DE102024204932A1

DE102024204932A1 - Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, Mischvorrichtung und Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102024204932A1
Application number: DE102024204932.8A
Authority: DE
Inventors: Julia Miersch; Stefanie Wahl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2024-05-28
Filing date: 2024-05-28
Publication date: 2025-12-04

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren (10) zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems (12), das zum Betrieb mit einem kohlenwasserstoffhaltigen Sollbrennstoff ausgelegt ist.
Es wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt ein von dem Sollbrennstoff unterschiedlicher kohlenwasserstoffhaltiger Alternativbrennstoff, insbesondere Autogas und/oder einem anderen Flüssiggas, dem Brennstoffzellensystem (12) zugeführt wird.

Description

Stand der Technik
Es ist bereits ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, das zum Betrieb mit einem kohlenwasserstoffhaltigen Sollbrennstoff ausgelegt ist, vorgeschlagen worden.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, das zum Betrieb mit einem kohlenwasserstoffhaltigen Sollbrennstoff ausgelegt ist.
Es wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens ein von dem Sollbrennstoff unterschiedlicher kohlenwasserstoffhaltiger Alternativbrennstoff dem Brennstoffzellensystem zugeführt wird. Das Brennstoffzellensystem umfasst vorzugsweise zumindest eine Brennstoffzelleneinheit mit zumindest einer Brennstoffzelle zu einer elektrochemischen Umsetzung des zumindest einen Sollbrennstoffs. Die zumindest eine Brennstoffzelle ist beispielsweise als Festoxidbrennstoffzelle, als Schmelzkarbonatbrennstoffzelle, als Polymerelektrolytbrennstoffzelle oder dergleichen ausgebildet. Vorzugsweise umfasst die zumindest eine Brennstoffzelleneinheit mehrere, bevorzugt zumindest 100, besonders bevorzugt zumindest 200, Brennstoffzellen, die zu einem gemeinsamen Betrieb, insbesondere fluidtechnisch parallel und elektrisch in Reihe, verschaltet sind. Das Brennstoffzellensystem umfasst vorzugsweise mehrere Peripheriegeräte zu einer Aufbereitung und/oder Nachbereitung des Sollbrennstoffs. Beispiele für Peripheriegeräte des Brennstoffzellensystems umfassen eine Brennstofffördereinheit und/oder ein Proportionalventil zu einer Einstellung eines Drucks des Sollbrennstoffs, einen Reformer zu einem Reformieren des Sollbrennstoffs, einen Nachbrenner zu einer Umsetzung von Brennstoffresten in einem Abgas der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit, eine Abgasrückspeisung zu einer Einspeisung eines Teils des Abgases der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit in eine Brennstoffversorgungsleitung des Brennstoffzellensystems zu der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit.
Das Brennstoffzellensystem ist vorzugsweise dazu ausgelegt, bei einem Volllastbetrieb mit dem Sollbrennstoff eine elektrische Nennleistung von zumindest 10 kW, bevorzugt von zumindest 20 kW bereitzustellen. Das Brennstoffzellensystem ist vorzugsweise dazu ausgelegt, zumindest bei einem Volllastbetrieb, bevorzugt bei jedem regulären Betriebspunkt, mit dem Sollbrennstoff einen Gesamtwirkungsgrad, insbesondere eine elektrische Effizienz, von zumindest 60 %, bevorzugt von zumindest 70 %, insbesondere bei einer Bereitstellung von elektrischer Leistung und thermischer Leistung, aufzuweisen. Der Sollbrennstoff umfasst vorzugsweise Methan als Hauptenergieträger, insbesondere mit einem Stoffmengenanteil von zumindest 70 %, bevorzugt von zumindest 75 %. Der Sollbrennstoff kann zusätzlich zumindest einen weiteren Kohlenwasserstoff, Wasserstoff, Ammoniak und/oder andere Energieträger umfassen.
Der Alternativbrennstoff umfasst vorzugsweise zumindest einen Kohlenwasserstoff als Hauptenergieträger. Der Alternativbrennstoff umfasst vorzugsweise einen geringeren Anteil an Methan als der Sollbrennstoff. Vorzugsweise umfasst der Alternativbrennstoff einen Stoffmengenanteil von Methan von weniger als 70%, bevorzugt von höchstens 65 %, insbesondere von weniger als 60 %. Der Alternativbrennstoff umfasst beispielsweise einen größeren Anteil an inerten Bestandteilen, insbesondere Kohlenstoffdioxid, als der Sollbrennstoff. Alternativ oder zusätzlich umfasst der Alternativbrennstoff beispielsweise einen größeren Anteil an zumindest einem komplexeren Kohlenwasserstoff als Methan, insbesondere Propan und/oder Butan, als der Sollbrennstoff. Der Hauptenergieträger des Alternativbrennstoffs kann Methan oder der zumindest eine komplexere Kohlenwasserstoff sein. Bei einem Betrieb des Brennstoffzellensystems mit dem Alternativbrennstoff weist dieses im Allgemeinen eine niedrigere maximal erreichbare elektrische Leistung und/oder einen niedrigeren Wirkungsgrad als bei einem Betrieb mit, insbesondere ausschließlich, dem Sollbrennstoff auf.
Vorzugsweise wird der Alternativbrennstoff dem Brennstoffzellensystem anstelle des Sollbrennstoffs zugeführt. Alternativ wird der Sollbrennstoff mit dem Alternativbrennstoff vor einer Einspeisung in die zumindest eine Brennstoffzelleneinheit, insbesondere stromaufwärts des Reformers vermischt. Das Brennstoffzellensystem umfasst vorzugsweise eine Steuer- oder Regeleinheit, welche die zumindest eine Brennstoffzelleneinheit und/oder die Peripheriegeräte ansteuert, um einen Betriebspunkt des Brennstoffzellensystems einzustellen. Unter einer „Steuer- oder Regeleinheit“ soll insbesondere eine Einheit mit zumindest einer Steuerelektronik verstanden werden. Unter einer „Steuerelektronik“ soll insbesondere eine Einheit mit einer Prozessoreinheit und mit einer Speichereinheit sowie mit einem in der Speichereinheit gespeicherten Betriebsprogramm verstanden werden. Die Steuer- oder Regeleinheit steuert die zumindest eine Brennstoffzelleneinheit und/oder die Peripheriegeräte vorzugsweise in Abhängigkeit des verwendeten Brennstoffs, insbesondere in Abhängigkeit eines Mischungsverhältnisses der verwendeten Brennstoffe, an. Die Art und/oder Zusammensetzung des verwendeten Brennstoffs kann von der Steuer- oder Regeleinheit von einem Bediener des Brennstoffzellensystems abgefragt oder selbsttätig ermittelt werden. Beispielsweise umfasst das Brennstoffzellensystem separate Fluideinlässe für den Sollbrennstoff und den Alternativbrennstoff, sowie zumindest je ein Einlasssensorelement, beispielsweise zu einer Erfassung eines Drucks und/oder einer Strömungsrate durch den jeweiligen Fluideinlass, anhand dessen die Steuer- oder Regeleinheit die Art und/oder Zusammensetzung des verwendeten Brennstoffs ermittelt. Alternativ oder zusätzlich umfasst das Brennstoffzellensystem ein Fluidanalysegerät, beispielsweise ein Massenspektrometer, eine Lambdasonde oder dergleichen, um eine Zusammensetzung des verwendeten Brennstoffs, insbesondere stromabwärts einer Vermischung der Brennstoffe, zu erfassen. Die Steuer- oder Regeleinheit ist vorzugsweise dazu vorgesehen, bei einer gegebenen oder ermittelten Art und/oder Zusammensetzung des verwendeten Brennstoffs eine Brennstoffnutzung des Brennstoffzellensystems unter einem vorgegebenen Grenzwert, insbesondere auf einem vorgegebenen Sollwert, zu halten. Die Steuer- oder Regeleinheit passt beispielsweise eine Sauerstoffzufuhrrate zu der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit, eine Brennstoffzufuhrrate zu der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit und/oder durch eine Rezirkulationsrate der Abgasrückspeisung an, um die Brennstoffnutzung des Brennstoffzellensystems zu regeln.
Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine Abhängigkeit von einer Verfügbarkeit des Sollbrennstoffs vorteilhaft gering gehalten werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens ein Zusatz zu dem Alternativbrennstoff gegeben wird, um eine Verwertbarkeit des Alternativbrennstoffs durch das Brennstoffzellensystem zu erhöhen. Bevorzugt ist der Zusatz dazu vorgesehen, eine Zusammensetzung des Alternativbrennstoffs in Richtung einer Zusammensetzung des Sollbrennstoffs zu verschieben. Besonders bevorzugt ist der Zusatz dazu vorgesehen, eine relative Häufigkeit von Atomsorten, insbesondere Kohlenstoff, Sauerstoff und/oder Wasserstoff, in dem Alternativbrennstoff in Richtung einer relativen Häufigkeit dieser Atomsorten in dem Sollbrennstoff zu verschieben. Vorzugsweise wird der Zusatz stromaufwärts des Reformers in den Alternativbrennstoff eingespeist oder außerhalb des Brennstoffzellensystems mit dem Alternativbrennstoff vermischt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung unterscheiden sich Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems bei einem Betrieb mit dem Alternativbrennstoff und bei einem Betrieb mit dem Sollbrennstoff vorteilhaft wenig. Insbesondere kann ein Risiko und/oder Ausmaß einer Einschränkung eines Parameterraums der Betriebsparameter aufgrund eines Erreichens von maximal zulässigen Grenzwerten der Betriebsparameter bei einem Betrieb mit dem Alternativbrennstoff vorteilhaft klein gehalten werden. Insbesondere kann ein Risiko und/oder Ausmaß einer Leistungsbeschränkung der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit bei Verwendung des Alternativbrennstoffs vorteilhaft gering gehalten werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt dem Alternativbrennstoff Wasser als Zusatz beigemengt wird, um eine Zusammensetzung des Alternativbrennstoffs in Richtung einer Zusammensetzung des Sollbrennstoffs zu verschieben. Die Steuer- oder Regeleinheit kann die Einspeisung von Wasser in den Alternativbrennstoff steuern, insbesondere vorsteuern, beispielsweise in Abhängigkeit von einer erfassten Zufuhrrate an dem Alternativbrennstoff und/oder regeln, beispielsweise mittels eines Feuchtigkeitssensors und/oder der Lambdasonde stromabwärts einer Einspeisestelle des Wassers in den Alternativbrennstoff. Das als Zusatz eingespeiste Wasser wird insbesondere zusätzlich zu einer Basismenge an Wasser in den Alternativbrennstoff eingespeist, welche zu einer Dampfreformierung des Sollbrennstoffs ausgelegt ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine Dampfreformierung des Alternativbrennstoffs in dem Reformer vorteilhaft effektiv gehalten werden. Insbesondere kann bei gegebener Brennstoffnutzung des Brennstoffzellensystems die Rezirkulationsrate der Abgasrückspeisung vorteilhaft klein gehalten werden. Insbesondere kann ein Risiko eines Erreichens einer maximalen Drehzahl der Brennstofffördereinheit vorteilhaft klein gehalten werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass eine Wasserzufuhrrate zu dem Alternativbrennstoff von einer vorgegebenen Brennstoffnutzung des Brennstoffzellensystems und einer maximalen Förderleistung einer Brennstofffördereinheit des Brennstoffzellensystems eingestellt wird. Vorzugsweise wird zumindest so viel des Zusatzes in den Alternativbrennstoff eingespeist, dass ein notwendiger Volumenstrom des Alternativbrennstoffs zum Erreichen der vorgegebenen Brennstoffnutzung durch die maximale Förderleistung der Brennstofffördereinheit bereitgestellt werden kann. Besonders bevorzugt wird zumindest so viel des Zusatzes in den Alternativbrennstoff eingespeist, dass der notwendige Volumenstrom des Alternativbrennstoffs zum Erreichen der vorgegebenen Brennstoffnutzung durch eine Förderleistung der Brennstofffördereinheit bereitgestellt werden kann, welche zumindest 1 %, bevorzugt zumindest 5 %, besonders bevorzugt zumindest 10 %, unterhalb der maximalen Förderleistung der Brennstofffördereinheit liegt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine notwendige Beschränkung der maximal bereitstellbaren Leistung der elektrochemischen Einheit aufgrund eines nicht durch die Brennstofffördereinheit bereitstellbaren Volumenstroms bei Verwendung des Alternativbrennstoffs vorteilhaft gering gehalten, insbesondere in vorteilhaft vielen Betriebssituationen vermieden, werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass das Wasser einem Rezirkulat des Alternativbrennstoffs beigemengt wird. Insbesondere wird das Wasser in die Abgasrückspeisung und/oder stromabwärts einer Mündungsstelle der Abgasrückspeisung in die Brennstoffversorgungsleitung eingespeist. Das Wasser wird besonders bevorzugt stromaufwärts des Reformers in die Brennstoffversorgungsleitung oder die Abgasrückspeisung eingespeist. Besonders bevorzugt wird das Wasser mit Prozesswärme der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit verdampft. Das Wasser wird beispielsweise vor einer Einspeisung in das Rezirkulat mittels eines Abgaswärmeübertragers verdampft, der mit einem Fluidauslass der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit verbunden ist. Beispielsweise wird das, insbesondere flüssige, Wasser direkt in die Abgasrückspeisung eingespeist, insbesondere eingesprüht, sodass es innerhalb der Abgasrückspeisung durch den direkten Kontakt mit dem Rezirkulat verdampft. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein durch die Brennstofffördereinheit zu erbringender Volumenstrom bei einem Betrieb mit dem Alternativbrennstoff vorteilhaft klein gehalten werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass eine vorgegebenen Brennstoffnutzung des Brennstoffzellensystems unabhängig von der Art des verwendeten Brennstoffs gehalten wird. Vorzugsweise passt die Steuer- oder Regeleinheit den Sollwert und/oder den Grenzwert der Brennstoffnutzung bei einem Wechsel des Brennstoffs nicht an. Vorzugsweise verwendet die Steuer- oder Regeleinheit für den Sollbrennstoff und den Alternativbrennstoff denselben Sollwert der Brennstoffnutzung. Vorzugsweise ist der Sollwert unabhängig von dem verwendeten Brennstoff größer als 0,8. Vorzugsweise wird eine Menge des Zusatzes zu dem Alternativbrennstoff abhängig von dem Sollwert der Brennstoffnutzung gesteuert oder geregelt. Die Steuer -oder Regeleinheit ist besonders bevorzugt dazu vorgesehen, die Brennstoffnutzung unabhängig von dem verwendeten Brennstoff unter einem Wert von 1 zu halten. Vorzugsweise ist der Grenzwert unabhängig von dem verwendeten Brennstoff kleiner als 1. Eine lokale Brennstoffnutzung der zumindest einen elektrochemischen Einheit und/oder die Rezirkulationsrate der Abgasrückspeisung stellt die Steuer- oder Regeleinheit vorzugsweise in Abhängigkeit von dem verwendeten Brennstoff, der Brennstoffnutzung des Brennstoffzellensystems, der zu erbringenden Leistung des Brennstoffzellensystems, einem Verschleißzustand der Brennstoffzelleneinheit oder dergleichen ein. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung liegen Betriebspunkte des Brennstoffzellensystems bei Verwendung unterschiedlicher Brennstoffe vorteilhaft nah beieinander.
Weiter wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens eine Zusammensetzung des verwendeten Brennstoffs erfasst wird. Beispielsweise wird die Zusammensetzung mit dem bereits erwähnten Massenspektrometer des Brennstoffzellensystems erfasst. Beispielsweise wird zumindest ein relativer Sauerstoffanteil, insbesondere ein Sauerstoffmangel, des verwendeten Brennstoffs mit der bereits erwähnten Lambdasonde des Brennstoffzellensystems erfasst, in Abhängigkeit dessen die Steuer- oder Regeleinheit auf die Zusammensetzung des verwendeten Brennstoffs schließt. Beispielsweise wird zumindest ein Wasseranteil des verwendeten Brennstoffs mittels des Feuchtigkeitssensors erfasst. Vorzugsweise aktiviert oder deaktiviert die Steuer- oder Regeleinheit in Abhängigkeit der erfassten Zusammensetzung eine Steuer- oder Regelroutine zur Verwertung des Sollbrennstoffs und/oder eine Steuer- oder Regelroutine zur Verwertung des Alternativbrennstoffs, insbesondere eine Zugabe des Zusatzes zu dem verwendeten Brennstoff. Alternativ oder zusätzlich schließt die Steuer- oder Regeleinheit aus einer erfassten Strömungsrate des Alternativbrennstoffs und einer erfassten Strömungsrate des Zusatzes stromaufwärts einer Vermischung der Stoffe auf eine Zusammensetzung des verwendeten Brennstoffs stromabwärts des Vermischens. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine Menge des Zusatzes vorteilhaft präzise eingestellt werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens eine Zusammensetzung des verwendeten Brennstoffs geregelt wird. Vorzugsweise stellt die Steuer- oder Regeleinheit die Strömungsrate des Zusatzes in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des verwendeten Brennstoffs stromabwärts der Einspeisung des Zusatzes in den verwendeten Brennstoff ein. Vorzugsweise legt die Steuer- oder Regeleinheit einen Sollwert der Zusammensetzung in Abhängigkeit von der maximalen Förderleistung der Brennstofffördereinheit und/oder der vorgegebenen Brennstoffnutzung fest oder liest diesen aus einem Speicher der Steuer- oder Regeleinheit aus. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein Bediener des Brennstoffzellensystems mit vorteilhaft wenig Aufwand zwischen unterschiedlichen Brennstoffen wechseln.
Ferner wird vorgeschlagen, dass als Alternativbrennstoff Autogas, insbesondere im Sinne von DIN EN 589, verwendet wird. Der Alternativbrennstoff umfasst vorzugsweise Propan und/oder Butan als Hauptenergieträger. Alternativ wird als Alternativbrennstoff ein anderes Flüssiggas, englisch Liquefied Petroleum Gas, kurz LPG, verwendet, welches Propan, Butan, Propen, Buten, Isobutan und/oder Isobuten als Hauptenergieträger umfasst. Bevorzugt beträgt ein Volumenanteil der Hauptenergieträger an dem Alternativbrennstoff in Summe und/oder ein Volumenanteil eines einzelnen Hauptenergieträgers an dem Alternativbrennstoff mehr als 50 %, bevorzugt mehr als 70 %, besonders bevorzugt mehr als 90 %. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann das Brennstoffzellensystem mit einem vorteilhaft leicht verfügbaren Alternativbrennstoff betrieben werden.
Ferner wird eine Mischvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen, welches zumindest eine Mischeinheit mit zumindest einem Brennstoffeinlass und mit zumindest einem Wassereinlass umfasst. Der Wassereinlass ist vorzugsweise dazu vorgesehen, das Wasser dampfförmig in den Alternativbrennstoff, insbesondere in das Rezirkulat des Alternativbrennstoffs, einzuspeisen. Die Mischvorrichtung umfasst an dem Wassereinlass vorzugsweise zumindest ein Dosierelement, insbesondere ein Proportionalventil und/oder eine Fluidfördereinheit, beispielsweise ein Gebläse, Ventilator oder Verdichter. Die Mischeinheit umfasst vorzugsweise zumindest einen Brennstoffauslass zu einer Übergabe des mit Wasser angereicherten Alternativbrennstoffs an die Brennstoffversorgungsleitung, insbesondere den Reformer, des Brennstoffzellensystems. In einer vorteilhaft einfachen Ausgestaltung ist die Mischeinheit als T-Leitungsstück ausgebildet. In einer vorteilhaften Weiterentwicklung umfasst die Mischeinheit eine Mischkammer und/oder zumindest einen Statikmischer zu einer Vermischung des Alternativbrennstoffs mit dem Wasser. Die Mischvorrichtung umfasst vorzugsweise zumindest ein Messelement zu einer Erfassung einer Zusammensetzung des durch den Brennstoffauslass strömenden Brennstoffs. Das Messelement ist beispielsweise das bereits genannte Massenspektrometer, die bereits genannte Lambdasonde oder der bereits genannte Feuchtigkeitssensor, welches an der Mischeinheit, insbesondere an dem Brennstoffauslass angeordnet ist. Alternativ umfasst die Mischvorrichtung als Messelemente je einen Strömungsmesser und/oder Druckmesser in dem Brennstoffeinlass und in dem Wassereinlass, um ein Mischungsverhältnis des Alternativbrennstoffs und des Wasserstoffs zu ermitteln. Die Mischvorrichtung umfasst vorzugsweise die bereits genannte Steuer- oder Regeleinheit zu einer Einstellung des Dosierelements, insbesondere in Abhängigkeit von dem zumindest einen Messelement. Die Mischvorrichtung umfasst vorzugsweise zumindest eine Verdampfereinheit, zu einem Verdampfen des Wassers. Das Dosierelement ist vorzugsweise fluidtechnisch zwischen der Verdampfereinheit und der Mischeinheit angeordnet. Die Verdampfereinheit umfasst vorzugsweise zumindest einen Wärmeübertrager zu einem Anschluss einer Abgasleitung des Brennstoffzellensystems, der zu einer Wärmeübertragung auf das zu verdampfende flüssige Wasser vorgesehen ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein Brennstoffzellensystem vorteilhaft unabhängig von einem speziellen Brennstoff betrieben werden.
Darüber hinaus wird ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einer, insbesondere der bereits genannten, Brennstoffzelleneinheit zu einer elektrochemischen Umsetzung eines Brennstoffs und mit zumindest einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung vorgeschlagen. Das Brennstoffzellensystem kann genau eine Brennstoffzelleneinheit oder mehrere, insbesondere baugleiche, Brennstoffzelleneinheiten umfassen, welche insbesondere zu einem voneinander unabhängigen Betrieb vorgesehen sind. Umfasst das Brennstoffzellensystem mehrere Brennstoffzelleneinheiten, sind diese vorzugsweise fluidtechnisch parallel an einer zentralen Brennstoffversorgungsleitung des Brennstoffzellensystems angeschlossen. Das Brennstoffzellensystem umfasst vorzugsweise zumindest einen Reformer zu einer Reformierung, insbesondere Dampfreformierung des verwenden Brennstoffstoffs stromaufwärts der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit. Das Brennstoffzellensystem umfasst vorzugsweise zumindest eine Abgasrückspeisung, welche einen Auslass der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit mit der Brennstoffversorgungsleitung fluidtechnisch verbindet und zu einer Rückspeisung von Abgas in den verwendeten Brennstoff vorgesehen ist. Die Abgasrückspeisung mündet vorzugsweise stromaufwärts des Reformers in die Brennstoffversorgungsleitung. Die Mischvorrichtung ist vorzugsweise an der Abgasrückspeisung integriert oder stromabwärts der Mündungsstelle der Abgasrückspeisung in der Brennstoffversorgungsleitung angeordnet. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein vorteilhaft vielseitig einsetzbares Brennstoffzellensystem bereitgestellt werden, das vorteilhaft unabhängig von einer Verfügbarkeit eines speziellen Brennstoffs betrieben werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren, die erfindungsgemäße Mischvorrichtung und/oder das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem sollen/soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren, die erfindungsgemäße Mischvorrichtung und/oder das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten sowie Verfahrensschritten abweichende Anzahl aufweisen. Zudem sollen bei den in dieser Offenbarung angegebenen Wertebereichen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als offenbart und als beliebig einsetzbar gelten.
Zeichnungen
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung und
2 ein schematisches Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 12. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst zumindest eine Brennstoffzelleneinheit 24 zu einer elektrochemischen Umsetzung eines Sollbrennstoffs. Die Brennstoffzelleneinheit 24 umfasst beispielsweise zumindest eine Festoxidbrennstoffzelle, vorzugsweise mehrere, insbesondere zumindest 100 Festoxidbrennstoffzellen. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst vorzugsweise zumindest eine Brennstoffversorgungsleitung 26, die zu einer Versorgung der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit 24 mit einem Brennstoff, insbesondere dem Sollbrennstoff, an dieser angeschlossen ist. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst vorzugsweise zumindest eine Sauerstoffversorgungsleitung 28, die zu einer Versorgung der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit 24 mit Sauerstoff, insbesondere Luft, an dieser angeschlossen ist. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst vorzugsweise zumindest einen Nachbrenner 32, welcher zu einer Verwertung von Brennstoffresten in einem Abgas der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit 24 an Fluidauslässen der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit 24 angeschlossen ist. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst vorzugsweise zumindest eine Abgasleitung 30, welche zu einer Abfuhr von Abgasen an dem zumindest einen Nachbrenner 32 angeschlossen ist. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst vorzugsweise zumindest eine Abgasrückspeisung 42, welche von einem, insbesondere dem anodenseitigen, der Fluidauslässe der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit 24, insbesondere stromaufwärts des Nachbrenners 32, abzweigt und in die Brennstoffversorgungsleitung 26 mündet. Die Abgasrückspeisung 42 ist vorzugsweise dazu vorgesehen, ein Abgas der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit 24 mit darin enthaltenen Brennstoffresten zurück in die Brennstoffversorgungsleitung 26 einzuspeisen. Das Abgas mit den Brennstoffresten, welches durch die Abgasrückspeisung 42 strömt, wird auch als Rezirkulat des Brennstoffs bezeichnet.
Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst entlang der Brennstoffversorgungsleitung 26 vorzugsweise, insbesondere in dieser Reihenfolge, ein Brennstoffdosierelement 34, eine Brennstofffördereinheit 14, einen Rezirkulatrekuperator 36, einen Abgas-Brennstoff-Wärmeübertrager 38 und/oder einen Reformer 40. Das Brennstoffdosierelement 34 ist vorzugsweise zu einer Einstellung einer Zufuhrrate an frischem Brennstoff vorgesehen und kann beispielsweise als Proportionalventil, Gebläse, Verdichter oder dergleichen ausgebildet sein. Das Brennstoffdosierelement 34 ist vorzugsweise bezogen auf den frischen Brennstoff stromaufwärts einer Mündungsstelle der Abgasrückspeisung 42 in die Brennstoffversorgungsleitung 26 angeordnet. Die Brennstofffördereinheit 14 ist vorzugsweise zu einer Einstellung einer Rezirkulationsrate durch die Abgasrückspeisung 42 vorgesehen. Die Brennstofffördereinheit 14 ist hier in der Brennstoffversorgungsleitung 26 angeordnet dargestellt. Innerhalb der Brennstoffversorgungsleitung 26 ist die Brennstofffördereinheit 14 vorzugsweise stromabwärts der Mündungsstelle der Abgasrückspeisung 42 in die Brennstoffversorgungsleitung 26 angeordnet. Alternativ ist die Brennstofffördereinheit 14 in der Abgasrückspeisung 42 angeordnet. Die Brennstofffördereinheit 14 ist vorzugsweise als Gebläse oder Verdichter ausgebildet. Der Rezirkulatrekuperator 36 ist zu einer Übertragung von Wärme von der Abgasrückspeisung 42 auf die Brennstoffversorgungsleitung 26 vorgesehen. Der Abgas-Brennstoff-Wärmeübertrager 38 ist zu einer Übertragung von Wärme von der Abgasleitung 30 auf die Brennstoffversorgungsleitung 26 vorgesehen. Der Reformer 40 ist zu einer Reformierung, insbesondere Dampfreformierung des Brennstoffs vorgesehen.
Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst zumindest eine Mischvorrichtung 16. Die Mischvorrichtung 16 ist zur Durchführung eines Verfahrens 10 vorgesehen, welches in 2 näher erläutert wird. Die Mischvorrichtung 16 ist vorzugsweise dazu vorgesehen, in einen von dem Sollbrennstoff unterschiedlichen Alternativbrennstoff Wasser einzuspeisen. Die Mischvorrichtung 10 umfasst zumindest eine Mischeinheit 18, welche zumindest einen Brennstoffeinlass 20 und zumindest ein Wassereinlass 22 umfasst. Die Mischeinheit 18 ist vorzugsweise in der Abgasrückspeisung 42 angeordnet. Der Brennstoffeinlass 20 ist vorzugsweise stromabwärts des Rezirkulatrekuperators 36 angeordnet. Ein Brennstoffauslass 44 der Mischeinheit ist vorzugsweise stromaufwärts der Mündungsstelle der Abgasrückspeisung 42 in die Brennstoffversorgungsleitung 24 angeordnet. Alternativ ist die Mischeinheit 18 an einer alternativen Position 18', 18", 18" innerhalb der Brennstoffversorgungsleitung 24 zwischen der Mündungsstelle der Abgasrückspeisung 42 und dem Reformer 40 angeordnet, beispielweise zwischen der Brennstofffördereinheit 14 und dem Rezirkulatrekuperator 36 oder zwischen dem Rezirkulatrekuperator 36 und dem Abgas-Brennstoff-Wärmeübertrager 38 oder zwischen dem Abgas-Brennstoff-Wärmeübertrager 38 und dem Reformer 40. Die Mischvorrichtung 16 umfasst vorzugsweise eine Verdampfereinheit 46 zu einem Verdampfen des in den Alternativbrennstoff einzuspeisenden Wassers. Die Verdampfereinheit 46 ist vorzugsweise an dem Wassereinlass 22 der Mischeinheit angeschlossen. Die Verdampfereinheit 46 umfasst vorzugsweise einen Abgaswärmeübertrager zu einer Übertragung von Wärme von der Abgasleitung 30 auf das zu verdampfende Wasser. Der Abgaswärmeübertrager der Verdampfereinheit 46 ist an der Abgasleitung 42 vorzugsweise stromabwärts des Abgas-Brennstoff-Wärmeübertragers 38 und insbesondere stromabwärts eines Abgas-Sauerstoff-Wärmeübertragers 48 der Sauerstoffversorgungsleitung 28 angeordnet. Alternativ ist der Wassereinlass 22 zu einer Einspeisung von flüssigem Wasser in die Mischeinheit 18 vorgesehen. Der Wassereinlass 22 umfasst beispielsweise zumindest ein Düse zu einem Einbringen des Wassers in das Rezirkulat. Bei einer flüssigen Einbringung des Wassers kann das Brennstoffzellensystem 12 einen zu der Verdampfereinheit 46 analog angeschlossenen Wasservorerwärmer umfassen. Die Mischvorrichtung 16 umfasst vorzugsweise zumindest ein Dosierelement 50, das zu einer Einstellung einer Wasserzufuhrrate zu der Mischeinheit 18 vorzugsweise stromaufwärts des Wasserseinlass 22 und insbesondere stromabwärts der Verdampfereinheit 46 angeordnet ist. Die Mischvorrichtung 16 umfasst vorzugsweise zumindest ein Messelement 52 zu einer Erfassung einer Zusammensetzung des verwendeten Brennstoffs. Das Messelement 52 ist hier beispielhaft stromaufwärts des Reformers 40 an der Brennstoffversorgungsleitung 36 angeordnet. Das Messelement 52 ist beispielsweise als Feuchtigkeitssensor ausgebildet. Die Messvorrichtung 16 umfasst vorzugsweise eine Steuer- oder Regeleinheit 54 zu einem Einstellen des Dosierelements 50, insbesondere in Abhängigkeit von dem Messelement 52 und/oder in Abhängigkeit von einer Einstellung des Brennstoffdosierelements 34.
2 zeigt ein Flussdiagramm des Verfahrens 10 zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems 12. Das Brennstoffzellensystem 12 ist zu einem Betrieb mit dem Sollbrennstoff, insbesondere Erdgas, ausgelegt. Die Mischvorrichtung 16 ist dazu vorgesehen, das Brennstoffzellensystem 12 mit einem Alternativbrennstoff effizient zu betreiben. Die Mischvorrichtung 16 ist besonders bevorzugt dazu vorgesehen, das für Erdgas ausgelegte Brennstoffzellensystem 12 mit Autogas und/oder einem anderen Flüssiggas als Alternativbrennstoff effizient zu betreiben.
Das Verfahren 10 umfasst vorzugsweise eine Brennstoffwahl 56, in welcher der Sollbrennstoff oder der Alternativbrennstoff in die Brennstoffversorgungsleitung 26 des Brennstoffzellensystems 12 eingespeist wird. Wird der Sollbrennstoff eingespeist, wird vorzugsweise ein regulären Betrieb 60 des Brennstoffzellensystems 12 ausgeführt. In dem regulären Betrieb 60 führt die Steuer- oder Regeleinheit 54 vorzugsweise ein an sich bekanntes Regelverfahren zum Betrieb der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit 24 aus oder sendet ein Freigabesignal an eine übergeordnete Steuer- oder Regelvorrichtung des Brennstoffzellensystems 12 zur Durchführung des Regelverfahrens. Das Regelverfahren umfasst beispielsweise eine Regelung einer Brennstoffnutzung des Brennstoffzellensystems 12 bei einer vorgegebenen elektrischen und/oder thermischen Sollleistung des Brennstoffzellensystems 12. Wird der Alternativbrennstoff eingespeist, führt die Steuer- oder Regeleinheit 54 vorzugsweise einen Brennstoffanpassungsschritt 58 aus.
Die Steuer- oder Regeleinheit 54 kann dazu vorgesehen sein, die Art des eingespeisten Brennstoffs mittels einer Bedienereingabe abzufragen und/oder selbsttätig zu ermitteln. Beispielsweise ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit 54 die Art des Brennstoffs durch eine Analyse des Brennstoffs mittels des Messelements 52. Umfasst das Brennstoffzellensystem 12 einen spezifischen Fluidanschluss für den Alternativbrennstoff und einen spezifischen Fluidanschluss für den Sollbrennstoff, kann die Steuer- oder Regeleinheit 54 beispielsweise mittels spezifischer Durchflusssensoren, mittels spezifischer Drucksensoren, mittels spezifischer Ventilstellungen an den Fluidanschlüssen und/oder mittels einer Stellung eines Umschaltelements zwischen den Fluidanschlüssen ermitteln, durch welchen spezifischen Fluidanschluss Brennstoff eingespeist wird. Weist das Brennstoffzellensystem 12 spezifische Fluideinlässe für unterschiedliche Brennstoffe auf, sind diese gemäß dem Poka Yoke-Prinzip bevorzugt unterschiedlich ausgestaltet.
In dem Brennstoffanpassungsschritt 58 wird ein Zusatz zu dem Alternativbrennstoff hinzugegeben, um eine Verwertbarkeit des Alternativbrennstoffs durch das Brennstoffzellensystem 12 zu erhöhen. Vorzugsweise stellt die Steuer- oder Regeleinheit 54 das Dosierelement 50 ein, um den Zusatz in den Alternativbrennstoff einzuspeisen. Die Zusammensetzung des verwendeten Brennstoffs wird vorzugsweise von dem Messelement 52 erfasst und von der Steuer- oder Regeleinheit 54 geregelt. Alternativ steuert die Steuer- oder Regeleinheit 54 das Dosierelement 50 in Abhängigkeit von der mittels des Brennstoffdosierelements 34 eingestellten Zufuhrrate des Alternativbrennstoffs. Alternativ öffnet oder schließt die Steuer- oder Regeleinheit 54 das Dosierelement 50 vollständig bei einem Wechsel des Brennstoffs. Als Zusatz wird dem Alternativbrennstoff Wasser, insbesondere Wasserdampf, beigemengt, insbesondere um ein Wasserstoff-Kohlenstoffverhältnis des Alternativbrennstoffs einzustellen. Das Wasser und der Alternativbrennstoff, insbesondere das Rezirkulat des Alternativbrennstoffs, werden in der Mischeinheit 18 vermischt und dem Reformer 40 zugeführt. Der Wasser wird vorzugsweise eingespeist, um einen höheren Kohlenstoffanteil des Alternativbrennstoffs verglichen mit dem Sollbrennstoff zu kompensieren und insbesondere eine Dampfreformierung des Alternativbrennstoffs zu ermöglichen. Eine Wasserzufuhrrate zu der Mischeinheit 18 wird in Abhängigkeit von der vorgegebenen Brennstoffnutzung des Brennstoffzellensystems 12 und einer maximalen Förderleistung der Brennstofffördereinheit 14 des Brennstoffzellensystems 12 eingestellt. Bevorzugt wird so viel Wasser eingespeist, dass eine Sollförderleistung der Brennstofffördereinheit 14 unterhalb der maximalen Förderleistung der Brennstofffördereinheit 14 liegt.

Claims

Verfahren (10) zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems (12), das zum Betrieb mit einem kohlenwasserstoffhaltigen Sollbrennstoff ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt ein von dem Sollbrennstoff unterschiedlicher kohlenwasserstoffhaltiger Alternativbrennstoff dem Brennstoffzellensystem (12) zugeführt wird.
Verfahren (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt ein Zusatz zu dem Alternativbrennstoff gegeben wird, um eine Verwertbarkeit des Alternativbrennstoffs durch das Brennstoffzellensystem (12) zu erhöhen.
Verfahren (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt dem Alternativbrennstoff Wasser beigemengt wird.
Verfahren (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wasserzufuhrrate zu dem Alternativbrennstoff von einer vorgegebenen Brennstoffnutzung des Brennstoffzellensystems (12) und einer maximalen Förderleistung einer Brennstofffördereinheit (14) des Brennstoffzellensystems (12) eingestellt wird.
Verfahren (10) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser einem Rezirkulat des Alternativbrennstoffs beigemengt wird.
Verfahren (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorgegebene Brennstoffnutzung des Brennstoffzellensystems (12) unabhängig von der Art des verwendeten Brennstoffs gehalten wird.
Verfahren (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zu mindestens einem Verfahrensschritt eine Zusammensetzung des verwendeten Brennstoffs erfasst wird.
Verfahren (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt eine Zusammensetzung des verwendeten Brennstoffs geregelt wird.
Verfahren (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Alternativbrennstoff Autogas verwendet wird.
Mischvorrichtung (16) für ein Brennstoffzellensystem (12) zur Durchführung eines Verfahrens (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit zumindest einer Mischeinheit (18), welche zumindest einen Brennstoffeinlass (20) und zumindest einen Wassereinlass (22) umfasst.
Brennstoffzellensystem (12) mit zumindest einer Brennstoffzelleneinheit (24) zu einer elektrochemischen Umsetzung eines Brennstoffs und mit zumindest einer Mischvorrichtung (16) nach Anspruch 10.