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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten einer Festoxidbrennstoffzellenvorrichtung mit wenigstens einer eine Kathode, eine Anode und eine die Kathode von der Anode trennende feste Elektrolytschicht umfassenden Festoxidbrennstoffzelle, bei der die Anode mit einer Anodenzufuhrleitung für die Zuleitung von Brennstoff und einer Anodenabgasleitung für die Ableitung von Anodenabgas verbunden ist, und bei der die Kathode mit einer Kathodenzufuhrleitung und einer Kathodenabgasleitung verbunden ist, wobei die Anodenabgasleitung und die Kathodenabgasleitung einem Nachbrenner zugeführt sind und stromab des Nachbrenners aus einer Nachbrennerabgasleitung eine Nachbrenner-Rezirkulationsleitung abzweigt, die stromauf der Anode in die Anodenzufuhrleitung mündet, umfassend die Schritte:
- a) Feststellen, dass die Temperatur des Nachbrenners unterhalb einer vorgegebenen Temperatur TNB liegt,
- b) Öffnen einer ersten Drosselklappe oder eines ersten Regelventils in der Rezirkulationsleitung,
- c) Schließen einer stromab des Abzweigs der Nachbrenner-Rezirkulationsleitung in der Nachbrennerabgasleitung gelegenen zweiten Drosselklappe oder einer eines zweiten Regelventils,
- d) Rezirkulieren des Nachbrennerabgases aus unverbranntem Brennstoff, Luft und Nachbrennerabgas an die Anode,
- e) Nutzen des heißen Anodenabgases und Kathodenabgases zum Erwärmen des Nachbrenners, bis die Temperatur TNB erreicht ist,
- f) Verstellen der ersten Drosselklappe bzw. des ersten Regelventils und der zweiten Drosselklappe bzw. des zweiten Regelventils entsprechend den Anforderungen des Normalbetriebes.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine Festoxidbrennstoffzellenvorrichtung und ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einer solchen.
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Brennstoffzellen dienen dazu, in einer chemischen Reaktion zwischen einem wasserstoffhaltigen Brennstoff und einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel, in der Regel Luft, elektrische Energie bereitzustellen. Bei einer Festoxid-Brennstoffzelle (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) besteht dabei eine Elektrolytschicht aus einem namensgebenden festen Werkstoff, z.B. keramischen yttriumdotierten Zirkoniumdioxid, der in der Lage ist, Sauerstoffionen zu leiten, während Elektronen nicht geleitet werden. Die Elektrolytschicht ist zwischen zwei Elektrodenschichten aufgenommen, nämlich der Kathodenschicht, der die Luft zugeführt wird, und der Anodenschicht, die mit dem Brennstoff versorgt wird, der durch H2, CO, CH4 oder ähnliche Kohlenwasserstoffe gebildet sein kann. Wird die Luft durch die Kathodenschicht zu der Elektrolytschicht geführt, nimmt der Sauerstoff zwei Elektronen auf und die gebildeten Sauerstoffionen O2- bewegen sich durch die Elektrolytschicht zu der Anodenschicht, wobei die Sauerstoffionen dort mit dem Brennstoff reagieren unter Bildung von Wasser und CO2. Kathodenseitig findet die folgende Reaktion statt: ½ O2 + 2e-→ 2O2- (Reduktion/Elektronenaufnahme). An der Anode erfolgen die folgende Reaktionen: H2 + O2- → H2O + 2 e- sowie CO + O2- → CO2 + 2e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Eine Festoxid-Brennstoffzelle muss nicht planar gestaltet sein, sondern kann als Röhrchen ausgeführt sein; auch besteht zur Leistungssteigerung die Möglichkeit, mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel zusammen zu fassen.
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Festoxidbrennstoffzellen benötigen hohe Temperaturen über 700°C, bei denen sie betrieben werden, so dass auch die Verwendung der Bezeichnung Hochtemperatur-Brennstoffzelle üblich ist. Die für eine ausreichende Leitfähigkeit der Elektrolytschicht erforderliche hohe Temperatur bedingt, dass im Startfall eine Erwärmung erforderlich ist und die erreichte Temperatur während des Betriebs gehalten werden muss. Für eine schnelle Erwärmung besteht die Möglichkeit, in einem Startbrenner den Brennstoff mit Luft zu verbrennen, wobei dann zur Einhaltung von gesetzlich vorgegebenen Grenzen für die Emission von Wasserstoff die Verwendung auch eines Nachbrenners erforderlich ist, der unverbrauchten Brennstoff verbrennt. Aber auch dabei ist die Startphase kritisch, da der Nachbrenner gleichfalls aufgeheizt werden muss, und solange die Aufheizung nicht vollständig beendet ist, der unverbrannte Brennstoff nicht vollständig oxidiert wird. Die mögliche elektrische Vorheizung des Nachbrenners verbraucht elektrische Energie, die aus einer Batterie bereit gestellt werden muss, was den Gesamtwirkungsgrad des Systems beeinträchtigt. Auch ist zu beachten, dass gesetzliche Verschärfungen der Emissionsgrenzwerte deren Einhaltung immer weiter erschweren können.
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In der
DE 10 2010 044 408 A1 ist eine Festoxidbrennstoffzellenvorrichtung beschrieben, bei der während des Normalbetriebes mit der erforderlichen Betriebstemperatur die anoden- und kathodenseitig erzeugten Abgase einem Nachbrenner zugeführt werden, wobei ein erster Teilstrom des Nachbrennerabgases als Kreislaufführung der Anodenseite der Brennstoffzelle rezirkliert wird und ein zweiter Teilstrom als Systemabgas ausgeschleust wird. Das Verhältnis der Teilströme wird dabei bestimmt und so eingestellt, dass weder zu wenig noch zu viel Wasser in der Brennstoffzelle vorliegt und Wasserautarkie gewährleistet ist. Die Nutzung einer Anoden-Rezirkulationsleitung zur Verbesserung der Brennstoffnutzung im Normalbetrieb ist aus der
JP 2020-80262A bekannt. Die Nutzung einer SOFC in einem Kraftfahrzeug ist aus der
DE 10 2006 017 616 A1 bekannt.
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In der
JP 2013-80677A ist die Kombination eines Gasturbinensystems mit einer Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtung offenbart, durch die ein schneller Druck- und Temperaturanstieg beim Start der Brennstoffzellenvorrichtung ermöglicht ist. Die Kombination umfasst einen SOFC-Stapel, eine Anodenzufuhrleitung zur Brennstoffversorgung des SOFC-Stapels, eine Anodenabgasleitung, die das Anodenabgas zu einem Verbrenner des Gasturbinensystems leitet, eine Anoden-Rezirkulationsleitung, die das Anodenabgas der Anodenzufuhrleitung zuführen kann. Weiterhin liegen eine Kathodenzufuhrleitung von einem Kompressor zu dem SOFC-Stapel und eine Kathodenabgasleitung vor, die auch zu dem Verbrenner geführt ist. Der Anodengas-Rezirkulationsleitung ist ein Nachbrenner zugeordnet. Ein stromab dazu angeordnetes Ventil wird zur Einstellung des dem Verbrenner zugeführten Anteils genutzt
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Starten einer Festoxidbrennstoffzellenvorrichtung bereitzustellen, mit welchem die vorstehend genannten Nachteile gemildert oder sogar beseitigt werden. Aufgabe ist weiterhin, ein verbesserte Festoxidbrennstoffzellenvorrichtung und ein verbessertes Brennstoffzellenfahrzeug bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Festoxidbrennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 4 und durch ein Brennstoffzellenfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das eingangs genannte Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass im Startfall nicht verbrannter Brennstoff im Nachbrenner genutzt wird, um zum einen die Emission des nicht verbrannten Brennstoffs an die Umgebung zu vermeiden und weiterhin zusätzliche Wärme erzeugt wird, die mit dem heißen Nachbrennerabgas dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, was zu dessen schneller Erwärmung beiträgt, die wiederum auch die Erwärmung des Nachbrenners fördert. Günstig ist auch, dass mit dem Nachbrennerabgas der Anode Luft geliefert wird und damit eine separate Zufuhr aus der Kathodenzufuhrleitung entbehrlich ist.
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Zweckmäßigerweise wird das vom Normalbetrieb abweichende Verfahren so lange ausgeführt, bis die Temperatur TNB durch die Zündtemperatur des Nachbrenners gegeben ist, also der Nachbrenner seine Betriebstemperatur erreicht hat, in der die vollständige Umsetzung des Anodenabgases gewährleistet ist.
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Vorteilhaft ist auch, wenn das Nachbrennerabgas durch die Nachbrenner-Rezirkulationsleitung einem Saugbereich einer Strahlpumpe zugeführt wird, da am Eintritt in die Strahlpumpe und am Eintritt der Anode ein erhöhtes Druckniveau vorliegt und daher die Übergabe des rezirklierten Nachbrennerabgases an den Saugbereich energetisch günstiger ist.
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Die genannten Vorteile und Wirkungen gelten auch bei einer Festoxidbrennstoffzellenvorrichtung mit wenigstens einer eine Kathode, eine Anode und eine die Kathode von der Anode trennende feste Elektrolytschicht umfassenden Festoxidbrennstoffzelle, bei der die Anode mit einer Anodenzufuhrleitung für die Zuleitung von Brennstoff und einer Anodenabgasleitung für die Ableitung von Anodenabgas verbunden ist, und bei der die Kathode mit einer Kathodenzufuhrleitung und einer Kathodenabgasleitung verbunden ist, wobei die Anodenabgasleitung und die Kathodenabgasleitung einem Nachbrenner zugeführt sind und stromab des Nachbrenners aus einer Nachbrennerabgasleitung eine Nachbrenner-Rezirkulationsleitung abzweigt, die stromauf der Anode in die Anodenzufuhrleitung mündet, wobei ein Steuergerät vorgesehen ist, das eingerichtet ist zur Durchführung des vorstehend genannten Verfahrens, insbesondere wenn in der Anodenzufuhrleitung eine Strahlpumpe angeordnet ist, an deren Saugbereich die Nachbrenner-Rezirkulationsleitung angeschlossen ist.
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Besondere Vorteile hinsichtlich der verringerten Komplexität und reduzierten Bauraumbedarfs sind gegeben, wenn die Brennstoffzellenvorrichtung frei von einer den Brennstoffzellenstapel als ein Bypass aus der Kathodenzufuhrleitung umgehenden Startluftleitung ausgeführt ist, also Leitungen und Schaltglieder für diesen Bypass eingespart werden, da die vor den Startfall erforderliche Luft der Anode auch mit dem Nachbrennerabgas zugeführt werden kann.
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Günstig ist weiterhin, wenn von der Anode eine Anoden-Rezirkulationsleitung stromauf der Anode zu der Anodenzufuhrleitung geführt ist, da so die Rezirkulation nicht nur auf den Startfall beschränkt werden muss und auch ohne Einbeziehung des Nachbrenners möglich ist.
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Dafür ist zweckmäßigerweise der Anoden-Rezirkulationsleitung eine dritte Drosselklappe oder ein drittes Regelventil zugeordnet und auch in der Anodenabgasleitung ist stromauf des Nachbrenners eine vierte Drosselklappe oder ein viertes Regelventil angeordnet.
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Für ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einer derartigen Festoxidbrennstoffzellenvorrichtung gelten sinngemäß die vorstehend genannten Vorteile und Wirkungen; insbesondere ist eine verbesserte Effizienz hinsichtlich des Brennstoffverbrauchs und damit eine gesteigerte Reichweite gegeben, auch die Einhaltung gegebener oder zukünftiger Emissionsgrenzwerte erleichtert, auch bezüglich der Nutzung in umgrenzten Räumen wie in Garagen.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer ersten Festoxidbrennstoffzellenvorrichtung,
- 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Festoxidbrennstoffzellenvorrichtung, und
- 3 eine schematische Darstellung einer dritten Festoxidbrennstoffzellenvorrichtung.
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In den Figuren ist der zur Erläuterung der Erfindung erforderliche Teil einer Festoxidbrennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, die vorliegend über einen Brennstoffzellenstapel 2 mit einer Vielzahl an Festoxidbrennstoffzellen verfügt, wobei jede der Festoxidbrennstoffzellen eine Kathode 6, eine Anode 7 und eine die Kathode 6 von der Anode 7 trennende feste Elektrolytschicht 8 (insbesondere in Form einer Keramik) umfasst. Der Brennstoffzellenstapel 2 kann dabei auch als Röhrchen gebildet sein, bei denen auf einer Innenseite die Anodenschicht angeordnet ist, sodass der in einem Brennstofftank 9 bereitgehaltene Brennstoff, insbesondere CH4, durch die Röhrchen geleitet wird. Um den Brennstoff aus dem Brennstofftank 9 dosieren zu können, ist ein Druckregelventil 10 in eine Anodenzufuhrleitung 3 eingebunden, wobei der Brennstoff zunächst durch einen Reformer geleitet werden kann, bevor er der Festoxid-brennstoffzelle, insbesondere deren Anode 7 zugeführt wird. Die Anodenräume der Festoxidbrennstoffzelle sind stromab mit einer Anodenabgasleitung 4 verbunden, die zu einem Nachbrenner 12 geführt ist, von dem das Nachbrennerabgas durch eine Nachbrennerabgasleitung 11 ausgeschleust oder durch eine Nachbrenner-Rezirkulationsleitung 13 geführt werden kann, die stromauf der Festoxidbrennstoffzelle wieder in die Anodenzufuhrleitung 3 mündet. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird das Nachbrennerabgas durch die Nachbrenner-Rezirkulationsleitung 13 einem Saugbereich 14 einer Strahlpumpe 15 zugeführt, während 2 allgemein die Einleitung stromauf der Anode 7 zeigt und 3 die Einleitung gleichfalls stromauf der Anode 7 und sogar stromauf der Strahlpumpe 15 und stromab des Druckregelventils 10 für den Brennstoff.
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Über der Nachbrenner-Rezirkulationsleitung 13 und/oder der stromab des Abzweigs der Nachbrenner-Rezirkulationsleitung 13 gelegenen Nachbrennerabgasleitung 11 zugeordnete Drosselklappen und/oder Regelventile kann die Rezirkulation geregelt werden. Für die Rezirkulation des Nachbrennerabgases kann ein Rezirkulationsgebläse in die Nachbrenner-Rezirkulationsleitung 13 eingebunden sein. Die Festoxidbrennstoffzelle ist außerdem an eine Kathodenzufuhrleitung 5 angeschlossen, wobei ein Verdichter 16 Umgebungsluft in die Kathodenzufuhrleitung 5 fördert. Über eine Kathodenabgasleitung 17 wird das Kathodenabgas aus dem Brennstoffzellenstapel 2 geleitet, und zwar auch über den Nachbrenner 12.
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In den 1 bis 3 ist auch gezeigt, dass von der Anode 7 eine Anoden-Rezirkulationsleitung 18 stromauf der Anode 7 zu der Anodenzufuhrleitung 3 geführt ist, um so eine Rezirkulation unabhängig von dem Nachbrenner 12 bewirken zu können, wobei der Anoden-Rezirkulationsleitung 18 eine dritte Drosselklappe 19 oder ein drittes Regelventil zugeordnet ist und in der Anodenabgasleitung 4 stromauf des Nachbrenners eine vierte Drosselklappe 20 oder ein viertes Regelventil angeordnet ist.
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Mit einer derartigen Festoxidbrennstoffzellenvorrichtung 1 ist die Durchführung eines Verfahren zum Starten einer Festoxidbrennstoffzellenvorrichtung 1 möglich, das die nachfolgenden Schritte umfasst:
- a) Feststellen, dass die Temperatur des Nachbrenners 12 unterhalb einer vorgegebenen Temperatur TNB liegt,
- b) Öffnen einer ersten Drosselklappe 21 oder eines ersten Regelventils in der Nachbrenner-Rezirkulationsleitung 13,
- c) Schließen einer stromab des Abzweigs der Nachbrenner-Rezirkulationsleitung 13 in der Nachbrennerabgasleitung 11 gelegenen zweiten Drosselklappe 22 oder einer eines zweiten Regelventils,
- d) Rezirkulieren des Gasgemisches aus unverbranntem Brennstoff, Luft und Nachbrennerabgas an die Anode 7,
- e) Nutzen des heißen Anodenabgases und Kathodenabgases zum Erwärmen des Nachbrenners 12, bis die Temperatur TNB erreicht ist,
- f) Verstellen der ersten Drosselklappe 21 bzw. des ersten Regelventils und der zweiten Drosselklappe 22 bzw. des zweiten Regelventils entsprechend den Anforderungen des Normalbetriebes,
wobei zweckmäßigerweise die Temperatur TNB durch die Zündtemperatur des Nachbrenners 12 gegeben ist.
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Für die Durchführung des Verfahrens ist ein geeignet eingerichtetes Steuergerät vorgesehen. Zu beachten ist auch, dass diese Festoxidbrennstoffzellenvorrichtung 1 ohne eine Startluftleitung auskommt, die ausgehend von der Kathodenzufuhrleitung 5 den Brennstoffzellenstapel 2 nach Art eines Bypass umgeht und in die Anodenzufuhrleitung 3 mündet. Die für einen Start erforderliche Luft wird über das Nachbrennerabgas bereit gestellt.
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Eine derartige Festoxidbrennstoffzellenvorrichtung 1 kann beispielsweise in einem Brennstoffzellenfahrzeug genutzt werden, ist aber auch für andere Anwendungsfälle geeignet wie einem stationären Einsatz in einer Immobilieninfrastruktur.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Festoxidbrennstoffzellenvorrichtung
- 2
- Festoxidbrennstoffzellenstapel
- 3
- Anodenzufuhrleitung
- 4
- Anodenabgasleitung
- 5
- Kathodenzufuhrleitung
- 6
- Kathode
- 7
- Anode
- 8
- Elektrolytschicht
- 9
- Brennstofftank
- 10
- Druckregelventil
- 11
- Nachbrennerabgasleitung
- 12
- Nachbrenner
- 13
- Nachbrenner-Rezirkulationsleitung
- 14
- Saugbereich
- 15
- Strahlpumpe
- 16
- Verdichter
- 17
- Kathodenabgasleitung
- 18
- Anodenrezirkulationsleitung
- 19
- dritte Drosselklappe
- 20
- vierte Drosselklappe
- 21
- erste Drosselklappe
- 22
- zweite Drosselklappe