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DE102008037028B4 - Brennstoffzellensystem für gasförmige Kohlenwassserstoffe und dazugehöriges Betriebsverfahren - Google Patents

Brennstoffzellensystem für gasförmige Kohlenwassserstoffe und dazugehöriges Betriebsverfahren Download PDF

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DE102008037028B4
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Abstract

Brennstoffzellensystem zur Strom- und/oder Wärmeerzeugung mit einer Systemverschaltung zum schnellen Starten und zum Übergang in den normalen Betrieb mit
– einer integrierten Reformer-/Abgasbrennereinheit für gasförmige Kohlenwasserstoffe, die eine direkte Wärmeübertragung ermöglicht,
– einer Brennstoffzelle,
– einer Einrichtung zur Versorgung der Kathode mit Oxidationsmittel,
– einem Abgasbrenner mit einer Versorgung mit Oxidationsmittel und entsprechenden Einheiten zur Wärmeübertragung
dadurch gekennzeichnet,
dass die Erwärmung des Brennstoffzellensystems durch die direkte Wärmeübertragung vom Abgasbrenner zum Reformer in einer integrierten Reformer-/Abgasbrennereinheit erfolgt und die gasförmigen Kohlenwasserstoffe hierbei durch den Reformer, eventuelle Stufen der Gasreinigung und die Brennstoffzelle zum Abgasbrenner ohne nennenswerte Reaktionen geleitet werden und die bei der Verbrennung der gasförmigen Kohlenwasserstoffe im Abgasbrenner entstehende Wärme ohne Nutzung von Wärmeüberträgermedien oder Einheiten zum Wärmeübertragen direkt durch Wärmeleitung dem Reformer zugeführt wird, wobei nach Erreichen der Starttemperatur im Reformer dem Reformer zusätzlich Luft über die Kathode der Brennstoffzelle zugeführt wird, so...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Systemaufbau zum schnellen Starten und Übergang in den Betrieb eines Brennstoffzellensystems zur Strom- und/oder Wärmeerzeugung mit einem Reformer für gasförmige Kohlenwasserstoffe, einem Abgasbrenner und zumindest einer Hochtemperatur Polymer Elektrolyt Membran Brennstoffzelle (HT-PEM BZ), bei dem in der Startphase die anfallende Wärme im Abgasbrenner zur direkten Aufheizung des Reformers, der Brennstoffzelle, der Einrichtungen zur Gasreinigung und der Konditionierung sowie zur Wasserdampfbereitstellung genutzt wird. Der Reformer und der Abgasbrenner sind dabei als eine integrierte Reformer-Abgasbrenner Einheit ausgelegt, so dass eine direkte Wärmeübertragung durch Wärmeleitung erfolgt.
  • Während der Startphase werden die gasförmigen Kohlenwasserstoffe dem Brennstoffzellensystem über dem Reformer zugeführt. Die gasförmigen Kohlenwasserstoffe, beispielsweise Propan oder Erdgas, durchlaufen das komplette Brennstoffzellensystem, gegebenenfalls bestehend aus Shiftstufen und Brennstoffzelle sowie weiteren, Nebenkomponenten wie Wärmeübertrager oder Verbindungsleitungen ohne dabei eine nennenswerte Reaktionen einzugehen. Der gasförmige Brennstoff gelangt somit in die der Brennstoffzelle nach geschalteten integrierten Reformer-Abgasbrenner Einheit. Hier wird dem Abgasbrenner zur vollständigen Verbrennung des gasförmigen Brennstoffes eine ausreichend große Menge an frischer Luft beispielsweise durch einen Lüfter zugeführt. Über die integrierte Reformer-Abgasbrenner Einheit wird die im Abgasbrenner erzeugte Wärme in der Startphase dem Reformer direkt über die Wärmeleitung zugeführt. Zusätzlich kann die Wärme der Abluft des Abgasbrenners in einem Wärmeübertrager der Kathodenzuluft zugeführt werden, die diese dann zur Aufheizung der Brennstoffzelle nutzt. Die integrierte Reformer-Abgasbrenner Einheit ermöglicht eine direkte Wärmeübertragung zwischen dem Reformer und dem Abgasbrenner ohne dabei ein Wärmeübertragermedium oder weitere Einheiten zur Wärmeübertragung zu verwenden. Es werden keine Verbrennungsabgas zur Nutzung der darin vorhandenen Restwärme zum Aufheizen in den Reformer geleitet.
  • Nach Erreichen der Starttemperatur im Reformer wird dem Reformer zusätzlich Luft über die Kathode der Brennstoffzelle zugeführt, so dass die eigentliche Reformierungsreaktion starten kann. Wahlweise kann direkt zu Beginn der Reformierung Wasserdampf über die Restwärme des Abgasbrenner und eine Einheit zur Wasserdampferzeugung bereit gestellt werden oder die Reformierung kann ohne die Anwesenheit von zusätzlich erzeugten Wasserdampf erfolgen. Das erzeugte Gas wird dann der Brennstoffzelle und dem nach geschaltetem Abgasbrenner über das System zugeführt. Die im Abgasbrenner erzeugte Wärme steht weiterhin direkt dem Reformer sowie wahlweise zur zusätzlichen Wasserdampferzeugung in einer Einheit zum Wärmeaustausch zur Verfügung.
  • Ferner durchströmt das im Reformer erzeugte Gas die gegebenenfalls nach geordneten Reaktoren zur Kohlenmonoxidumwandlung sowie die Anodenseite der Brennstoffzelle und wird genutzt um das komplette System auf die benötigte Betriebstemperatur aufzuheizen.
  • Bei Betrieb der Brennstoffzelle entsteht auf der Kathodenseite Wasser, welcher bei den gegebenen Betriebstemperaturen der Brennstoffzelle gasförmig vorliegt. Damit wird dem Reformer bei Betrieb der Brennstoffzelle neben dem Restsauerstoff in der abgereicherten Kathodenluft Wasserdampf zugeführt. Die Luftzufuhr in den Reformer erfolgt allein über die Kathodenabluft.
  • An der Kathodenseite wird ein sauerstoffhaltiges Gas, insbesondere Luft, zugeführt, wobei unter Bildung von Wasser der Sauerstoffanteil zu einem hohen Anteil reduziert wird. Das kathodenseitige Abgas wird dem Reformer als Oxidationsmittel zugeführt. Bei der Reformierung wird ein gasförmiger Kohlenwasserstoff mit Hilfe von Wasserdampf und Sauerstoff in ein wasserstoffreiches Gas überführt. Das dazu benötigte Wasser muss entweder dem Prozess zur Verfügung gestellt werden oder es wird rezirkulativ aus dem Prozesszurückgewonnen. Während der Startphase kann wahlweise der Betrieb ohne oder mit Wasserdampf stattfinden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Startphase des Brennstoffzellensystems deutlich zu verkürzen und dabei den Abgasbrenner als Startbrenner zu nutzen. Dabei ist insbesondere der Systemaufbau bei dem der gasförmige Kohlenwasserstoff durch das ganze System zum Abgasbrenner geleitet wird und die bei der Verbrennung entstehenden Wärme direkt durch die integrierte Reformer-Abgasbrenner Einheit zur Erwärmung des Reformers zur Verfügung gestellt wird sowie die alleinige Bereitstellung der Kathodenabluft als Reaktionsluft für den Reformerbetrieb gewährleistet wird kennzeichnend. Dabei wird der zugeführte gasförmige Kohlenwasserstoff in den Reformer gegeben und über das gesamte Brennstoffzellensystem ohne nennenswerte Reaktionen in den Abgasbrenner geführt. Der zugeführte gasförmige Kohlenwasserstoff muss die Eigenschaft besitzen bei den gegebenen Temperaturbedingungen insbesondere bei der gegebenen Umgebungstemperatur gasförmig vorzuliegen. Der zugeführte gasförmige Brennstoff wird zunächst zu Beginn der Startphase vollständig im Abgasbrenner mit zugeführter Frischluft umgesetzt. Die erzeugte Wärme wird dabei direkt mittels Wärmeleitung in der integrierten Reformer-Abgasbrenner Einheit dem Reformer ohne Nutzung von Wärmeüberträgermedien oder zusätzlichen Wärmeüberträgern zugeführt. Zusätzlich wird die Wärme der Abluft des Abgasbrenners in einem Wärmeüberträger der Kathodenzuluft zugeführt, die diese dann zur Aufheizung der Brennstoffzelle nutzt. Die Abgase der Abgasbrenner werden nicht in den Reformer geführt, so dass keine wasserdampfhaltigen Medien in der Startphase in das System geleitet werden. Lediglich der gasförmige Brennstoff durchströmt den Reformer in der Startphase.
  • Dabei wärmt sich der Reformer und der durchgeführte gasförmige Kohlenwasserstoff auf. Durch die Durschströmung der gegebenenfalls nach geschalteten Shiftreaktoren sowie der Anodenseite der Brennstoffzelle kann das Brennstoffzellensystem zusätzlich vorgewärmt werden. Bei Erreichen der Startbedingungen im Reformer wird die Kathodenabluft aus der Brennstoffzelle in den Reformer geführt, so dass die eigentliche Reformierungsreaktion starten kann. In der erfindungsgemäßen Startprozedur steht Wasserdampf bei Bedarf unmittelbar zu Beginn der Reformierung zur Verfügung. Somit kann mittels dieser Startprozedur der eigentliche Reformer in kürzester Zeit durch die direkte Beheizung über den Abgasbrenner vorgewärmt werden, gleichzeitig wird der durch den Reformer gegebenen Brennstoff genutzt, um die nachfolgenden Systemkomponenten vorzuwärmen. Des Weiteren kann die restliche Abwärme des Abgasbrenners zur Vorwärmung der Kathodenzuluft und zur Wasserdampferzeugung genutzt werden, so dass direkt zu Beginn der eigentlichen Reformierungsreaktion neben der zugeführten Luft auch Wasserdampf für die Umsetzung des gasförmigen Brennstoffes zu einem wasserstoffreichen Gas zur Verfügung steht. Damit verkürzt sich die Zeit zum Starten der Reformierungsreaktion sowie die Zeit bis Wasserdampf zur Verfügung steht deutlich. Der Reformerkatalysator wird durch die Anwesenheit von Wasser deutlich kürzer im Russbildungsgebiet betrieben. Die Brennstoffzelle ist schon auf Betriebstemperatur und so kann das Brennstoffzellensystem direkt gestartet werden.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Starten von Brennstoffzellen mit gasförmigen Kohlenwasserstoffen, beispielsweise Propan, Erdgas oder Gasgemische gekennzeichnet dadurch, dass die in der Startphase anfallende Wärme im Abgasbrenner zur Wasserdampfbereitstellung, sowie zur direkten Aufheizung des Reformers durch die integrierte Reformer-Abgasbrenner Einheit, der Brennstoffzelle, der Einrichtungen zur Gasreinigung und der Konditionierung genutzt wird, ohne dass dabei Abgase aus dem Abgasbrenner in den Reformer geleitet werden.
  • Während der Startphase wird der gasförmige Kohlenwasserstoff dem Brennstoffzellensystem über die Reformereinheit zugeführt. Der gasförmige Kohlenwasserstoff durchläuft das komplette Brennstoffzellensystem, gegebenenfalls bestehend aus Shiftstufen und Brennstoffzelle, ohne dabei nennenswerte Reaktionen einzugehen. Der gasförmige Kohlenwasserstoff gelangt somit in dem der Brennstoffzelle nach geschaltetem Abgasbrenner. Hier wird dem Abgasbrenner zur vollständigen Verbrennung des gasförmigen Brennstoffes eine ausreichende Menge an Frischluft zugeführt. Die im Abgasbrenner erzeugte Wärme wird in der Startphase dem Reformer direkt über Wärmeleitung zugeführt.
  • Zusätzlich wird die Wärme der Abluft des Abgasbrenners in einem Wärmeübertrager der Kathodenzuluft zugeführt, die diese dann zur Aufheizung der Brennstoffzelle nutzt.
  • Nach Erreichen der Starttemperatur im Reformer wird dem Reformer zusätzlich Luft über die Kathode der Brennstoffzelle zugeführt, so dass die eigentliche Reformierungsreaktion starten kann. Wahlweise kann direkt zu Beginn der Reformierung Wasserdampf über die Restwärme des Abgasbrenner und eine Einheit zur Wasserdampferzeugung bereit gestellt werden oder die Reformierung kann ohne die Anwesenheit von zusätzlich erzeugten Wasserdampf erfolgen. Das erzeugte Gas besteht vorwiegend aus den Hauptkomponenten Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserdampf, Methan und gegebenenfalls Restkohlenwasserstoffen und wird dem der Brennstoffzelle nach geschaltetem Abgasbrenner über das System zugeführt. Die im Abgasbrenner erzeugte Wärme steht weiterhin dem Reformer sowie wahlweise zur zusätzlichen Wasserdampferzeugung zur Verfügung. Ferner durchströmt das im Reformer erzeugte. Gas die gegebenenfalls nach geordneten Reaktoren zur Kohlenmonoxidumwandlung sowie die Anodenseite der Brennstoffzelle und wird genutzt, um das komplette System auf die benötigte Betriebstemperatur aufzuheizen.
  • Bei Betrieb der Brennstoffzelle entsteht auf der Kathodenseite Wasser, welcher bei den gegebenen Betriebstemperaturen der Brennstoffzelle gasförmig vorliegt. Damit wird dem Reformer bei Betrieb der Brennstoffzelle neben dem Restsauerstoff in der abgereicherten Kathodenluft Wasserdampf zugeführt. Die Zuführung der Reaktionsluft in den Reformer erfolgt ausschließlich über das Kathodenabgas. An der Kathodenseite wird ein sauerstoffhaltiges Gas, insbesondere Luft, zugeführt, wobei unter Bildung von Wasser der Sauerstoffanteil zu einem hohen Anteil reduziert wird. Das kathodenseitige Abgas wird dem Reformer als Oxidationsmittel zugeführt. Bei der Reformierung werden gasförmige Kohlenwasserstoffe mit Hilfe eines oxidierenden Mediums, für den stabilen Betrieb der Reformierung Wasserdampf und Sauerstoff, in ein wasserstoffreiches Gas überführt. Das dazu benötigte Wasser muss entweder dem Prozess zur Verfügung gestellt werden oder es wird rezirkulativ aus dem Prozess zurückgewonnen. Während der Startphase kann wahlweise der Betrieb ohne oder mit Wasserdampf stattfinden.
  • Bei einer bevorzugten Variante der Erfindung ist der Abgasbrenner unmittelbar am oder um den Reformer platziert, so dass eine integrierte Reformer-Abgasbrenner Einheit vorliegt. Somit ist der direkte Wärmeübertrag vom Abgasbrenner in den Reformer durch Wärmeleitung gewährleistet. Ferner kann es vorteilhaft sein dem Abgasbrenner eine Einheit zur Wasserverdampfung nachzuschalten, um dem Reformer unmittelbar zu Beginn der Reformierung Wasserdampf bereitstellen zu können. Damit steht der Reformierung ausreichend Wasserdampf als Oxidationsmittel zur Verfügung. Der überschüssige Wasserdampf kann gegebenenfalls in nach geschalteten Shiftreaktoren zur Senkung des Kohlenmonoxidgehalts genutzt werden. Dadurch kann der Kohlenmonoxidgehalt des erzeugten Produktgases schnell so weit reduziert werden, so dass ein schneller Start der Brennstoffzelle realisiert werden kann und prozessbedingt Wasser auf der Kathode produziert wird. Zur weiteren Erhöhung des Wasserdampfgehaltes wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren die Kathodenabluft aus der Brennstoffzelle genutzt. Die Zuführung der Reformerluft erfolgt ausschließlich über die Kathodenabluft. Bei Betrieb der Brennstoffzelle wird in der Brennstoffzelle kathodenseitig Wasser erzeugt, welcher im Gaserzeugungssystem genutzt werden kann. Ferner kann es vorteilhaft sein, die zugeführte Kathodenabluft vor Eintritt in den Reformer prozesstechnisch in beispielsweise Wärmeüberträgern zu behandeln, um die für den Reformierungsprozess notwendige Wärmezufuhr zu erhöhen. Die Startphase ist abgeschlossen wenn die Brennstoffzelle ihre gewünschte Leistung liefern kann.
  • Eine Erwärmung eines Brennstoffzellensystems mittels eines Abgasbrenners, welcher gasförmigen Kohlenwasserstoffe in der Startphase und im Betrieb verarbeitet sowie die Zuführung von Kathodenabgas in einen Reformer wird in US 6331366 B1 beschrieben. Zu Beginn der Reformierung wird bei dem beschriebenen Brennstoffzellensystem auf eine zusätzliche Zugabe von Wasserdampf verzichtet. Somit benötigt das Brennstoffzellensystem keine zusätzliche Wasserversorgung im laufenden Betrieb. Das Kathodenabgas, welches sowohl Wärme als auch Wasserdampf enthält, kann direkt dem Reformer zugeleitet werden. Das darin enthaltene Wasser wird zur Brennstoffaufarbeitung im Reformer benötigt. Der Restgasbrenner kann sowohl mit dem Kathodenabgas als auch mit frischem Oxidationsmittel oder einem Gemisch aus beiden Gasströmen versorgt werden. Dem Stand der Technik ist kein Hinweis zu entnehmen, dass es sich in US 6331366 B1 um eine integrierte Reformer-Abgasbrennereinheit handelt, bei der eine direkte Wärmeübertragung gegeben ist. Aus der Druckschrift geht hervor, dass die im Abgasbrenner entstehende Wärme über Wärmeüberträger oder mittels der Überführung des Abgasbrennerabgases in den Reformer übertragen wird.
  • Der Betrieb der nach dem Stand d. Technik bekannten Brennstoffzellenanlagen ist sehr aufwendig und ein verkürzte Startzeit geht aus den vorliegenden Druckschriften nicht hervor.
  • Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen, welche schematisch zwei Ausführungsvarianten enthalten, näher erläutert. Dabei zeigt
  • 1 die prinzipielle Ausführung des Startkonzepts in einem Brennstoffzellensystem, welches gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet.
  • 2 eine mögliche Variante des Brennstoffzellensystemaufbaus.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich in Brennstoffzellensystemen anwenden, welche einen Reformierungsprozess vorsehen in dem Luft und Wasser/Wasserdampf als Oxidationsmedien genutzt werden und Brennstoffzellentypen enthalten, bei denen das im Kathodenabgas befindliche Wasser in der Gasphase vorliegt. Zu diesen Brennstoffzellentypen gehören insbesondere Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (HT-PEMFC) oder Festelektrolyt-Brennstoffzellen, wie die SAFC (Solid Acid Fuel Cell) sowie die Alcaline Fuel Cell (AFC) oder die PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) bei denen die Betriebstemperatur beispielsweise 180°C beträgt. Als Brennstoff im Rahmen der Erfindung eignen sich gasförmige Kohlenwasserstoffe, welche bei den vorherrschenden Umgebungstemperaturen gasförmig vorliegen wie Propan oder Erdgas. Es handelt sich dabei um kohlenwasserstoffhaltige Einsatzstoffe, welche durch einen Reformierungsprozess unter Zufuhr von Wasserdampf und/oder Sauerstoff in ein wasserstoffreiches Gasgemisch überführt werden. Es kann vorteilhaft sein in bestimmten Betriebspunkten in der Startphase den Reformierungsprozess ohne Wasserdampf zu starten.
  • In 1 ist der grundsätzliche Aufbau des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Starten eines Brennstoffzellensystems dargestellt. Die Verschaltung zum schnellen Starten eines Brennstoffzellensystems weist einen Reformer 1 zur Umsetzung der gasförmigen Kohienwasserstoffe wie Propan oder Erdgas mit Luft auf, welche beispielsweise über eine Lüfter zugeführt wird. Das im Reformer erzeugte Produktgas wird über eine Verbindungsleitung 16 und unter Behandlung in einer Einrichtung zur Konditionierung 8 in die Anode 2 der Brennstoffzelle weitergeleitet, wo es in bekannter Weise elektrochemisch umgesetzt wird. In der Einrichtung zur Konditionierung 20 (beispielsweise Wärmeübertrager) kann die restliche Abwärme des Abgases aus dem Abgasbrenner genutzt werden um die Kathodenluft aufzuheizen und damit die Brennstoffzelle. Das anodenseitige Abgas wird anschließend über eine Verbindungsleitung 13 in einen katalytischen oder nicht katalytischen Abgasbrenner 3 geführt. Der Abgasbrenner und der Reformer bilden dabei eine integrierte Einheit in der eine direkte Wärmeübertragung durch Wärmeleitung möglich ist. Während der Startphase wird lediglich der gasförmige Kohlenwasserstoff über die Brennstoffzufuhr 12 in den Reformer gegeben ohne Zufuhr von Oxidationsmittel. In der Startphase findet im Reformer keine nennenswerte Reaktion statt. Der gasförmige Brennstoff durchströmt die Verbindungsleitung 16, die Einrichtung zur Konditionierung 8, die Anode 2 sowie die Verbindungsleitung 13 ohne dabei nennenswerte Reaktionen einzugehen und wird anschließend in den Abgasbrenner geführt, wo er unter Zufuhr von Oxidationsmittel, beispielsweise Luft, welches über die Einrichtung zur Versorgung mit Oxidationsmittel 10 (Lüfter) und der Verbindungsleitung 14 zugeführt wird, reagiert. Die dabei entstehende Wärme wird dem Reformer direkt über Wärmeleitung zugeführt sowie bei Bedarf einer dem Abgasbrenner nach geschalteten Einrichtung zur Wasserdampfbereitstellung 7. Das Abgas wird über eine Entsorgungsleitung 19 abgeführt. Der zugeführte Brennstoff erwärmt sich im Reformer und kann die nachfolgenden Einrichtungen vorwärmen. Der Kathode 4 der Brennstoffzelle wird über einer Einrichtung zur Versorgung mit Oxidationsmittel 9 und einer Einrichtung zur Konditionierung 20 beispielsweise Luft zugeführt und damit die Brennstoffzelle aufgeheizt. Dabei wird noch kein Oxidationsmittel in den Reformer 1 geleitet. Das Oxidationsmittel wird über eine Einrichtung zum Teilen des Kathodenstroms 21 und einer Entsorgungsleitung 22 abgeführt. Bei Erreichen der Starttemperatur im Reformer 1 wird über die Einrichtung zum Teilen des Kathodenstroms 21 das Oxidationsmittel in der gewünschten Menge über die Einrichtungen 5 und 6 in den Reformer 1 gegeben. Es kann vorteilhaft sein beim Start der Reformierungsreaktion Wasser über die Versorgungsleitung 11 in die Einrichtung zur Wasserdampfbereitstellung 7 zu geben und über die Mischkammer 6 dem Reformer zur Verfügung zu stellen. Mit dem Pfeil 16 ist die Weiterleitung des erzeugten Reformatgases aus dem Reformer 1 dargestellt, welcher über eine Einrichtung zur Konditionierung 8 in die Anode 2 der Brennstoffzelle gegeben wird. Das erzeugte Reformat kann zudem genutzt werden, um die dem Reformer nach geschalteten Einrichtungen sowie die Brennstoffzelle weiter aufzuheizen. Das anodenseitige Abgas wird über eine Verbindungsleitung 13 in den katalytischen oder nicht katalytischem Abgasbrenner geleitet, wo es in bekannter Form mittels Oxidationsmittel aus der Einrichtung 10 umgesetzt wird. Es kann vorteilhaft sein die Luft für den Abgasbrenner über die Einrichtung 8 (Wärmeüberträger) zu führen, um einerseits die Luft vorzuwärmen und das Anodengas für die Eintrittsbedingungen in die Anode zu konditionieren. Die entstehende Wärme im Abgasbrenner steht dabei direkt dem Reformer 1 durch Wärmeleitung sowie das Abgas aus dem Abgasbrenner bei Bedarf der Einrichtung zur Wasserdampfbereitstellung 7 zur Verfügung und wahlweise der Erhitzung des Kathodenzuluftstroms. Bei Erreichen der Starttemperatur und Start der Brennstoffzelle reagiert der zugeführte Anoden- und Kathodenstrom auf bekannter elektrochemischer Weise. Dabei entsteht kathodenseitig Wasser, welches dem Reformierungsprozess zur Verfügung steht. Bei Betrieb der Brennstoffzelle erfolgt die Dosierung des Sauerstoffgehaltes für den Reformer über den Umsatz der Brennstoffzelle (durch gezielte Regelung des Luftverhältnisses in der Brennstoffzelle). Dabei ist es vorteilhaft den vollständigen Kathodenabluftstrom in den Reformer zu führen. Die Zuführung der Oxidationsluft wird ausschließlich über das Kathodenabgas durchgeführt. Das Entstehen von Wasser auf der Kathodenseite und dessen Nutzung für den Reformierungsprozess sind ausschließlich während des Betriebes der Brennstoffzelle möglich. Das in der Kathode entstehende Wasser liegt auf Grund der hohen Temperatur ausschließlich gasförmig vor. Die Brennstoffzelle wird bei ausreichend hohen Temperaturen betrieben, um eine unmittelbare Nutzung des erzeugten Reformatgases aus dem Reformer zu erreichen.
  • Die Erfindung ist nicht auf die in 1 dargestellte Ausführungsvariante eingeschränkt. So ist es insbesondere möglich, im Brennstoffzellensystem mehrere Brennstoffzellen und/oder Verschaltungsvarianten der Stoffströme zur Konditionierung der jeweiligen Eintrittstemperaturen in die einzelnen Reaktoren vorzusehen. 2 stellt eine mögliche Variante des Brennstoffzellensystems mit dem erfindungsgemäßen Startverfahren dar. Dabei wird das erzeugte Produktgas genutzt, um beispielsweise Shift-Reaktoren 24 aufzuwärmen. Das Reformatgas wird über zumindest eine an sich bekannte Einrichtung zur Konditionierung 23 des Gasgemisches (Wärmeüberträger) zu dem Shift-Reaktor 24 geleitet, welcher in einer einstufigen oder mehrstufigen Wassergasshift-Reaktion das im Gasgemisch enthaltene Kohlenmonoxid umsetzt. Dabei kann beispielsweise ein Hochtemperatur-Shift-Prozess oder ein Shift-Prozess in zwei Stufen vorgesehen sein, insbesondere eine Kombination von Hochtemperatur- und Mitteltemperatur-Shift oder eine Kombination von Hochtemperatur- und Niedrigtemperatur-Shift. Anschließend wird das aus dem Shift-Reaktor austretende Gasgemisch, gegebenenfalls unter Behandlung in einer Einrichtung zur Konditionierung 8 (Wärmeübertrager) in die Anode der Brennstoffzelle gegeben, wo es in bekannter Weise elektrochemisch umgesetzt wird. Der im Kathodenabgas enthaltene Wasserdampf unterstützt zusätzlich die vermehrte Wasserstoffbildung während der Reformierung sowie die Umsetzung des danach im Reformatgas enthaltenen Kohlenmonoxids zu Wasserstoff und Kohlendioxid in der Wassergasshift-Reaktion, in dem bzw. in den vorgesehenen Shift-Reaktor(en) 24.
  • Bezeichnend für das System ist die schnelle Startzeit, die direkte Einbringung der Wärme durch Wärmeleitung in den Reformer durch die integrierte Reformer Abgasbrenner Einheit für den Start des Systems über den Abgasbrenner, die Nutzung der kathodenseitigen Abluft zur alleinigen Luftzufuhr in den Reformer sowie die Möglichkeit das System über den Abgasbrenner in einem Standby Modus zu halten, um das System annähernd auf Starttemperatur zu halten.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Reformer
    2
    Anode
    3
    Abgasbrenner
    4
    Kathode
    5
    Einrichtung zur Konditionierung
    6
    Mischkammer
    7
    Einrichtung zur Wasserdampfbereitstellung
    8
    Einrichtung zur Konditionierung
    9
    Einrichtung zur Versorgung mit Oxidationsmittel (Lüfter, Kompressor)
    10
    Einrichtung zur Versorgung mit Oxidationsmittel (Lüfter, Kompressor)
    11
    Wasserzufuhr
    12
    Brennstoffzufuhr
    13
    Verbindungsleitung
    14
    Verbindungsleitung
    15
    Verbindungsleitung
    16
    Verbindungsleitung
    17
    Verbindungsleitung
    18
    Verbindungsleitung
    19
    Entsorgungsleitung
    20
    Einrichtung zur Konditionierung
    21
    Einrichtung zum Teilen des Kathodenstroms
    22
    Entsorgungsleitung
    23
    Einrichtung zur Konditionierung
    24
    Shift-Reaktor

Claims (12)

  1. Brennstoffzellensystem zur Strom- und/oder Wärmeerzeugung mit einer Systemverschaltung zum schnellen Starten und zum Übergang in den normalen Betrieb mit – einer integrierten Reformer-/Abgasbrennereinheit für gasförmige Kohlenwasserstoffe, die eine direkte Wärmeübertragung ermöglicht, – einer Brennstoffzelle, – einer Einrichtung zur Versorgung der Kathode mit Oxidationsmittel, – einem Abgasbrenner mit einer Versorgung mit Oxidationsmittel und entsprechenden Einheiten zur Wärmeübertragung dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Brennstoffzellensystems durch die direkte Wärmeübertragung vom Abgasbrenner zum Reformer in einer integrierten Reformer-/Abgasbrennereinheit erfolgt und die gasförmigen Kohlenwasserstoffe hierbei durch den Reformer, eventuelle Stufen der Gasreinigung und die Brennstoffzelle zum Abgasbrenner ohne nennenswerte Reaktionen geleitet werden und die bei der Verbrennung der gasförmigen Kohlenwasserstoffe im Abgasbrenner entstehende Wärme ohne Nutzung von Wärmeüberträgermedien oder Einheiten zum Wärmeübertragen direkt durch Wärmeleitung dem Reformer zugeführt wird, wobei nach Erreichen der Starttemperatur im Reformer dem Reformer zusätzlich Luft über die Kathode der Brennstoffzelle zugeführt wird, so dass der Übergang zur eigentlichen Reformierungsreaktion nahtlos stattfindet ohne dass der Abgasbrenner abgeschaltet werden muss und zu Beginn der Reformierung ohne die Anwesenheit von zusätzlich erzeugten Wasserdampf erfolgt.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die anfallende Wärme im Abgasbrenner direkt nach Beginn der Reformierung zur Bereitstellung von Wasserdampf genutzt wird und dadurch eine geringere Kohlenmonoxidkonzentration erreicht wird.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Abgasbrenner ein Wärmeüberträger nachgeschaltet wird, der die Kathodenluft vorwärmt und diese wiederum zur Aufheizung der Brennstoffzelle dient.
  4. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoffzelle eine HT-PEM Brennstoffzelle oder Brennstoffzellen des Typs Festelektrolyt-Brennstoffzelle, wie die SAFC (Solid Acid Fuel Cell) oder die AFC (Alcaline Fuel Cell) oder die PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) mit einer Betriebstemperatur über 180°C eingesetzt werden.
  5. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im System ein Wassergasshift-Prozess aus einem Hochtemperatur-Shift-Prozess, einem Mitteltemperatur-Shift-Prozess, einem Niedrigtemperatur-Shift-Prozess oder aus einer Kombination dieser Shift-Prozesse besteht.
  6. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Startphase der über den Reformer zugeführte gasförmige Brennstoff im Reformer durch direkte Wärmeleitung durch die integrierte Reformer-/Abgasbrennereinheit erwärmt wird und der erwärmte gasförmige Brennstoff genutzt wird, um nachfolgende Systemkomponenten aufzuwärmen.
  7. Verfahren zum schnellen Starten und Übergang in den normalen Betrieb von Brennstoffzellensystemen mit gasförmigen Kohlenwasserstoffen zur Strom- und/oder Wärmeerzeugung mit – einer integrierten Reformer-/Abgasbrennereinheit für gasförmige Kohlenwasserstoffe, die eine direkte Wärmeübertragung ermöglicht, – einer Brennstoffzelle, – einer Einrichtung zur Versorgung der Kathode mit Oxidationsmittel, – einem Abgasbrenner mit einer Versorgung mit Oxidationsmittel und entsprechenden Einheiten zur Wärmeübertragung dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Brennstoffzellensystems durch die direkte Wärmeübertragung vom Abgasbrenner zum Reformer in einer integrierten Reformer-/Abgasbrennereinheit erfolgt und die gasförmigen Kohlenwasserstoffe hierbei durch den Reformer, eventuelle Stufen der Gasreinigung und die Brennstoffzelle zum Abgasbrenner ohne nennenswerte Reaktionen geleitet werden und die bei der Verbrennung der gasförmigen Kohlenwasserstoffe im Abgasbrenner entstehende Wärme ohne Nutzung von Wärmeüberträgermedien oder Einheiten zum Wärmeübertragen direkt durch Wärmeleitung dem Reformer zugeführt wird, wobei nach Erreichen der Starttemperatur im Reformer dem Reformer zusätzlich Luft über die Kathode der Brennstoffzelle zugeführt wird, so dass der Übergang zur eigentlichen Reformierungsreaktion nahtlos stattfindet ohne dass der Abgasbrenner abgeschaltet werden muss und zu Beginn der Reformierung ohne die Anwesenheit von zusätzlich erzeugten Wasserdampf erfolgt.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die anfallende Wärme im Abgasbrenner direkt nach Beginn der Reformierung zur Bereitstellung von Wasserdampf genutzt wird und dadurch eine geringe Kohlenmonoxidkonzentration erreicht wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeüberträger nachgeschaltet wird, der die Abwärme des Abgasbrenners nutzt, um die Kathodenluft vorzuwärmen und diese wiederum zur Aufheizung der Brennstoffzelle dient.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoffzelle eine HT-PEM Brennstoffzelle oder Brennstoffzellen des Typs Festelektrolyt-Brennstoffzelle, wie die SAFC (Solid Acid Fuel Cell) oder die AFC (Alcaline Fuel Cell) oder die PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) mit einer Betriebstemperatur über 180°C eingesetzt wer den.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im System ein Wassergasshift-Prozess aus einem Hochtemperatur-Shift-Prozess, einem Mitteltemperatur-Shift-Prozess, einem Niedrigtemperatur-Shift-Prozess oder aus einer Kombination dieser Shift-Prozesse besteht.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Startphase der über den Reformer zugeführte gasförmige Brennstoff im Reformer durch direkte Wärmeleitung in der Reformer-/Abgasbrennereinheit erwärmt wird und der erwärmte gasförmige Brennstoff nachfolgende Systemkomponenten aufwärmt.
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