AT523668A1 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1), insbesondere SOFC-System, mit mehreren Komponenten, wobei die Komponenten (2, 3, 4, 5) zumindest einen Brennstoffzellenstapel (2), einen Reformer (3), einen Nachbrenner (4) und zumindest einen Wärmetauscher (5) umfassen, wobei für den Brennstoffzellenstapel (2), den Reformer (3), den Nachbrenner (4) und den Wärmetauscher (5) jeweils ein eigenes, thermisch isolierendes Gehäuse (6) vorgesehen ist, wobei jede dieser Komponenten (2, 3, 4, 5) innerhalb eines Gehäuses (6) thermisch isoliert angeordnet ist. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), insbesondere eines Brennstoffzellensystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei Betriebsfluide durch eine Umhausung (7) zu einzelnen Komponenten (2, 3, 4, 5) des Brennstoffzellensystems (1), welche jeweils in einem eigenen Gehäuse (6) angeordnet sind, geleitet werden.

Description

Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines

Brennstoffzellensystems

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere SOFC-System, mit mehreren Komponenten, wobei die Komponenten zumindest einen Brennstoffzellenstapel, einen Reformer, einen Nachbrenner und zumindest einen

Wärmetauscher umfassen.

Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, wobei Betriebsfluide durch eine Umhausung zu einzelnen Komponenten des Brennstoffzellensystems, welche jeweils in einem eigenen

Gehäuse angeordnet sind, geleitet werden.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, alle warmen und heißen Komponenten bzw. Elemente eines Brennstoffzellensystems innerhalb einer sogenannten Hotbox anzuordnen. Warme und heiße Komponenten sind in der Regel jene Komponenten, in welchen Betriebsfluide verarbeitet werden, wie insbesondere Reformer, Brenner, Wärmetauscher und Brennstoffzellenstapel. Die Hotbox isoliert alle diese Elemente thermisch gegenüber der Umgebung und umfasst üblicherweise einen Trägerrahmen, welcher mit Metallplatten zu einem Gehäuse verbunden wird. Um Hohlräume innerhalb der Hotbox, welche zwangsläufig entstehen, da zwischen den einzelnen Komponenten und auch zur Wandung der Hotbox ein Abstand vorhanden ist, zu füllen, wird oftmals ein thermisch isolierendes Granulat in diesen Hohlräumen angeordnet. Dadurch ist eine passable thermische Isolierung aller warmen Komponenten eines Brennstoffzellensystems geschaffen, wobei alle warmen Komponenten von Komponenten, welche nicht wärmeresistent sind, getrennt sind, um insbesondere auch Wirkungsgradverluste so gering wie möglich zu halten. Dieses frei beweglich angeordnet Granulat hat jedoch den Nachteil, dass es in

lungengängige Partikel zerfallen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem mit einer vom Stand der Technik unterschiedlichen Isolierung bereit zu stellen, durch welche warme

Komponenten eines Brennstoffzellensystems effizient thermisch isolierbar sind.

Ein weiteres Ziel ist es, ein Verfahren zum sicheren Betreiben eines

Brennstoffzellensystems bereit zu stellen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einem Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art für den Brennstoffzellenstapel, den Reformer, den Nachbrenner und den Wärmetauscher jeweils ein eigenes, thermisch isolierendes Gehäuse vorgesehen ist, wobei jede dieser Komponenten

innerhalb eines Gehäuses thermisch isoliert angeordnet ist.

Ein mit der Erfindung erzielter Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass dadurch nicht mehr eine einzige, für alle Komponenten gemeinsame Wärmedämmung vorgesehen ist, sondern mehrere, wobei diese jeweils der jeweiligen Komponente angepasst sind. Die aus dem Stand der Technik bekannte Hotbox ist folglich komplett aufgelöst. Auch das Granulat ist nicht mehr notwendig. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung und Anordnung des Brennstoffzellensystems und deren einzelner Komponenten sind Wärmeübertragungen an die Umgebung vermindert und Wärmeverluste weitestgehend vermieden. Weiter muss bei einer Revision und/oder Reparatur und/oder Austausch einer einzigen Komponente nur dieses spezifische Gehäuse abgenommen werden. Alle übrigen Komponenten

können unberührt und unverändert bleiben.

Gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein SOFC-System (SOFC steht für „solid oxide fuel cell“, bzw. Festoxidbrennstoffzelle), zur Verfügung gestellt. Ein derartiges Brennstoffzellensystem kann beispielsweise mit flüssigem oder gasförmigem Kraftstoff betrieben werden. Als zweites Betriebsfluid ist Luft vorgesehen. Unter Luft ist im Rahmen der Erfindung ein sauerstoffhaltiges, insbesondere gasförmiges, Fluid zu verstehen. Günstigerweise ist Luft Umgebungsluft. Es kann vorgesehen sein, dass Wasserstoff, Ethanol, Methanol, Erdgas oder Ähnliches als Kraftstoff verwendet werden. Im Rahmen der Erfindung werden unter Betriebsfluiden jene Fluide verstanden, welche zum Betrieb des Brennstoffzellensystem den einzelnen Komponenten zugeführt werden und im Brennstoffzellenstapel verwendet werden.

Spülgas wird in der Regel getrennt von den Betriebsfluiden geführt.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem umfasst vorteilhafterweise zumindest einen Wärmetauscher in einem Kathodenpfad und einen weiteren Wärmetauscher in einem Anodenpfad. Der Brennstoffzellenstapel umfasst zumindest einen

Kathodenabschnitt, einen Anodenabschnitt und einen Elektrolytabschnitt, wobei auch

zwei oder mehr Brennstoffzellenstapel vorgesehen sein können. Der Nachbrenner ist

üblicherweise stromabwärts des Brennstoffzellenstapels angeordnet und zum katalytischen Verbrennen von aus dem Brennstoffzellenstapel austretenden Abgas ausgebildet. Darüber hinaus ist es günstig, wenn ein Startbrenner vorgesehen ist, durch welches das Brennstoffzellensystem oder zumindest einzelne Komponenten davon auf Betriebstemperatur bringbar sind. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Nachbrenner und der Startbrenner als ein integrales Bauteil ausgebildet sind. Weitere Komponenten können vorteilhaft zusätzlich im Brennstoffzellensystem

angeordnet sein.

Das Gehäuse umschließt die jeweilige Komponente zur Gänze, wobei dieses die Komponente thermisch abdichtet. Es kann vorgesehen sein, dass thermische Dichtungen der Gehäuse mit dünnen metallischen Folien verkleidet sind, um dieses zu stabilisieren. Zusätzlich oder alternativ können die Gehäuse auch thermische Isolationsmatten und/oder Isolationsbänder umfassen. Günstig ist es in jedem Fall, wenn die Gehäuse und insbesondere deren thermisch isolierende Elemente individuell für jede Komponente angepasst und angeordnet sind. Durch individuell angepasste Gehäuse ist es möglich, das Brennstoffzellensystem an vorgegebenen

Bauraum anzupassen.

Die separate Anordnung der einzelnen Komponenten in jeweils einem einzigen Gehäuse hat den weiteren Vorteil, dass dadurch sämtliche Ströme, welche dem Brennstoffzellensystem zugeführt werden und aus diesem heraustreten zielgerichtet und effizient zu den einzelnen Komponenten bringbar sind. Unter Strömen werden hier insbesondere alle Arten von Strömen verstanden wie Betriebsfluide, Wärme,

elektrische Signale, elektrische Ströme und dergleichen verstanden.

Erfindungsgemäß ist jede warme Komponente von einem separaten Gehäuse umschlossen. Das heißt, jedes Element einer sogenannten Gasverarbeitungseinrichtung sowie auch der Brennstoffzellenstapel sind innerhalb eines Gehäuses angeordnet und gegenüber allen anderen Komponenten und Elementen thermisch isoliert. Günstig ist es, wenn die Gehäuse jeweils auch möglichst gasdicht ausgebildet sind, das heißt, dass außer den notwendigen Fluidströmen zwischen den einzelnen Komponenten möglichst kein oder zumindest nur wenig Gas und/oder Fluid aus einem Gehäuse entweichen kann. Grundsätzlich kann es günstig sein, wenn alle Gehäuse baugleich ausgebildet sind. Es kann jedoch

auch vorgesehen sein, dass diese sich unterscheiden, weil beispielsweise

unterschiedliche Komponenten unterschiedliche Anforderungen an eine thermische

Isolierung und/oder Gasisolierung haben.

Es ist vorteilhaft, wenn die Komponenten mit dem jeweiligen Gehäuse jeweils beabstandet zueinander angeordnet sind. Dadurch ist sichergestellt, dass diese zur Gänze thermisch voneinander entkoppelt sind. Weiter ist es dadurch möglich, dass beispielsweise bei einer Störung einer einzelnen Komponente nur diese getauscht werden muss; alle anderen Komponenten bleiben davon unabhängig im Brennstoffzellensystem. Die einzigen Verbindungen zwischen den einzelnen Komponenten sind die Fluidleitungen, über welche Betriebsfluide von einer Komponente in eine nächste förderbar sind, beispielsweise vom Reformer in den

Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels und von dort in den Nachbrenner.

Günstig ist es, wenn eine Umhausung vorgesehen ist, wobei alle Komponenten mit dem jeweiligen Gehäuse innerhalb der Umhausung und insbesondere beabstandet davon angeordnet sind. Durch die Umhausung ist ein Sicherungskonzept des Brennstoffzellensystems weiter verbessert. Die Umhausung ist insbesondere gasdicht ausgebildet, sodass ungewollt kein oder zumindest nur sehr wenig Gas oder Fluid (wie Betriebsfluid) aus der Umhausung entweichen kann. Innerhalb der Umhausung sind insbesondere alle Komponenten des Brennstoffzellensystems mit dem jeweiligen Gehäuse angeordnet, wobei insbesondere immer ein Abstand zwischen den Gehäusen zueinander und den Gehäusen zur Umhausung besteht. Diese Abstände bilden innerhalb der Umhausung einen Spalt mit mehreren miteinander verbundenen Teilstücken aus. In diesem Spalt ist insbesondere kein Granulat oder dergleichen angeordnet, sondern es sind insbesondere Gase wie

Inertgas, Luft, Spülgas, Abgas oder dergleichen durchführbar.

Hierfür ist es weiter günstig, wenn die Umhausung einen Gaseinlass und einen Gasauslass aufweist, wobei insbesondere Spülgas durch die Umhausung führbar ist. Der Gaseinlass und der Gasauslass sind insbesondere verschließbare Öffnungen in der Umhausung, über welche ein konstanter oder periodisch pulsierender Gasstrom in die Umhausung hinein und aus dieser herausführbar ist. Dieser Gasstrom ermöglicht insbesondere, dass eventuell aus den Komponenten und/oder Gehäusen austretende giftige oder brennbare Gase verdünnt und schließlich aus der Umhausung rauszuführbar sind. Der Gasstrom verdünnt vorteilhaft austretende Gase

bzw. Betriebsfluide soweit, dass ein explosionsfähiges Gemisch vermieden ist.

Insbesondere ist es günstig, wenn nur ein einziger Gasauslass vorgesehen ist, sodass sich das gesamte Gas, welches innerhalb der Umhausung vor einem Austritt dort gesammelt wird. Grundsätzlich können zwei oder mehr Gaseinlässe vorgesehen, wobei ein einziger Gaseinlass ausreichend zu sein scheint. Unter Spülgas wird im Rahmen der Erfindung insbesondere ein gasförmiges Fluid wie Luft oder Inertgas verstanden. In der Regel wird als Spülgas kein Betriebsfluid verwendet; die Betriebsfluidleitung, welche Luft zur Kathode fördert, ist in der Regel getrennt vom Spülgas angeordnet. Grundsätzlich kann es jedoch auch günstig sein, wenn aus dem Brennstoffzellenstapel austretendes und im Nachbrenner nachverbranntes Abgas als Spülgas verwendet wird. Das Spülgas wird insbesondere pulsierend durch die Umhausung geführt, wobei mit Vorteil ein Inertgas als Spülgas verwendet wird, um ein Zustandekommen eines explosionsfähigen Gemisches durch austretende Betriebsfluide zu vermeiden. Es hat sich allerdings herausgestellt, dass sich auch Umgebungsluft als Spülgas sehr gut eignet. Günstigerweise kann auch Abgas aus dem Brennstoffzellenstapel, welches im Nachbrenner nachverbrannt wurde, selbst

als Spülgas verwendet werden.

Die einzelnen Komponenten mit den jeweiligen Gehäusen sind in der Umhausung insbesondere derart angeordnet, dass ein definierter Strom von Spülgas einstellbar ist, wodurch insbesondere eine Umspülung einzelner Komponenten gezielt regelbar ist. Das heißt, die Komponenten sind nicht zwingend regelmäßig innerhalb der Umhausung angeordnet und zwischen den Gehäusen und der Umhausung angeordnete Abstände und Spalte auch unterschiedliche groß. Die Abstände können auch von einer regelmäßigen geometrischen Form abweisen, sodass ein

Spülgasstrom sich innerhalb der Umhausung verändern kann.

Vorteilhaft ist es, wenn stromabwärts der Umhausung eine Filtereinrichtung angeordnet ist. Diese ist also insbesondere außerhalb der Umhausung angeordnet und mit dieser verbunden, wobei der Gasauslass derart mit der Filtereinrichtung verbunden ist, dass das gesamte Gas, welches sich innerhalb der Umhausung befindet, in die Filtereinrichtung fließt oder geleitet wird. Die Filtereinrichtung ist insbesondere ein Partikelfilter oder umfasst einen solchen. Durch die Filtereinrichtung ist es möglich gegebenenfalls entstehende lungenwirksame Partikel aus dem Gasstrom zu filtern und einen Übertritt derselben in die Umgebung zu

vermeiden.

Günstigerweise ist eine Gasanalysevorrichtung vorgesehen. Diese bevorzugt stromabwärts der Filtereinrichtung angeordnet ist. Ist keine Filtereinrichtung vorgesehen, ist die Gasanalysevorrichtung unmittelbar stromabwärts des Gasauslasses der Umhausung angeordnet. In jedem Fall ist es günstig, wenn die Gasanalysevorrichtung außerhalb der Umhausung angeordnet ist und dieser ein gesamter Gasstrom, welcher sich innerhalb der Umhausung befindet, zugeführt wird. Die Gasanalysevorrichtung umfasst mit Vorteil mehrere Gassensoren, durch welche

eine Gaszusammensetzung analysierbar ist.

Günstig kann es sein, wenn der Gasanalysevorrichtung ein weiteres Spülgas zugeführt wird, wobei dieses wieder insbesondere pulsierende Umgebungsluft ist. Dadurch ist die Gasanalysevorrichtung periodisch kalibrierbar, wodurch ein Detektionslimit geringgehalten werden kann. Dadurch sind in weiterer Folge Sensoren mit einem relativem Messprinzip wie auf Metalloxid basierende Sensoren verwendbar. Diese Sensoren sind klein baubar und reagieren bereits auf sehr

geringe sowie kurzfristige Änderungen in einer Gaszusammensetzung.

Von Vorteil kann es sein, wenn außerhalb der Umhausung ein Wärmetauscher angeordnet ist, welcher insbesondere stromaufwärts des Gaseinlasses angeordnet ist. Das heißt, dass das Spülgas bevor dieses in die Umhausung geführt wird, zuerst durch einen Wärmetauscher geleitet wird. Das Spülgas wird durch eine kalte Seite des Wärmetauschers geführt. Über eine warme Seite des Wärmetauschers wird Gas, welcher aus der Gasanalysevorrichtung geleitet wird, geführt. Die warme Seite des Wärmetauschers ist folglich stromabwärts der Gasanalysevorrichtung angeordnet, sodass dieses Gas die Wärme auf das Spülgas überträgt bevor es an die Umgebung

abgegeben wird. Dadurch sind Wärmeverluste im System weiter herabgesetzt.

Vorteilhaft ist es, wenn die Umhausung eine thermische Isolierung aufweist. Folglich weisen bei dieser Ausführung sowohl die jeweiligen Gehäuse als auch die Umhausung eine thermische Isolierung auf. Die thermische Isolierung der Umhausung ist besonders günstig, wenn die thermische Isolierung durch die Gehäuse der einzelnen Komponenten gering und/oder dünnwandig ausgebildet ist. Vorteilhaft ist es, wenn die thermische Isolierung der Umhausung dünnwandig ausgebildet ist, wobei durch diese Wärmeverluste oder ein Wärmeübertrag vom

Brennstoffzellensystem auf die Umgebung weiter vermindert ist.

Verwendet wird das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem insbesondere in einem Kraftfahrzeug. Das Brennstoffzellensystem wird vorteilhaft auch als

stationäres System verwendet.

Das weitere Ziel wird erreicht, wenn bei einem Verfahren der eingangs genannten Art Spülgas in die Umhausung geleitet und innerhalb der Umhausung geführt wird,

wobei die Komponenten mit den Gehäusen vom Spülgas umströmt werden.

Ein damit erzielter Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass durch das Durchführen von Spülgas eventuell aus den Komponenten und Gehäusen austretendes Gas verdünnt wird. Dieses Verfahren ermöglicht einen besonders sicheren Betrieb des Brennstoffzellensystems. Günstigerweise weist die Umhausung einen Gaseinlass auf, durch welchen das Spülgas in die Umhausung geführt wird. Das Spülgas verdünnt austretendendes Gas (dies sind insbesondere Betriebsfluide oder Teile davon), welches giftig und/oder brennbar sein kann, und verhindert dadurch, dass sich zwischen den Gehäusen innerhalb der Umhausung ein explosionsfähiges Gemisch bildet. Dadurch, dass zwischen den einzelnen Gehäusen und auch zwischen den Gehäusen und der Umhausung stets ein Spalt ausgebildet ist, wird das Spülgas durch die gesamte Umhausung geleitet, wodurch ein sicherer Betrieb des Brennstoffzellensystems möglich ist. Günstigerweise wird der Spülgasstrom derart geregelt, dass einzelne Komponenten gezielt mit einer

vorbestimmten Menge an Spülgas umströmt werden.

Günstig ist es weiter, wenn das Spülgas an einem Auslass der Umhausung gesammelt und stromabwärts der Umhausung einer Gasanalysevorrichtung zugeführt wird. Die Umhausung weist folglich einen Gasauslass auf, durch welchen das Spülgas samt ausgetretenen Betriebsfluiden aus der Umhausung geführt werden kann. Um sicherzustellen, dass kein giftiges und/oder brennbares Gas an die Umgebung abgegeben wird, ist stromabwärts der Umhausung eine Gasanalysevorrichtung vorgesehen, welcher der gesamte aus der Umhausung austretende Gasstrom zugeführt wird. Die Gasanalysevorrichtung umfasst einen oder mehrere Gassensoren, welche den Gasstrom analysieren. Werden keine vorab festgelegten Schwellenwerte für einen oder mehrere Gassensoren überschritten, kann der Gasstrom ohne weiteres der Umgebung zugeführt werden. Wird zumindest ein vorab festgelegter Schwellenwert überschritten, wird das Brennstoffzellensystem

oder zumindest eine Komponente davon in einen sogenannten sicheren Zustand

überführt, ohne dass eine Gefährdung vom System ausgeht. Um einen sicheren Zustand zu erreichen, kann beispielsweise der Spülgasstrom erhöht werden oder Strömungsvolumen der Betriebsfluide können verringert oder erhöht also angepasst werden. Gegebenenfalls kann auch das Brennstoffzellensystem heruntergefahren

werden.

Vorteilhaft kann es weiter sein, wenn der Gasanalysevorrichtung insbesondere periodisch ein weiteres Spülgas zugeführt wird. Dieses Spülgas wird insbesondere nicht zuerst durch die Umhausung geführt, sondern ist ein bis zur Gasanalysevorrichtung getrennt vom ersten Spülgas geführtes Spülgas. Das weitere Spülgas wird der Gasanalysevorrichtung insbesondere in periodischen Abständen zugeführt, wobei eine Zuführung des Spülgasstroms dabei entweder kurz unterbrochen oder auch weitergeführt wird. Durch das weitere Spülgas ist es möglich, die Gasanalysevorrichtung sowie einzelne Sensoren davon zu kalibrieren und/oder diese auf eine korrekte Funktion zu überprüfen. Weiter kann das weitere Spülgas dazu verwendet werden, Wärme abzutransportieren. Günstig kann es auch sein, wenn zwischen der Umhausung und der Gasanalysevorrichtung eine Filtereinrichtung vorgesehen ist, um das aus der Umhausung austretende Gas von

Partikeln zu filtern.

Es kann günstig sein, wenn das aus der Gasanalysevorrichtung austretende Gas einem Wärmetauscher zugeführt wird, um dessen Wärme an das erste Spülgas, welches durch eine kalte Seite des Wärmetausches geleitet wird bevor es in die

Umhausung geführt wird, abgibt.

Weitere Vorteile, Merkmale und Wirkungen ergeben sich aus den nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen. In den Zeichnungen, auf welche dabei Bezug

genommen wird, zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen

Brennstoffzellensystems;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen

Brennstoffzellensystems.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 30 gemäß dem Stand der Technik. Dieses umfasst einen Brennstoffzellenstapel 2, einen Reformer 3, einen Nachbrenner 4, einen Starbrenner 13 und zwei Wärmetauscher 5 und 14. Alle diese Komponenten 2, 3, 4, 5, 13, 14 sind in einer gemeinsamen Umhausung 7 angeordnet, wodurch eine sogenannte Hotbox gebildet ist. Alle Komponenten 2, 3, 4, 5, 13, 14 des Brennstoffzellensystems 30 sind also gemeinsam gegenüber der Umgebung thermisch isoliert. Innerhalb der Umhausung 7 ist thermisch isolierendes Granulat 31 angeordnet, um alle Hohlräume zu füllen. Dem Brennstoffzellensystem werden Betriebsfluide (Kraftstoff und Luft) aus zumindest einer Betriebsfluidquelle 15 zugeführt und am Ausgang des Brennstoffzellensystem wird Abgas 16 an die Umgebung abgegeben und produzierter Strom beispielsweise einer Energiespeichereinheit 17 zugeführt. Weiter ist eine Gasanalysevorrichtung 11

vorgesehen.

In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1 gezeigt. Es ist ersichtlich, dass die Hotbox aufgelöst ist. Die Komponenten 2, 3, 4, 5, 13, 14 weisen alle ein separates Gehäuse 6 auf, welches thermisch isolierend ausgebildet ist. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst mehrere Komponenten 2, 3, 4, 5, 13, 14: einen Brennstoffzellenstapel 2, einen Reformer 3, einen Nachbrenner 4, einen ersten Wärmetauscher 5, einen Starbrenner 13 und einen zweiten Wärmtauscher 14, wobei alle diese Komponenten 2, 3, 4, 5, 13, 14 ein eigenes, der jeweiligen Komponente 2, 3, 4, 5, 13, 14 zugewiesenes Gehäuse 6 aufweist. Die Gehäuse 6 sind jeweils thermisch isolierend ausgebildet, sodass jede Komponente 2, 3, 4, 5, 13, 14 für sich alleine thermisch isoliert angeordnet und ausgebildet ist. Die Gehäuse 6 sind weiter auch weitestgehend gasdicht ausgebildet. Im Brennstoffzellenstapel 2 entstehende

elektrische Energie ist in einer Energiespeichereinheit 17 speicherbar.

Es ist weiter eine Umhausung 7 vorgesehen, welche alle Komponenten 2, 3, 4, 5, 13, 14 mit Gehäusen 6 in sich einschließt, wobei alle Komponenten 2, 3, 4, 5, 13, 14 von sich selbst und von der Umhausung 7 beanstandet angeordnet sind. Die Umhausung 7 weist einen Gaseinlass 8 und einen Gasauslass 9 auf, durch welche Spülgas in die Umhausung hinein bzw. herausgeführt werden kann. Spülgas, üblicherweise Luft oder Inertgas, wird von einer Spülgasquelle 13 über den Gaseinlass 8 in die Umhausung 7 geführt, um dort gegebenenfalls von den Komponenten 2, 3, 4, 5, 13,

14 und durch die Gehäuse 6 ausgetretene giftige und/oder brennbare Gase zu

verdünnen. Beim Gasauslass 9 wird der Gasstrom gesammelt und in weiterer Folge

an die Umgebung 19 abgegeben.

Stromabwärts des Gasauslasses 9 und außerhalb der Umhausung 7 ist beim Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 2 eine Filtereinrichtung 10 vorgesehen, um Partikel aus dem Gasstrom zu entfernen. Stromabwärts der Filtereinrichtung 10 ist eine Gasanalysevorrichtung 11 angeordnet, welche mehrere Gassensoren umfasst, um beispielsweise einen CO-Gehalt, H2-Gehalt, CH4-Gehalt und/oder NH3-Gehalt im Gasstrom zu bestimmen. Der Gasanalysevorrichtung 11 wird von einer weiteren Gasquelle 18 ein weiteres Spülgas zugeführt, wodurch die Sensoren der Gasanalysevorrichtung 11 kalibriert werden. Stromabwärts der

Gasanalysevorrichtung 11 wird der Gasstrom an die Umgebung abgegeben.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1. Dabei entsprechen die Elemente mit denselben Bezugszeichen jenes des Brennstoffzellensystems 1 gemäß Fig. 2 und haben auch die gleiche Funktionsweise, weswegen darauf nicht mehr im Detail eingegangen wird. Beim Brennstoffzellensystem 1 gemäß Fig. 3 weist die Umhausung 7 eine thermische Isolierung 12 auf, um die gesamte thermische Isolierung des Brennstoffzellensystems 1 weiter zu verbessern. An den thermisch isolierenden Gehäusen 6 der Komponenten 2, 3, 4, 5, 13, 14 ändert sich im Vergleich zur Fig. 2

nichts.

Es ist weiter ein Wärmetauscher 20 vorgesehen, welcher außerhalb der Umhausung 7 angeordnet ist. Das Spülgas wird durch eine kalte Seite des Wärmetauschers 20 geführt und vom warmen Gasstrom, welcher aus der Gasanalysevorrichtung 11 austritt und über die warme Seite des Wärmetauschers 20 strömt, aufgewärmt.

Dadurch wird also die gesamte Wärme des Brennstoffzellensystems 1 genutzt.

Durch die erfindungsgemäße separate Isolierung der Komponenten 2, 3, 4, 5, 13, 14 ist es möglich, Ströme wie Betriebsfluide oder elektrische Ströme aller Art zielgerichtet zu einer jeweiligen Komponente und von dieser weg zu leiten. Diese

Ströme sind in den Fig. 2 und 3 zur besseren Übersicht nicht dargestellt.

Es wird darauf hingewiesen, dass die Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 2 und 3 auch miteinander kombiniert werden können. So kann beispielsweise auch das

Brennstoffzellensystem 1 gemäß Fig. 3 eine Filtervorrichtung 10 aufweisen und/oder

bei einem Brennstoffzellensystem gemäß Fig. 2 ein Wärmetauscher vorgesehen

sein.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems 1 wird Spülgas während des gesamten Betriebs des Brennstoffzellensystems 1 pulsierend derart durch die Umhausung 7 geführt, dass die der Komponenten 2, 3, 4, 5, 13, 14 vom Spülgas umströmt werden und Gas, welches aus den der Komponenten 2, 3, 4, 5, 13, 14 austritt, durch das Spülgas verdünnt wird. Stromabwärts der Umhausung wird das Gas hinsichtlich einer Anwesenheit

verschiedener Gase in der Gasanalysevorrichtung 11 analysiert.

Claims (10)

Patentansprüche

1. Brennstoffzellensystem (1), insbesondere SOFC-System, mit mehreren Komponenten, wobei die Komponenten (2, 3, 4, 5) zumindest einen Brennstoffzellenstapel (2), einen Reformer (3), einen Nachbrenner (4) und zumindest einen Wärmetauscher (5) umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass für den Brennstoffzellenstapel (2), den Reformer (3), den Nachbrenner (4) und den Wärmetauscher (5) jeweils ein eigenes, thermisch isolierendes Gehäuse (6) vorgesehen ist, wobei jede dieser Komponenten (2, 3, 4, 5) innerhalb eines

Gehäuses (6) thermisch isoliert angeordnet ist.

2. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten (2, 3, 4, 5) mit dem jeweiligen Gehäuse (6) jeweils beabstandet

zueinander angeordnet sind.

3. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umhausung (7) vorgesehen ist, wobei alle Komponenten (2, 3, 4, 5) mit dem jeweiligen Gehäuse (6) innerhalb der Umhausung (7) und insbesondere

beabstandet davon angeordnet sind.

4. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhausung (7) einen Gaseinlass (8) und einen Gasauslass (9) aufweist, wobei

insbesondere Spülgas durch die Umhausung (7) führbar ist.

5. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,

dass stromabwärts der Umhausung (7) eine Filtereinrichtung (10) angeordnet ist.

6. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch

gekennzeichnet, dass eine Gasanalysevorrichtung (11) vorgesehen ist.

7. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch

gekennzeichnet, dass die Umhausung (7) eine thermische Isolierung (12) aufweist.

8. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), insbesondere eines Brennstoffzellensystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei Betriebsfluide durch eine Umhausung (7) zu einzelnen Komponenten (2, 3, 4, 5) des Brennstoffzellensystems (1), welche jeweils in einem eigenen Gehäuse (6)

angeordnet sind, geleitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass Spülgas in die

Umhausung (7) geleitet und innerhalb der Umhausung (7) geführt wird, wobei die

Komponenten (2, 3, 4, 5) mit den Gehäusen (6) vom Spülgas umströmt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Spülgas an einem Gasauslass (9) der Umhausung (7) gesammelt und stromabwärts der

Umhausung (7) einer Gasanalysevorrichtung (11) zugeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasanalysevorrichtung (11) insbesondere periodisch ein weiteres Spülgas zugeführt

wird.