen Oxidationsabschnitt. Der katalytische Oxidationsabschnitt erlaubt es bei einer Oxidations-Betriebstemperatur die geringer als die Reformer-Betriebstemperatur ist, ebenfalls in katalytischer Weise durch Umsetzung von Stapelabgas oder Brennstoff des Brennstoffzellenstapels

Wärme zu erzeugen.

Basierend auf der voranstehenden Erläuterung wird also ersichtlich, dass nun zwei voneinander separate Heizmöglichkeiten gegeben sind. Diese können gemeinsam oder auch sequentiell nacheinander ausgeführt werden. Um den Brennstoffzellenstapel auf seine Betriebstemperatur zu bringen, wird in einem ersten Schritt durch zumindest teilweises Oxidieren des Stapelabgases in der heißen Wärmetauscherseite an dem katalytischen Oxidationsabschnitt Wärme erzeugt. Diese Wärme wird durch den wärmeübertragenden Kontakt auf die kalte Wärmetauscherseite und dort insbesondere in den katalytischen Reformerabschnitt übertragen. Damit wird es möglich durch katalytisches Oxidieren am katalytischen Oxidationsabschnitt den katalytischen Reformerabschnitt aufzuheizen bis dieser seine ReformerBetriebstemperatur hat. Ab diesem Zeitpunkt ist es nun möglich, dass der katalytische Reformerabschnitt nun seinerseits Wärme durch katalytisches Reformieren des Brennstofffluides zur Verfügung stellt und in der bereits erläuterten Weise das weitere Aufheizen des Brennstoffzellenstapels übernimmt. Sobald nun der katalytische Reformerabschnitt auf Reformer-Betriebstemperatur ist, kann die katalytische Oxida-

tion am Oxidationsabschnitt reduziert oder sogar vollständig ausgeschaltet werden.

Wie aus der voranstehenden Erläuterung ersichtlich wird, ist nun ein komplexes Thermomanagement möglich, welches zum einen durch Temperaturregelung und

zum anderen durch entsprechende Lambdaeinstellung an den beiden katalytisch

wirkenden Abschnitten auf der kalten Wärmetauscherseite und der heißen Wärmetauscherseite eine definierte Heizregelung ermöglicht. Mit anderen Worten können nun in Abhängigkeit von unterschiedlichsten Eingangsparametern, zum Beispiel der Betriebssituation, der Außentemperatur oder der gewünschten Aufheizgeschwindigkeit des Brennstoffzellenstapels eine Vielzahl von Variablen eingestellt werden, und gleichzeitig und kompakter und einfacher Weise der Aufheizvorgang zur Verfügung

gestellt werden.

Neben der einfachen und kostengünstigen Möglichkeit durch die Aufheizvorrichtung die Aufheizfunktionalität zu gewährleisten, kann auf einem separaten Startbrenner im

Wesentlichen vollständig verzichtet werden.

Mit anderen Worten kann also die Aufheizvorrichtung und damit auch die Aufheizfunktionalität für den Startvorgang in ein Wärmetauschermodul des bestehenden Kreislaufs des Brennstoffzellensystems integriert werden. Beispielsweise kann es sich, wie bereits erläutert worden ist, bei dem Reformerabschnitt um den notwendigen Betriebs-Reformer des Brennstoffzellensystems handeln, welcher im Reformerbetrieb oder zu Aufheizen im Starterbetrieb eingesetzt wird. Mit anderen Worten wird nun das Wärmetauschermodul für die normale Betriebsweise als Wärmetauscher und Reformer verwendet, während für den Starterbetrieb die beschriebenen Betriebsweisen für den Oxidationsabschnitt und den Reformerabschnitt eingesetzt werden. Somit wird es zum einen möglich eine besonders kompakte und einfache Vorrichtung zum Starten des Brennstoffzellensystems zur Verfügung zu stellen und zum anderen eine zusätzliche Regelungsmöglichkeit durch die beiden separaten Wärmequellen in Form des Reformerabschnitts und in Form des Oxidationsabschnitts zur

Verfügung zu stellen.

Für die Funktionsweise sei noch darauf hingewiesen, dass es sich bei dem Stapelabgas zum Beispiel um Abgas bei der Anodenseite und/oder um Abgas von der Kathodenseite handeln kann. Selbstverständlich sind auch Mischungen der Gase von Anodenabgas und Kathodenabgas im Sinne der vorliegenden Erfindung möglich. Auf der kalten Wärmetauscherseite wird insbesondere Brennstofffluid und Zuluft von der Außenseite des Brennstoffzellensystems zugeführt. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass weitere Heizvorrichtungen an dem Wärmetauschermodul vorgesehen

oder in das Wärmetauschermodul integriert sind.

Weitere Vorteile können erzielt werden, wenn bei einer erfindungsgemäßen Aufheizvorrichtung der Reformerabschnitt und der Oxidationsabschnitt auf den unterschiedlichen Seiten der Trennwand fleckig überlappen, insbesondere deckungsgleich oder im Wesentlichen deckungsgleich sind. Darunter ist zu verstehen, dass Reformerabschnitt und Oxidationsabschnitt sich zwar auf unterschiedlichen Seiten der Trennwand befinden, also voneinander gasdicht getrennt in den beiden unterschiedlichen Seiten des Wärmetauschermoduls, jedoch ihre flächigen Rückseiten an der jeweiligen Trennwand miteinander überlappen. Mit anderen Worten ist der Teil der Trennwand, welcher den Reformerabschnitt trägt identisch mit dem Teil der Trennwand, welcher auf der gegenüberliegenden Seite der Trennwand den Oxidationsabschnitt trägt. Eine Identität führt zur Deckungsgleichheit der beiden Abschnitte, eine zumindest teilweise Identität zu einem entsprechend flächigen Überlappen. Auf diese Weise wird unnötige Katalysatorfläche vermieden und durch die maximierte Überdeckung die Temperaturtransfermöglichkeit zwischen dem Reformerabschnitt und dem Oxidationsabschnitt verstärkt. Der gesamte Bauraum wird reduziert und die Möglich-

keit einer weiteren Verkleinerung der Baugröße des Wärmetauschermoduls möglich.

lich, dass ein solcher Plattenwärmetauscher auch mehrstufig ausgebildet ist.

Von Vorteil ist es ebenfalls, wenn bei einer erfindungsgemäßen Aufheizvorrichtung die heiRe Wärmetauscherseite und die kalte Wärmetauscherseite für einen Betrieb im Gegenstrom ausgerichtet sind. Das bedeutet, dass der kalte Fluideingang auf der gleichen Seite des Wärmetauschermoduls wie der heiße Fluidausgang und der kalte Fluidausgang auf der gleichen Seite wie der heiße Fluideingang angeordnet ist. Der Bezug auf die Fluideingänge und die Fluidausgänge für einen Gegenstrom führt zu einem weiter verbesserten Wärmeaustausch in allen Betriebsweisen, insbesondere jedoch im Starterbetrieb während des Aufheizvorgangs. Für diesen Gegenstrom sind die beiden Wärmetauscherseiten und insbesondere alle Fluideingänge und Fluidausgänge vorzugweise auch für ähnliche und insbesondere identische Volumen-

stöße der jeweils geförderten Gase in dem Wärmetauschermodul ausgebildet.

Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn bei einer erfindungsgemäßen Aufheizvorrichtung der heiße Fluideingang der heißen Wärmetauscherseite wenigstens eines der fol-

genden Stapelabgase zuführt: - Anodenabgas - Kathodenabgas - Mischgas aus Anodenabgas und Kathodenabgas

Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Selbstverständlich kann auch eine Kombination mit weiteren Gasen, insbesondere mit einer zusätzlichen Zufuhr von Brennstofffluid denkbar sein. Die Variation ist dabei während des Betriebs und insbesondere in Abhängigkeit von der Betriebsweise möglich, so dass beispielsweise unterschiedliche stöchiometrische Situationen mit

unterschiedlichen Lambdawerten sowohl auf der heißen Wärmetauscherseite als

auch auf der kalten Wärmetauscherseite einstellbar sind. Dabei kann es sich um

qualitative, wie auch um quantitative Einstellungsmöglichkeiten für die beschriebenen

Mischverhältnisse handeln.

Vorteilhaft ist es darüber hinaus, wenn bei einer erfindungsgemäß en Aufheizvorrichtung ein Zusatzbrenner für ein zusätzliches Aufheizen des Oxidationsabschnitts der heißen Wärmetauscherseite vorgesehen ist, insbesondere in und/oder an der heißen Wärmetauscherseite angeordnet ist. Ein Zusatzbrenner kann dabei in unterschiedlichster Weise ausgebildet sein und erlaubt es den Oxidationsabschnitt auf seine Oxidations-Betriebstemperatur zu bringen. Befindet sich ein Brennstoffzellensystem in einem Temperaturbereich, welcher unterhalb der Oxidationstemperatur des Oxidationsabschnitts liegt, so würde ein Aufheizen in der erfindungsgemäßen Weise unter erschwerten Bedingungen erfolgen. Mit Hilfe eines Zusatzbrenners wird es also möglich auch bei einem Oxidationsabschnitt mit erhöhter Oxidations-Betriebstemperatur die erfindungsgemäß en Vorteile zu erreichen. Dieser Zusatzbrenner ist aber im Vergleich zu den üblichen bekannten Startbrennern deutlich kleiner ausgestaltet, da er deutlich geringere Temperaturdifferenzen überwinden muss und nur lokal auf die Aufheizvorrichtung wirkt, insbesondere den Oxidationsabschnitt und/oder den Reformerabschnitt. Beispielsweise reicht es aus, wenn der Zusatzbrenner den Oxidationsabschnitt zum Beispiel auf eine Oxidations-Betriebstemperatur von circa 250 °C bringt. Während bekannte Startbrenner den gesamten Brennstoffzellenstapel aufheizen mussten, kann nach erreichen der Oxidations-Betriebstemperatur der Zusatzbrenner ausgeschaltet werden, da das weitere Aufheizen, also die zweite Aufheizstufe, nun durch den Oxidationsabschnitt übernommen wird. In der dritten Aufheizstufe ist der Reformerabschnitt aktiviert und kann in der beschriebenen Weise das Aufhei-

zen des gesamten Brennstoffzellensystems zur Verfügung stellen.

Vorteilhaft dabei ist es, wenn bei einer Aufheizvorrichtung gemäß dem voranstehenden Absatz der Zusatzbrenner wenigstens eine der folgenden Vorrichtungen auf-

weist: - Zusatz-Oxidationskatalysator, insbesondere elektrisch beheizt - Flammenbrenner - Hybridbrenner

- Elektrische Heizvorrichtung

Oxidationsabschnitts im Sinne der vorliegenden Erfindung möglich.

Ebenfalls von Vorteil kann es sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Aufheizvorrichtung der Reformerabschnitt für einen unstöchiometrischen Betrieb ausgebildet ist, insbesondere einen CPOX Betrieb. Ein CPOX Betrieb ist der Betrieb in sogenannter Catalytic Partial Oxidation. Das bedeutet, dass nur teilweise eine Reformierumsetzung des zugeführten Brennstoffs erfolgt. Ein solcher CPOX Betrieb erlaubt es eine verschlechterte Umsetzung bezogen auf die normale Betriebsweise des Brennstoffzellensystems für das Brennstofffluid zur Verfügung zu stellen. Diese für den normalen Betrieb schlechtere Umsetzung führt jedoch dazu, dass eine Atmosphäre erzeugt wird, welche insbesondere sauerstoffarm und damit reduzierend ausgebildet ist. Für den Aufheizbetrieb muss in sicherer Weise die Anode vor unerwünschter Oxidation der dort befindlichen katalytischen Schicht geschützt werden. Der CPOX Betrieb des Reformerabschnitts führt dazu, dass ein Schutzgas mit einer reduzierenden Atmo-

sphäre hergestellt wird, welches diese Schutzfunktion gewährleisten kann.

Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem

aufweisend:

- zumindest einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und

einem Kathodenabschnitt,

- einen Anodenzuführabschnitt zum Zuführen von reformierten Anodenzu-

führgas von einem Reformer zu dem Anodenabschnitt,

- einen Kathodenzuführabschnitt zum Zuführen von Kathodenzuführgas

zum Kathodenabschnitt, - einen Reformer zum Reformieren von Reformerzuführgas,

- einen Reformerzuführabschnitt zum Zuführen des Reformerzuführgases zum Reformer,

- einen Anodenabführabschnitt zum Abführen von Anodenabgas, - einen Kathodenabführabschnitt zum Abführen von Kathodenabgas,

wobei der Reformer zumindest abschnittsweise als Aufheizvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist. Weiter ist der heiße Fluideingang der heißen Wärmetauscherseite mit dem Anodenabführabschnitt und/oder mit dem Kathodenabführabschnitt in fluidkommunizierender Verbindung ausgestaltet. Der kalte Fluidausgang der kalten Wärmetauscherseite steht in fluiıdkommunizierender Verbindung mit dem Anodenzuführabschnitt. Alternativ dazu kann der heiße Fluideingang der heißen

Wärmetauscherseite auch mit dem Frischluftpfad verbunden sein.

Durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Aufheizvorrichtung und die entsprechende Einbindung in das Brennstoffzellensystem werden die gleichen Vorteile erzielt, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Aufheizvorrichtung erläutert worden sind. Selbstverständlich können beliebige Rezirkulations- und Querverbindungsmöglichkeiten für die Rezirkulation einzelner Abgase oder das Bypass-

zuführen von Brennstofffluid oder Luft vorgesehen sein.

Es ist weiter von Vorteil, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der Kathodenabführabschnitt und der Anodenabführabschnitt mit dem heißen Fluideingang der heißen Wärmetauscherseite fluiıdkommunizierend verbunden sind. Mit anderen Worten können die beiden Abgasmöglichkeiten miteinander kombiniert werden. Eine Mischung ist zum Beispiel in qualitativer und/oder quantitativer Weise möglich. Auch die Kombination mit weiteren Gasen, insbesondere von zusätzlicher Luft oder von Brennstofffluid ist hier grundsätzlich denkbar.

Vorteile bringt es weiter mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ein Luftzuführanschluss ausgebildet ist mit mindestens einem der folgen-

den Luftzuführabschnitte:

- Reformer-Luftzuführabschnitt zum kalten Fluideinlass der kalten Wärmetauscherseite

- Kathoden-Luftzuführabschnitt zum Kathoden-Zuführabschnitt - Oxidations-Luftzuführabschnitt zum heißen Fluideinlass der heißen Wär-

metauscherseite

Selbstverständlich können einzelne Luftzuführabschnitte auch miteinander in einer

Ausführungsform kombiniert sein. Die Zufuhr von Luft direkt in den Zusatzbrenner,

also als Oxidations-Luftzuführabschnitt erlaubt es am heißen Fluideinlass direkt oder

indirekt über einer separate Mischvorrichtung dort Luft zur Verfügung zu stellen. Die

Luft kann über die einzelnen Luftzuführabschnitte auch durch einen eigenen Luft-

Wärmetauscher vorgeheizt werden.

Vorteile bringt es weiter mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ein Brennstoffzellenanschluss vorgesehen ist mit einem BrennstoffZufuhrabschnitt zum kalten Fluideinlass der kalten Wärmetauscherseite und insbesondere mit einem Brennstoff-Bypassabschnitt zu dem heißen Fluideinlass der heiRen Wärmetauscherseite. Die Einbringung kann dabei direkt in die heiRe Wärmetauscherseite oder aber über einen Zusatzbrenner erfolgen. Das Einbringen ist grundsätzlich auch über die bereits angesprochenen Mischvorrichtungen denkbar. Damit wird es möglich Brennstofffluid für ein zusätzliches Aufheizen, zum Beispiel auch in einem Zusatzbrenner zur Verfügung zu stellen. Eine breitere Kontrolle von Lambda-

werten und Betriebstemperaturen wird auf diese Weise erzielbar.

Vorteilhaft ist es weiter, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem mit dem heißen Fluidausgang der heißen Wärmetauscherseite ein Zusatzkatalysator zur katalytischen Oxidation fluiudkommunizierend verbunden ist. Ein solcher Zusatzkatalysator kann auch als separater Nachbrenner bezeichnet werden und insbesondere eine Nachbrennerfunktion des katalytischen Oxidationsabschnitts ergänzen. Auch kann auf diese Weise ein weiterer Wärmetauscher, insbesondere ein weiterer

Luft-Wärmetauscher bedient werden.

Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren für ein Aufheizen eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung, aufweisend die

folgenden Schritte:

- Aufheizen des Oxidationsabschnitts der heiRen Wärmetauscherseite auf eine Oxidations-Betriebstemperatur, insbesondere mittels eines Zusatz-

brenners,

- Aufheizen des Reformerabschnitts der kalten Wärmetauscherseite mittels

exothermer Oxidation und Oxidationsabschnitt durch Wärmeübertragung

eine Reformer-Betriebstemperatur,

- Aufheizen des Brennstoffzellenstapels durch Reformation von Brenn-

stofffluid am Reformerabschnitt der kalten Wärmetauscherseite.

Damit bringt ein erfindungsgemäßes Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug für ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem und mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Aufheizvorrichtung erläutert worden sind. Die Reformer-Betriebstemperatur liegt dabei vorzugsweise oberhalb der OxidationsBetriebstemperatur. Bevorzugt ist eine Stapel-Betriebstemperatur ausgebildet, auf welche das Brennstoffzellensystem aufgeheizt werden soll, welche wiederum höher als die Reformer-Betriebstemperatur ausgelegt ist. Insbesondere kann nach Erreichen der Oxidations-Betriebstemperatur ein Zusatzbrenner ausgeschaltet werden und nach Erreichen der Reformer-Betriebstemperatur die Oxidation am Oxidationsabschnitt zurückgefahren werden. Damit können die unterschiedlichen Betriebsweisen umgeschaltet und auf diese Weise die erfindungsgemäßen Vorteile noch besser

erzielt werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen schematisch:

Fig.1 Eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Aufheizvorrichtung,

Fig.2 Eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Aufheizvor-

richtung,

Fig. 3 Eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,

Fig.4 Eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensys-

tems und

zellensystems.

Anhand von Figur 1 wird grundsätzlich die Funktion einer erfindungsgemäßen Aufheizvorrichtung 10 erläutert. Diese ist hier als Wärmetauschermodul 20 ausgebildet, zum Beispiel in Form eines Plattenwärmetauschers. Das Wärmetauschermodul 20 weist eine heiße Wärmetauscherseite 30, hier in Figur 1 unten dargestellt, und eine kalte Wärmetauscherseite 40 auf. Um die beiden Wärmetauscherseiten 30 und 40 mit Fluid zu versorgen sind beide Seiten mit Eingängen 32 und 42 und Ausgängen 34 und 44 versehen. Wie der Figur 1 gut zu entnehmen ist, ist auf der Seite des kalten Fluideingangs 42 der heiße Fluidausgang 34 vorgesehen und umgekehrt auf der Seite des kalten Fluidausgangs 44 der heiße Fluideingang 32. Mit anderen Worten handelt es sich bei dieser Aufheizvorrichtung 10 um ein Wärmetauschermodul 20 für

den Gegenstrombetrieb.

Um nun die verschiedenen Aufheizmöglichkeiten zu gewährleisten ist in der heißen Wärmetauscherseite 30 ein katalytischer Oxidationsabschnitt 36 vorgesehen, während in der kalten Wärmetauscherseite 40 der katalytische Reformerabschnitt 46 ausgebildet ist. Damit können zwei Aufheizschritte gewährleistet werden. Durch oxidatives Umsetzen von entsprechendem Stapelabgas eines Brennstoffzellenstapels 110 an dem Oxidationsabschnitt 36 kann über die Trennwand 22 durch Wärmeleitung Wärme auf den Reformerabschnitt 46 übertragen werden. Dieser heizt sich auf diese Weise auf und kann somit selbst seine eigene Reformer-Betriebstemperatur erreichen. Sobald dies der Fall ist, kann eine reformierende Umsetzung innerhalb der kalten Wärmetauscherseite 40 erfolgen, so dass dort eine Mischung aus Luft und Brennstofffluid reformiert und damit ebenfalls aufgeheizt wird. Das durch den kalten Fluidausgang 44 ausströmende Gas ist somit aufgeheizt und dient dazu die nachfolgenden Komponenten, insbesondere den Brennstoffzellenstapel 110 weiter aufzuheizen.

Bei der Ausführungsform der Figur 1 ist gut zu erkennen, dass auf den beiden Seiten der Trennwand 22 der Oxidationsabschnitt 36 und der Reformerabschnitt 46 miteinander deckungsgleich ausgebildet sind. Somit kann die komplette Wärme, welche durch den Oxidationsabschnitt 36 bei der Oxidation erzeugt wird mit sehr kurzem

Transferweg über die Trennwand 22 direkt in den Reformerabschnitt 46 übertragen

dies zum Beispiel die nachfolgende Figur 2 zeigt.

So ist in der Figur 2 eine grundsätzliche Möglichkeit dargestellt auch mit zueinander versetzten Oxidationsabschnitten 36 und Reformerabschnitten 46 zu arbeiten. Im weiteren Unterschied zu der Figur 1 ist bei der Ausführungsform der Figur 2 auch ein Gleichstrombetrieb zwischen der heiRen Wärmetauscherseite 30 und der kalten Wärmetauscherseite 40 gegeben. Um bei dieser Ausführungsform den Oxidationsabschnitt 36 auf seine Oxidations-Betriebstemperatur zu bringen ist ein Zusatzbrenner 50 in die heiRe Wärmetauscherseite 30 integriert. Somit kann noch vor Beginn der Oxidationsumsetzung in der heißen Wärmetauscherseite 30 der Zusatzbrenner 50 ein Aufheizen des Oxidationsabschnitts auf seine Oxidations-Betriebstemperatur mit sich bringen, um auf diese Weise den Oxidationsprozess durchführen zu können. Anschließend wird in der zweiten Stufe die Oxidation ein Aufheizen auf die ReformerBetriebstemperatur ermöglichen, so dass abschließend in der dritten Stufe der Reformerabschnitt 46 die gewünschte Aufheizung des gesamten Brennstoffzellenstabes 110 mit sich bringt.

Die Figuren 3, 4 und 5zeigen drei Ausführungsvarianten eines Brennstoffzellensystems 1. Figur 4 zeigt dabei eine Variante mit einem Brennstoffzellenstapel 110, welcher über einen Anodenabschnitt 112 und einen Kathodenabschnitt 114 verfügt. Der Anodenabschnitt 112 ist über einen Anodenzuführabschnitt 120 mit einem Anodenzuführgas versorgbar und kann über einen Anodenabführabschnitt 122 das Anodenabgas abführen. In ähnlicher Weise kann der Kathodenabschnitt 140 über einen Kathodenzuführabschnitt 140 mit Kathodenzuführgas versorgt und mit einem Katho-

denabführabschnitt 142 das Kathodenabgas wieder abgeführt werden.

Für einen Aufheizvorgang ist nun innerhalb eines Reformers 130 eine Aufheizvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet. Der Reformer 130 ist hier also als Wärmetauschermodul 20 ausgebildet mit einer heißen Seite 30 und einer kalten Seite 40. Die kalte Seite 40 wird dabei von einem Brennstoffanschluss 160 über den Reformerzuführabschnitt 132 mit Brennstofffluid versorgt. Zusätzlich ist es auch möglich, zum Beispiel von einem Luftzuführanschluss 150 und dort über einen Reformer-Luftzuführabschnitt 152 Luft in die kalte Wärmetauscherseite 40 einzubringen. Um eine formierende Umsetzung in der kalten Wärmetauscherseite 40 zur Ver-

fügung stellen zu können ist eine heiße Wärmetauscherseite 30 mit dem entspre-

chenden Oxidationsabschnitt 36 ausgestaltet. Darüber hinaus ist eine direkte Anord-

nung eines Zusatzbrenners 50 vorgesehen, auch um auf der heißen Wärmetau-

scherseite 30 den Oxidationsabschnitt 36 auf die gewünschte Betriebstemperatur zu

bringen.

Die Einbindung des Reformers 130 in das Brennstoffzellensystem 100 ist dabei wie folgt. Von einem Brennstoffanschluss 160 wird es möglich über den BrennstoffZufuhrabschnitt den Brennstoff hier über eine Mischvorrichtung in die kalte Wärmetauscherseite 40 einzubringen. In einem Aufheizbetrieb findet dort nach Erreichen der Reformer-Betriebstemperatur eine unstöchiometrische CPOX Umsetzung statt, um anschließend mit dem Anodenzuführgas über den Anodenzuführabschnitt 120 den Brennstoffzellenstapel 110 aufzuheizen und gleichzeitig die Anode vor Oxidation zu schützen. Auf der anderen Seite des Brennstoffzellenstapels ist zu erkennen, dass nun das Kathodenabgas aus dem Kathodenabführabschnitt 142 über eine Mischvorrichtung in den Zusatzbrenner 50 eingebracht und dort der heißen Wärmetauscherseite 30 zur Verfügung gestellt wird. Über einen OxidationsLuftzuführabschnitt 156 kann hier ebenfalls Luft in die Mischvorrichtung oder sogar direkt in den Zusatzbrenner 50 eingebracht werden, um auch hier den Lambdawert in der heißen Wärmetauscherseite 30 aktiv beeinflussen zu können. Fluidtechnisch nachgelagert der heiRen Wärmetauscherseite 30 ist nochmals ein Zusatzkatalysator 170 sowie ein Luft-Wärmetauscher 180, um vor dem Erreichen des Abgasauslasses 190 möglichst viel an Wärme in das Brennstoffzellensystem 100 zurückzuhalten und

wiederzuverwenden.

Ebenfalls ist noch zu erkennen, dass ausgehend von dem Brennstoffanschluss 160 über einen Brennstoff-Bypassabschnitt 164 dieser Brennstoff in eine Mischvorrichtung vor dem Zusatzbrenner 50 eingebracht werden kann, um zum Beispiel für den Betrieb des Zusatzbrenners 50, aber auch für den oxidativen Betrieb des Oxidationsabschnitts 36 in der heiRen Wärmetauscherseite 30 zur Verfügung zu stehen.

Die Figur 5 basiert auf den grundsätzlichen Ausführungen zur Figur 4. Jedoch sind hier kleinere Unterschiede vorgesehen. So ist es hier möglich in einem Mischbereich vor dem Zusatzbrenner 50 auch einen Teil des Anodenabgases aus dem Anodenabführabschnitt 122 der heißen Wärmetauscherseite 30 über den Zusatzbrenner 50 zur Verfügung zu stellen. Der Mischabschnitt kann dabei sowohl qualitativ als auch

quantitativ ausgebildet sein. Bei dieser Ausführungsform ist im Vergleich zu der Aus-

führungsform der Figur 4 auf den Zusatzkatalysator 170 verzichtet worden. Ansons-

ten gelten hier die gleichen Vorteile, wie sie mit Bezug zur Figur 4 erläutert worden

sind.

Auch die Ausführungsform der Figur 3 basiert auf den technischen Ausführungen zu Figur 4 und der erläuterten Funktionsweise. Jedoch ist hier noch eine weitere Variante für die Führung der Gase vorgesehen. So wird bei dieser Ausführungsform die heiRe Wärmetauscherseite 30 mit Brennstoff vom Brennstoffanschluss 160, mit Luft vom Luftzuführanschluss 150 oder mit einer Mischung aus Brennstoff und Luft versorgt. Die Luft kann dabei entweder direkt einem Zusatzbrenner 50 am heißen Fluideingang 34 der heißen Wärmetauscherseite 30 zugeführt werden oder über einen Luftwärmetauscher geführt mit dem Brennstoff vor dem Zusatzbrenner vermischt werden. In der Figur 3 ist diese Variante im Gleichstrom in der Aufheizvorrichtung 10 dargestellt. Selbstverständlich kann die heiRe Wärmetauscherseite 30 auch im Gegenstrom oder im Kreuzstrom zur kalten Wärmetauscherseite 40 geführt sein. Auch ist grundsätzlich eine Schaltbarkeit zwischen Gleichstrom und Gegenstrom denkbar. Die voranstehende Erläuterung beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Diese Ausführungsvariante ist sehr vorteilhaft, da dabei das Brennstoffzellensystem 100 schnell und effizient auf eine Betriebstemperatur gebracht werden kann. Dadurch kann der Betrieb des Zusatzbrenners 50 bereits nach einer kurzen Zeitspanne eingestellt werden.

Bezugszeichenliste

10 Aufheizvorrichtung

20 Wärmetauschermodul

22 Trennwand

30 heiße Wärmetauscherseite 32 heißer Fluideingang

34 heißer Fluidausgang

36 Oxidationsabschnitt

40 kalte Wärmetauscherseite 42 kalter Fluideingang

44 kalter Fluidausgang

46 Reformerabschnitt

50 Zusatzbrenner

100 Brennstoffzellensystem

110 Brennstoffzellenstapel

112 Anodenabschnitt

114 Kathodenabschnitt

120 Anodenzuführabschnitt

122 Anodenabführabschnitt

130 Reformer

132 Reformerzuführabschnitt

140 Kathodenzuführabschnitt

142 Kathodenabführabschnitt

150 Luftzuführanschluss

152 Reformer-Luftzuführabschnitt 154 Kathoden-Luftzuführabschnitt 156 Oxidations-Luftzuführabschnitt 160 Brennstoffanschluss

162 Brennstoff-Zufuhrabschnitt 164 Brennstoff-Bypassabschnitt 170 Zusatzkatalysator

180 Luft-Wärmetauscher

190 Abgasauslass

Claims

Patentansprüche

1. Aufheizvorrichtung (10) für ein Aufheizen eines Brennstoffzellenstapels (110) eines Brennstoffzellensystems (100) auf eine Betriebstemperatur, aufweisend ein Wärmetauschermodul (20) mit einer heißen Wärmetauscherseite (30) und einer kalten Wärmetauscherseite (40), welche miteinander in wärmeübertragendem Kontakt stehen, wobei die heiße Wärmetauscherseite (30) einen heißen Fluideingang (32) und einen heißen Fluidausgang (34) sowie die kalte Wärmetauscherseite (40) einen kalten Fluideingang (42) und einen kalten Fluidausgang (44) aufweisen, wobei weiter die kalte Wärmetauscherseite (40) einen katalytischen Reformerabschnitt (46) aufweist für ein zumindest teilweises Reformieren von durch die kalte Wärmetauscherseite (40) geführtem Brennstofffluid und die heiRe Wärmetauscherseite (30) einen katalytischen Oxidationsabschnitt (36) aufweist für ein zumindest teilweises Oxidieren von durch die heiRe Wärmetauscherseite (30) geführtem Stapelabgas des Brennstoffzel-

lenstapels (110).

2. Aufheizvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformerabschnitt (46) und der Oxidationsabschnitt (36) auf zwei unterschiedlichen Seiten einer gemeinsamen Trennwand (22) angeordnet sind, welche die heiße Wärmetauscherseite (30) und die kalte Wärmetauscherseite (40) vonei-

nander trennt.

3. Aufheizvorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformerabschnitt (46) und der Oxidationsabschnitt (36) auf den unterschiedlichen Seiten der Trennwand (22) flächig überlappen, insbesondere deckungs-

gleich oder im Wesentlichen deckungsgleich sind.

4. Aufheizvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauschermodul (20) als Plattenwärmetauscher ausgebildet ist.

5. Aufheizvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die heiße Wärmetauscherseite (30) und die kalte Wär-

metauscherseite (40) für einen Betrieb im Gegenstrom ausgerichtet sind.

6. Aufheizvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der heiße Fluideingang (32) der heiRen Wärmetauscherseite (30) wenigstens eines der folgenden Stapelabgase zuführt:

- Anodenabgas - Kathodenabgas - Mischgas aus Anodenabgas und Kathodenabgas

7. Aufheizvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zusatzbrenner (50) für ein zusätzliches Aufheizen des Oxidationsabschnitts (36) der heiRen Wärmetauscherseite (30) vorgesehen ist, Insbesondere in und/oder an der heißen Wärmetauscherseite (30) angeord-

net ist.

8. Aufheizvorrichtung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzbrenner (50) wenigstens eine der folgenden Vorrichtungen aufweist:

- Zusatz-Oxidationskatalysator, insbesondere elektrisch beheizt - Flammenbrenner

- Hybridbrenner

- Elektrische Heizvorrichtung

9. Aufheizvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformerabschnitt (46) für einen unstöchiometri-

schen Betrieb ausgebildet ist, insbesondere einen CPOX Betrieb.

10. Brennstoffzellensystem (100), aufweisend

- zumindest einen Brennstoffzellenstapel (110) mit einem Anodenabschnitt (112) und einem Kathodenabschnitt (114),

- einen Anodenzuführabschnitt (120) zum Zuführen von reformierten Ano-

denzuführgas von einem Reformer (130) zu dem Anodenabschnitt (112),

- einen Kathodenzuführabschnitt (140) zum Zuführen von Kathodenzu-

führgas zum Kathodenabschnitt (114),

- einen Reformer (130) zum Reformieren von Reformerzuführgas,

- einen Reformerzuführabschnitt (132) zum Zuführen des Reformerzuführ-

gases zum Reformer (130), - einen Anodenabführabschnitt (122) zum Abführen von Anodenabgas, - einen Kathodenabführabschnitt (142) zum Abführen von Kathodenabgas,

wobei der Reformer (130) zumindest abschnittsweise als Aufheizvorrichtung (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist, wobei weiter der heiße Fluideingang (32) der heiRen Wärmetauscherseite (30) mit dem Anodenabführabschnitt (122) und/oder mit dem Kathodenabführabschnitt (142) in fluidkommunizierender Verbindung steht und der kalte Fluidausgang (44) der kalten Wärmetauscherseite (40) mit dem Anodenzuführabschnitt

(120) in fluidkommunizierender Verbindung steht.

11. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenabführabschnitt (142) und der Anodenabführabschnitt (122) mit dem heißen Fluideingang (32) der heiRen Wärmetauscherseite (30) fluid-

kommunizierend verbunden sind.

12. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Luftzuführanschluss (150) ausgebildet ist mit wenigstens einem folgenden Luftzuführabschnitte:

- Reformer-Luftzuführabschnitt (152) zum kalten Fluideinlass (42) der kalten Wärmetauscherseite (40)

- Kathoden-Luftzuführabschnitt (154) zum Kathodenzuführabschnitt (140)

- Oxidations-Luftzuführabschnitt (156) zum heißen Fluideinlass (32) der heißen Wärmetauscherseite (30)

13. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brennstoffanschluss (160) vorgesehen ist mit einem Brennstoff-Zufuhrabschnitt (162) zum kalten Fluideinlass (42) der kalten Wärmetauscherseite (40) und insbesondere mit einem Brennstoff-Bypassabschnitt (164) zu dem heißen Fluideinlass (32) der heiRen Wärmetauscherseite (30).

14. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem heißen Fluidausgang (34) der heißen Wärmetauscherseite (30) ein Zusatzkatalysator (170) zur katalytischen Oxidation fluid-

kommunizierend verbunden ist.

15. Verfahren für ein Aufheizen eines Brennstoffzellensystem (100) mit den Merk-

malen eines der Ansprüche 11 bis 14, aufweisend die folgenden Schritte:

- Aufheizen des Oxidationsabschnitts (36) der heißen Wärmetauscherseite (30) auf eine Oxidations-Betriebstemperatur, insbesondere mittels ei-

nes Zusatzbrenners (50),

- Aufheizen des Reformerabschnitts (46) der kalten Wärmetauscherseite (40) mittels exothermer Oxidation am Oxidationsabschnitt (36) und durch Wärmeübertragung von der heißen Wärmetauscherseite (30) auf die kalte Wärmetauscherseite (40) auf eine Reformer-

Betriebstemperatur,

- Aufheizen des Brennstoffzellenstapels (110) durch Reformation von Brennstofffluid am Reformerabschnitt (46) der kalten Wärmetauscherseite (40).