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DE102017001564B4 - Verfahren zum Starten einer Brennstoffzellenanordnung und Brennstoffzellenanordnung - Google Patents

Verfahren zum Starten einer Brennstoffzellenanordnung und Brennstoffzellenanordnung Download PDF

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DE102017001564B4
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Jochen Schürer
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Diehl Aerospace GmbH
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Abstract

Verfahren zum Starten einer Brennstoffzellenanordnung (1), umfassend einen Fuel-Prozessor (2) und eine Brennstoffzelle (70),wobei der Fuel-Prozessor (2) die folgenden Komponenten umfasst: einen ersten Verdampfer (10), einen stromabwärts des ersten Verdampfers (10) angeordneten Reformer (20), einen Water-Gas-Shift-Reaktor (30), einen PrOx-Reaktor (40), einen ersten Wärmetauscher (11), einen Nachbrenner (21) und einen Startbrenner (50),wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:a) elektrisches Heizen einer Heizanordnung des Fuel-Prozessors (2) zur Erwärmung eines ersten Gases (G1),b) Aufheizen der Komponenten des Fuel-Prozessors (2) auf eine festgelegte Betriebstemperatur durch Zirkulieren des erwärmten ersten Gases (G1) durch zumindest den ersten Wärmetauscher (11) und den Nachbrenner (21),c) katalytisches Verbrennen eines verdüsten oder verdampften Brennstoffs (B) im Startbrenner (50) und anschließendes Nachverbrennen im Nachbrenner (21) von Wasserstoff zum weiteren Erwärmen des ersten Gases (G1) über zumindest einen Wärmetauscher,d) Einleiten des Brennstoffs (B) in die vorgewärmten Komponenten des Fuel-Prozessors (2) und Stoppen der katalytischen Verbrennung im Startbrenner (50),e) Anfahren wenigstens einer Reaktion in den Komponenten des Fuel-Prozessors (2), bis ein Ausgangsgas eines PrOx-Reaktors (40) einen vorgegebenen CO-Gehalt aufweist, undf) Zuschalten der Brennstoffzelle (70).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten einer Brennstoffzellenanordnung und eine Brennstoffzellenanordnung.
  • Ein Verfahren zum Starten einer Brennstoffzellenanordnung und eine Brennstoffzellenanordnung sind beispielsweise aus der DE 203 20 913 U1 bekannt. Die bekannte Brennstoffzellenanordnung umfasst einen Brennstoffvorrat, eine Heizeinrichtung und eine Brennstoffzellenvorrichtung. Die Heizeinrichtung ist eine separat von der Brennstoffzellenvorrichtung ausgeführte Heizeinrichtung, die ausschließlich zum Starten der Brennstoffzellenvorrichtung genutzt werden kann, indem Heizwasser und/oder Heißluft erzeugt wird. Die Brennstoffzellenanordnung kann mit einem Primärbrennstoff aus Butan oder Propan, welche üblicherweise auch für Gasbrenner erhältlich sind, betrieben werden. Zusätzlich kann die Brennstoffzellenanordnung einen Latentwärmespeicher zum Vorheizen der Brennstoffzelle nach einem Neustart umfassen. Dabei wird zunächst ein Reformer und nachfolgend durch ein im Reformer erhitztes Gas die Brennstoffzelle aufgeheizt.
  • Alternativ offenbart die DE 203 20 913 U1 auch eine Heizeinrichtung, die mit elektrischem Strom betrieben wird. Zusätzlich sieht die Druckschrift weitere Wärmequellen, insbesondere elektrische Wärmequellen, zum Beheizen eines Reformers und der Brennstoffzelle vor. Das vorgeschlagene System ist umständlich und besitzt einen großen Platzbedarf. Zudem eignet es sich nicht für Brennstoffzellen, welche mit Propylenglykol betrieben werden.
  • Die EP 1 703 578 A1 offenbart ein Reformer-Brennstoffzellen-System mit externem Brenner sowie ein Verfahren zum Starten des Reformer-Brennstoffzellen-Systems. Zum Starten des Reformer-Brennstoffzellen-Systems wird ein außerhalb des Systems angeordneter Brenner zur Erzeugung von heißem Abgas benötigt. Das damit erzeugte Abgas wird durch einen Teil des Reformer-Brennstoffzellen-Systems geleitet, um die Komponenten des Reformer-Brennstoffzellen-Systems auf eine vorgegebene Temperatur zu beheizen. - Durch das Vorsehen eines ausschließlich zum Starten des Systems verwendeten Brenners benötigt das System den zusätzlichen Brenner und weist dadurch ein erhöhtes Volumen auf. Zusätzlich muss nach Beendigung der Startphase ein Rückströmen von Prozessgas in den Startbrenner verhindert werden, so dass ein zusätzliches Ventil benötigt wird. Darüber hinaus entstehen bei einem solchen Brenner häufig Rußpartikel, die sich im nachfolgenden Reformersystem ablagern können. Die Überlagerung einer katalytischen Beschichtung mit Rußpartikeln vermindert die Wirksamkeit und Lebensdauer einer Katalysatorbeschichtung und reduziert einen möglichen Wärmeübergang in Wärmetauschern. Dadurch erhöht sich der Wartungsbedarf eines solchen Systems erheblich.
  • Aus der DE 600 22 182 T2 ist ein integriertes Kohlenwasserstoff-Reformierungssystem zur Verwendung mit einer zugehörigen Brennstoffzelle nach dem Oberbegriff von Anspruch 9 bekannt, wobei das System einen Gasgenerator mit einer Teiloxidationskammer, eine Dampfreformierungskammer und integrierte Verschiebungsbetten, einen bevorzugten Oxidationsreaktor, der optional einen zweiten bevorzugten Oxidationsreaktor und einen Kühler-Kondensator umfasst, der in Reihe zwischen die beiden Oxidationsreaktoren zwischengeschaltet ist, ein Hilfsreaktor mit Vorheiz-, Verbrennungs- und Strömungserzeugungsfähigkeiten und ein integriertes Fluidsystem, wobei Wasser, Dampf, Brennstoff und Luft zwischen Systemkomponenten für erhöhte Effizienz und verbesserten Betrieb geteilt werden können. Der Gasgenerator ist konfiguriert, um ein wasserstoffreiches Reformat zu erzeugen, indem wenigstens eine nicht-katalytische thermische Teiloxidation, eine katalytische Teiloxidation, eine Dampfreformierung und beliebige Kombinationen davon durchgeführt werden. Innerhalb der Verschiebungsbetten wird ein Katalysator zur Förderung einer Wasser-Gas-Shift-Reaktion in dem wasserstoffreichen Reformat verwendet, während ein integrierter Wärmetauscher mit einer ersten Masse von zweiphasigem Wasser darin konfiguriert ist, Wärme zwischen dem zweiphasigen Wasser und dem wasserstoffreichen Reformat in den Verschiebungsbetten auszutauschen.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Insbesondere soll ein effizientes Verfahren zum Starten einer Brennstoffzellenanordnung angegeben werden, deren Komponenten auch im Dauerbetrieb der Brennstoffzellenanordnung benutzt werden können.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 9 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Starten einer Brennstoffzellenanordnung, umfassend einen Fuel-Prozessor und eine Brennstoffzelle, angegeben, wobei der Fuel-Prozessor die folgenden Komponenten umfasst: einen Verdampfer, einen stromabwärts des Verdampfers angeordneten Reformer, einen Water-Gas-Shift-Reaktor, einen PrOx-Reaktor, einen ersten Wärmetauscher und einen Startbrenner, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
    1. a) elektrisches Heizen einer Heizanordnung des Fuel-Prozessors zur Erwärmung eines ersten Gases,
    2. b) Aufheizen der Komponenten des Fuel-Prozessors auf eine festgelegte Betriebstemperatur durch Zirkulieren des erwärmten ersten Gases durch zumindest den Nachbrenner und den ersten Wärmetauscher,
    3. c) katalytisches Verbrennen eines verdüsten oder verdampften Brennstoffs im Startbrenner und anschließendes Nachverbrennen im Nachbrenner von Wasserstoff zum weiteren Erwärmen des ersten Gases über zumindest einen Wärmetauscher,
    4. d) Einleiten des Brennstoffs in die vorgewärmten Komponenten des Fuel-Prozessors und Stoppen der katalytischen Verbrennung im Startbrenner,
    5. e) Anfahren wenigstens einer Reaktion in den Komponenten des Fuel-Prozessors, bis ein Ausgangsgas eines PrOx-Reaktors einen vorgegebenen CO-Gehalt aufweist, und
    6. f) Zuschalten der Brennstoffzelle.
  • Unter einem „Fuel-Prozessor“ wird eine Anordnung von hintereinander geschalteten Reaktoren verstanden, in denen ein Brennstoff mittels einer bzw. mehrerer Reaktionen so umgewandelt wird, dass ein wasserstoffhaltiges Gas erzeugt wird, welches in die Brennstoffzelle eingeleitet werden kann. Bei den Reaktionen muss insbesondere ein CO-Gehalt auf einen vorgegebenen Gehalt reduziert werden. Als Brennstoff ist insbesondere Propylenglykol geeignet. Das erste Gas enthält Sauerstoff. Der Fuel-Prozessor umfasst einen Verdampfer, in dem der Brennstoff verdampft wird. Vorzugsweise wird in dem Verdampfer ein Propylenglykol-Wasser-Gemisch verdampft. Dabei wird unter „verdampft“ auch das Erzeugen von überhitztem Dampf verstanden.
  • Eine Fuel-Prozessor-Komponente ist der Reformer. Im Reformer wird der verdampfte Brennstoff, das zweite Gas, unter Zugabe des ersten Gases reformiert, so dass ein wasserstoffhaltiges drittes Gas erzeugt wird. Das dritte Gas enthält insbesondere Anteile von Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasser und Stickstoff. Der Reformer steht im Wärmeaustausch mit dem Nachbrenner, so dass der Nachbrenner als Heizung für den Reformer verwendet werden kann.
  • Eine weitere Fuel-Prozessor-Komponente ist der sogenannte Water-Gas-Shift-Reaktor. Das dritte Gas wird im Water-Gas-Shift-Reaktor unter Zugabe des ersten Gases zu einem vierten Gas umgesetzt, welches einen geringeren Anteil an Kohlenmonoxid enthält. Das vierte Gas wird unter Zugabe von weiterem ersten Gas in den sogenannten PrOx-Reaktor, einer weiteren Fuel-Prozessor-Komponente, eingeleitet und dort zu einem fünften Gas umgesetzt. Im PrOx-Reaktor wird der Gehalt des Kohlenmonoxids, insbesondere durch eine bevorzugte Oxidation des Kohlemonoxids, weiter reduziert. Das im PrOx-Reaktor erzeugte fünfte Gas kann dann in die Brennstoffzelle eingeleitet werden. Das fünfte Gas enthält Wasserstoff, aus dem mit einem Oxidationsmittel in der Brennstoffzelle elektrische Energie und Wasser gewonnen werden.
  • Des Weiteren umfasst der Fuel-Prozessor zumindest den ersten Wärmetauscher, welcher so angeordnet ist, dass der Verdampfer damit beheizt werden kann. Des Weiteren umfasst der Fuel-Prozessor den Startbrenner, welcher mit dem Brennstoff betrieben werden kann. In den Schritten a) und b) werden die Fuel-Prozessor-Komponenten durch Zirkulieren des erwärmten ersten Gases aufgeheizt, wobei der erste Wärmetauscher durch den Verdampfer einströmendes erstes Gas erwärmt und dieses erste Gas dann durch die Fuel-Prozessor-Komponenten Reformer, Water-Gas-Shift-Reaktor und PrOx-Reaktor zirkuliert. Durch den Nachbrenner strömendes erwärmtes erstes Gas erwärmt den Reformer. Das Verfahren nutzt ausschließlich Komponenten, die auch im Dauerbetrieb der Brennstoffzellenanordnung eingesetzt werden können. Durch das Verfahren werden keine Fremdstoffe, insbesondere kein Ruß, erzeugt, die den Betrieb der Brennstoffzellenanordnung einschränken.
  • Vorzugsweise umfasst das Verfahren weiterhin den Schritt des Eingebens eines Brennstoffs stromabwärts des Startbrenners und Nachverbrennen des Wasserstoffs und des eingegebenen Brennstoffs in den Nachbrenner. Durch das Zuführen von weiterem Brennstoff in den Nachbrenner wird die Temperatur des durch den ersten Wärmetauscher geleiteten Gases erhöht und der Reformer stärker erwärmt.
  • In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Verfahren im Schritt c) weiterhin: Verwenden eines eine katalytische Beschichtung aufweisenden ersten Wärmetauschers und Eingeben eines Brennstoffs stromabwärts des Nachbrenners und katalytisches Verbrennen des Brennstoffs im katalytisch beschichteten ersten Wärmetauscher. Die katalytische Verbrennung im ersten Wärmetauscher erzeugt weitere Wärme, die in diesem Fall direkt zum Beheizen des Verdampfers genutzt werden kann. Das durch den Verdampfer einströmende erste Gas wird dadurch auf eine erhöhte Temperatur gebracht.
  • Zweckmäßigerweise wird als Brennstoff ein Propylenglykol-Wasser-Gemisch verwendet. Als erstes Gas wird vorzugsweise Luft verwendet.
  • Zweckmäßigerweise umfasst der Fuel-Prozessor einen zweiten Wärmetauscher, der das erste Gas stromaufwärts des Startbrenners erwärmt und ein Gas stromabwärts des Reformers und stromaufwärts des Water-Gas-Shift-Reaktors abkühlt. Das erste Gas kann damit bereits vor dem Startbrenner, insbesondere ab dem Schritt d), vorgewärmt werden, gleichzeitig kann ein vorgegebenes Temperaturprofil zwischen den einzelnen Fuel-Prozessor-Komponenten eingestellt werden.
  • In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird im Startbrenner wahlweise eine Heizanordnung elektrisch beheizt oder ein Brennstoff katalytisch verbrannt. Das Vorsehen einer Heizanordnung und einer Einrichtung zur katalytischen Verbrennung im Startbrenner erhöht wiederum den Integrationsgrad der Brennstoffzellenanordnung, da dadurch eine weitere separate Einrichtung vermieden werden kann.
  • In einer zweckmäßigen Ausgestaltung kann der Startbrenner auch während des Betriebs der Brennstoffzelle zugeschaltet werden. Wenn der Startbrenner weiterhin von einem ersten Gas durchströmt wird, kann eine unerwünschte Rückströmung, insbesondere von Wasserstoff, ohne das Vorsehen einer weiteren Komponente vermieden werden.
  • Daneben betrifft die Erfindung eine Brennstoffzellenanordnung gemäß Patentanspruch 9 mit einem Fuel-Prozessor und einer Brennstoffzelle, umfassend:
    • einen Verdampfer,
    • einen stromabwärts des Verdampfers angeordneten Reformer,
    • einen Water-Gas-Shift-Reaktor,
    • einen PrOx-Reaktor und
    • einen ersten Wärmetauscher.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Fuel-Prozessor einen Startbrenner und einen nachgeschalteten Nachbrenner, der stromabwärts des PrOx-Reaktors und stromaufwärts des ersten Wärmetauschers angeordnet ist, wobei der erste Wärmetauscher mit dem Verdampfer wärmeübertragend verbunden ist. Somit kann entstandene Wärme zur Verdampfung des Brennstoffs eingesetzt werden. Insbesondere wird die entstandene Wärme dort eingesetzt, wo sie benötigt wird. Die Effizienz der Brennstoffzellenanordnung wird somit gesteigert.
  • Unter „wärmeübertragend verbunden“ wird im Sinne der Erfindung verstanden, dass ein Wärmeaustausch zwischen den wärmeübertragend verbundenen Elementen stattfindet. Zweckmäßigerweise sind zwei wärmeübertragend verbundene Elemente in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, aufeinander gestapelt oder eines der Elemente ist in das andere integriert.
  • Vorzugsweise umfasst der Startbrenner eine Heizanordnung zum Heizen eines ersten Gases und eine Einrichtung zum katalytischen Verbrennen eines Brennstoffs. Die Heizanordnung kann einen Wärmespeicher und/oder ein elektrisches Heizelement umfassen. Der Startbrenner eignet sich damit sowohl zum Erzeugen einer geringen Temperatur für eine erste Startphase als auch zum Erzeugen einer höheren Temperatur einer zweiten Startphase. Der so ausgeführte Startbrenner kann des Weiteren auch während des Betriebs der Brennstoffzelle zur Regulierung der Temperatur der Brennstoffzellenanordnung bzw. zur Regulierung des von der Brennstoffzelle kommenden Abgases eingesetzt werden.
  • Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung erlaubt einen hohen Integrationsgrad. Abwärme kann optimiert ausgenutzt werden. Die Brennstoffzellenanordnung kann rußfrei betrieben werden. Dadurch vermindert sich der Wartungsaufwand der Brennstoffzellenanordnung erheblich.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Startbrenner zumindest eine erste und eine zweite Kammer auf, wobei die erste Kammer zur katalytischen Verbrennung eine Katalysatorbeschichtung aufweist und die zweite Kammer zur Gasvorwärmung ausgelegt ist.
  • Die erste Kammer kann in der zweiten Kammer angeordnet sein. Die Katalysatorbeschichtung ist zur Verbrennung eines verdüsten oder verdampften Propylenglykol-Wasser-Gemischs geeignet. Vorzugsweise ist sie auch zur Verbrennung von Wasserstoff geeignet. Dieses Merkmal stellt sicher, dass kein unverbrannter Wasserstoff aus der Brennstoffzellenanordnung durch den Startbrenner austreten kann, wenn kein ausreichender Gegendruck vorhanden ist.
  • Vorzugsweise ist vor die erste Kammer des Startbrenners eine Einrichtung zur Verdüsung oder Verdampfung des Brennstoffs geschaltet. Die Einrichtung zur Verdüsung oder Verdampfung kann Bestandteil des Startbrenners sein.
  • Zweckmäßigerweise umfasst der erste Wärmetauscher eine Einrichtung zum katalytischen Verbrennen eines Brennstoffs. Diese Einrichtung kann insbesondere darin bestehen, dass im ersten Wärmetauscher angeordnete Innenflächen und/oder Platten katalytisch beschichtet sind und auf dieser katalytischen Beschichtung der Brennstoff katalytisch verbrannt wird.
  • In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist der Nachbrenner mit dem Reformer wärmeübertragend verbunden. Somit kann der Reformer durch den Nachbrenner beheizt werden.
  • Unter „wärmeübertragend verbunden“ wird im Sinne der Erfindung verstanden, dass ein Wärmeaustausch zwischen den wärmeübertragend verbundenen Elementen stattfindet. Zweckmäßigerweise sind zwei wärmeübertragend verbundene Elemente in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, aufeinander gestapelt oder eines der Elemente ist in das andere integriert.
  • In einer weiteren Ausgestaltung ist der PrOx-Reaktor mit einem zweiten Verdampfer wärmeübertragend verbunden und der zweite Verdampfer zum Verdampfen eines Brennstoffs ausgelegt, wobei der verdampfte Brennstoff stromaufwärts des Reformers einleitbar ist. Im PrOx-Reaktor wird durch die PrOx-Reaktion, eine bevorzugte Oxidationsreaktion, Wärme erzeugt. Die dadurch erzeugte Wärme kann zur weiteren Verdampfung des Brennstoffs genutzt werden. Damit wird die Effizienz der Brennstoffzellenanordnung weiter gesteigert.
  • Zweckmäßigerweise ist ein zweiter Wärmetauscher stromaufwärts des Startbrenners angeordnet und der zweite Wärmetauscher ist ein Gegenstromwärmetauscher, welcher zum Kühlen eines Gases stromabwärts des Reformers und stromaufwärts des Water-Gas-Shift-Reaktors ausgelegt ist. Mit dem zweiten Wärmetauscher kann gleichzeitig ein aus dem Reformer austretendes Gas, das dritte Gas, vor der Einleitung in den Water-Gas-Shift-Reaktor gekühlt werden und gleichzeitig ein erstes Gas, insbesondere Luft, welche in den Startbrenner eingeleitet werden soll, vorgewärmt werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung ist der Water-Gas-Shift-Reaktor mit einem dritten Wärmetauscher verbunden, der zum Vorheizen des ersten Gases ausgelegt ist, wobei eine Zuführleitung des erwärmten ersten Gases zwischen Startbrenner und Nachbrenner vorgesehen ist. Dieser dritte Wärmetauscher dient damit zur Kühlung des Water-Gas-Shift-Reaktors und gleichzeitig zur Erwärmung eines in den Nachbrenner einzuleitenden ersten Gases.
  • Zweckmäßigerweise ist stromabwärts des PrOx-Reaktors ein Dreiwegeventil angeordnet, durch welches ein Abgas des PrOx-Reaktors wahlweise stromaufwärts des Startbrenners, stromabwärts des Startbrenners durch einen Bypass der Brennstoffzelle oder stromabwärts des Startbrenners durch die Brennstoffzelle geleitet werden kann.
  • Ein solches Dreiwegeventil erlaubt zwischen verschiedenen Betriebszuständen der Brennstoffzellenanordnung hin und herzu schalten. Mit diesem Ventil wird der Integrationsgrad der Brennstoffzellenanordnung erhöht. Wenn das Abgas des PrOx-Reaktors stromaufwärts des Startbrenners eingeleitet wird, können die Fuel-Prozessor-Komponenten zunächst auf eine erste Betriebstemperatur aufgeheizt werden, so dass die Reaktionen in den Fuel-Prozessor-Komponenten gestartet werden können. Durch das Leiten durch einen Bypass können die Reaktionen in den Fuel-Prozessor-Komponenten so eingestellt werden, dass das Abgas des PrOx-Reaktors die zur Einleitung in die Brennstoffzelle notwendige Zusammensetzung aufweist. Durch Zuschalten der Brennstoffzelle wird der Brennstoffzellenbetrieb aufgenommen.
  • In einer weiteren Ausgestaltung ist der Startbrenner inline zwischen dem zweiten Wärmetauscher und dem Nachbrenner angeordnet. Der Startbrenner ist dadurch komplett in die Anordnung der Brennstoffzellenanordnung integriert.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen. Es zeigen:
    • 1 den Aufbau einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung mit einem Fuel-Prozessor,
    • 2 eine schematische Darstellung eines Fuel-Prozessors,
    • 3 ein Blockfließdiagramm einer Brennstoffzellenanordnung mit Fuel-Prozessor,
    • 4 ein Blockfließdiagramm des Fuel-Prozessors während einer ersten Phase des Startverfahrens,
    • 5 ein Blockfließdiagramm bei katalytischer Verbrennung im Startbrenner,
    • 6 ein Blockfließdiagramm bei Teillastreformieren, und
    • 7 ein Blockfließdiagramm bei Brennstoffzellenbetrieb.
  • 1 zeigt die wesentlichen Komponenten einer Brennstoffzellenanordnung 1, welche einen Fuel-Prozessor 2 und eine Brennstoffzelle 70 umfasst. Der Fuel-Prozessor 2 umfasst die folgenden Fuel-Prozessor-Komponenten: einen ersten Verdampfer 10, einen Reformer 20, einen Water-Gas-Shift-Reaktor 30 und einen PrOx-Reaktor 40. Durch den ersten Verdampfer 10 wird ein Brennstoff B verdampft. Das aus dem ersten Verdampfer 10 austretende zweite Gas ist mit dem Bezugszeichen G2 bezeichnet. Das zweite Gas G2 wird mit einem ersten Gas G1 in den Reformer 20 eingeleitet, in dem es in ein drittes Gas G3 umgewandelt wird. Unter Zugabe eines ersten Gases G1 kann das dritte Gas G3 in den Water-Gas-Shift-Reaktor 30 eingeleitet werden, in dem es in ein viertes Gas G4 umgewandelt wird. Unter Zugabe des ersten Gases G1 wird das vierte Gas G4 in den PrOx-Reaktor 40 eingeleitet. Das Abgas des PrOx-Reaktors 40 bildet ein fünftes Gas G5, welches in die Brennstoffzelle 70 eingeleitet werden kann. Als Abgas der Brennstoffzelle 70 entsteht ein sechstes Gas G6, welches unter Zugabe des ersten Gases G1 und/oder des zweiten Gases G2 in einem Nachbrenner 21 verbrannt wird. Zum Starten der gezeigten Brennstoffzellenanordnung 1 wird ein Startbrenner 50 benötigt.
  • 2 zeigt den Fuel-Prozessor 2, welcher den ersten Verdampfer 10, den Reformer 20, den Water-Gas-Shift-Reaktor 30, den PrOx-Reaktor 40, den Startbrenner 50, den Nachbrenner 21 und einen ersten Wärmetauscher 11 umfasst. Die Fuel-Prozessor-Komponenten sind in der vorgenannten Reihenfolge miteinander fluid verbunden. Jede dieser Fuel-Prozessor-Komponenten weist ein Gehäuse, einen Einlass und einen Auslass auf.
  • Insbesondere weist jede der Komponenten zusätzlich einen zweiten Einlass auf. Der erste Verdampfer 10 und der erste Wärmetauscher 11 sind so angeordnet, dass der erste Verdampfer 10 durch den ersten Wärmetauscher 11 beheizt werden kann. Der Reformer 20 und der Nachbrenner 21 sind so miteinander verbunden, dass der Reformer 20 durch den Nachbrenner 21 beheizt werden kann. Abgas des ersten Wärmetauschers 11 wird aus der Brennstoffzellenanordnung 1 herausgeführt. Der PrOx-Reaktor 40 umfasst einen zweiten Ausgang zum Ausgeben eines Gases zur Brennstoffzelle 70 oder eine zwischen den PrOx-Reaktor 40 und den Startbrenner 50 geschaltete Leitung mit einer Leitungsverzweigung, insbesondere mit einem Ventil. Zwischen dem Startbrenner 50 und dem Nachbrenner 21 ist ein weiterer Eingang vorgesehen, über den der PrOx-Reaktor 40 verbunden oder Wasserstoff eingeleitet werden kann.
  • 3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der Brennstoffzellenanordnung 1. Der erste Verdampfer 10 ist mit dem ersten Wärmetauscher 11 wärmeübertragend gekoppelt. Optional kann zusätzlich ein vierter Wärmetauscher 12 mit dem ersten Verdampfer 10 wärmeübertragend gekoppelt sein. Der Brennstoff B wird in den ersten Verdampfer 10 eingeleitet. Der Ausgang des ersten Verdampfers 10 ist über eine erste Leitung L1 mit dem Reformer 20 fluidverbunden. In die erste Leitung L1 mündet eine zweite Leitung L2, durch die das erste Gas G1 in die erste Leitung L1 eingegeben wird. Die zweite Leitung L2 ist mit dem vierten Wärmetauscher 12 verbunden. Im Reformer 20 erzeugtes drittes Gas G3 wird durch eine dritte Leitung L3 zu einem zweiten Wärmetauscher 60 und nachfolgend stromabwärts des zweiten Wärmetauschers 60 durch eine vierte Leitung L4 in den Water-Gas-Shift-Reaktor 30 geleitet. In die vierte Leitung L4 kann eine Leitung zur Zuführung von erstem Gas G1 münden. Das im Water-Gas-Shift-Reaktor 30 erzeugte vierte Gas G4 wird durch eine fünfte Leitung L5 in den PrOx-Reaktor 40 geleitet. In die fünfte Leitung L5 kann eine Zuleitung für erstes Gas G1 münden. Der Water-Gas-Shift-Reaktor 30 ist mit einem dritten Wärmetauscher 31 wärmeübertragend verbunden.
  • Der PrOx-Reaktor 40 besitzt einen weiteren Einlass zur Eingabe von erstem Gas G1. In der gezeigten Ausgestaltung ist der PrOx-Reaktor 40 mit einem zweiten Verdampfer 41 wärmeübertragend verbunden. Damit kann die im PrOx-Reaktor 40 erzeugte Wärme abgeführt werden. Der zweite Verdampfer 41 umfasst eine Zuleitung zur Eingabe des Brennstoffs B und einen Auslass, der über eine sechste Leitung L6 in die erste Leitung L1 mündet. Der erste Verdampfer 10 und der zweite Verdampfer 41 können alternativ oder zusätzlich als Überhitzer ausgeführt sein.
  • Im PrOx-Reaktor 40 erzeugtes Abgas, das fünfte Gas G5, wird über eine siebte Leitung L7 zu einem Dreiwegeventil 80 geführt. Von dem Dreiwegeventil 80 zweigen drei Leitungen ab: eine achte Leitung L8 führt vom Dreiwegeventil 80 zu einer Zuleitung des Startbrenners 50, welche als zwölfte Leitung mit dem Bezugszeichen L12 gekennzeichnet ist, eine neunte Leitung L9 mündet in eine Zuleitung des Nachbrenners 21, welche die dreizehnte Leitung L13 ist, und eine zehnte Leitung L10 führt vom Dreiwegeventil 80 zur Brennstoffzelle 70. Abgas der Brennstoffzelle 70 wird über eine elfte Leitung L11 zur dreizehnten Leitung L13 geführt. Dabei können die neunte Leitung L9 und die elfte Leitung L11 ineinander münden, so dass nur eine der beiden Leitungen L9, L11 in die dreizehnte Leitung L13 mündet.
  • Mit der zwölften Leitung L12 wird entweder fünftes Gas G5 oder erstes Gas G1 in den Startbrenner 50 eingeleitet und in diesem verbrannt bzw. erwärmt. Abgas des Startbrenners 50 und/oder die im Startbrenner 50 erwärmte Luft wird über die dreizehnte Leitung L13 dem Nachbrenner 21 zugeführt. Das Abgas des Nachbrenners 21 wird über eine vierzehnte Leitung L14 ggf. unter Zugabe weiteren Brennstoffs B in den ersten Wärmetauscher 11 geleitet und verlässt den Wärmetauscher 11 als siebtes Gas G7.
  • Der erste Wärmetauscher 11 besitzt eine Einrichtung zur katalytischen Verbrennung des Brennstoffs B. Die Einrichtung zur katalytischen Verbrennung im ersten Wärmetauscher 11 ist als katalytische Beschichtung von im ersten Wärmetauscher 11 angeordneten Platten ausgebildet.
  • Der Startbrenner 50 umfasst eine Heizanordnung, welcher elektrisch beheizt werden kann, und eine Einrichtung zum katalytischen Verbrennen eines Brennstoffs B. Der Startbrenner 50 umfasst vorzugsweise eine in 3 nicht gezeigte Düse zum Verdüsen oder Verdampfen des Brennstoffs B, so dass die Verbrennung mit einer höheren Effizienz erfolgen kann. Alternativ kann der Startbrenner 50 einen weiteren Verdampfer zum Verdampfen von Brennstoff umfassen. Stromaufwärts der zwölften Leitung L12 kann erstes Gas G1 im Gegenstrom durch den zweiten Wärmetauscher 60 geleitet werden, so dass bereits erwärmtes erstes Gas G1 in den Startbrenner 50 geleitet werden kann.
  • 4 zeigt die für eine erste Startphase benötigten Fuel-Prozessor-Komponenten der Brennstoffzellenanordnung 1 und die dazugehörige Gasleitung in einem Blockfließdiagramm. In einer ersten Startphase zur Aufheizung der Fuel-Prozessor-Komponenten wird ausschließlich erstes Gas G1 durch die Fuel-Prozessor-Komponenten geleitet. Das erste Gas G1 wird durch den ersten Verdampfer 10 oder zweckmäßigerweise durch den mit dem ersten Verdampfer 10 wärmeverbundenen vierten Wärmetauscher 12 eingeleitet. Das erste Gas G1 durchläuft nacheinander den Reformer 20, den optional vorhandenen zweiten Wärmetauscher 60, den Water-Gas-Shift-Reaktor 30 sowie den PrOx-Reaktor 40 und wird vom PrOx-Reaktor 40 in den Startbrenner 50 geleitet. Der Startbrenner 50 weist eine Heizanordnung auf und erwärmt damit das erste Gas G1. Das im Startbrenner 50 erwärmte erste Gas G1 durchströmt den Nachbrenner 21 und den ersten Wärmetauscher 11. Der erste Wärmetauscher 11 überträgt die Wärme auf den ersten Verdampfer 10 sowie den ggf. vorhandenen vierten Wärmetauscher 12. Der Nachbrenner 21 erwärmt den Reformer 20.
  • Wenn ein zweiter Wärmetauscher 60 vorhanden ist, kann in den zweiten Wärmetauscher 60 stromaufwärts der zwölften Leitung 12 weiteres erstes Gas G1 eingeleitet werden. Die Komponenten des Fuel-Prozessors 2 werden durch diesen Verfahrensschritt auf eine erste Temperatur T1 gebracht.
  • Die zweite Startphase ist im Blockdiagramm in 5 dargestellt. Der Startbrenner 50 wird durch katalytisches Verbrennen eines Brennstoffs B auf eine zweite Temperatur T2 erhitzt. Erstes Gas G1 durchläuft den ersten Verdampfer 10 bzw. den vierten Wärmetauscher 12. Die darin erwärmte Luft durchströmt nacheinander den Reformer 20, optional den zweiten Wärmetauscher 60, den Water-Gas-Shift-Reaktor 30 sowie den PrOx-Reaktor 40 und wird stromaufwärts des Startbrenners 50 in die zwölfte Leitung L12 eingeleitet. Im Startbrenner 50 wird nun verdüster oder verdampfter Brennstoff B katalytisch verbrannt. Optional kann zusätzlich die Heizanordnung elektrisch beheizt werden. Abgas des Startbrenners 50 wird über die dreizehnte Leitung L13 zum Nachbrenner 21 geleitet. Optional kann in die dreizehnte Leitung L13 weiterer Brennstoff B eingegeben werden. Das Abgas des Startbrenners 50 sowie ggf. eingegebener Brennstoff B werden im Nachbrenner 21 verbrannt. Wenn, wie in 5 dargestellt, der Nachbrenner 21 wärmeübertragend mit dem Reformer 20 verbunden ist, kann die Abwärme des Nachbrenners 21 zur weiteren Beheizung des Reformers 20 genutzt werden. Abgas des Nachbrenners 21 wird über die vierzehnte Leitung L14 zum ersten Wärmetauscher 11 geleitet. Bei einem ersten Wärmetauscher 11 mit einer Einrichtung zur katalytischen Verbrennung kann in die vierzehnte Leitung L14 zusätzlich Brennstoff B eingeleitet werden, so dass im ersten Wärmetauscher 11 eine weitere katalytische Verbrennung des Brennstoffs B durchgeführt wird. Das den ersten Wärmetauscher verlassene Gas ist das siebte Gas G7. Die dabei erzeugte Abwärme wird auch zur Beheizung des ersten Verdampfers 10 und ggf. des vierten Wärmetauschers 12 genutzt.
  • 6 zeigt ein Blockdiagramm des sogenannten Teillastreformierens, welches auf die zweite Startphase folgt, währenddessen die Brennstoffzelle noch nicht zugeschaltet ist. In diesem Verfahrensschritt wird zusätzlich in den ersten Verdampfer 10 der Brennstoff B eingeleitet. Weiterhin kann auch in den zweiten Verdampfer 41 Brennstoff B eingeleitet werden. In diesem Verfahrensschritt werden in den einzelnen Komponenten des Fuel-Prozessors 2, nämlich Reformer 20, Water-Gas-Shift-Reaktor 30 und PrOx-Reaktor 40, die vorgesehenen Reaktionen durchgeführt. Abgas des PrOx-Reaktors 40, das fünfte Gas G5, wird in diesem Prozessabschnitt stromabwärts des Startbrenners 50 und stromaufwärts des Nachbrenners 21 in die dreizehnte Leitung L13 eingeführt. Der Startbrenner 50 sowie ggf. der vorgeschaltete zweite Wärmetauscher 60 dienen in diesem Prozessschritt der Zuführung des erwärmten ersten Gases G1. Der Startbrenner 50 kann ggf. durch elektrisches Heizen der Heizanordnung das erste Gas G1 weiter erwärmen.
  • Zur Durchführung der Reaktion im PrOx-Reaktor 40 wird entweder durch Zuführen des ersten Gases G1 in die fünfte Leitung L5 oder durch Zuführen des ersten Gases G1 durch einen weiteren Einlass in den PrOx-Reaktor 40 eingeführt.
  • Zum Beenden des Startverfahrens bzw. zum vollständigen Betrieb der Brennstoffzellenanordnung 1 wird die Brennstoffzelle 70 mit dem Fuel-Prozessor 2 gekoppelt. D. h., dass das Abgas des PrOx-Reaktors 40 in die Brennstoffzelle 70 eingeleitet wird. Dies ist in 7 dargestellt. Das Abgas der Brennstoffzelle 70, insbesondere ein Anodenabgas der Brennstoffzelle 70, wird stromabwärts des Startbrenners 50 und stromaufwärts des Nachbrenners 21 wieder in den Fuel-Prozessor 2 zurückgeführt. Die weiteren Reaktionen im Fuel-Prozessor 2 laufen weiterhin im Reformer 20, Water-Gas-Shift-Reaktor 30 und dem PrOx-Reaktor 40 ab. Das Brennstoffzellenabgas wird ggf. unter Zugabe des Brennstoffs B im Nachbrenner 21 nachverbrannt bzw. im ersten Wärmetauscher 11 unter Zugabe weiteren Brennstoffs B katalytisch verbrannt. Aus dem Wärmetauscher 11 wird das siebte Gas G7 abgeführt. Der Startbrenner 50 wird auch in diesem Verfahrensschritt noch von ggf. vorgewärmtem erstem Gas G1 durchströmt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennstoffzellenanordnung
    2
    Fuel-Prozessor
    10
    erster Verdampfer
    11
    erster Wärmetauscher
    12
    vierter Wärmetauscher
    20
    Reformer
    21
    Nachbrenner
    30
    Water-Gas-Shift-Reaktor
    31
    dritter Wärmetauscher
    40
    PrOx-Reaktor
    41
    zweiter Verdampfer
    50
    Startbrenner
    60
    zweiter Wärmetauscher
    70
    Brennstoffzelle
    80
    Dreiwegeventil
    B
    Brennstoff
    G1
    erstes Gas
    G2
    zweites Gas
    G3
    drittes Gas
    G4
    viertes Gas
    G5
    fünftes Gas
    G6
    sechstes Gas
    G7
    siebtes Gas
    L1
    erste Leitung
    L2
    zweite Leitung
    L3
    dritte Leitung
    L4
    vierte Leitung
    L5
    fünfte Leitung
    L6
    sechste Leitung
    L7
    siebte Leitung
    L8
    achte Leitung
    L9
    neunte Leitung
    L10
    zehnte Leitung
    L11
    elfte Leitung
    L12
    zwölfte Leitung
    L13
    dreizehnte Leitung
    L14
    vierzehnte Leitung
    T1
    erste Temperatur
    T2
    zweite Temperatur

Claims (17)

  1. Verfahren zum Starten einer Brennstoffzellenanordnung (1), umfassend einen Fuel-Prozessor (2) und eine Brennstoffzelle (70), wobei der Fuel-Prozessor (2) die folgenden Komponenten umfasst: einen ersten Verdampfer (10), einen stromabwärts des ersten Verdampfers (10) angeordneten Reformer (20), einen Water-Gas-Shift-Reaktor (30), einen PrOx-Reaktor (40), einen ersten Wärmetauscher (11), einen Nachbrenner (21) und einen Startbrenner (50), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) elektrisches Heizen einer Heizanordnung des Fuel-Prozessors (2) zur Erwärmung eines ersten Gases (G1), b) Aufheizen der Komponenten des Fuel-Prozessors (2) auf eine festgelegte Betriebstemperatur durch Zirkulieren des erwärmten ersten Gases (G1) durch zumindest den ersten Wärmetauscher (11) und den Nachbrenner (21), c) katalytisches Verbrennen eines verdüsten oder verdampften Brennstoffs (B) im Startbrenner (50) und anschließendes Nachverbrennen im Nachbrenner (21) von Wasserstoff zum weiteren Erwärmen des ersten Gases (G1) über zumindest einen Wärmetauscher, d) Einleiten des Brennstoffs (B) in die vorgewärmten Komponenten des Fuel-Prozessors (2) und Stoppen der katalytischen Verbrennung im Startbrenner (50), e) Anfahren wenigstens einer Reaktion in den Komponenten des Fuel-Prozessors (2), bis ein Ausgangsgas eines PrOx-Reaktors (40) einen vorgegebenen CO-Gehalt aufweist, und f) Zuschalten der Brennstoffzelle (70).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt c) umfasst: Eingeben eines Brennstoffs (B) stromabwärts des Startbrenners (50) und Nachverbrennen des Wasserstoffs und des eingegebenen Brennstoffs (B) in einem Nachbrenner (21).
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schritt c) umfasst: Verwenden eines eine katalytische Beschichtung aufweisenden ersten Wärmetauschers (11) und Eingeben eines Brennstoffs (B) stromabwärts des Nachbrenners (21) und katalytisches Verbrennen des Brennstoffs (B) in dem katalytisch beschichteten ersten Wärmetauscher (11).
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Brennstoff (B) ein Propylenglykol-Wasser-Gemisch verwendet wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als erstes Gas (G1) Luft verwendet wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Fuel-Prozessor (2) einen zweiten Wärmetauscher (60) umfasst, der das erste Gas (G1) stromaufwärts des Startbrenners (50) erwärmt und erstes Gas (G1) oder ein drittes Gas (G3) stromaufwärts des Reformers (20) und stromaufwärts des Water-Gas-Shift-Reaktors (30) abkühlt.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Startbrenner (50) wahlweise eine Heizanordnung elektrisch beheizt und/oder ein Brennstoff (B) katalytisch verbrannt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Startbrenner (50) während des Betriebs der Brennstoffzelle (70) zugeschaltet wird.
  9. Brennstoffzellenanordnung (1) mit einem Fuel-Prozessor (2) und einer Brennstoffzelle (70), wobei der Fuel-Prozessor (2) umfasst: einen ersten Verdampfer (10), einen stromabwärts des ersten Verdampfers (10) angeordneten Reformer (20), einen Water-Gas-Shift-Reaktor (30), einen PrOx-Reaktor (40) und einen ersten Wärmetauscher (11), dadurch gekennzeichnet, dass der Fuel-Prozessor (2) einen Startbrenner (50) und einen Nachbrenner (21) und eine elektrisch heizbare Heizanordnung des Fuel-Prozessors (2) zur Erwärmung eines ersten Gases (G1) umfasst, wobei die Komponenten des Fuel-Prozessors (2) auf eine festgelegte Betriebstemperatur durch Zirkulieren des erwärmten ersten Gases (G1) durch zumindest den ersten Wärmetauscher (11) und den Nachbrenner (21) aufheizbar sind, wobei ein verdüster oder verdampfter Brennstoff (B) im Startbrenner (50) katalytisch verbrennbar ist und Wasserstoff anschließend im Nachbrenner (21) nachverbrennbar ist zum weiteren Erwärmen des ersten Gases (G1) über zumindest einen Wärmetauscher, wobei der Brennstoff (B) in die vorgewärmten Komponenten des Fuel-Prozessors (2) einleitbar ist und die katalytische Verbrennung im Startbrenner (50) stoppbar ist, wobei wenigstens eine Reaktion in den Komponenten des Fuel-Prozessors (2) anfahrbar ist, bis ein Ausgangsgas des PrOx-Reaktors (40) einen vorgegebenen CO-Gehalt aufweist, und wobei die Brennstoffzelle (70) zuschaltbar ist.
  10. Brennstoffzellenanordnung (1) nach Anspruch 9, wobei der Startbrenner (50) eine Einrichtung zum elektrischen Heizen eines ersten Gases (G1) und eine Einrichtung zum katalytischen Verbrennen eines Brennstoffs (B) umfasst.
  11. Brennstoffzellenanordnung (1) nach Anspruch 9 oder 10, wobei der erste Wärmetauscher (11) eine Einrichtung zum katalytischen Verbrennen eines Brennstoffs (B) umfasst.
  12. Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der Nachbrenner (21) mit dem Reformer (20) wärmeübertragend verbunden ist.
  13. Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei der PrOx-Reaktor (40) mit einem zweiten Verdampfer (41) wärmeübertragend verbunden und der zweite Verdampfer (41) zum Verdampfen des Brennstoffs (B) ausgelegt ist, wobei der verdampfte Brennstoff (B) stromaufwärts des Reformers (20) einleitbar ist.
  14. Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei ein zweiter Wärmetauscher (60) stromaufwärts des Startbrenners (50) angeordnet und der zweite Wärmetauscher (60) ein Gegenstromwärmetauscher ist, welcher zum Kühlen eines Gases stromabwärts des Reformers (20) und stromaufwärts des Water-Gas-Shift-Reaktors (30) ausgebildet ist.
  15. Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei der Water-Gas-Shift-Reaktor (30) mit einem dritten Wärmetauscher (31) verbunden ist, der zum Vorheizen des ersten Gases (G1) ausgebildet ist, wobei eine Zuführleitung des erwärmten ersten Gases (G1) zwischen Startbrenner (50) und Nachbrenner (21) angeordnet ist.
  16. Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei stromabwärts des PrOx-Reaktors (40) ein Dreiwegeventil (80) angeordnet ist, durch welches ein Abgas des PrOx-Reaktors (40) wahlweise stromaufwärts des Startbrenners (50), stromabwärts des Startbrenners (50) durch einen Bypass der Brennstoffzelle (70) oder stromabwärts des Startbrenners (50) durch die Brennstoffzelle (70) geleitet werden kann.
  17. Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 16, wobei der Startbrenner (50) inline zwischen dem zweiten Wärmetauscher (60) und dem Nachbrenner (21) angeordnet ist.
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