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DE102009006159A1 - Steuerung/Regelung einer Temperatur einer Brennstoffzelle - Google Patents

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DE102009006159A1
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oxidizer
burner
cathode
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DE102009006159A
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Andreas Reinert
Jeremy Lawrence
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Original Assignee
Staxera GmbH
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Publication date
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Abstract

Ein Verfahren zum Bereitstellen elektrischer Energie mittels einer Brennstoffzelle (12) weist folgende Schritte auf: - Beaufschlagen einer Anode (8) der Brennstoffzelle (12) mit einem Brenngasstrom (60); - Beaufschlagen einer Kathode (4) der Brennstoffzelle (12) mit einem Oxidatorstrom (50; - Erzeugen eines Brennerabgasstroms (58) mittels eines Brenners (22); und - Beaufschlagen der Kathode mit dem Brennerabgasstrom (58). Eine Anlage (10) zum Bereitstellen elektrischer Energie umfasst eine Brennstoffzelle (12), die eine Anode (8) und eine Kathode (4) aufweist. Die Anlage (10) umfasst weiter einen Brenner (22) zum Erzeugen eines Brennerabgasstroms (58) und erlaubt ein Beaufschlagen der Kathode mit dem Brennerabgasstrom (58).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen elektrischer Energie mittels einer Brennstoffzelle, mit den folgenden Schritten: Beaufschlagen einer Anode der Brennstoffzelle mit einem Brenngasstrom und Beaufschlagen einer Kathode der Brennstoffzelle mit einem Oxidationsgasstrom. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Anlage zum Bereitstellen elektrischer Energie, mit einer Brennstoffzelle, die eine Anode und eine Kathode aufweist.
  • Eine Brennstoffzelle besitzt üblicherweise eine bestimmte Betriebstemperatur. Liegt die Temperatur der Brennstoffzelle unterhalb der Betriebstemperatur, so ist entweder keine Stromerzeugung oder nur eine eingeschränkte Stromerzeugung möglich, oder der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle ist nicht optimal. Die Betriebstemperatur einer Festoxidbrennstoffzelle (SOFC, Solid Oxide Fuel Cell) kann beispielsweise bei etwa 850°C liegen. Um die Betriebstemperatur zu erreichen, ist es üblich, die Brennstoffzelle bzw. die gesamte Anlage, in die die Brennstoffzelle eingebettet ist, aufzuheizen. Die Brennstoffzelle kann beispielsweise in einen Brennstoffzellenstapel eingebettet sein. Ist die Betriebstemperatur erreicht, so erzeugt die Brennstoffzelle durch das Umsetzen von Oxidator (typischerweise Luft) und Brenngas neben elektrischer Energie im Allgemeinen auch genügend thermische Energie, um ihre Temperatur oberhalb der Betriebstemperatur zu halten.
  • Aus der DE 10 2007 019 359 A1 ist ein Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems bekannt, bei dem einer Brennstoffzelle Kathodengas zugeführt wird, welches vor dem Eintreten in die Brennstoffzelle durch Brennerabgas eines Restgasbrenners vorgewärmt wird.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein energiesparendes und/oder schnelles Verfahren zum Aufheizen einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Festoxidbrennstoffzelle, anzugeben. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine Anlage zur Umsetzung des Verfahrens anzugeben. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass es weiter die folgenden Schritte aufweist:
    • – Erzeugen eines Brennerabgasstroms mittels eines Brenners; und
    • – Beaufschlagen der Kathode mit dem Brennerabgasstrom.
  • Das vom Brenner erzeugte Brennerabgas gelangt somit in direkten physischen Kontakt mit der Kathode der Brennstoffzelle. Ein Wärmetauscher zwischen der Kathode und dem Brennerabgasstrom ist nicht zwingend vorgesehen. Die Kathode kann somit schneller aufgeheizt werden, und es ist zu erwarten, dass ihre Temperatur schneller auf eine Änderung der Temperatur oder eines Durchsatzes des Brennerabgasstroms reagiert als in dem Fall, in dem die Kathode nur indirekt, nämlich über einen Wärmetauscher, mit dem Brennerabgas in thermischem Kontakt steht. Es ist nicht ausgeschlossen, dass während des Beaufschlagens der Kathode mit dem Brennerabgasstrom die Kathode gleichzeitig noch mit anderen Gasen beaufschlagt wird, oder dass der Brennerabgasstrom in einem größeren Strom enthalten ist. Insbesondere ist es möglich, dass der Brennerabgasstrom mit dem Oxidatorstrom stromaufwärts der Kathode gemischt wird.
  • Es kann vorgesehen sein, dass ein erster Oxidatorstrom in einen zweiten Oxidatorstrom und einen dritten Oxidatorstrom geteilt wird, wobei der zweite Oxidatorstrom der Kathode zugeführt wird und der dritte Oxidatorstrom dem Brenner zugeführt wird. Eine Regelung oder Steuerung eines Aufheizens bzw. Abkühlens der Brennstoffzelle kann somit über eine Regelung bzw. Steuerung des Durchsatzverhältnisses zwischen dem zweiten Oxidatorstrom und dem dritten Oxidatorstrom erfolgen. Dabei kann es vorteilhaft sein, dass ein Durchsatz des ersten Oxidatorstroms konstant bleibt. Eine Versorgung der Kathode mit dem Oxidator korreliert somit mit einer Versorgung des Brenners mit dem Oxidator.
  • Insbesondere kann vorgesehen sein, dass während einer ersten Betriebsphase ein Durchsatz des dritten Oxidatorstroms größer ist als ein Durchsatz des zweiten Oxidatorstroms, und das in einer späteren zweiten Betriebsphase der Durchsatz des zweiten Oxidatorstroms größer ist als der Durchsatz des dritten Oxidatorstroms. Die Summe des Durchsatzes des zweiten Oxidatorstroms und des Durchsatzes des dritten Oxidatorstroms kann dabei konstant bleiben. In der ersten Betriebsphase kann ein Aufheizen der Brennstoffzelle erfolgen. Während der Aufheizphase und insbesondere zu Beginn der Aufheizphase, wenn eine Temperatur der Brennstoffzelle unterhalb der Betriebstemperatur liegt, kann somit eine große Heizleistung zur Verfügung gestellt werden, während gleichzeitig eine Belieferung der Kathode mit noch nicht benötigtem Oxidator vermieden wird. Die zweite Betriebsphase kann eine stationäre Betriebsphase sein. Die stationäre Betriebsphase ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur der Brennstoffzelle gleich der Betriebstemperatur ist oder oberhalb der Betriebstemperatur liegt. Reicht die Wärmeentwicklung der Brennstoffzelle zum Aufrechterhalten der Betriebstemperatur aus, so kann der Durchsatz des dritten Oxidatorstromes null sein. Reicht sie hingegen nicht aus, so muss auch während des stationären Betriebs der Brenn stoffzelle die Brennstoffzelle geheizt werden. Jedoch ist auch in diesem Fall zu erwarten, dass der zur Bereitstellung der erforderlichen Heizleistung notwendige Durchsatz des dritten Oxidatorstroms deutlich geringer ist als der für den stationären Betrieb der Brennstoffzelle geeignete Durchsatz des zweiten Oxidatorstroms.
  • Ein Verhältnis eines Durchsatzes des zweiten Oxidatorstroms zu einem Durchsatz des dritten Oxidatorstroms kann beispielsweise mittels eines Dreiwegeventils gesteuert oder geregelt werden. Es versteht sich, dass in diesem Fall das Dreiwegeventil den ersten Oxidatorstrom in den zweiten Oxidatorstrom und den dritten Oxidatorstrom teilt.
  • Der zweite Oxidatorstrom und ein die Kathode verlassender Abgasstrom können durch einen gemeinsamen Wärmetauscher geführt werden. Der zweite Oxidatorstrom kann somit durch den die Kathode verlassenden Abgasstrom vorgewärmt werden. Der die Kathode verlassende Abgasstrom kann beispielsweise an der Kathode vorbeigeströmtes nicht verbranntes Oxidatorgas sowie möglicherweise von der Kathode abgeschiedenes Gas enthalten.
  • Das Verfahren kann weiter die folgenden Schritte aufweisen:
    • – Vorgeben einer Mindesttemperatur Tmin;
    • – Messen einer Ist-Temperatur Tist des zweiten Oxidatorstroms stromabwärts des Wärmetauschers; wenn die gemessene Ist-Temperatur Tist niedriger als die Mindesttemperatur Tmin ist, Erhöhen eines Durchsatzes des dritten Oxidatorstroms.
  • Die Mindesttemperatur kann unterhalb oder oberhalb der Betriebstemperatur liegen. Vorteilhafterweise liegt die Mindesttemperatur unterhalb der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle, wenn die Brennstoffzelle mehr Wärme erzeugt, als sie zur Aufrechterhaltung der Betriebstemperatur benötigt. Vorteilhafterweise liegt die Mindesttemperatur oberhalb der Betriebstemperatur, falls die Brennstoffzelle weniger Wärme erzeugt, als sie zur Aufrechterhaltung der Betriebstemperatur benötigen würde. Die Ist-Temperatur Tist kann im zweiten Oxidatorstrom unmittelbar stromabwärts des Wärmetauscher gemessen werden. Alternativ kann sie aber auch unmittelbar vor einem Eingang der Kathode, durch den der zweite Oxidatorstrom alleine oder eventuell vermischt mit einem weiteren Strom in die Kathode tritt, gemessen werden.
  • Es kann vorteilhaft sein, den zweiten Oxidatorstrom stromabwärts des Wärmetauschers mit dem Brennerabgasstrom zusammenzuführen. Der dadurch entstehende vereinigte Strom kann dann direkt der Kathode zugeführt werden.
  • Es kann vorgesehen sein, dass eine Temperatur TBrennerabgas des Brennerabgasstroms und/oder ein Durchsatz IBrennerabgas des Brennerabgasstroms derart gesteuert oder geregelt werden, dass ein Absolutwert |dTBSZ/dt| einer zeitlichen Änderungsrate dTBSZ/dt einer Temperatur TBSZ der Brennstoffzelle einen vorgegebenen ersten Maximalwert nicht übersteigt. Zu schnelle Änderungen der Temperatur der Brennstoffzelle, ob beim Aufheizen oder beim Abkühlen, können somit vermieden werden.
  • Es ist auch möglich, dass ein Durchsatz I52 des dritten Oxidatorstroms derart gesteuert oder geregelt wird, dass ein Absolutwert |dTBrennerabgas/dt| einer zeitlichen Änderungsrate der Temperatur TBrennerabgas des Brennerabgasstroms einen vorgegebenen zweiten Maximalwert nicht übersteigt. Auch hierdurch können zu schnelle Änderungen der Temperatur der Brennstoffzelle vermieden werden.
  • Es kann weiter vorgesehen sein, dass dem Brenner ein Brennstoffstrom zugeführt wird und ein Durchsatz I54 des Brennstoffstroms in Abhängigkeit von einem Durchsatz I52 des dritten Oxidatorstroms geregelt oder gesteuert wird. Eine Zufuhr von Brennstoff an den Brenner kann somit an die dem Brenner pro Zeiteinheit zur Verfügung stehende Menge an Oxidator angepasst werden. Vorteilhafterweise wird als Brennstoff ein solcher Brennstoff verwendet, bei dessen Verbrennung keine oder nur wenige Russpartikel entstehen. Beispielsweise kann als Brennstoff Methan oder Erdgas verwendet werden. Je nach Ausführungsform ist es nicht unbedingt notwendig, den Durchsatz I52 des dritten Oxidatorstroms zu messen. Beispielsweise kann der Durchsatz I54 des Brennstoffstroms auch in Abhängigkeit von einem Durchsatz I48 des ersten Oxidatorstroms und/oder einer entsprechenden Drehzahl eines Gebläses zum Erzeugen des ersten Oxidatorstroms und/oder einer Position des Stromteilers (das heißt, des Stromteilungsverhältnisses des Stromteilers) geregelt/gesteuert werden. Zu diesem Zweck kann vorgesehen sein, dass eine Steuereinheit, zum Beispiel eine elektronische Steuereinheit, auf eine Look-Up-Tabelle (LUT) zugreifen kann. Die LUT kann beispielsweise den Durchsatz I52 des dritten Oxidatorstroms in Abhängigkeit von der Drehzahl des Gebläses und/oder der Position des Stromteilers angeben.
  • Die erfindungsgemäße Anlage baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass die Anlage einen Brenner zum Erzeugen eines Brennerabgasstroms aufweist und für ein Beaufschlagen der Kathode mit dem Brennerabgasstrom geeignet oder vorgesehen ist. Ein Wärmetauscher zur Übertragung von Wärme von dem Brennerabgas auf die Kathode kann somit eingespart werden.
  • Die Anlage kann weiterhin aufweisen:
    • – einen Stromteiler zum Teilen eines ersten Oxidatorstroms in einen zweiten Oxidatorstrom und einen dritten Oxidatorstrom;
    • – eine zweite Oxidatorleitung zum Führen des zweiten Oxidatorstroms an die Kathode; und
    • – eine dritte Oxidatorleitung zum Führen des dritten Oxidatorstroms an den Brenner.
  • Dem Stromteiler kann eine Fördereinheit, zum Beispiel ein Gebläse, zum Ansaugen des ersten Oxidators vorgelagert sein.
  • Vorteilhafterweise ist ein Stromteilungsverhältnis des Stromteilers steuerbar. Ein Durchsatzverhältnis des zweiten Oxidatorstroms zum dritten Oxidatorstrom lässt sich somit einstellen.
  • Es kann weiter vorgesehen sein, dass die Anlage einen Wärmetauscher zum Herstellen eines thermischen Kontaktes zwischen einem Abgasstrom der Kathode und dem zweiten Oxidatorstrom aufweist. Der zweite Oxidatorstrom kann somit durch Abwärme der Brennstoffzelle vorgewärmt werden.
  • Dem Brenner kann ein Rußfilter zum Entfernen von Rußpartikeln nachgelagert sein. Auf diese Weise können eventuell im Brennerabgas vorhandene Rußpartikel aus dem Brennerabgas herausgefiltert werden. Eine Ablagerung von Russ auf der Kathode kann somit vermieden werden.
  • Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beispielhaft erläutert. Dabei bezeichnen oder ähnliche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten. Solche Komponenten werden zur Vermeidung von Wiederholungen zumindest teilweise nur einmal erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 einen schematischen Schaltplan einer erfindungsgemäßen Anlage;
  • 2 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Die in 1 schematisch dargestellte Anlage 10 umfasst eine Brennstoffzelle 12, einen Brenner 22, einen als Dreiwegeventil ausgebildeten Stromteiler 30 und einen Wärmetauscher 38. Die Brennstoffzelle 12 kann eine Festoxidbrennstoffzelle sein. Sie kann Komponente eines Brennstoffzellenstapels sein. Die Brennstoffzelle 12 umfasst eine Kathode 4, eine Membran 6 und eine Anode 8, die gemeinsam eine Membranelektrodeneinheit (MEA, Membrane Electrode Assembly) bilden. Beim Betrieb der Brennstoffzelle kann zwischen der Kathode 4 und der Anode 8 eine elektrische Spannung abgegriffen werden. Die Brennstoffzelle 12 weist einen ersten Eingang 14 auf, über den der Kathode 4 ein Oxidator, zum Beispiel Luft oder ein anderes sauerstoffhaltiges Gasgemisch, zugeführt wird. Die Kathode 4 weist weiter einen Ausgang 16 auf, über den nicht verbrannter Oxidator sowie eventuell von der Kathode abgeschiedenes Gas abgegeben wird. Die Anode 8 weist einen Eingang 18 zur Aufnahme von Brenngas 60 sowie einen Ausgang 20 zur Abgabe von Anodenabgas 62 auf. Das Anodenabgas 62 enthält nicht verbranntes Brenngas sowie eventuell von der Anode abgeschiedenes Gas. Der Brenner 22 weist einen ersten Eingang 24 zur Aufnahme eines Oxidators sowie einen zweiten Eingang 26 zur Aufnahme eines Brennstoffs auf. Der Brenner 22 weist weiter einen Ausgang 28 zur Abgabe eines Brennerabgases auf. Das Brennerabgas entsteht im Brenner 22 bei der Verbrennung des dem Brenner 22 zugeführten Brennstoffs mit dem Oxidator. Der Oxidator wird dem Brenner 22 in Form eines Oxidatorstroms 52 (dritter Oxidatorstrom) zugeführt. Der Brennstoff wird dem Brenner 22 in Form eines Brennstoffstroms 54 zugeführt. Das Brennerabgas wird vom Brenner 22 in Form eines Abgasstroms 58 in Richtung der Brennstoffzelle 12 fortgeführt.
  • Die Kathode 4 und der Brenner 22 werden mit Oxidator wie folgt versorgt. Ein erster Oxidatorstrom 48 wird durch den Stromteiler 30 in einen zweiten Oxidatorstrom 50 und den dritten Oxidatorstrom 52 geteilt. Der dritte Oxidatorstrom 52 wird unmittelbar dem Eingang 24 des Brenners 22 zugeführt. Der zweite Oxidatorstrom 50 wird dem Eingang 14 der Kathode 4 zugeführt, wobei er an einer Vereinigungsstelle 56 mit dem Brennerabgasstrom 58 zusammengeführt wird. Der aus dem zweiten Oxidatorstrom 50 und dem Brennerabgasstrom 58 bestehende vereinigte Strom 66 trifft auf eine Oberfläche der Kathode 4 und wird an dieser Oberfläche entlanggeführt. Von der Oberfläche der Kathode 4 nicht aufgenommenes Gas sowie möglicherweise von der Oberfläche der Kathode 4 abgeschiedenes Gas verlässt die Brennstoffzelle 12 über den Ausgang 16 in Form eines Kathodenabgasstroms 64. Der Kathodenabgasstrom 64 tritt durch einen Eingang 40 des Wärmetauschers 38 in den Wärmetauscher 38 und verlässt ihn über einen Ausgang 42. Dabei überträgt der Wärmetauscher 38 Wärme von dem Kathodenabgasstrom 64 auf den zweiten Oxidatorstrom 50. Der zweite Oxidatorstrom 50 tritt in den Wärmetauscher 38 über einen Eingang 44 ein und verlässt den Wärmetauscher 38 über einen Ausgang 46. Im Hinblick auf die Strömungsrichtung des zweiten Oxidatorstroms 50 befindet sich der Wärmetauscher 38 stromaufwärts der Vereinigungsstelle 56, an welcher sich der zweite Oxidatorstrom 50 und der Brennerabgasstrom 58 vereinigen. Dem Ausgang 28 des Brenners 22 kann ein Rußfilter nachgelagert sein, der den Brennerabgasstrom 58 von möglicherweise vorhandenen Russpartikeln zumindest teilweise befreit. Das Stromteilungsverhältnis des Stromteilers 30, d. h., das Verhältnis des Durchsatzes des zweiten Oxidatorstroms 50 zum Durchsatz des dritten Oxida torstroms 52, ist einstellbar. Das Stromteilungsverhältnis kann insbesondere so eingestellt werden, dass der erste Oxidatorstrom 48 vollständig durch den Ausgang 34 des Stromteilers 30 tritt. In diesem Fall verschwindet der dritte Oxidatorstrom 52, und im Brenner 22 findet dann keine Verbrennung statt. Das Stromteilungsverhältnis des Stromteilers 30 lässt sich auch so einstellen, dass der erste Oxidatorstrom 48 vollständig durch den zweiten Ausgang 36 des Stromteilers 30 tritt. In diesem Fall verschwindet der zweite Oxidatorstrom 50. Zur Steuerung/Regelung des Stromteilungsverhältnisses des Stromteilers 30 ist eine elektronische Steuereinheit vorgesehen (nicht dargestellt).
  • Während einer Startphase (erste Betriebsphase) ist die Brennstoffzelle zunächst ”kalt”, d. h. ihre Temperatur liegt unterhalb ihrer Betriebstemperatur. Durch Regelung/Steuerung des Durchsatzes des ersten Oxidatorstroms 48 und des Stromteilungsverhältnisses des Stromteilers 30, möglicherweise in Kombination mit einer Regelung/Steuerung des Durchsatzes des Brennstoffstroms 54, werden der Durchsatz und die Temperatur des Brennerabgasstroms 58 gesteuert. Um sicherzustellen, dass die Brennstoffzelle 12 nicht durch zu starke Temperaturänderungen beschädigt wird, erfolgt die Regelung/Steuerung des ersten Oxidatorstroms 48 und des Stromteilungsverhältnisses des Stromteilers 30 so, dass die zeitliche Änderungsrate einer Temperatur (die Temperaturzunahme pro Zeiteinheit) des Brennerabgasstroms 58 einen vorgegebenen Maximalwert nicht überschreitet. Besonders vorteilhaft kann sein, dass die Temperatur des Brennerabgasstroms 58 linear zunimmt. Zur Messung der Temperatur des Brennerabgasstroms 58 kann innerhalb des Brennerabgasstroms 58 ein Temperatursensor angeordnet sein. Die Startphase ist beendet, sobald die Temperatur des zweiten Oxidatorstroms 50 zwischen dem Ausgang 46 des Wärmetauschers 38 und der Vereinigungsstelle 56 einen vorgegebenen Mindestwert überschreitet. Alternativ kann die Startphase auch so definiert sein, dass sie beendet ist, wenn eine Temperatur des Kathodenabgasstroms 64 einen vorgegebenen Mindestwert überschreitet. Der jeweils vorgegebene Mindestwert kann je nach Ausführungsform der Anlage 10 und insbesondere der Brennstoffzelle 12 oberhalb oder unterhalb der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 12 liegen.
  • Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass sich die Temperatur der Brennstoffzelle 12 regeln/steuern lässt durch Vorgabe einer Solltemperatur oder eines erlaubten Temperaturintervalls für eine Temperatur des Kathodenabgasstroms 64 zwischen dem Ausgang 16 und dem Eingang 40, und/oder durch Vorgabe einer Solltemperatur bzw. eines erlaubten Temperaturintervalls für eine Temperatur des zweiten Oxidatorstroms 50 zwischen dem Ausgang 46 und dem Eingang 14. Während eines stationären Betriebs kann der Brennstoffstrom 54 ausgeschaltet sein. Auch dann kann durch eine Regelung/Steuerung des Durchsatzes des dritten Oxidatorstroms 52 eine Temperatur der Kathode 4 geregelt/gesteuert werden.
  • Das Flussdiagramm in 2 veranschaulicht ein Verfahren zur Regelung einer Temperatur der mit Bezug auf Figur erläuterten Brennstoffzelle 12. In einem ersten Schritt S1 wird eine Ist-Temperatur Tist des der Kathode 4 zugeführten vereinigten Stroms 66 bestimmt. Im nachfolgenden Schritt S2 wird festgestellt, ob die so bestimmte Ist-Temperatur eine vorgegebene Mindesttemperatur Tmin unterschreitet. Ist dies der Fall, so wird das Stromteilungsverhältnis des Stromteilers 30 zugunsten des dritten Oxidatorstroms 52 und zu Lasten des zweiten Oxidatorstroms 50 geändert, d. h., der Durchsatz des dritten Oxidatorstroms 42 wird erhöht, während der Durchsatz des zweiten Oxidatorstroms 50 um den entsprechenden Betrag verrringert wird. Die Leistung des Brenners 22 wird damit erhöht (Schritt S3). Nach Schritt S3 kehrt der Prozess zu S1 zurück. Wurde in Schritt S2 jedoch ermittelt, dass die gemessene Temperatur Tist die Mindesttemperatur Tmin nicht unterschreitet, so wird in Schritt S4 untersucht, ob die Ist-Temperatur Tist eine vorgegebene Maximaltemperatur Tmax überschreitet. Ist dies der Fall, so wird in Schritt S5 das Stromteilungsverhältnis des Stromteilers 30 zugunsten des zweiten Oxidatorstroms 50 und zu Lasten des dritten Oxidatorstroms 52 geändert. Daraufhin kehrt der Prozess zu Schritt 51 zurück. Wird in Schritt 54 herausgefunden, dass die gemessene Temperatur Tist die vorgegebene Temperatur Tmax nicht überschreitet, so kehrt der Prozess direkt zu Schritt S1 zurück.
  • Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
    • 4
    Kathode
    6
    Membran
    8
    Anode
    10
    Anlage
    12
    Brennstoffzelle
    14
    Eingang
    16
    Ausgang
    18
    Eingang
    20
    Ausgang
    22
    Brenner
    24
    Eingang
    26
    Eingang
    28
    Ausgang
    30
    Stromteiler
    32
    Eingang
    34
    Ausgang
    36
    Ausgang
    38
    Wärmetauscher
    40
    Eingang
    42
    Eingang
    44
    Eingang
    46
    Ausgang
    48
    Oxidatorstrom
    50
    Oxidatorstrom
    52
    Oxidatorstrom
    54
    Brennstoffstrom
    56
    Vereinigungsstelle
    58
    Brennerabgasstrom
    60
    Brenngasstrom
    62
    Anodenabgasstrom
    64
    Kathodenabgasstrom
    66
    vereinigter Strom
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102007019359 A1 [0003]

Claims (15)

  1. Verfahren zum Bereitstellen elektrischer Energie mittels einer Brennstoffzelle (12), mit den folgenden Schritten: – Beaufschlagen einer Anode (8) der Brennstoffzelle (12) mit einem Brenngasstrom (60); und – Beaufschlagen einer Kathode (4) der Brennstoffzelle (12) mit einem Oxidatorstrom (50); dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiter die folgenden Schritte aufweist: – Erzeugen eines Brennerabgasstroms (58) mittels eines Brenners (22); und – Beaufschlagen der Kathode (4) mit dem Brennerabgasstrom (58).
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Oxidatorstrom (48) in einen zweiten Oxidatorstrom (50) und einen dritten Oxidatorstrom (52) geteilt wird, wobei der zweite Oxidatorstrom (50) der Kathode (4) zugeführt wird und der dritte Oxidatorstrom (52) dem Brenner (22) zugeführt wird.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass während einer ersten Betriebsphase ein Durchsatz des dritten Oxidatorstroms (52) größer ist als ein Durchsatz des zweiten Oxidatorstroms (50), und dass in einer späteren zweiten Betriebsphase der Durchsatz des zweiten Oxidatorstroms (50) größer ist als der Durchsatz des dritten Oxidatorstroms (52).
  4. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis eines Durchsatzes des zweiten Oxidatorstroms (50) zu einem Durchsatz des dritten Oxidatorstroms (52) mittels eines Dreiwegeventils (30) gesteuert oder geregelt wird.
  5. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, das der zweite Oxidatorstrom (50) und ein die Kathode (4) verlassender Abgasstrom (64) durch einen gemeinsamen Wärmetauscher (38) geführt werden.
  6. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es weiter die folgenden Schritte aufweist: – Vorgeben einer Mindesttemperatur Tmin; – Messen einer Isttemperatur Tist des zweiten Oxidatorstroms (50) stromabwärts des Wärmetauschers (38); – wenn die gemessene Isttemperatur Tist niedriger als die Mindesttemperatur Tmin ist, Erhöhen eines Durchsatzes des dritten Oxidatorstroms (52).
  7. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Oxidatorstrom (50) stromabwärts des Wärmetauschers (38) mit dem Brennerabgasstrom (58) zusammengeführt wird.
  8. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur TBrennerabgas des Brennerabgasstroms (58) und/oder ein Durchsatz IBrennerabgas des Brennerabgasstroms (58) derart gesteuert oder geregelt werden, dass ein Absolutwert |dTBSZ/dt| einer zeitlichen Änderungsrate dTBSZ/dt einer Temperatur TBSZ der Brennstoffzelle (12) einen vorgegebenen ersten Maximalwert nicht übersteigt.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchsatz I52 des dritten Oxidatorstroms (52) derart gesteuert oder geregelt wird, dass ein Absolutwert |dTBrennerabgas/dt| einer zeitlichen Änderungsrate der Temperatur TBrennerabgas des Brennerabgasstroms (58) einen vorgegebenen zweiten Maximalwert nicht übersteigt.
  10. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Brenner (22) ein Brennstoffstrom (54) zugeführt wird und ein Durchsatz I54 des Brennstoffstroms (54) in Abhängigkeit von einem Durchsatz I52 des dritten Oxidatorstroms (52) geregelt oder gesteuert wird.
  11. Anlage (10) zum Bereitstellen elektrischer Energie, mit einer Brennstoffzelle (12), die eine Anode (8) und eine Kathode (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage (10) einen Brenner (22) zum Erzeugen eines Brennerabgasstroms (58) aufweist und für ein Beaufschlagen der Kathode (4) mit dem Brennerabgasstrom (58) geeignet oder vorgesehen ist.
  12. Anlage gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiter aufweist: – einen Stromteiler (30) zum Teilen eines ersten Oxidatorstroms (48) in einen zweiten Oxidatorstrom (50) und einen dritten Oxidatorstrom (52); – eine zweite Oxidatorleitung zum Führen des zweiten Oxidatorstroms (50) an die Kathode (4); und – eine dritte Oxidatorleitung zum Führen des dritten Oxidatorstroms (52) an den Brenner (22).
  13. Anlage gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stromteilungsverhältnis des Stromteilers (30) steuerbar ist.
  14. Anlage gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Wärmetauscher (38) zum Herstellen eines thermischen Kontakts zwischen einem Abgasstrom (64) der Kathode (4) und dem zweiten Oxidatorstrom (50) aufweist.
  15. Anlage gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem Brenner (22) ein Rußfilter zum Entfernen von Rußpartikeln nachgelagert ist.
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