WO2020082100A1 - Brennstoffzellensystem und verfahren zum betreiben desselben - Google Patents

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afterburner
fuel cell
exhaust gas
cell system
cathode
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Nikolaus Soukup
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system, in particular an SOFC system, comprising at least one fuel cell stack with an anode section and a cathode section, an afterburner for at least partial combustion of anode exhaust gas from the anode section and / or cathode exhaust gas from the cathode section.
  • the invention relates to a method for operating a generic fuel cell system and the use for a generic fuel cell system.
  • Anode off-gas burners are used to burn anode off-gas from an anode portion of a fuel cell stack.
  • the anode exhaust gas usually still contains the fuel gases directly downstream of the fuel cell stack
  • Anode exhaust gas is configured by flame combustion. Only fresh air is used to burn the anode exhaust gas.
  • the combustion temperature is set up to 1480 ° C to ensure that all carbon monoxide components are burned in the afterburner. However, this has the consequence that nitrogen oxides to be avoided during combustion can be formed.
  • the object of the present invention is that described above
  • Invention to provide a method for operating such a fuel cell system.
  • Fuel cell system are described, of course also in
  • Fuel cell system in particular a stationary SOFC system, provided.
  • the fuel cell system has at least one fuel cell stack with an anode section and a cathode section, an afterburner for at least partially burning anode exhaust gas from the anode section.
  • the afterburner has a gas combustion chamber for burning anode exhaust gas with the formation of flames.
  • the afterburner is configured without a catalyst.
  • the afterburner is therefore designed in the form of a gas burner.
  • only a definable part of the cathode exhaust gas can be mixed with the anode exhaust gas as combustion air.
  • About the amount of cathode exhaust can easily be
  • Flame temperature can be controlled. If the afterburner is not designed catalytically, other materials for the afterburner or the
  • Combustion air ratio which is set, for example, to a value between 1 and 1, 4, in particular to about 1, 2, it is possible to oxidize the anode exhaust gases.
  • an exhaust gas catalytic converter is provided for the catalytic treatment of afterburner exhaust gas, the exhaust gas catalytic converter being arranged at a distance downstream from the afterburner.
  • the exhaust gas catalytic converter which is designed in particular for carbon monoxide, is further in the fuel cell system according to the invention arranged downstream of the afterburner.
  • the catalytic converter can
  • Flame formation is much easier than catalytic combustion can be detected. While combustion takes place without a flame in catalytic afterburners, a wide variety of ignition detection options can be implemented for a gas burner.
  • the exhaust gas catalytic converter which is connected to the afterburner, enables better emission values to be achieved.
  • the exhaust gas catalyst is relieved by the afterburner. This also reduces the probability of failure of the
  • Exhaust gas catalyst reduced and the achievement of desired emission targets can be improved over the lifetime of the fuel cell system.
  • the afterburner arranged. More specifically, the afterburner has a first one
  • Housing and the catalytic converter has a second housing or is configured in a second housing, the second housing being arranged downstream from the first housing, in particular in the form of a separate housing separate from the afterburner or from the first housing.
  • the catalytic converter can be designed for particularly low temperatures.
  • a disadvantage of an exhaust gas catalytic converter connected directly after the afterburner is that it can become too hot for a short time during operation and be damaged as a result.
  • Exhaust catalytic converter can be completely dispensed with.
  • the afterburner is preferably designed as a self-igniting afterburner. This means that there is no need for a separate ignition device.
  • Fuel cell system is preferred as SOFC system, in particular as
  • the fuel cell system can or have several fuel cell stacks.
  • the anode exhaust gas can be understood to mean anode supply gas processed in the at least one fuel cell stack, in particular processed hydrogen, which is output from the anode section.
  • the cathode exhaust gas can be understood to mean cathode supply gas processed in the at least one fuel cell stack, in particular an oxygen-containing fluid, preferably air, which is output from the cathode section.
  • the afterburner is particularly preferably designed as a flame burner.
  • Cathode exhaust branch with a first cathode exhaust branch to the afterburner and a second cathode exhaust branch to a first mixing chamber This makes it possible to divide the cathode exhaust gas downstream of the fuel cell stack in such a way that an optimized stoichiometry is achieved in the afterburner. As a result, a flame temperature in the afterburner can subsequently be regulated, in particular without an oxidizing agent having to be supplied externally. In the optimal case, an exhaust gas catalytic converter can thus be dispensed with entirely.
  • a hot side of a cathode gas heat exchanger of the fuel cell system is configured and the exhaust gas catalytic converter downstream of the hot side of the
  • Cathode gas heat exchanger is arranged. In an area downstream of the cathode heat exchanger, the operating temperatures in the exhaust gas catalytic converter can be between 250 ° C and 400 ° C.
  • the catalytic coating of the exhaust gas catalytic converter can be between 250 ° C and 400 ° C.
  • the cathode gas heat exchanger also has a cold side through which cathode gas, preferably in the form of air, can be supplied to the cathode section.
  • the hot side of the cathode gas heat exchanger is usually hotter than the cold side of the
  • Reformer heat exchanger of the fuel cell system is configured and the exhaust gas catalyst is arranged downstream of the hot side of the reformer heat exchanger. Are in the exhaust gas flow direction between the
  • Afterburner and the catalytic converter further components, such as the cathode gas heat exchanger and / or the reformer heat exchanger, they can serve as thermal buffers in which short-term temperature peaks for components located downstream of the afterburner can be smoothed.
  • a reformer of the fuel cell system can be heated by the reformer heat exchanger.
  • the reformer is designed to convert fuel to hydrogen, which can be fed to the anode section for power generation.
  • the reformer heat exchanger also has a cold side, through which anode gas, preferably in the form of reformed fuel, in particular hydrogen, can be fed to the anode section.
  • Reformer heat exchangers are usually hotter than the cold side of the
  • an afterburner exhaust gas branching section for branching afterburner exhaust gas is designed on a hot side of a cathode gas heat exchanger of the fuel cell system and / or on a hot side of a reformer heat exchanger of the fuel cell system, the exhaust gas catalytic converter being the downstream one hot side of the cathode heat exchanger and downstream of the hot side of the reformer.
  • the branching section is designed to selectively branch off the afterburner exhaust gas in the direction of the cathode gas heat exchanger and / or in the direction of the reformer heat exchanger, in particular depending on an afterburner exhaust gas requirement on the respective heat exchanger.
  • Afterburner exhaust branching section a first mixing chamber for
  • the cathode exhaust gas not used in the afterburner can thus still be used downstream of the afterburner, for example to heat cathode supply gas to the cathode section through the cathode gas heat exchanger and / or anode supply gas to the anode section through the reformer heat exchanger.
  • Fuel cell system to be improved. In order to lead cathode exhaust gas directly to the first mixing chamber, there is an upstream of the afterburner
  • Cathode exhaust branch section with a first cathode exhaust branch to the afterburner and a second cathode exhaust branch to the first mixing chamber.
  • the cathode exhaust branch portion may be in the form of a
  • Valve control can be designed or have a suitable valve control.
  • a second mixing chamber for mixing the afterburner exhaust gas downstream of the hot side of the cathode heat exchanger and the afterburner exhaust gas is arranged downstream of the hot side of the reformer heat exchanger.
  • a cathode heat exchanger and the afterburner exhaust gas downstream of the hot side of the reformer heat exchanger upstream of the catalytic converter can Particularly uniform catalytic combustion of the afterburner exhaust gas can be achieved.
  • the second mixing chamber is preferably arranged upstream of the exhaust gas catalytic converter directly on the exhaust gas catalytic converter.
  • the exhaust gas catalytic converter preferably has an exhaust gas catalytic converter housing, in particular in the form of the second housing described above, in which the second
  • Mixing chamber is designed or which, among other things. forms the second mixing chamber.
  • an ignition detection unit for detecting an ignition and / or a combustion with flame formation in the gas combustion chamber is at least partially provided on the afterburner.
  • Ignition detection unit can be implemented particularly easily in the afterburner according to the invention in the form of a gas burner.
  • the ignition detection unit can be provided at least partially on the afterburner for acoustic detection of the ignition. Furthermore, it is conceivable that the ignition detection unit has a measuring device for measuring an electrical conductivity of gas in and / or on the combustion chamber and a determination unit for determining the ignition on the basis of the measured electrical conductivity of the gas in and / or on the combustion chamber. It is also possible that the
  • Ignition detection unit a measuring device for measuring a
  • Temperature rise of gas in the combustion chamber and a determination unit for determining the ignition based on the measured temperature rise of the gas in the combustion chamber.
  • the at least one fuel cell stack, the afterburner and the exhaust gas catalytic converter can be arranged in a hot box of the fuel cell system, an oxygen supply section for supplying oxygen or an oxygen-containing fluid into the gas combustion chamber being at least partially configured outside the hot box . Outside the hot box, the
  • Oxygen supply section can be provided with relatively inexpensive materials.
  • the oxygen supply section is easily accessible in the event of a fault and / or in the event of maintenance.
  • the afterburner can be easily are heated so that self-ignition can take place when fuel is supplied, in particular in the form of anode exhaust gas.
  • Fuel cell system can be understood.
  • the temperature control means is designed in particular as a heating means, for example in the form of an electrical heating means.
  • the oxygen supply section preferably branches from a cathode supply gas section for supplying
  • Cathode supply gas in particular from air, to the cathode section in the direction of the afterburner.
  • a valve in the oxygen supply section preferably upstream of the temperature control means, in particular an on / off valve, for blocking and / or releasing the oxygen supply section, or a adjustable valve designed.
  • a setting unit of a fuel cell system according to the invention can be configured to set a combustion temperature in the gas combustion chamber to a maximum of 1200 ° C.
  • Afterburner or in the gas combustion chamber is kept below 1200 ° C, nitrogen oxide formation can be avoided.
  • the lower combustion temperature accepts that part of a carbon monoxide gas may not be burned. However, this portion can be oxidized in the downstream catalytic converter.
  • Fuel cell system an adjustment unit for adjusting an
  • Anode exhaust gas / cathode exhaust gas ratio in the gas combustion chamber is configured in a range between 3: 1 and 1: 1, in particular to approximately 2: 1.
  • a method for operating a fuel cell system as described in detail above is proposed.
  • anode exhaust gas is burned in the afterburner gas combustion chamber with the formation of flames.
  • Exhaust gas catalyst is treated catalytically. It is advantageous if cathode exhaust gas is divided upstream of the afterburner via a cathode exhaust branch section, a first part being conducted to the afterburner via a first cathode exhaust branch and a second part being directed to a first mixing chamber via a second cathode exhaust branch.
  • the combustion temperature in the gas combustion chamber it is possible for the combustion temperature in the gas combustion chamber to be set to a maximum of 1200 ° C. by the setting unit. It may also be advantageous if that
  • Setting unit is set in a range between 3: 1 and 1: 1, in particular to approximately 2: 1. It brings in
  • the method according to the invention has the same advantages as have been described in detail with reference to the fuel cell system according to the invention.
  • Another aspect of the present invention relates to the use of a fuel cell system as described above for providing electrical energy in a stationary power plant. Further measures improving the invention result from the
  • Figure 1 is a block diagram of a fuel cell system according to a first
  • FIG. 2 is a block diagram of a fuel cell system according to a second
  • Figure 3 is a block diagram of a fuel cell system according to a third
  • Figure 4 is a block diagram of a fuel cell system according to a fourth
  • FIG. 5 shows a flow chart for explaining a method according to a
  • FIG. 1 shows a block diagram for describing a fuel cell system 1 a according to a first embodiment. The one shown in Fig. 1
  • Fuel cell system 1 a has a fuel cell stack 2 with one
  • the fuel cell system 1 a also has an afterburner 5 for at least partially burning
  • the afterburner 5 has a gas combustion chamber 7 for burning anode exhaust gas with the formation of flames. That is, the afterburner 5 is designed in the form of a gas burner.
  • the exhaust gas catalytic converter 6 is arranged downstream from the afterburner 5, but does not necessarily have to be provided.
  • an afterburner exhaust branch section 20 for branching afterburner exhaust gas to a hot one Side of a cathode gas heat exchanger 8 of the fuel cell system 1 a and on a hot side of a reformer heat exchanger 10 of the fuel cell system 1 a, the exhaust gas catalytic converter 6 downstream of the hot side of the cathode heat exchanger 8 and downstream of the hot side of the
  • Reformer heat exchanger 10 is arranged.
  • a first mixing chamber 11 for mixing the afterburner exhaust gas with pure or essentially pure cathode exhaust gas is arranged downstream of the afterburner 5 and upstream of the afterburner exhaust branching section 20.
  • a cathode exhaust gas branching section 17 is configured upstream of the afterburner 5 with a first cathode exhaust gas branch 18 to the afterburner 5 and a second cathode exhaust gas branch 19 to the first mixing chamber 11.
  • Exhaust gas catalytic converter 6 is a second mixing chamber 12 for mixing the
  • Reformer heat exchanger 10 arranged. Basically, the second
  • Mixing chamber 12 can be dispensed with by the afterburner exhaust gas downstream of the hot side of the cathode heat exchanger 8 and the afterburner exhaust gas
  • An ignition detection unit 13 is at least partially configured on the afterburner 5 for detecting ignition and / or combustion with the formation of flames in the gas combustion chamber 7.
  • the fuel cell stack 2, the afterburner 5 and the exhaust gas catalytic converter 6 are arranged in a hot box 14 of the fuel cell system 1 a, an oxygen supply section 15 for supplying an oxygen-containing fluid, in the present case air, into the gas combustion chamber 7 outside or essentially outside the hot box 14 is. in the
  • Oxygen supply section 15 is a temperature control means 16 in the form of a heating means for adjustable heating of the supply air to the afterburner 5.
  • An adjustment unit 9, which can be designed, for example, in the form of a control device or can have such a control device, is for setting a combustion temperature in the gas combustion chamber 7 to a maximum of 1200 ° C.
  • the setting unit can have mechanical, electrical and / or digital signal transmitters.
  • the setting unit 9 is further configured to set an anode exhaust gas / cathode exhaust gas ratio in the gas combustion chamber 7 in a range between 3: 1 and 1: 1, in particular to approximately 2: 1.
  • the fuel cell system 1 b shown essentially corresponds to the fuel cell system 1 a shown in FIG. 1. However, it will be described
  • Cathode gas heat exchanger 8 passed. This allows the air to
  • Cathode section 4 or in the cathode gas heat exchanger 8 are heated.
  • FIG. 3 shows a fuel cell system 1 c according to a third embodiment.
  • the fuel cell system 1 c shown essentially corresponds to the fuel cell system 1 a shown in FIG. 1. However, it will be described
  • Reformer heat exchanger 10 passed.
  • the fuel or the fuel mixture can be specifically heated to the anode section 3 or in the reformer heat exchanger 10.
  • FIG. 4 shows a fuel cell system 1 d according to a fourth embodiment.
  • the fuel cell system 1 d shown essentially corresponds to the fuel cell system 1 a shown in FIG. 1.
  • the oxygen supply section 15 is dispensed with. This can be compensated for by an electric heating means (not shown) directly on the afterburner 5 and / or by an increased supply of cathode exhaust gas to the afterburner 5.
  • a method for operating the fuel cell system 1 a shown there according to the first embodiment is explained below with reference to FIG. 1.
  • the method is characterized in that anode exhaust gas is burned in the gas combustion chamber 7 of the afterburner 5 with the formation of flames, and afterburner exhaust gas from the gas combustion chamber 7 downstream separately and at a distance from the afterburner 5 by the exhaust gas catalytic converter 6 is treated catalytically.
  • the combustion temperature in the gas combustion chamber 7 is set by the setting unit 9 such that a maximum value of 1200 ° C. is not exceeded.
  • Anode exhaust gas / cathode exhaust gas ratio in the gas combustion chamber 7 is set to approximately 2: 1 by the setting unit 9.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1a; 1b; 1c; 1d), aufweisend wenigstens einen Brennstoffzellenstapel (2) mit einem Anodenabschnitt (3) und einem Kathodenabschnitt (4), einen Nachbrenner (5) zum wenigstens teilweisen Verbrennen von Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt (3), wobei der Nachbrenner (5) eine Gasbrennkammer (7) für eine Verbrennung von Anodenabgas unter Flammenbildung aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems (1a; 1b; 1c; 1d). Darüber hinaus betrifft die Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems (1a; 1b; 1c; 1d) zur Bereitstellung von elektrischer Energie in einem stationären Kraftwerk.

Description

Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben desselben
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein SOFC-System, aufweisend wenigstens einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt, einen Nachbrenner zum wenigstens teilweisen Verbrennen von Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt und/oder Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines gattungsgemäßen Brennstoffzellensystems sowie die Verwendung für ein gattungsgemäßes Brennstoffzellensystem.
Bei SOFC-Systemen werden in der Regel katalytische Nachbrenner bzw.
Anodenabgasbrenner verwendet, um Anodenabgas aus einem Anodenabschnitt eines Brennstoffzellenstapels zu verbrennen. Das Anodenabgas enthält direkt stromabwärts des Brennstoffzellenstapels in der Regel noch die Brenngase
Wasserstoff und Kohlenmonoxid mit typischen volumetrischen Anteilen von 8-10% Wasserstoff und 4-5% Kohlenmonoxid. Verbrannt wird das Anodenabgas bei herkömmlichen Systemen katalytisch mit der Kathodenabluft. Mischt man beide Gasströme, kommt es zu sehr hohen Luftzahlen bzw. einem entsprechenden
Verbrennungsluftverhältnis. D.h., für die Verbrennung steht im Nachbrenner in der Regel deutlich mehr Sauerstoff als notwendig zur Verfügung. Gleichzeitig wird dadurch die Verbrennungstemperatur gesenkt, wodurch die Betriebstemperatur in einem solchen Nachbrenner gesenkt werden kann. Katalytische Nachbrenner haben durch die Beschichtung bestimmte Temperaturgrenzen, die nicht überschritten werden dürfen, da die Beschichtung sonst dauerhaft beschädigt werden kann. Wird dieser katalytische Nachbrenner auch als Startbrenner für den Aufheizvorgang verwendet, muss zusätzlich ein weiteres Gas, wie beispielsweise Erdgas, verbrannt werden können. In einem solchen Fall muss ein relativ hoher Aufwand für die katalytische Beschichtung des Nachbrenners betrieben werden. Hinzu kommen spezielle Abweichungen vom Regelbetrieb. Zum Beispiel kann es bei Lastabwürfen des SOFC-Systems passieren, dass das Brenngas im Brennstoffzellenstapel nicht mehr elektrochemisch umgesetzt werden kann und damit vollständig im Nachbrenner ankommt. Bei den vorliegenden Temperaturen kann es nun aber zu einer
vollständigen Verbrennung und zu einer deutlich höheren Wärmebelastung für den Katalysator als im Normalbetrieb kommen. Dies kann dazu führen, dass der katalytische Nachbrenner dauerhaft beschädigt wird und die gewünschte Lebensdauer nicht mehr erreicht werden kann, wodurch vor Erreichen der
maximalen Lebensdauer des Nachbrenners zu vermeidende Abgasemissionen entstehen können.
Alternativ zu katalytischen Nachbrennern werden bei SOFC-Systemen vereinzelt auch Nachbrenner zur Verbrennung von Anodenabgas unter Flammenbildung verwendet. Ein solches System kann der internationalen Patentanmeldung
WO 2016/087389 A1 entnommen werden. Dort wird ein SOFC-System mit einem Nachbrenner beschrieben, wobei der Nachbrenner für die Oxidation von
Anodenabgas durch Flammenverbrennung konfiguriert ist. Zum Verbrennen des Anodenabgases wird ausschließlich Frischluft eingesetzt. Die
Verbrennungstemperatur wird auf bis zu 1480°C eingestellt, um sicherzustellen, dass möglichst alle Kohlenmonoxidbestandteile im Nachbrenner verbrannt werden. Dies hat allerdings zur Folge, dass bei der Verbrennung zu vermeidende Stickoxide gebildet werden können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, der voranstehend beschriebenen
Problematik zumindest teilweise Rechnung zu tragen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem mit einer verbesserten Abgasnachbehandlung zu schaffen. Zudem ist es Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems zur Verfügung zu stellen.
Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch das Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1 , das Verfahren gemäß Anspruch 14 sowie die Verwendung eines
Brennstoffzellensystems gemäß Anspruch 19 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem
Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im
Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des
Brennstoffzellensystems und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann. Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein
Brennstoffzellensystem, insbesondere ein stationäres SOFC-System, bereitgestellt. Das Brennstoffzellensystem weist wenigstens einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt, einen Nachbrenner zum wenigstens teilweisen Verbrennen von Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt auf. Der Nachbrenner weist eine Gasbrennkammer für eine Verbrennung von Anodenabgas unter Flammenbildung.
Erfindungsgemäß ist der Nachbrenner katalysatorfrei ausgestaltet. Der Nachbrenner ist demnach in Form eines Gasbrenners ausgeführt. Um die Verbrennung zu realisieren und ein gewünschtes Verbrennungsluftverhältnis zu erreichen, bei welchem eine Flammenverbrennung möglich ist, kann als Verbrennungsluft nur ein definierbarer Teil des Kathodenabgases mit dem Anodenabgas gemischt werden. Über die Menge des Kathodenabgases kann auf einfache Weise die
Flammentemperatur gesteuert werden. Wird der Nachbrenner nicht katalytisch ausgeführt, so lassen sich andere Materialien für den Nachbrenner bzw. die
Gasbrennkammer auswählen, die temperaturstabiler sind. Vor allem kurze, starke Temperaturanstiege bedeuten somit keine Probleme mehr. Ein möglicherweise überschüssiger Anteil des Kathodenabgases kann stromabwärts des Nachbrenners zum Nachbrennerabgas hinzugemischt werden.
Bei Versuchen im Rahmen der Erfindung hat sich herausgestellt, dass es durch die hohe Prozesstemperatur von beispielsweise über 800°C mit einem Gasbrenner möglich ist, den vorhandenen Wasserstoff wunschgemäß zu oxidieren. Damit wird auch die Verbrennung von Kohlenmonoxid begünstigt. Mit dem richtigen
Verbrennungsluftverhältnis, das beispielsweise auf einen Wert zwischen 1 und 1 ,4, insbesondere auf ca. 1 ,2, eingestellt wird, ist es dabei möglich, die Anodenabgase zu oxidieren.
Es kann günstig sein, wenn ein Abgaskatalysator zur katalytischen Behandlung von Nachbrennerabgas vorgesehen ist, wobei der Abgaskatalysator stromabwärts beabstandet vom Nachbrenner angeordnet ist.
Für den Fall, dass in bestimmten Betriebspunkten die vollständige Verbrennung von Kohlenmonoxid nicht möglich ist, ist im erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der Abgaskatalysator, der insbesondere für Kohlenmonoxid ausgelegt ist, weiter stromabwärts des Nachbrenners angeordnet. Der Abgaskatalysator kann im
Vergleich zu konventionellen SOFC-Systemen mit katalytischem Nachbrenner deutlich kleiner ausgelegt werden, da nur noch geringe Mengen an Kohlenmonoxid anfallen.
Zudem ist es von Vorteil, dass die Zündung bei einer Verbrennung unter
Flammenbildung deutlich einfacher als eine katalytische Verbrennung erkannt werden kann. Während bei katalytischen Nachbrennern die Verbrennung ohne Flamme stattfindet, lassen sich für einen Gasbrenner verschiedenste Möglichkeiten der Zündungserkennung implementieren.
Durch den Abgaskatalysator, der dem Nachbrenner nachgeschaltet ist, können bessere Emissionswerte erzielt werden. Der Abgaskatalysator wird durch den Nachbrenner entlastet. Dadurch wird auch die Ausfallwahrscheinlichkeit des
Abgaskatalysators verringert und die Erreichung von gewünschten Emissionszielen kann über die Lebenszeit des Brennstoffzellensystems verbessert werden.
Bei herkömmlichen Brennstoffzellensystemen ist es bekannt, einen Abgaskatalysator stromabwärts direkt am Nachbrenner zu positionieren. Vorliegend ist der
Abgaskatalysator stromabwärts beabstandet, also insbesondere separat vom
Nachbrenner angeordnet. Genauer gesagt, weist der Nachbrenner ein erstes
Gehäuse auf und der Abgaskatalysator weist ein zweites Gehäuse auf bzw. ist in einem zweiten Gehäuse ausgestaltet, wobei das zweite Gehäuse stromabwärts vom ersten Gehäuse beabstandet, insbesondere in Form eines separaten Gehäuses getrennt vom Nachbrenner bzw. vom ersten Gehäuse, angeordnet ist. Dadurch kann der Abgaskatalysator für besonders niedrigere Temperaturen ausgelegt werden. Nachteilig bei einem direkt dem Nachbrenner nachgeschalteten Abgaskatalysator ist es, dass dieser bei unstetigem Betrieb kurzzeitig zu heiß und dadurch beschädigt werden kann.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltungsvariante kann auf den
Abgaskatalysator vollständig verzichtet werden.
Der Nachbrenner ist vorzugsweise als selbstzündender Nachbrenner ausgestaltet. D.h., auf eine separate Zündvorrichtung kann verzichtet werden. Das
Brennstoffzellensystem ist bevorzugt als SOFC-System, insbesondere als
stationäres SOFC-System, ausgestaltet. Das Brennstoffzellensystem kann einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel aufweisen. Unter dem Anodenabgas kann in dem wenigstens einen Brennstoffzellenstapel verarbeitetes Anodenzuführgas, insbesondere verarbeiteter Wasserstoff, verstanden werden, das bzw. der aus dem Anodenabschnitt ausgegeben wird. Unter dem Kathodenabgas kann in dem wenigstens einen Brennstoffzellenstapel verarbeitetes Kathodenzuführgas, insbesondere ein sauerstoffhaltiges Fluid, bevorzugt Luft, verstanden werden, das bzw. die aus dem Kathodenabschnitt ausgegeben wird. Besonders bevorzugt ist der Nachbrenner als Flammenbrenner ausgebildet.
Günstig ist es, wenn stromaufwärts des Nachbrenners ein
Kathodenabgasverzweigungsabschnitt mit einem ersten Kathodenabgaszweig zum Nachbrenner und einem zweiten Kathodenabgaszweig zu einer ersten Mischkammer ausgestaltet ist. Dadurch ist es möglich, das Kathodenabgas stromabwärts des Brennstoffzellenstapels derart aufzuteilen, dass im Nachbrenner eine optimierte Stöchiometrie erzielt wird. Dadurch ist in weiterer Folge eine Flammentemperatur im Nachbrenner regelbar, insbesondere ohne dass extern ein Oxidationsmittel zugeführt werden muss. Im optimalen Fall kann somit auf einen Abgaskatalysator gänzlich verzichtet werden. Das Kathodenabgas wird insbesondere derart aufgeteilt, dass im Nachbrenner ein Verbrennungsverhältnis zwischen l= 1 ,5 und l= 2 herrscht. Ohne eine Aufteilung des Kathodenabgas ist das Verbrennungsverhältnis im Nachbrenner zwischen l=4 und l=10.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einem Brennstoffzellensystem stromabwärts des Nachbrenners eine heiße Seite eines Kathodengaswärmetauschers des Brennstoffzellensystems ausgestaltet ist und der Abgaskatalysator stromabwärts der heißen Seite des
Kathodengaswärmetauschers angeordnet ist. In einem Bereich stromabwärts des Kathodenwärmetauschers können die Betriebstemperaturen im Abgaskatalysator zwischen 250°C und 400°C liegen. Die katalytische Beschichtung des
Abgaskatalysators ist dadurch nicht mehr durch thermische Belastung gefährdet. Außerdem können Abgasemissionsziele zuverlässig über die gesamte Lebensdauer des Brennstoffzellensystems erreicht werden. Die im Abgaskatalysator entstehende Wärme kann ferner für eine Wärmerückgewinnung verwendet werden. Dadurch kann das Brennstoffzellensystem besonders effizient betrieben werden. Neben der heißen Seite weist der Kathodengaswärmetauscher auch eine kalte Seite auf, durch welche dem Kathodenabschnitt Kathodengas, bevorzugt in Form von Luft, zugeführt werden kann. Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems ist die heiße Seite des Kathodengaswärmetauschers in der Regel heißer als die kalte Seite des
Kathodengaswärmetauschers.
Weiterhin ist es bei einem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung möglich, dass stromabwärts des Nachbrenners eine heiße Seite eines
Reformerwärmetauschers des Brennstoffzellensystems ausgestaltet ist und der Abgaskatalysator stromabwärts der heißen Seite des Reformerwärmetauschers angeordnet ist. Befinden sich in Abgasströmungsrichtung zwischen dem
Nachbrenner und dem Abgaskatalysator weitere Bauteile, wie beispielsweise der Kathodengaswärmetauscher und/oder der Reformerwärmetauscher, so können diese als thermische Puffer dienen, in denen kurzzeitige Temperaturspitzen für stromabwärts des Nachbrenners liegende Komponenten geglättet werden können. Durch den Reformerwärmetauscher kann ein Reformer des Brennstoffzellensystems aufgeheizt werden. Der Reformer ist zur Umwandlung von Brennstoff in Wasserstoff, welcher dem Anodenabschnitt zur Stromerzeugung zugeführt werden kann, ausgestaltet. Neben der heißen Seite weist der Reformerwärmetauscher auch eine kalte Seite auf, durch welche dem Anodenabschnitt Anodengas, bevorzugt in Form von reformiertem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, zugeführt werden kann. Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems ist die heiße Seite des
Reformerwärmetauschers in der Regel heißer als die kalte Seite des
Reformerwärmetauschers.
Bei einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass stromabwärts des Nachbrenners ein Nachbrennerabgas- Verzweigungsabschnitt zum Verzweigen von Nachbrennerabgas auf eine heiße Seite eines Kathodengaswärmetauschers des Brennstoffzellensystems und/oder auf eine heiße Seite eines Reformerwärmetauschers des Brennstoffzellensystems ausgestaltet ist, wobei der Abgaskatalysator stromabwärts der heißen Seite des Kathodenwärmetauschers sowie stromabwärts der heißen Seite des Reformers angeordnet ist. Durch die Verzweigung des Nachbrennerabgases auf die beiden Wärmetauscher kann die Temperatur des Nachbrennerabgases im Vergleich zur Verwendung von nur einem Wärmetauscher besonders effektiv auf eine gewünschte Temperatur bzw. auf eine Temperatur in einem gewünschten Temperaturbereich verringert werden. Der Nachbrennerabgas-Verzweigungsabschnitt kann eine
Ventilsteuerung zur Verzweigung des Nachbrennerabgases in Richtung des
Kathodengaswärmetauschers und/oder in Richtung des Reformerwärmetauschers aufweisen. D.h., der Verzweigungsabschnitt ist zum wahlweisen Abzweigen des Nachbrennerabgases in Richtung des Kathodengaswärmetauschers und/oder in Richtung des Reformerwärmetauschers ausgestaltet, insbesondere abhängig von einem Nachbrennerabgasbedarf am jeweiligen Wärmetauscher.
Bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem kann es außerdem von Vorteil sein, wenn stromabwärts des Nachbrenners und stromaufwärts des
Nachbrennerabgas-Verzweigungsabschnitts eine erste Mischkammer zum
Vermischen des Nachbrennerabgases mit reinem oder im Wesentlichen reinem Kathodenabgas angeordnet ist. Damit kann das im Nachbrenner nicht verwendete Kathodenabgas noch stromabwärts des Nachbrenners verwendet werden, beispielsweise um durch den Kathodengaswärmetauscher Kathodenzuführgas zum Kathodenabschnitt und/oder durch den Reformerwärmetauscher Anodenzuführgas zum Anodenabschnitt aufzuheizen. Mittels der ersten Mischkammer kann mithin auf einfache und platzsparende Weise die Effizienz der Betriebsweise des
Brennstoffzellensystems verbessert werden. Um Kathodenabgas direkt zur ersten Mischkammer zu führen, ist stromaufwärts des Nachbrenners ein
Kathodenabgasverzweigungsabschnitt mit einem ersten Kathodenabgaszweig zum Nachbrenner und einem zweiten Kathodenabgaszweig zur ersten Mischkammer ausgestaltet. Der Kathodenabgasverzweigungsabschnitt kann in Form einer
Ventilsteuerung ausgestaltet sein oder eine geeignete Ventilsteuerung aufweisen.
Darüber hinaus ist es bei einem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, dass stromabwärts der heißen Seite des
Kathodenwärmetauschers, stromabwärts der heißen Seite des
Reformerwärmetauschers und stromaufwärts des Abgaskatalysators eine zweite Mischkammer zum Vermischen des Nachbrennerabgases stromabwärts der heißen Seite des Kathodenwärmetauschers und des Nachbrennerabgases stromabwärts der heißen Seite des Reformerwärmetauschers angeordnet ist. Durch die Vermischung des Nachbrennerabgases stromabwärts der heißen Seite des
Kathodenwärmetauschers und des Nachbrennerabgases stromabwärts der heißen Seite des Reformerwärmetauschers stromaufwärts des Abgaskatalysators kann eine besonders gleichmäßige katalytische Verbrennung des Nachbrennerabgases erreicht werden. Die zweite Mischkammer ist vorzugsweise stromaufwärts des Abgaskatalysators direkt am Abgaskatalysator angeordnet. Bevorzugt weist der Abgaskatalysator ein Abgaskatalysatorgehäuse, insbesondere in Form des vorstehend beschriebenen zweiten Gehäuses, auf, in welchem die zweite
Mischkammer ausgestaltet ist bzw. welches u.a. die zweite Mischkammer bildet.
Außerdem kann es bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem von Vorteil sein, wenn eine Zündungserkennungseinheit zum Erkennen einer Zündung und/oder einer Verbrennung unter Flammenbildung in der Gasbrennkammer zumindest teilweise am Nachbrenner bereitgestellt ist. Die
Zündungserkennungseinheit lässt sich beim erfindungsgemäßen Nachbrenner in Form eines Gasbrenners besonders einfach implementieren. Die
Zündungserkennungseinheit kann gemäß einer Ausgestaltungsvariante zur akustischen Erkennung der Zündung zumindest teilweise am Nachbrenner bereitgestellt sein. Ferner ist es denkbar, dass die Zündungserkennungseinheit eine Messvorrichtung zum Messen einer elektrischen Leitfähigkeit von Gas in und/oder an der Brennkammer sowie eine Bestimmungseinheit zum Bestimmen der Zündung anhand der gemessenen elektrischen Leitfähigkeit des Gases in und/oder an der Brennkammer aufweist. Außerdem ist es möglich, dass die
Zündungserkennungseinheit eine Messvorrichtung zum Messen eines
Temperaturanstiegs von Gas in der Brennkammer sowie eine Bestimmungseinheit zum Bestimmen der Zündung anhand des gemessenen Temperaturanstiegs des Gases in der Brennkammer aufweist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können bei einem Brennstoffzellensystem der wenigstens eine Brennstoffzellenstapel, der Nachbrenner und der Abgaskatalysator in einer Hotbox des Brennstoffzellensystems angeordnet sein, wobei ein Sauerstoffzuführabschnitt zum Zuführen von Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigem Fluid in die Gasbrennkammer zumindest teilweise außerhalb der Hotbox ausgestaltet ist. Außerhalb der Hotbox kann der
Sauerstoffzuführabschnitt mit relativ günstigen Materialien zur Verfügung gestellt werden. Darüber hinaus ist der Sauerstoffzuführabschnitt in einem Fehlerfall und/oder im Wartungsfall leicht zugänglich. Durch die Zufuhr von beispielsweise Heißluft von außerhalb der Hotbox kann der Nachbrenner auf einfache Weise dahingehend erwärmt werden, dass bei Zufuhr von Brennstoff, insbesondere in Form von Anodenabgas, eine Selbstzündung erfolgen kann. Unter einer Hotbox kann ein im Stand der Technik bekanntes Gehäuse oder ein gehäuseartiger Mantel zum Abschirmen von hohen Temperaturen innerhalb der Hotbox vom Rest des
Brennstoffzellensystems verstanden werden.
Bei einem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist es außerdem möglich, dass im Sauerstoffzuführabschnitt wenigstens ein
Temperiermittel zum einstellbaren Temperieren des Sauerstoffs oder des
sauerstoffhaltigen Fluids angeordnet ist. Durch die Anordnung des Temperiermittels im Sauerstoffzuführabschnitt außerhalb der Hotbox kann das Temperiermittel kostengünstig und mit einer zuverlässigen Betriebsweise zur Verfügung gestellt werden. Das Temperiermittel ist insbesondere als Heizmittel, beispielsweise in Form eines elektrischen Heizmittels, ausgestaltet. Der Sauerstoffzuführabschnitt zweigt bevorzugt von einem Kathodenzuführgasabschnitt zum Zuführen von
Kathodenzuführgas, insbesondere von Luft, zum Kathodenabschnitt, in Richtung des Nachbrenners ab. Zum Steuern und/oder Regeln des sauerstoffhaltigen Fluids, insbesondere in Form von Luft, zum Nachbrenner, ist im Sauerstoffzuführabschnitt, bevorzugt stromaufwärts des Temperiermittels, ein Ventil, insbesondere ein Ein/Aus- Ventil, zum Sperren und/oder Freigeben des Sauerstoffzuführabschnitts, oder ein regelbares Ventil ausgestaltet.
Eine Einstelleinheit eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann zum Einstellen einer Verbrennungstemperatur in der Gasbrennkammer auf maximal 1200°C konfiguriert sein. Dadurch, dass die Verbrennungstemperatur im
Nachbrenner bzw. in der Gasbrennkammer unter 1200°C gehalten wird, kann eine Stickoxidbildung vermieden werden. Die geringere Verbrennungstemperatur nimmt zwar in Kauf, dass eventuell ein Teil eines Kohlenmonoxidgases nicht verbrannt wird. Dieser Anteil kann jedoch im nachgeschalteten Abgaskatalysator oxidiert werden.
Von Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystem eine Einstelleinheit zum Einstellen eines
Anodenabgas/Kathodenabgas-Verhältnisses in der Gasbrennkammer in einem Bereich zwischen 3:1 und 1 :1 , insbesondere auf ca. 2:1 , konfiguriert ist. Bei umfangreichen Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung, insbesondere durch Simulationsergebnisse von einer Verbrennungstemperatur, hat sich überraschend herausgestellt, dass mit diesem Mischungsverhältnis die besten Ergebnisse für die gewünschte Verbrennung im Nachbrenner erzielt werden können.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines wie vorstehend im Detail beschriebenen Brennstoffzellensystems vorgeschlagen. Bei dem Verfahren wird in der Gasbrennkammer des Nachbrenners eine Verbrennung von Anodenabgas unter Flammenbildung durchgeführt.
Günstig ist es dabei, wenn Nachbrennerabgas aus der Gasbrennkammer
stromabwärts separat und beabstandet vom Nachbrenner durch den
Abgaskatalysator katalytisch behandelt wird. Es ist vorteilhaft, wenn Kathodenabgas stromaufwärts des Nachbrenners über einen Kathodenabgasverzweigungsabschnitt aufgeteilt wird, wobei ein erster Teil über einen ersten Kathodenabgaszweig zum Nachbrenner und ein zweiter Teil über einen zweiten Kathodenabgaszweig zu einer ersten Mischkammer geleitet wird.
Bei einer erfindungsgemäßen Weiterbildung des Verfahrens ist es möglich, dass die Verbrennungstemperatur in der Gasbrennkammer durch die Einstelleinheit auf maximal 1200°C eingestellt wird. Ferner kann es von Vorteil sein, wenn das
Anodenabgas/Kathodenabgas-Verhältnis in der Gasbrennkammer durch die
Einstelleinheit wie bereits vorstehend beschrieben in einem Bereich zwischen 3:1 und 1 :1 , insbesondere auf ca. 2:1 , eingestellt wird. Damit bringt ein
erfindungsgemäßes Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem beschrieben worden sind.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung eines, wie vorstehend beschriebenen, Brennstoffzellensystems zur Bereitstellung von elektrischer Energie in einem stationären Kraftwerk. Weitere, die Erfindung verbessernde, Maßnahmen ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der
Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Figuren hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein.
Es zeigen jeweils schematisch:
Figur 1 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 2 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 3 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer dritten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, Figur 4 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer vierten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
Figur 5 ein Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens gemäß einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 bis 5 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist ein Blockdiagramm zum Beschreiben eines Brennstoffzellensystems 1 a gemäß einer ersten Ausführungsform dargestellt. Das in Fig. 1 gezeigte
Brennstoffzellensystem 1 a weist einen Brennstoffzellenstapel 2 mit einem
Anodenabschnitt 3 und einem Kathodenabschnitt 4 auf. Das Brennstoffzellensystem 1 a weist ferner einen Nachbrenner 5 zum wenigstens teilweisen Verbrennen von
Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt 3 und einen Abgaskatalysator 6
stromabwärts des Nachbrenners zur katalytischen Behandlung von
Nachbrennerabgas auf. Der Nachbrenner 5 weist eine Gasbrennkammer 7 für eine Verbrennung von Anodenabgas unter Flammenbildung auf. D.h., der Nachbrenner 5 ist in Form eines Gasbrenners ausgestaltet. Der Abgaskatalysator 6 ist stromabwärts beabstandet vom Nachbrenner 5 angeordnet, muss allerdings nicht zwingend vorgesehen sein.
Genauer gesagt ist stromabwärts des Nachbrenners 5 ein Nachbrennerabgas- Verzweigungsabschnitt 20 zum Verzweigen von Nachbrennerabgas auf eine heiße Seite eines Kathodengaswärmetauschers 8 des Brennstoffzellensystems 1 a und auf eine heiße Seite eines Reformerwärmetauschers 10 des Brennstoffzellensystems 1 a ausgestaltet, wobei der Abgaskatalysator 6 stromabwärts der heißen Seite des Kathodenwärmetauschers 8 sowie stromabwärts der heißen Seite des
Reformerwärmetauschers 10 angeordnet ist.
Stromabwärts des Nachbrenners 5 und stromaufwärts des Nachbrennerabgas- Verzweigungsabschnitts 20 ist eine erste Mischkammer 11 zum Vermischen des Nachbrennerabgases mit reinem oder im Wesentlichen reinem Kathodenabgas angeordnet. Um Kathodenabgas direkt zur ersten Mischkammer 11 zu führen, ist stromaufwärts des Nachbrenners 5 ein Kathodenabgasverzweigungsabschnitt 17 mit einem ersten Kathodenabgaszweig 18 zum Nachbrenner 5 und einem zweiten Kathodenabgaszweig 19 zur ersten Mischkammer 11 ausgestaltet.
Stromabwärts der heißen Seite des Kathodenwärmetauschers 8, stromabwärts der heißen Seite des Reformerwärmetauschers 10 und stromaufwärts des
Abgaskatalysators 6 ist eine zweite Mischkammer 12 zum Vermischen des
Nachbrennerabgases stromabwärts der heißen Seite des Kathodenwärmetauschers 8 und des Nachbrennerabgases stromabwärts der heißen Seite des
Reformerwärmetauschers 10 angeordnet. Grundsätzlich kann auf die zweite
Mischkammer 12 verzichtet werden, indem das Nachbrennerabgas stromabwärts der heißen Seite des Kathodenwärmetauschers 8 und das Nachbrennerabgas
stromabwärts der heißen Seite des Reformerwärmetauschers 10 direkt in den Abgaskatalysator 6 bzw. auf eine katalytische Beschichtung in einem geeigneten Gehäuse ein- bzw. aufgebracht wird.
Am Nachbrenner 5 ist zumindest teilweise eine Zündungserkennungseinheit 13 zum Erkennen einer Zündung und/oder einer Verbrennung unter Flammenbildung in der Gasbrennkammer 7 ausgestaltet. Der Brennstoffzellenstapel 2, der Nachbrenner 5 und der Abgaskatalysator 6 sind in einer Hotbox 14 des Brennstoffzellensystems 1 a angeordnet, wobei ein Sauerstoffzuführabschnitt 15 zum Zuführen von einem sauerstoffhaltigem Fluid, vorliegend Luft, in die Gasbrennkammer 7 außerhalb bzw. im Wesentlichen außerhalb der Hotbox 14 ausgestaltet ist. Im
Sauerstoffzuführabschnitt 15 ist ein Temperiermittel 16 in Form eines Heizmittels zum einstellbaren Heizen der Zuluft zum Nachbrenner 5 angeordnet. Eine Einstelleinheit 9, die beispielsweise in Form eines Steuergeräts ausgestaltet sein kann oder ein solches Steuergerät aufweisen kann, ist zum Einstellen einer Verbrennungstemperatur in der Gasbrennkammer 7 auf maximal 1200°C
konfiguriert. Hierzu kann die Einstelleinheit mechanische, elektrische und/oder digitale Signalgeber aufweisen. Die Einstelleinheit 9 ist ferner zum Einstellen eines Anodenabgas/Kathodenabgas-Verhältnisses in der Gasbrennkammer 7 in einem Bereich zwischen 3:1 und 1 :1 , insbesondere auf ca. 2:1 , konfiguriert.
In Fig. 2 ist ein Brennstoffzellensystem 1 b gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Das dargestellte Brennstoffzellensystem 1 b entspricht im Wesentlichen dem in Fig. 1 dargestellten Brennstoffzellensystem 1 a. Allerdings wird das
Nachbrennerabgas stromabwärts des Nachbrenners 5 nur durch den
Kathodengaswärmetauscher 8 geleitet. Dadurch kann gezielt die Luft zum
Kathodenabschnitt 4 bzw. im Kathodengaswärmetauscher 8 aufgeheizt werden.
In Fig. 3 ist ein Brennstoffzellensystem 1 c gemäß einer dritten Ausführungsform dargestellt. Das dargestellte Brennstoffzellensystem 1 c entspricht im Wesentlichen dem in Fig. 1 dargestellten Brennstoffzellensystem 1 a. Allerdings wird das
Nachbrennerabgas stromabwärts des Nachbrenners 5 nur durch den
Reformerwärmetauscher 10 geleitet. Dadurch kann gezielt der Brennstoff oder das Brennstoffgemisch zum Anodenabschnitt 3 bzw. im Reformerwärmetauscher 10 aufgeheizt werden.
In Fig. 4 ist ein Brennstoffzellensystem 1 d gemäß einer vierten Ausführungsform dargestellt. Das dargestellte Brennstoffzellensystem 1 d entspricht im Wesentlichen dem in Fig. 1 dargestellten Brennstoffzellensystem 1 a. Allerdings wird auf den Sauerstoffzuführabschnitt 15 verzichtet. Dies kann durch ein elektrisches Heizmittel (nicht dargestellt) direkt am Nachbrenner 5 und/oder durch eine verstärkte Zufuhr von Kathodenabgas zum Nachbrenner 5 kompensiert werden.
Mit Bezug auf Fig. 1 wird nachfolgend ein Verfahren zum Betreiben des dort dargestellten Brennstoffzellensystems 1 a gemäß der ersten Ausführungsform erläutert. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass in der Gasbrennkammer 7 des Nachbrenners 5 eine Verbrennung von Anodenabgas unter Flammenbildung durchgeführt wird und Nachbrennerabgas aus der Gasbrennkammer 7 stromabwärts separat und beabstandet vom Nachbrenner 5 durch den Abgaskatalysator 6 katalytisch behandelt wird. Hierbei wird die Verbrennungstemperatur in der Gasbrennkammer 7 durch die Einstelleinheit 9 dahingehend eingestellt, dass ein Maximalwert von 1200°C nicht überschritten wird. Das
Anodenabgas/Kathodenabgas-Verhältnis in der Gasbrennkammer 7 wird durch die Einstelleinheit 9 auf ca. 2:1 eingestellt.
Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere
Gestaltungsgrundsätze zu. D. h. die Erfindung soll nicht auf die mit Bezug auf die Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden.
Bezugszeichenliste
1 a Brennstoffzellensystem
1 b Brennstoffzellensystem
1 c Brennstoffzellensystem
1 d Brennstoffzellensystem
2 Brennstoffzellenstapel
3 Anodenabschnitt
4 Kathodenabschnitt
5 Nachbrenner
6 Abgaskatalysator
7 Gasbrennkammer
8 Kathodengaswärmetauscher
9 Einstelleinheit
10 Reformerwärmetauscher
11 erste Mischkammer
12 zweite Mischkammer
13 Zündungserkennungseinheit
14 Hotbox
15 Sauerstoffzuführabschnitt
16 Temperiermittel
17 Kathodenabgasverzweigungsabschnitt
18 erster Kathodenabgaszweig
19 zweiter Kathodenabgaszweig
20 Nachbrennerabgas-Verzweigungsabschnitt

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzellensystem (1 a; 1 b; 1 c; 1 d), aufweisend wenigstens einen
Brennstoffzellenstapel (2) mit einem Anodenabschnitt (3) und einem
Kathodenabschnitt (4), einen Nachbrenner (5) zum wenigstens teilweisen Verbrennen von Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt (3),
dadurch gekennzeichnet, dass
der Nachbrenner (5) eine Gasbrennkammer (7) für eine Verbrennung von Anodenabgas unter Flammenbildung aufweist.
2. Brennstoffzellensystem (1 a; 1 b; 1 d) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Abgaskatalysator (6) zur katalytischen Behandlung von Nachbrennerabgas vorgesehen ist, wobei der Abgaskatalysator (6) stromabwärts beabstandet vom Nachbrenner (5) angeordnet ist.
3. Brennstoffzellensystem (1 a; 1 b; 1 d) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
stromaufwärts des Nachbrenners (5) ein Kathodenabgasverzweigungsabschnitt (17) mit einem ersten Kathodenabgaszweig (18) zum Nachbrenner (5) und einem zweiten Kathodenabgaszweig (19) zu einer ersten Mischkammer (11 ) ausgestaltet ist.
4. Brennstoffzellensystem (1a; 1 b; 1 d) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
stromabwärts des Nachbrenners (5) eine heiße Seite eines
Kathodengaswärmetauschers (8) des Brennstoffzellensystems (1 a; 1 b; 1 d) ausgestaltet ist und der Abgaskatalysator (6) stromabwärts der heißen Seite des Kathodengaswärmetauschers (8) angeordnet ist.
5. Brennstoffzellensystem (1a; 1 c; 1d) nach einem der voranstehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
stromabwärts des Nachbrenners (5) eine heiße Seite eines
Reformerwärmetauschers (10) des Brennstoffzellensystems (1 a; 1 c; 1 d) ausgestaltet ist und der Abgaskatalysator (6) stromabwärts der heißen Seite des Reformerwärmetauschers (10) angeordnet ist.
6. Brennstoffzellensystem (1 a; 1d) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
stromabwärts des Nachbrenners (5) ein Nachbrennerabgas- Verzweigungsabschnitt (20) zum Verzweigen von Nachbrennerabgas auf eine heiße Seite eines Kathodengaswärmetauschers (8) des
Brennstoffzellensystems (1 a; 1d) und/oder auf eine heiße Seite eines
Reformerwärmetauschers (10) des Brennstoffzellensystems (1 a; 1 d) ausgestaltet ist, wobei der Abgaskatalysator (6) stromabwärts der heißen Seite des Kathodenwärmetauschers (8) sowie stromabwärts der heißen Seite des Reformerwärmetauschers (10) angeordnet ist.
7. Brennstoffzellensystem (1 a; 1d) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
stromabwärts des Nachbrenners (5) und stromaufwärts des
Nachbrennerabgas-Verzweigungsabschnitts (20) die erste Mischkammer (11 ) zum Vermischen des Nachbrennerabgases mit reinem oder im Wesentlichen reinem Kathodenabgas angeordnet ist.
8. Brennstoffzellensystem (1 a; 1d) nach einem der Ansprüche 6 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
stromabwärts der heißen Seite des Kathodenwärmetauschers (8),
stromabwärts der heißen Seite des Reformerwärmetauschers (10) und stromaufwärts des Abgaskatalysators (6) eine zweite Mischkammer (12) zum Vermischen des Nachbrennerabgases stromabwärts der heißen Seite des Kathodenwärmetauschers (8) und des Nachbrennerabgases stromabwärts der heißen Seite des Reformerwärmetauschers (10) angeordnet ist.
9. Brennstoffzellensystem (1a; 1 b; 1 c; 1 d) nach einem der voranstehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Zündungserkennungseinheit (13) zum Erkennen einer Zündung und/oder einer Verbrennung unter Flammenbildung in der Gasbrennkammer (7) zumindest teilweise am Nachbrenner (5) bereitgestellt ist.
10. Brennstoffzellensystem (1a; 1 b; 1 c) nach einem der voranstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der wenigstens eine Brennstoffzellenstapel (2), der Nachbrenner (5) und der Abgaskatalysator (6) in einer Hotbox (14) des Brennstoffzellensystems (1 a; 1 b; 1 c) angeordnet sind, wobei ein Sauerstoffzuführabschnitt (15) zum Zuführen von Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigem Fluid in die Gasbrennkammer (7) zumindest teilweise außerhalb der Hotbox (14) ausgestaltet ist.
11. Brennstoffzellensystem (1a; 1 b; 1 c) nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Sauerstoffzuführabschnitt (15) wenigstens ein Temperiermittel (16) zum einstellbaren Temperieren des Sauerstoffs oder des sauerstoffhaltigen Fluids angeordnet ist.
12. Brennstoffzellensystem (1a; 1 b; 1 c; 1 d) nach einem der voranstehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Einstelleinheit (9) zum Einstellen einer Verbrennungstemperatur in der Gasbrennkammer (7) auf maximal 1200°C konfiguriert ist.
13. Brennstoffzellensystem (1a; 1 b; 1 c; 1 d) nach einem der voranstehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Einstelleinheit (9) zum Einstellen eines Anodenabgas/Kathodenabgas- Verhältnisses in der Gasbrennkammer (7) in einem Bereich zwischen 3:1 und 1 :1 , insbesondere auf ca. 2:1 , konfiguriert ist.
14. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1 a; 1 b; 1 c; 1 d) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
in der Gasbrennkammer (7) des Nachbrenners (5) eine Verbrennung von Anodenabgas unter Flammenbildung durchgeführt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
Nachbrennerabgas aus der Gasbrennkammer (7) stromabwärts separat und beabstandet vom Nachbrenner (5) durch den Abgaskatalysator (6) katalytisch behandelt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
Kathodenabgas stromaufwärts des Nachbrenners (5) über einen
Kathodenabgasverzweigungsabschnitt (17) aufgeteilt wird, wobei ein erster Teil über einen ersten Kathodenabgaszweig (18) zum Nachbrenner (5) und ein zweiter Teil über einen zweiten Kathodenabgaszweig (19) zu einer ersten Mischkammer (11 ) geleitet wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verbrennungstemperatur in der Gasbrennkammer (7) durch die
Einstelleinheit (9) auf maximal 1200°C eingestellt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Anodenabgas/Kathodenabgas-Verhältnis in der Gasbrennkammer (7) durch die Einstelleinheit (9) in einem Bereich zwischen 3:1 und 1 :1 ,
insbesondere auf ca. 2:1 , eingestellt wird.
19. Verwendung eines Brennstoffzellensystems (1 a; 1 b; 1 c; 1 d) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Bereitstellung von elektrischer Energie in einem stationären Kraftwerk.
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