AT528444A1 - Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zur Regelung der Temperatur eines Oxidationskatalysators eines derartigen Brennstoffzellensystems - Google Patents

Abstract

Es sind Brennstoffzellensysteme mit einem Brennstoffzellenstapel (20), einer Kathodengaseinlassleitung (12), die sich zu einem Kathodengaseinlass (18) des Brennstoffzellenstapels (20) erstreckt, einer Anodengaseinlassleitung (28), die sich von einer Anodengasquelle (26) zu einem Anodengaseinlass (30) des Brennstoffzellenstapels (20) erstreckt, einer Kathodengasauslassleitung (24), die mit einem Kathodengasauslass (22) des Brennstoffzellenstapels (20) verbunden ist, einer Anodengasauslassleitung (36), die mit einem Anodengasauslass (34) des Brennstoffzellenstapels (20) verbunden ist, einem Oxidationskatalysator (38), der in einer Mischgasleitung (39) angeordnet ist, in welche die Anodengasauslassleitung (36) und die Kathodengasauslassleitung (24) münden,, bekannt. Um eine Überhitzung zu verhindern und eine schnellere Aufheizung zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass eine Lufteinlassleitung (40) in die Mischgasleitung (39) stromaufwärts des Oxidationskatalysators (38) mündet, in der ein Regelventil (44) zur Regelung eines zuzuführenden Luftstroms in die Anodengasauslassleitung (36) angeordnet ist. Des Weiteren wird ein Verfahren zur Regelung der Temperatur eines Oxidationskatalysators (38) eines derartigen Brennstoffzellensystems vorgeschlagen, bei dem der Oxidationskatalysator (38) gekühlt wird, indem dem Oxidationskatalysator (38) über die Lufteinlassleitung (40) ein nicht erwärmter Luftstrom zugeführt wird, wenn die Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators (38) überschritten wird und die Temperatur eines Kathodengasauslassstroms in der Kathodengasauslassleitung (36) größer ist als eine Solltemperatur eines in den Oxidationskatalysator (38) einströmenden Mischgasstroms aus dem Luftstrom, dem Kathodengasauslassstrom und dem Anodengasauslassstrom.

Description

Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zur Regelung der Temperatur eines

Oxidationskatalysators eines derartigen Brennstoffzellensystems

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel, einer Kathodengaseinlassleitung, die sich zu einem Kathodengaseinlass des Brennstoffzellenstapels erstreckt, einer Anodengaseinlassleitung, die sich von einer Anodengasquelle zu einem Anodengaseinlass des Brennstoffzellenstapels erstreckt, einer Kathodengasauslassleitung, die mit einem Kathodengasauslass des Brennstoffzellenstapels verbunden ist, einer Anodengasauslassleitung, die mit einem Anodengasauslass des Brennstoffzellenstapels verbunden ist, und einem Oxidationskatalysator, der in einer Mischgasleitung angeordnet ist, in welche die Anodengasauslassleitung und die Kathodengasauslassleitung münden,, sowie ein Verfahren zur Regelung der Temperatur eines Oxidationskatalysators eines derartigen

Brennstoffzellensystems.

Brennstoffzellensysteme und insbesondere solche mit einem im Hochtemperaturbereich betriebenen Festoxidbrennstoffzellenstapel benötigen eine exakte Regelung der vorhandenen Temperaturen und eine möglichst schnelle Aufheizung auf die erforderlichen etwa 600°C bis 1000°C, um eine ausreichende Effizienz der in den Brennstoffzellen stattfindenden elektrochemischen Reaktionen zu erreichen. Derartige Brennstoffzellensystem werden insbesondere zur stationären Energiegewinnung oder in industriellen Anwendungen mit hoher Abwärmenutzung verwendet. Um ein Abführen von unverbrannten Brennstoffen, wie Wasserstoff, Kohlenmonoxid oder Methan, in die Umgebung zu verhindern, werden diese Systeme mit einem Oxidationskatalysator ausgeführt, der in der Auslassleitung der Anode angeordnet ist, jedoch zusätzlich mit der Auslassleitung der Kathodenseite verbunden

sein kann.

Um die im System vorhandene Energie möglichst effizient nutzen zu können und

gleichzeitig Schäden am Brennstoffzellenstapel durch zu schnelles Aufheizen oder im

Brennstoffzellenstapel auftretende Temperaturgradienten zu vermeiden, werden häufig

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komplizierte Thermomanagementsysteme mit einer Vielzahl zusätzlicher Komponenten

für eine entsprechende Regelung eingesetzt.

So wird in der WO2023/081952 A2 ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein Festoxidbrennstoffzellensystem, beschrieben, bei dem das Anodenauslassgas über verschiedene Wärmetauscher geführt wird und dabei sowohl Wärme an den Brennstoff in der Anodengaseinlassleitung abgibt als auch Wärme an die angesaugte Luft in der Kathodengaseinlassleitung abgibt. Dieses System weist des Weiteren einen Oxidationskatalysator auf, der sowohl mit Gas aus einem in der Anodengasrezirkulationsleitung angeordneten Wärmetauscher als auch aus der Kathodengasauslassleitung versorgt wird. Zusätzlich ist der Oxidationskatalysator mit einer weiteren Einlassleitung verbunden, in der ein Startbrenner angeordnet ist, der ebenfalls sowohl mit der Luftquelle als auch mit der Anodengasquelle verbunden ist. Dieser Startbrenner dient zum Aufheizen des Brennstoffzellensystems, wobei dessen Wärme auch der Luftzuführleitung, der Abgasleitung stromabwärts des Oxidationskatalysators oder der Kathodenabluftleitung zugeführt werden kann. Der Auslass des Oxidationskatalysators ist mit einem Wärmetauscher verbunden, dessen kalte Seite in der Lufteinlassleitung angeordnet ist, so dass das Anodengas durch die

Wärme des Oxidationskatalysators aufgewärmt werden kann.

Das Wärmemanagement dieses Brennstoffzellensystems benötigt eine Vielzahl an Aggregaten und Leitungen und somit einen großen Bauraum. Insbesondere wird zur Erwärmung des Oxidationskatalysators immer Brennstoff benötigt, für den gesonderte Leitungen und Einspritzventile vorgesehen werden müssen. Des Weiteren ist keine

Möglichkeit zur Verringerung der Temperatur am Oxidationskatalysator vorgesehen.

Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein Festoxidbrennstoffzellensystem, sowie ein Verfahren zur Regelung der Temperatur eines Oxidationskatalysators zu schaffen, welches einen möglichst geringen baulichen Aufwand benötigt und eine möglichst genaue Temperaturregelung und Kühlung des Oxidationskatalysators ermöglicht. Auf zusätzliche Brennstoffleitungen und andere

Brennstoff führende Aggregate soll verzichtet werden.

Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Regelung der Temperatur eines Oxidationskatalysators eines solchen Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des

Anspruchs 8 gelöst.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem, welches insbesondere als Hochtemperaturbrennstoffzellensystem ausgebildet ist, weist einen Brennstoffzellenstapel, insbesondere einen Festoxidbrennstoffzellenstapel auf, der über eine Kathodengaseinlassleitung, die sich zu einem Kathodengaseinlass des Brennstoffzellenstapels erstreckt, mit Luft oder einem anderen als Oxidant dienenden Kathodengas, wie reinem Sauerstoff, versorgt wird. Des Weiteren weist das Brennstoffzellensystem eine Anodengaseinlassleitung auf, die sich von einer Anodengasquelle, insbesondere einem Brennstofftank, in dem beispielsweise Wasserstoff oder ein methanhaltiger Brennstoff enthalten ist, zu einem Anodengaseinlass des Brennstoffzellenstapels erstreckt. Eine Kathodengasauslassleitung ist mit einem Kathodengasauslass des Brennstoffzellenstapels verbunden und eine Anodengasauslassleitung ist mit einem Anodengasauslass des Brennstoffzellenstapels verbunden. In einer Mischgasleitung, in welche die Anodengasauslassleitung und die Kathodengasauslassleitung münden, ist ein Oxidationskatalysator angeordnet, der dazu dient, den restlichen Brennstoff mit Sauerstoff aus der Umgebungsluft zu oxidieren und somit das Risiko von Explosionen oder Bränden zu minimieren und einen Ausstoß von Schadstoffen zu vermeiden. Durch den Oxidationskatalysator wird sichergestellt, dass keine wasserstoffhaltigen Gase, Kohlenwasserstoffe oder Kohlenmonoxide unkontrolliert in die Umgebung abgegeben werden. Erfindungsgemäß mündet eine Lufteinlassleitung in die Mischgasleitung stromaufwärts des Oxidationskatalysators, so dass der Oxidationskatalysator mit einem Luftstrom versorgt werden kann. In dieser Lufteinlassleitung ist ein Regelventil angeordnet, über welches ein in die Anodengasauslassleitung und somit zum Oxidationskatalysator zuzuführender Luftstrom geregelt werden kann. Durch diese geregelte Zuführung von Frischluft kann auch die Temperatur im Oxidationskatalysator

eingestellt werden. Insbesondere wird es möglich, in Phasen, in denen der

Oxidationskatalysator und das gesamte Brennstoffzellensystem bereits aufgeheizt sind, die im Kreislauf vorhandene Wärme zu reduzieren. Durch die so geschaffene Möglichkeit einer Temperaturregelung des Oxidationskatalysators kann dieser entsprechend auch für zusätzliche Temperaturregelungsaufgaben im Brennstoffzellensystem genutzt werden, wodurch der Aufbau des

Brennstoffzellensystems vereinfacht werden kann.

Beim entsprechenden erfindungsgemäßen Verfahren zur Regelung der Temperatur eines Oxidationskatalysators eines Brennstoffzellensystems wird der Oxidationskatalysator gekühlt, indem dem Oxidationskatalysator über die Lufteinlassleitung ein nicht erwärmter Luftstrom zugeführt wird, wenn die Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators überschritten wird und die Temperatur des Kathodengasauslassstroms in der Kathodengasauslassleitung größer ist als eine Solltemperatur des in den Oxidationskatalysator einströmenden Mischgasstroms, der aus dem Anodengasauslassstrom, dem Kathodengasauslasstrom und dem zugeführten Luftstrom besteht. Die Solltemperatur des in den Oxidationskatalysator einströmenden Mischgasstroms kann dabei sowohl bezüglich des Wirkungsgrades des Oxidationskatalysators selbst eingestellt werden als auch zur Temperaturregelung weiterer Gasströme, die mit dem Abluftstrom des Oxidationskatalysators in Wärmeaustausch gebracht werden. Gleichzeitig wird verhindert, dass eine Kühlung des Oxidationskatalysators vor dem Erreichen der Anspringtemperatur und vor dem Erreichen der Solltemperatur des in den Oxidationskatalysator einströmenden Mischgasstroms erfolgt. Auf diese Weise können Schäden durch Überhitzung am Oxidationskatalysator und bei Wärmekopplung des Abluftstroms mit den Einlassströmen auch ein Überhitzen des Brennstoffzellenstapels vermieden werden. Ein gegebenenfalls in der Lufteinlassleitung vorhandener Heizer wird in diesem Fall

ausgeschaltet.

Vorzugsweise ist in der Lufteinlassleitung ein elektrischer Heizer angeordnet. Durch die Anordnung dieses elektrischen Heizers in der Lufteinlassleitung kann der zum Oxidationskatalysator geleitete Luftstrom auch für eine zusätzliche und schnellere

Aufheizung und weitergehende Temperaturregelung des Oxidationskatalysators und

damit des Brennstoffzellensystems genutzt werden. Auch kann hierdurch die Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators schneller erreicht werden, wodurch bereits nach kurzer Zeit sichergestellt werden kann, dass kein Brennstoff in die

Umgebung austritt.

Vorzugsweise wird bis zum Erreichen der Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators ein dem Oxidationskatalysator über die Lufteinlassleitung zugeführter Luftstrom über den elektrischen Heizer erwärmt. Dies bildet insbesondere eine erste Phase nach dem Starten des Brennstoffzellensystems und ermöglicht so einerseits eine schnelle Aufheizung des Oxidationskatalysators und andererseits eine Aufheizung von Gasströmen die mit dem Abluftstrom des Oxidationskatalysators in Austausch stehen. Auf diese Weise werden die Zeiten, in denen nicht im Brennstoffzellenstapel umgesetzte Brennstoffe in die Umgebung dringen können,

minimiert.

Um die Anzahl der im Brennstoffzellensystem verwendeten Bauteile weiter zu reduzieren, ist die Lufteinlassleitung mit einem Gebläse fluidisch verbunden, von dem aus sich die Kathodengaseinlassleitung erstreckt. Es wird somit nur ein Gebläse sowohl für die Versorgung des Brennstoffzellenstapels als auch für die Versorgung des

Oxidationskatalysators mit Frischluft benötigt.

Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn in der Mischgasleitung zwischen der Einmündung der Lufteinlassleitung und dem Oxidationskatalysator ein Mischer angeordnet ist. Durch die Verwendung des Mischers wird eine vollständige Durchmischung des verbleibenden Brennstoffs im Anodengasauslassstrom, dem Kathodengasauslassstrom und dem Frischluftstrom sichergestellt, wodurch der Wirkungsgrad des Oxidationskatalysators erhöht werden kann und eine Flamme stromaufwärts des Oxidationskatalysators nicht

lokal auf einen Punkt am Oxidationskatalysator trifft und diesen schädigt.

Eine weitere Vereinfachung des Brennstoffzellensystem ergibt sich dadurch, dass in der

Kathodengaseinlassleitung ein Wärmetauscher angeordnet ist, in welchem ein

Wärmeaustausch zwischen dem Luftstrom in der Kathodengaseinlassleitung und einem Abgasstrom aus einer Abgasleitung erfolgt, die sich vom Oxidationskatalysator zum Wärmetauscher erstreckt. Dies hat zur Folge, dass durch die Temperaturregelung des Oxidationskatalysators beziehungsweise des durch den Oxidationskatalysator geleiteten Mischgasstroms auch die Temperatur des Kathodengaseinlassstroms geregelt werden kann. Dies ermöglicht eine aktive Wärmerückgewinnung aus dem Abluftbereich, wodurch der Gesamtenergieverbrauch des Brennstoffzellensystems

reduziert werden kann.

Vorzugsweise ist in der Kathodengasauslassleitung ein Temperatursensor angeordnet. Dieser Temperatursensor kann dazu genutzt werden, exakt die durch den Anodenauslassgasstrom zum Oxidationskatalysator eingebrachte Wärmemenge zu bestimmen und hieraus eine Solltemperatur und einen Solldurchfluss am elektrischen Heizer zu bestimmen und einzustellen, um entsprechend eine optimierte Wärmemenge in den Oxidationskatalysator und gegebenenfalls in den nachgeschalteten

Wärmetauscher einzubringen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Luftstrom über die Lufteinlassleitung mit betragsmäßig kleiner werdender Differenz zwischen der Solltemperatur des in den Oxidationskatalysator einströmenden Mischgasstroms und der Temperatur des Kathodengasauslassstroms mittels des Regelventils verringert und mit sich betragsmäßig steigender Differenz zwischen der Solltemperatur des in den Oxidationskatalysator einströmenden Mischgasstroms und der Temperatur des Kathodengasauslassstroms mittels des Regelventils vergrößert wird. Durch diese Regelung des Durchflusses des Luftstroms durch den Heizer und eine open-loop Regelung des Heizers kann eine schnelle Temperaturänderung erreicht

werden.

In einer hier zu weiterführenden vorteilhaften Ausführung wird der zugeführte Luftstrom bis zum Erreichen der Anspringtemperatur in Abhängigkeit eines benötigten Wärmestroms geregelt. Durch die Verwendung des Wärmestroms als Führungsgröße

der Regelung kann die Aufheizphase des Oxidationskatalysators optimiert werden.

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Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn das Einschalten und Ausschalten des Heizers in der Lufteinlassleitung über eine Hysterese geregelt wird. Auf diese Weise wird ein

häufiges aufeinander folgendes ein und Ausschalten des Heizers verhindert.

Besonders bevorzugt ist es, wenn in einer zweiten Phase der Aufheizung des Oxidationskatalysators, in der die Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators erreicht ist und die Temperatur des Kathodengasauslassstroms in der Kathodengasauslassleitung kleiner ist als die Solltemperatur des in den Oxidationskatalysator einströmenden Mischgasstroms, mehr Brennstoff aus der Anodengasquelle dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, als im Brennstoffzellenstapel umgesetzt wird. Da im Oxidationskatalysator eine exotherme Reaktion mit dem überschüssigen Brennstoff stattfindet, wird zusätzliche Wärme freigesetzt, die wiederum einerseits zur schnelleren Aufheizung des Oxidationskatalysators als auch weiterer im Wärmeaustausch stehender Gasströme genutzt werden kann. Des Weiteren kann in dieser Phase auf eine Bestromung des elektrischen Heizers verzichtet werden, wodurch Energie eingespart wird. Der notwendige Sauerstoff wird in dieser Phase durch den Kathodengasauslassstrom zur Verfügung gestellt, der in den Anodengasauslassstrom stromaufwärts des Oxidationskatalysators mündet. Zusätzlich erfolgt auf diese Weise eine vollständige Durchmischung des Brennstoffs mit der Luft, so dass die vorhandenen Brennstoffreste

minimiert werden können.

In einer hier zu weiterführenden Ausführungsform wird die dem Brennstoffzellenstapel zugeführte Brennstoffmenge in Abhängigkeit des Betriebsstroms des Brennstoffzellenstapels, dem gewünschten Umsetzungsgrad und in Abhängigkeit einer im Oxidationskatalysator durch die exothermen Reaktionen zu erzeugende Wärmemenge berechnet. Durch Berücksichtigung dieser Parameter wird verhindert, dass der im Anodengasauslassstrom vorhandene Brennstoff nicht mehr vollständig im Oxidationskatalysator umgewandelt werden kann. Stattdessen wird eine optimale

Brennstoffmenge zugeführt, mit der einerseits der gemessene erzeugte Betriebsstrom

aufrechterhalten werden kann und andererseits die erforderliche Aufheizung erreicht

wird.

Vorzugsweise wird die im Oxidationskatalysator zu erzeugende Wärmemenge in Abhängigkeit der Wärmemenge, die für die Aufheizung des Luftstroms im Wärmetauscher der Kathodengaseinlassleitung notwendig ist, berechnet. Entsprechend dient die Regelung des Oxidationskatalysators zusätzlich zur Regelung einer Soll-Eingangstemperatur des Kathodengases, wobei jedoch unabhängige Regelkreise genutzt werden. Somit werden die Prozessmittel, also sowohl die Menge des Brennstoffs als auch der Luft und deren Temperaturen über einen geschlossenen

Regelkreis geregelt.

Es wird somit ein Brennstoffzellensystem sowie ein damit verbundenes Verfahren zur Regelung der Temperatur des Oxidationskatalysators geschaffen, durch welche der Aufbau des Brennstoffzellensystems im Vergleich zu bekannten Ausführungen deutlich vereinfacht wird und ein Energieverlust durch abgeführte Wärmemengen reduziert wird. Es wird eine Temperaturregelung der Auslasstemperatur des Oxidationskatalysators über eine einzige Leitung geschaffen, die sowohl ein Heizen als auch einen Kühlen ermöglicht. Schäden am Oxidationskatalysator können durch die Verwirklichung der Kühlung sowie der guten Durchmischung ausgeschlossen werden. Zusätzlich kann hier durch eine gezielte und kontrollierte Aufwärmung der Eingangsluft eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels beeinflusst werden. Beim Kaltstart des Brennstoffzellensystems kann dabei zunächst sehr schnell durch den elektrischen Strom am Heizer eine Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators erreicht werden und anschließend mit geringem Energieeinsatz eine weitere Erwärmung erfolgen,

welche durch die Zuführung zusätzlichen Brennstoffs erfolgt.

Ein nicht einschränkendes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist in der Figur 1 dargestellt und wird nachfolgend ebenso wie das Verfahren zur Regelung der Temperatur des Oxidationskatalysators dieses

Brennstoffzellensystems beispielhaft beschrieben.

Die Figur 1 zeigt eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen

Brennstoffzellensystems.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem besteht aus einer Kathodengasquelle 10, welche üblicherweise durch die Umgebungsluft gegeben ist. Von dieser Kathodengasquelle 10 führt eine Kathodengaseinlassleitung 12 über ein Gebläse 14 zur Förderung des Luftstroms sowie einen Wärmetauscher 16 zu einem Kathodengaseinlass 18 eines Brennstoffzellenstapels 20. Über einen Massenstromoder Volumenstrommesser 21 kann die geförderte Luftmenge überwacht und über ein Ventil 33 geregelt werden. Über einen Kathodengasauslass 22 verlässt das Kathodengas über eine Kathodengasauslassleitung 24 den Brennstoffzellenstapel 20. Es wird darauf hingewiesen, dass diese Kathodengasauslassleitung 24 auch mit anderen Leitungen des Systems verbunden ist und in der Kathodengasauslassleitung 24 weitere Aggregate,

wie Wasserabscheider angeordnet sein können.

Des Weiteren weist das Brennstoffzellensystem eine Anodengasquelle 26, insbesondere in Form eines Brennstofftanks, auf. Die Anodengasquelle 26 ist mit einer Anodengaseinlassleitung 28 verbunden, die zu einem Anodengaseinlass 30 des Brennstoffzellenstapels 20 führt. In der Anodengaseinlassleitung 28 ist ein Massenstrom- oder Volumenstrommesser 32 angeordnet, über den der dem

Brennstoffzellenstapel 20 zugeführte Anodengasstrom gemessen werden kann.

Ein Anodengasauslass 34 ist mit einer Anodengasauslassleitung 36 verbunden, von der an einer Verzweigung 37 eine Anodengasrezirkulationsleitung 43 abzweigt, in der ein an Anodengasrezirkulationsgebläse 41 angeordnet ist, und welche zurück zur

Anodengaseinlassleitung 28 führt.

Die Anodengasauslassleitung 36 und die Kathodengasauslassleitung 24 münden in eine Mischgasleitung 39, in der ein Oxidationskatalysator 38 angeordnet ist, in dem das Mischgas gereinigt wird und überschüssiger Kraftstoff und gegebenenfalls weitere Gase

mit Sauerstoff oxidiert wird. Es handelt sich hierbei um eine exotherme Reaktion, so

dass bei der Umwandlung von Kraftstoff und Sauerstoff zu Wasserdampf Wärme freigesetzt wird. Zusätzlich kann im Anodengasstrom vorhandenes Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid sowie Methan zu Kohlendioxid und Wasserdampf oxidiert werden, wenn diese Stoffe als Verunreinigungen im Brennstoff enthalten sind. Für diese Reaktionen ist

Sauerstoff als Oxidationsmittel notwendig.

Dieser Sauerstoff wird dem Oxidationskatalysator 38 über eine Lufteinlassleitung 40 zugeführt, die von der Kathodengaseinlassleitung 12 abzweigt, so dass das Gebläse 14 sowohl zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels 20 als auch zur Versorgung des Oxidationskatalysators 38 mit Sauerstoff durch den geförderten Luftstrom genutzt

werden kann.

In dieser Lufteinlassleitung 40 sind ein elektrischer Heizer 42 sowie ein Regelventil 44 angeordnet, wobei das Regelventil 44 sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts des Heizers 42 angeordnet sein kann. Die Lufteinlassleitung 40 mündet stromaufwärts des Oxidationskatalysators 38 in die Mischgasleitung 39, in welche im weiteren Verlauf die Anodengasauslassleitung 36 mündet. Vor dem Oxidationskatalysator 38 ist zusätzlich ein Mischer 46 angeordnet, in welchem der Luftstrom aus der Lufteinlassleitung 40 sowie der Kathodengasstrom und der Anodengasstrom gemischt werden, so dass ein vollständig durchmischter Mischgasstrom zum Oxidationskatalysator 38 gelangt, wodurch dieser in seinem Wirkungsgrad optimiert und ein lokales Überhitzen vermieden

wird.

Der aus dem Oxidationskatalysator 38 in eine Abgasleitung 48 strömende Abgasstrom gelangt anschließend zum Wärmetauscher 16, so dass über diesen Abgasstrom Wärme an den Kathodengaseinlassstrom abgegeben wird. Entsprechend wird im Brennstoffzellensystem erzeugte Wärme zurückgewonnen, indem Sie für eine schnellere Aufheizung des Kathodengasstroms und damit auch des Brennstoffzellenstapels 20 genutzt wird. Anschließend gelangt das durch den

Wärmetauscher 16 geführte und gereinigte Abgas in die Umgebung.

Eine solche Aufheizung ist insbesondere bei Hochtemperaturbrennstoffzellensystemen, wie Festoxidbrennstoffzellen erforderlich, da vor dem Erreichen der Betriebstemperatur von etwa 600°C bis 1000 °C die Reaktionen im Brennstoffzellenstapel 20 und die Leitfähigkeit der Materialien nicht effizient ablaufen, da bei niedrigeren Temperaturen die lonenleitfähigkeit der

Elektrolyten, also des Festoxids bei Festoxidbrennstoffzellen nicht ausreichend ist.

Um nun einen möglichst schnellen, jedoch kontrollierten Temperaturanstieg zu verwirklichen, wird insbesondere nach einem Kaltstart des Brennstoffzellensystems der elektrische Heizer 42 in der Lufteinlassleitung 40 eingeschaltet. Durch das Einschalten dieses Heizers 42 wird der dem Oxidationskatalysator 38 zugeführte Luftstrom deutlich erwärmt, wodurch eine sehr schnelle Aufheizung des Oxidationskatalysators 38 ermöglicht wird, der zur Umwandlung des Brennstoffs aus dem Anodengasauslassstrom lediglich eine Anspringtemperatur von beispielsweise etwa 100°C bis 200°C bei Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff oder 300°C bis 400°C bei Verwendung methanhaltiger Brennstoffe wie Erdgas benötigt. Mit Erreichen dieser Temperatur findet im Oxidationskatalysator 38 die exotherme Reaktion zur Umwandlung des vorhandenen Brennstoffs statt, wodurch die Temperatur des aus dem Oxidationskatalysator 38 ausströmenden Abgasstroms im Vergleich zur Temperatur des einströmenden Mischgasstroms noch einmal gesteigert wird. Die Wärme dieses Abgasstroms aus der Abgasleitung 48 wird im Wärmetauscher 16 auf den Kathodengaseinlassstrom übertragen, so dass deutlich erwärmtes Kathodengas dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführt wird, wodurch dieser ebenfalls schneller aufgewärmt wird. Diese Aufwärmung erfolgt jedoch kontrolliert, um thermomechanische Spannungen zu vermeiden, die durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten der Materialien entstehen könnten. Als Führungsgröße zur Regelung des eingebrachten Luftstroms dient daher der Wärmestrom, der in den Kathodeneinlassgasstrom eingebracht werden soll. Dieser wird über einen Temperatursensor 50 und die Berechnung eines Massenstroms in der Abgasleitung 48 ermittelt. Entsprechend wird der eingebrachte Luftstrom über eine Regeleinheit 56, die

mit den Sensoren 50, 52 und dem Regelventil 44 verbunden ist, geregelt.

Durch diese Erwärmung des Brennstoffzellenstapels 20 steigt auch dessen Wirkungsgrad und damit die Temperatur des austretenden Anodengasauslassstroms und des Kathodengasauslassstroms, der über einen in der Kathodengasauslassleitung 24 angeordneten Temperatursensor 54 ermittelt wird. Mit Annäherung der Temperatur des Kathodengasauslassstroms an eine vordefinierte Solltemperatur des Oxidationskatalysators 38 wird der Volumenstrom des zum Oxidationskatalysator 38 geleiteten Luftstroms über das Regelventil 44 kontinuierlich reduziert, wodurch weniger Wärme über den Luftstrom in den Oxidationskatalysator 38 eingebracht wird. Sobald die Temperatur des Kathodengasauslassstroms die Sollbetriebstemperatur des Oxidationskatalysators 38 übersteigt, wird der elektrische Heizer 42 ausgeschaltet. Zu diesem Zeitpunkt wird der Volumenstrom der zugeführten Luft auf ein Mindestmaß reduziert, welches notwendig ist, um ausreichend Sauerstoff zur Reaktion mit dem

Wasserstoff im Oxidationskatalysator 38 zur Verfügung zu stellen.

Für eine zusätzliche Erwärmung des Oxidationskatalysators 38 sowie des Brennstoffzellenstapels 20 wird zusätzlicher Brennstoff über die Anodengaseinlassleitung 28 in den Brennstoffzellenstapel 20 eingebracht, sobald die Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators 38 erreicht ist und somit eine exotherme Reaktion mit dem Brennstoff im Oxidationskatalysator 38 stattfinden kann. Zusätzlich gelangt der im Brennstoffzellenstapel 20 erwärmte Kathodengasauslassstrom über die Kathodengasauslassleitung 24 in die Mischgasleitung 39 und zum Oxidationskatalysator 38. Durch die Einbringung dieses zusätzlichen Brennstoffs wird die im Oxidationskatalysator 38 erzeugte Wärme erhöht, da dieser Brennstoff den Brennstoffzellenstapel 20 wieder über die Anodengasauslassleitung 36 verlässt und vollständig durchmischt in den Oxidationskatalysator 38 gelangt. Der aus dem Oxidationskatalysator 38 austretende Abgasstrom weist nunmehr eine höhere Temperatur auf und kann somit im Wärmetauscher 16 mehr Wärme an den Kathodengaseinlassstrom abgeben, so dass dieser zusätzlich erwärmt wird. Die nun in den Brennstoffzellenstapel 20 einzubringende Brennstoffmenge wird ebenfalls über die Regeleinheit 56 ermittelt und ist abhängig vom Ist-Betriebsstrom des Brennstoffzellenstapels 20, dem gewünschten

Umsetzungsgrad im Brennstoffzellenstapel 20 sowie der benötigten Enthalpie

beziehungsweise Wärmemenge, die im Oxidationskatalysator 38 zur Erwärmung erzeugt werden soll und in Abhängigkeit der Messwerte der Sensoren 50, 52 geregelt

werden kann.

Mit wachsender Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 20 sowie des Oxidationskatalysators 38 wird die überschüssige in den Brennstoffzellenstapel 20 eingebrachte Brennstoffmenge reduziert. Sobald der Brennstoffzellenstapel 20 seine Betriebstemperatur erreicht hat, erfolgt die Einbringung des Brennstoffs lediglich in Abhängigkeit des gewünschten Umsetzungsgrades sowie des Betriebsstroms des

Brennstoffzellenstapels 20.

Steigt nun die Ist-Temperatur des Oxidationskatalysators 38 oder des Brennstoffzellenstapels 20 über ihre üblichen Betriebstemperaturen beziehungsweise steigt die Temperatur des Kathodengasauslassstroms über die normale Betriebstemperatur des Oxidationskatalysators 38 wird das Regelventil 44 wieder weiter geöffnet. In diesem Zustand ist der elektrische Heizer 42 ausgeschaltet, so dass kalte Luft durch die Lufteinlassleitung 40 zum Mischer 46 strömt. Die Temperatur des entstehenden Mischgasstroms, der in den Oxidationskatalysator 38 gelangt, sinkt entsprechend der eingebrachten Luftmenge, wodurch auch die Temperatur des aus dem Oxidationskatalysator 38 austretenden Abgasstroms sinkt, was wiederum dazu führt, dass auch die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20 abgesenkt werden

kann, da eine geringere Erwärmung des Kathodengaseinlassstroms erfolgt.

Sinkt die Temperatur des Kathodengasauslassstroms wieder unter die Sollbetriebstemperatur des Oxidationskatalysators 38, wird der kalte Luftstrom aus der Lufteinlassleitung 40 wieder verringert. Dies ist üblicherweise ausreichend, um ein

weiteres Abkühlen des Oxidationskatalysators 38 zu verhindern.

Alternativ wäre es zur Erwärmung auch möglich, den elektrischen Heizer 42 wieder einzuschalten, wobei für die Schaltzustände des Heizers 42 eine Hysterese verwendet wird, also die Temperatur zum Ausschalten des Heizers 42 größer gewählt wird als die

Temperatur zum Einschalten, so dass ein ständiges Wechseln der Schaltzustände

verhindert wird. Die Regeleinheit 56 ermittelt dabei stetig in Abhängigkeit der Messwerte des Temperatursensors 54 und eines Temperatursensors 58, der die Temperatur des Mischgasstroms in der Mischgasleitung 39 stromabwärts des Mischers 46 und stromaufwärts des Oxidationskatalysators 38 misst, ob der Heizer 42 ein- oder ausgeschaltet werden soll und wie das Regelventil 44 gestellt werden soll. Des Weiteren wird über einen weiteren Temperatursensor 60 in der Kathodengaseinlassleitung 12 stetig die Temperatur des Kathodengaseinlassstroms überwacht und der Regeleinheit

56 zur Regelung zur Verfügung gestellt.

Über die vorhandenen Sensoren kann die Regeleinheit 56 die erforderliche Einlasstemperatur am Brennstoffzellenstapel 20, die aktuelle Auslasstemperatur am Brennstoffzellenstapel 20, den Massenstrom durch den Brennstoffzellenstapel 20, den am Brennstoffzellenstapel 20 erzeugten Strom sowie den Brennstoffumsetzungsgrad im Brennstoffzellenstapel 20 bestimmen und hieraus die nötigen Betriebsphasen des Wärmebereitstellungssystems, die Überhöhung der Brennstoffdosierung und den erforderlichen Luftmassenstrom durch den elektrischen Heizer 42 bestimmen und

entsprechend regeln.

Dieses Brennstoffzellensystem ermöglicht somit eine gezielte Temperaturregelung mit einer sehr geringen Anzahl zusätzlicher Bauteile, wobei sowohl die Aufheizung als auch eine Kühlung kontrolliert durchgeführt werden können. Die gewünschte Temperaturerhöhung und -verringerung kann in Abhängigkeit zeitlich oder räumlich auftretender Temperaturgradienten durchgeführt werden, wodurch Schäden am

Brennstoffzellenstapel durch thermische Spannungen vermieden werden.

Es sollte deutlich sein, dass das beschriebene Brennstoffzellensystem weitere

Aggregate oder Leitungen aufweisen kann, die hier nicht beschrieben wurden.

Claims (14)

PATENTANSPRÜCHE

1. Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel (20), einer Kathodengaseinlassleitung (12), die sich zu einem Kathodengaseinlass (18) des Brennstoffzellenstapels (20) erstreckt, einer Anodengaseinlassleitung (28), die sich von einer Anodengasquelle (26) zu einem Anodengaseinlass (30) des Brennstoffzellenstapels (20) erstreckt, einer Kathodengasauslassleitung (24), die mit einem Kathodengasauslass (22) des Brennstoffzellenstapels (20) verbunden ist, einer Anodengasauslassleitung (36), die mit einem Anodengasauslass (34) des Brennstoffzellenstapels (20) verbunden ist, einem Oxidationskatalysator (38), der in einer Mischgasleitung (39) angeordnet ist, in welche die Anodengasauslassleitung (36) und die Kathodengasauslassleitung (24) münden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lufteinlassleitung (40) in die Mischgasleitung (39) stromaufwärts des Oxidationskatalysators (38) mündet, in der ein Regelventil (44) zur Regelung eines

zuzuführenden Luftstroms in die Anodengasauslassleitung (36) angeordnet ist.

2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

in der Lufteinlassleitung (40) ein elektrischer Heizer (42) angeordnet ist.

3. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lufteinlassleitung (40) mit einem Gebläse (14) fluidisch verbunden ist, von dem

aus sich die Kathodengaseinlassleitung (12) erstreckt.

4. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

in der Mischgasleitung (39) zwischen der Einmündung der Lufteinlassleitung (40)

und dem Oxidationskatalysator (38) ein Mischer (46) angeordnet ist.

5. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kathodengaseinlassleitung (12) ein Wärmetauscher (16) angeordnet ist, in welchem ein Wärmeaustausch zwischen dem Luftstrom in der Kathodengaseinlassleitung (12) und einem Abgasstrom aus einer Abgasleitung (48)

erfolgt, die sich vom Oxidationskatalysator (38) zum Wärmetauscher (16) erstreckt.

6. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

in der Kathdengasauslassleitung (24) ein Temperatursensor (54) angeordnet ist.

7. Verfahren zur Regelung der Temperatur eines Oxidationskatalysators (38) eines Brennstoffzellensystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidationskatalysator (38) gekühlt wird, indem dem Oxidationskatalysator (38) über die Lufteinlassleitung (40) ein nicht erwärmter Luftstrom zugeführt wird, wenn die Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators (38) überschritten wird und die Temperatur eines Kathodengasauslassstroms in der Kathodengasauslassleitung (24) größer ist als eine Solltemperatur eines in den Oxidationskatalysator (38) einströmenden Mischgasstroms aus dem Luftstrom, dem

Kathodengasauslassstrom und dem Anodengasauslassstrom.

8. Verfahren zur Regelung der Temperatur eines Oxidationskatalysators (38) eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bis zum Erreichen der Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators (38) ein dem Oxidationskatalysator (38) über die Lufteinlassleitung (40) zugeführter Luftstrom

über den elektrischen Heizer (42) erwärmt wird.

9. Verfahren zur Regelung der Temperatur eines Oxidationskatalysators (38) eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrom über die Lufteinlassleitung (40) mit betragsmäßig kleiner werdender Differenz zwischen einer Solltemperatur des in den Oxidationskatalysator (38) einströmenden Mischgasstroms und der Temperatur des Kathodengasauslassstroms mittels des Regelventils verringert wird und mit sich betragsmäßig steigender Differenz zwischen der Solltemperatur des in den Oxidationskatalysator (38) einströmenden Mischgasstroms und der Temperatur

des Kathodengasauslassstroms mittels des Regelventils vergrößert wird.

10. Verfahren zur Regelung der Temperatur eines Oxidationskatalysators (38) eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zugeführte Luftstrom bis zum Erreichen der Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators (38) in Abhängigkeit eines benötigten Wärmestroms

geregelt wird.

11. Verfahren zur Regelung der Temperatur eines Oxidationskatalysators (38) eines Brennstoffzellensystems nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dass das Einschalten und Ausschalten des Heizers (42) in der Lufteinlassleitung

(40) über eine Hysterese geregelt wird.

12. Verfahren zur Regelung der Temperatur eines Oxidationskatalysators (38) eines Brennstoffzellensystems nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass falls die Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators (38) erreicht ist und die Temperatur des Kathodengasauslassstroms in der Kathodengasauslassleitung (24) kleiner ist als die Solltemperatur des in den Oxidationskatalysator (38)

einströmenden Mischgasstroms mehr Brennstoff aus der Anodengasquelle (26)

dem Brennstoffzellenstapel (20) zugeführt wird, als im Brennstoffzellenstapel (20)

umgesetzt wird.

13. Verfahren zur Regelung der Temperatur eines Oxidationskatalysators (38) eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Brennstoffzellenstapel (20) zugeführte Brennstoffmenge in Abhängigkeit des Betriebsstroms des Brennstoffzellenstapels (20), dem gewünschten Umsetzungsgrad und in Abhängigkeit einer im Oxidationskatalysator (38) durch die

exothermen Reaktionen zu erzeugende Wärmemenge berechnet wird.

14. Verfahren zur Regelung der Temperatur eines Oxidationskatalysators (38) eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die im Oxidationskatalysator (38) zu erzeugende Wärmemenge in Abhängigkeit der Wärmemenge, die für die Aufheizung des Luftstroms im Wärmetauscher der

Kathodengaseinlassleitung (12) notwendig ist, berechnet wird.