Verfahren zum Betreiben einer Hochtemperatur- Brennstoffzelle und BrennstoffZeilensystem

Die Erfindung betrifft ein 1. Verfahren zum Betreiben einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle, die eine Anodenseite und eine Kathodenseite umfasst .

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensys- tem, das ein Gasversorgungssystem, einen Reformer und einen Brennstoffzellenstapel umfasst, wobei der Reformer den Brennstoffzellenstapel mit einem wasserstoffhaltigen Brenngas versorgt und wobei das Gasversorgungssystem den Refor- mer über wenigstens eine erste Leitung mit Gas versorgt .

Brennstoffzellen, insbesondere Hochtemperatur- Brennstoffzellen produzieren neben elektrischem Strom auch Wärme. Insbesondere beim Betrieb von Brennstoffzellensta- peln, die eine Vielzahl von Hochtemperatur-Brennstoffzellen umfassen, muss diese Wärme aus dem Brennstoffzellenstapel abgeführt werden. Beispielsweise bei SOFC-Brennstoffzellen- stapeln ist es bekannt, die Wärme mit Kathodenluft abzuführen, die durch den Brennstoffzellenstapel geleitet wird. Dabei durchströmt die Kathodenluft den Brennstoffzellenstapel wie einen Wärmetauscher und wird dabei erwärmt . Die von der Kathodenluft aufgenommene Wärme führt zu einer Kühlung des Brennstoffzellenstapels. Dieser Sachverhalt ist in Figur 1 dargestellt. Eine Brennstoffzelle 10 umfasst eine A- nodenseite 12 und eine Kathodenseite 14. Der Kathodenseite 14 wird Kathodenluft 20 zugeführt, die bezogen auf die Darstellung von Figur 1 von links nach rechts strömt. Der Anodenseite 12 wird in an sich bekannter Weise ein wasser-

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Stoffhaltiges Brenngras zugeführt, das in Figur 1 nicht dargestellt ist, jedoch bezogen auf deren Darstellung von rechts nach links strömen kann. Diese Vorgehensweise führt durch die unterschiedlichen Temperaturen zwischen Ein- und Austritt der Kathodenluft 20 zu einem Temperaturgradienten, auch in der Brennstoffzelle selbst. Beispielsweise kann die Kathodenlufteintrittstemperatur wie dargestellt 700 ⁰ C und die Kathodenaustrittstemperatur wie dargestellt 850 ⁰ C betragen. Die elektrische Leitfähigkeit und damit auch die elektrische Leistung der Brennstoffzelle sind jedoch stark temperaturabhängig . Daher kommt es bei dieser bekannten Vorgehensweise zu Bereichen hoher elektrischer Leistung, nämlich den warmen Bereichen am Kathodenluftausgang, und zu Bereichen mit geringerer elektrischer Leistung nämlich den kühleren Bereichen am Kathodenlufteingang. Somit kann das gesamte Potential der Brennstoffzelle nicht erreicht werden, da der Auslegungspunkt derjenige im heißen Bereich sein muss .

Eine mögliche Abhilfemaßnahme wäre die Verwendung einer Kathodenlufteingangstemperatur nahe der Kathodeneingangstemperatur (beispielsweise 820 ⁰ C) . Nachteilig wäre in diesem Fall jedoch, dass die Abwärme nur durch einen sehr hohen Volumenstrom aus dem Brennstoffzellenstapel transferiert werden könnte. Ein erhöhter Volumenstrom bei erhöhter Temperatur würde jedoch zusätzlichen Bauraum (und eventuell zusätzliches Gewicht) für die Wärmeübertrager zur Luftvorheizung erfordern. Ebenso würde der Bedarf an elektrischer Energie für die Kathodenluftgebläse steigen, was sich wie- derum negativ auf den Wirkungsgrad des Gesamtsystems auswirken würde .

Insbesondere wenn das Wasserstoffhaltige Brenngas über einen Reformer zur Verfügung gestellt wird, ist auf der Ano-

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denseite der Brennstoffzelle eine Abkühlung des Brenngas- Stroms nicht möglich, da es in diesen Fällen zu unerwünschten Rußbildungen kommen könnte . Die Anodenseite 12 der Brennstoffzelle 10 muss also mit einem vergleichsweise hei- ßen wasserstoffhaltigen Brenngas beaufschlagt werden, das beispielsweise eine Temperatur von etwa 850 ⁰ C haben kann.

Weiterhin wurde bereits versucht, die Wärmeabfuhr mit Hilfe von verschiedenen Konzepten zu verbessern, die vorsehen, den Brennstoffzellenstapel im Kreuz-, Parallel- oder Gegenstrom mit Kathodenluft und wasserstoffhaltigem Brenngas zu versorgen. Jedoch ermöglichen auch diese Konzepte kein wirklich befriedigendes Temperaturmanagement.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäßen Verfahren und BrennstoffZeilensysteme so weiterzubilden, dass das Temperaturmanagement verbessert wird, um das Potential der Brennstoffzelle möglichst vollständig nutzen zu können.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin- düngen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Das erfindungsgemäße Verfahren baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass eine örtlich begrenzte endotherme Dampfreformierungsreaktion auf der Anodenseite in einem ersten Bereich hervorgerufen wird, der einem auf der Kathodenseite befindlichen zweiten Bereich gegenüberliegt, in dem Kathodenluft im Vergleich zu anderen Bereichen auf der Kathodenseite heiß ist. Dadurch ist es möglich, die Kathodenluft mit einer im Vergleich zum Stand der

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Technik höheren Temperatur einzubringen. Denn der Kathoden- luftström muss nur einen Teil der entstehenden Wärme aus der Brennstoffzelle beziehungsweise dem Brennstoffzellen- stapel ausbringen. Die restliche Wärme wird zumindest größ- tenteils über die Reaktionsenthalpie der Dampfreformierung sozusagen verbraucht . Die Dampfreformierung als endotherme Reaktion fungiert so als Wärmesenke und sorgt dafür, dass die Temperatur in dem ersten Bereich, aber auch in dem zweiten Bereich nicht weiter steigt.

Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Hervorrufen der endothermen Dampfreformierungsreaktion umfasst, dass der Anodenseite ein mit kurzkettigem Kohlenwasserstoff angerei- chertes Wasserstoffhaltiges Brenngas zugeführt wird. Zur Bereitstellung der vorzugsweise kurzkettigen Kohlenwasserstoffe ist es beispielsweise möglich, durch Absenken der Temperatur in einem zur Bereitstellung des Wasserstoffhaltigen Brenngases genutzten Reformer den Umsatz zu verrin- gern. Dabei entstehen Kohlenwasserstoffe. Zum anderen kann man bei der Verwendung von gasförmigen Kohlenwasserstoffen hinter dem Reformer Gas einbringen und so für die Anwesenheit von Kohlenwasserstoffen sorgen. Beispielsweise kommt Methan als kurzkettiger Kohlenwasserstoff in Betracht.

Im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird es weiterhin als vorteilhaft erachtet, dass das mit kurzkettigem Kohlenwasserstoff angereicherte wasserstoffhaltige Brenngas auf der Anodenseite in einer ersten Richtung zuge- führt wird, die sich von einer zweiten Richtung unterscheidet, in der der Kathodenseite Kathodenluft zugeführt wird. Beispielsweise wenn die Brennstoffzelle im Gegenstrom von Kathodenluft und Anodengas betrieben wird, wird die Kathodenluft in ihrer Strömungsrichtung aufgeheizt. Dies ge-

schieht durch die Wärmeproduktion der Brennstoffzelle. Die Wärme, die im Anodeneingangsbereich produziert wird, gelangt jedoch zumindest größtenteils nicht in die Kathodenluft und erhitzt sie damit nicht weiter, sondern wird auf das Anodengas übertragen. Die als Wärmesenke fungierende endotherme Dampfreformierungsreaktion läuft in diesem Fall überwiegend im Anodeneingangsbereich ab, der dem Kathodenausgangsbereich gegenüberliegt .

Um die Brennstoffzelle im Gegenstrom von Kathodenluft und

Anodengas zu betreiben, ist es erforderlich, dass die erste Richtung und die zweite Richtung zumindest im Wesentlichen entgegengesetzt verlaufen.

Wie weiter oben bereits erläutert, ist es im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, dass das mit kurzketti- gem Kohlenwasserstoff angereicherte wasserstoffhaltige Brenngas durch Anreichern eines von einem Reformer erzeugten wasserstoffhaltigen Brenngases mit kurzkettigem Kohlen- Wasserstoff erzeugt wird. Zu diesem Zweck kann beispielsweise eine den Reformer mit einem Brennstoffzellenstapel verbindende Leitung mit einer Injektionseinrichtung ausgestattet werden, über die kurzkettiger Kohlenwasserstoff zugesetzt werden kann.

Eine besonders bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Temperatur der Hochtemperatur-Brennstoffzelle über die Menge des zugesetzten kurzkettigen Kohlenwasserstoffs geregelt wird. Die Stell- große eines entsprechenden Regelkreises könnte beispielsweise eine Gebläsedrehzahl oder eine Ventilstellung sein, die die Menge des zugesetzten kurzkettigen Kohlenwasserstoffs beeinflusst.

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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass das GasversorgungsSystem von dem Reformer erzeugtem Wasserstoffhaltigern Brenngas über eine zweite Leitung kurzketti- gen Kohlenwasserstoff zusetzen kann. Der kurzkettige Kohlenwasserstoff ermöglicht die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausführlich erläuterte endotherme Dampfreformierungsreaktion und somit den erwünschten Wärme- verbrauch in dem ersten Bereich, in dem diese Reaktion stattfindet. Der Fachmann erkennt, dass das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem zur Durchführung des erfindungs- gemäßen Verfahrens bestens geeignet ist und dass sich die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläuterten Weiterbildungen auch im Rahmen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems verwirklichen lassen. Auf die entsprechenden Ausführungen wird daher verwiesen.

Insbesondere wenn gasförmige Brennstoffe zur Erzeugung des wasserstoffhaltigen Brenngases genutzt werden, kann vorge- sehen sein, dass die erste Leitung und die zweite Leitung mit einem Druckbehälter in Verbindung stehen. In diesem Fall wird der Druck in dem Druckbehälter vorzugsweise geregelt, beispielsweise mit Hilfe eines Drucksensors, einer Pumpe und einem Ventil, insbesondere einem Proportionalven- til.

Für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem wird es weiterhin als vorteilhaft erachtet, dass die zweite Leitung mit Mitteln zum Variieren des Leitungsquerschnitts ausges- tattet ist.

Diese Mittel können beispielsweise Blenden insbesondere re- gel- oder steuerbare Blenden, und/oder Ventile umfassen. Gleiche oder ähnliche Mittel zum Variieren des Leitungs-

querschnittes können selbstverständlich auch in anderen Leitungen des Systems vorgesehen sein.

Wesentlich für die Erfindung ist, dass die aus einem Brenn- Stoffzellenstapel gebrachte Wärmemenge sich über einen im Vergleich zum Stand der Technik geringeren Kathodenluftvo- lumenstrom realisieren lässt. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass die Leistung der entsprechenden Gebläse deutlich geringer sein kann. Weiterhin kann die Eingangstempe- ratur der Kathodenluft im Vergleich zum Stand der Technik deutlich erhöht werden, beispielsweise auf etwa 820 ⁰ C, was zu einer erhöhten Leitfähigkeit des Elektrolyten in der Brennstoffzelle führt. Gleichzeitig führt die erfindungsgemäße Vorgehensweise zu einer homogeneren Temperaturvertei- lung im Brennstoffzellenstapel .

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen beispielhaft erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung, die den Betrieb einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle gemäß dem Stand der Technik veranschaulicht;

Figur 2 eine schematische Darstellung, die den erfindungsgemäßen Betrieb einer Hochtemperatur- Brennstoffzelle veranschaulicht ;

Figur 3 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen

BrennstoffZeilensystems, das auch zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.

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Figur 2 zeigt eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle 10, die eine Anodenseite 12 und eine Kathodenseite 14 umfasst . Der Kathodenseite 14 wird bezogen auf die Darstellung von Figur 2 von links nach rechts Kathodenluft 20 zugeführt. Im Kathodeneingangsbereich beträgt die Temperatur im dargestellten Fall ungefähr 820 ⁰ C, während sie im Kathodenausgangsbereich ungefähr 85O ⁰ C beträgt. Die Kathodenluft 20 erwärmt sich somit in Strömungsrichtung und weist daher in einem zweiten Bereich 18 eine höhere Temperatur als in dem anderen Bereich 44 auf, der näher an der Kathodeneingangsseite liegt. Der Anodenseite 12 wird im Gegenstrom, das heißt bezogen auf die Darstellung von Figur 2 von rechts nach links, Wasserstoffhaltiges Brenngas 22 zugeführt. Dieses wasserstoffhaltige Brenngas 22 ist mit kurzkettigem Kohlenwasserstoff angereichert, beispielsweise mit Methan. In einem ersten Bereich 16, der dem im Vergleich zu dem anderen Bereich 44 heißen zweiten Bereich 18 gegenüber liegt, findet somit eine endotherme Dampfreformierungsreaktion statt, die sozusagen Wärme verbraucht. In dem Bereich 42, der sich an den Anodenausgang anschließt, findet diese Reaktion nicht mehr oder nur noch in einem geringeren Maße statt . Aufgrund des "Wärmeverbrauchs" in dem ersten Bereich 16 ist es möglich, die Kathodenluft 20 mit einer höheren Tempera- tur als beim Stand der Technik zuzuführen, beispielsweise mit eine Temperatur von ungefähr 82O ⁰ C. Trotz der höheren Eingangstemperatur wird die Kathodenluft 20 im Vergleich zum Stand der Technik nicht stärker erwärmt und hat im Kathodenausgangsbereich beispielsweise eine Temperatur von ungefähr 850 ⁰ C.

Figur 3 zeigt ein erfindungsgemäßes BrennstoffZeilensystem. Das dargestellte Brennstoffzellensystem umfasst ein Gasversorgungssystem 26, einen Reformer 28, einen Brennstoffzel-

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lenstapel 24 mit einer Mehrzahl von Hochtemperatur-Brennstoffzellen 10 und einen Nachbrenner 58. Das Gasversorgungssystem 26 umfasst einen Druckbehälter 36, der über eine Anordnung aus einem Hauptventil 60, einer Pumpe 62, ei- nein Proportionalventil 64 und eine Ventilansteuerung 66 mit Gas beaufschlagt wird. Die Anordnung ist dabei so gewählt, dass das über das Hauptventil 60 zugeführte Gas von der Pumpe 62 in den Druckbehälter 36 gefördert wird, wobei der Druck in dem Druckbehälter 36 mit Hilfe eines der Ventilan- Steuerung 66 zugeordneten Drucksensors gemessen wird. Je nach Sollwert des Drucks in dem Druckbehälter 36 wird die Stellung des Proportionalventils 64 geändert. Es ist somit also möglich, den Druck in dem Druckbehälter 36 über die Stellung des Proportionalventils 64 zu regeln. Das Gasver- sorgungssystem 26 hat die Aufgabe, die Gaspfade zum Reformer 28, zur Injektionsstelle 70 für kurzkettigen Kohlenwasserstoff und zum Nachbrenner des sogenannten Hotbox-Moduls mit der richtigen Brennstoffmenge zu versorgen. Zu diesem Zweck steht eine erste Leitung 30 mit einem Reformer- Verdampfer des Reformers 28 in Verbindung und eine zweite

Leitung 34 steht mit der Injektionsstelle 70 zwischen dem Reformer 28 und dem BrennstoffZellenstapel 24 in Verbindung. Weiterhin steht eine dritte Leitung 32 mit einem Reformer-Brenner in Verbindung und eine vierte Leitung 68 steht mit dem Nachbrenner 58 in Verbindung, dem Anodenabgas aus dem Brennstoffzellenstapel 24 zugeführt wird. In der ersten Leitung 30 ist ein Magnetventil 50 und eine Blende 52 vorgesehen, in der zweiten Leitung 34 ist ein Magnetventil 38 und eine elektrisch regelbare Blende 40 vorgesehen, in der dritten Leitung 32 ist ein Magnetventil 46 und eine

Blende 48 vorgesehen, und in der vierten Leitung 68 ist ein Magnetventil 54 und eine Blende 56 vorgesehen. Die Gasmengen, die durch das GasversorgungsSystem 26 über die einzelnen Pfade zugeführt werden, werden vorzugsweise durch die

Blenden 40, 48, 52, 56 eingestellt. Sobald der Druck im Druckspeicher 36 größer ist als der überkritische Druck des Gases, hängt der Durchfluss nur noch vom Druck im Druckspeicher 36 und der Größe der jeweiligen Blende 40, 48, 52, 56 ab. Zumindest die Einstellung der Blenden 48, 52, 56 erfolgt daher vorzugsweise einmalig, das heißt die Verhältnisse der Volumenströme werden über die Blenden eingestellt, wobei die Menge des jeweils ausströmenden Gases ü- ber den Druck eingestellt werden kann. In vielen Fällen kann der Reformer 28 betrieben werden, sobald man die Verhältnisse zwischen dem zu verbrennenden Gas und dem zu reformierenden Gas kennt. Die Volumenströme müssen dabei nicht unbedingt bekannt sein, jedoch ist ein Betrieb des Reformers über die Einstellung des Verhältnisses der beiden Volumenströme möglich. Dem Nachbrenner 58 wird über die vierte Leitung 68 vorzugsweise nur während des Starts Gas zugeführt. Danach kann die vierte Leitung 68 über das Ventil 54 abgeschaltet werden. Weiterhin kann ein in Figur 3 nicht dargestellter Bypass, der ebenfalls eine Blende und ein Magnetventil aufweisen kann, die Ausgangsseite der

Blende 48 mit der Eingangsseite des Magnetventils 50 verbinden. In diesem Fall ist es möglich, in der Aufheizphase des Systems eine zusätzliche Leistung in den Reformerbrenner einzubringen, um die Aufheizzeit zu verkürzen. Darüber hinaus ist es möglich, in einer oder in mehreren der Leitungen 30, 32, 34, 68 nicht dargestellte Sensoren zur Bestimmung der Volumenströme und/oder Drücke vorzusehen.

Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 24 geregelt. Zu diesem Zweck kann beispielsweise die Temperatur der Kathodenluft 20 bestimmt werden, wenn diese aus dem Brennstoffzellenstapel austritt (selbstverständlich sind zusätzlich oder alternativ auch Temperaturmessungen an an-

deren Stellen möglich) . In Abhängigkeit von einer vorgegebenen Solltemperatur und der gemessenen Isttemperatur kann dann über die zweite Leitung 34 eine über das Magnetventil 38 und die elektrisch regelbare Blende 40 beeinflussbare Menge von kurzkettigem Kohlenwasserstoff zugesetzt werden, um die Isttemperatur über die endotherme Dampfreformie- rungsreaktion möglichst nahe an die Solltemperatur anzugleichen. Eine genaue Kenntnis des Verhaltens des Brennstoffzellenstapels 24 erleichtert dabei die Regelung.

Alle elektrisch betätigten Komponenten und Sensoren können beispielsweise mit einem nicht dargestellten zentralen • Controller in Verbindung stehen, der die entsprechende Ansteuerung vornimmt .

Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

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Bezugszeichenliste :

10 Brennstoffzelle 12 Anodenseite

14 Kathodenseite

16 erster Bereich

18 zweiter Bereich

20 Kathodenluft 22 wasserstoffhaltiges Brenngas

24 Brennstoffzellenstapel

26 GasversorgungsSystem

28 Reformer

30 erste Leitung 32 dritte Leitung

34 zweite Leitung

36 Druckbehälter

38 Magnetventil

40 elektrisch regelbare Blende 42 Anodenausgangsbereich

44 Kathodeneingangsbereich

46 Magnetventi1

48 Blende

50 Magnetventil 52 Blende

54 Magnetventil

56 Blende

58 Nachbrenner

60 Hauptventil 62 Pumpe

64 Proportionalventil

66 Ventilansteuerung

68 vierte Leitung

70 Injektionsstelle