AT525203B1

AT525203B1 - Fuel cell system with a recombination device

Info

Publication number: AT525203B1
Application number: ATA50558/2021A
Authority: AT
Inventors: Neubauer Dr Techn Raphael; Reichholf Dipl Ing David
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2021-07-06
Filing date: 2021-07-06
Publication date: 2023-03-15
Also published as: WO2023279128A1; DE112022002080A5; AT525203A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (100), aufweisend einen Brennstoffzellenstapel (110) mit einem Anodenabschnitt (120) und einem Kathodenabschnitt (130), wobei der Anodenabschnitt (120) einen Anodenzuführabschnitt (122) zum Zuführen von Anodenzuführgas (AZG) und einen Anodenabführabschnitt (124) zum Abführen von Anodenabgas (AAG) aufweist und der Kathodenabschnitt (130) einen Kathodenzuführabschnitt (132) zum Zuführen von Kathodenzuführgas (KZG) und einen Kathodenabführabschnitt (134) zum Abführen von Kathodenabgas (KAG) aufweist, wobei weiter der Brennstoffzellenstapel (110) und zumindest abschnittsweise der Anodenzuführabschnitt (122), der Anodenabführabschnitt (124), der Kathodenzuführabschnitt (132) und der Kathodenabführabschnitt (134) innerhalb eines thermisch isolierten Isoliergehäuses (140) angeordnet ist und innerhalb des Isoliergehäuses (140) wenigstens eine katalytische Rekombinationsvorrichtung (10) angeordnet ist mit einem Katalysatorkörper (20) mit einer Katalysatoroberfläche (22) für eine katalytische Rekombination von wenigstens einem Brenngas (BG) des Brennstoffzellenstapels mit einem Oxidationsgas (OG), wobei die wenigstens eine Rekombinationsvorrichtung (10) in einem Gassammelabschnitt (142) des Isoliergehäuses (140) angeordnet ist, in welchem sich bei einem Betrieb des Brennstoffzellenstapels (110) das wenigstens eine Brenngas (BG) sammelt und die Rekombinationsvorrichtung (10) bezogen auf eine Schwerkraftrichtung (SR) des Brennstoffzellensystems (100) eine vertikal oder im Wesentlichen vertikal ausgerichtete Durchströmungsrichtung (DR) für eine Durchströmung mit Brenngas (BG) und Oxidationsgas (OG) aufweist.The present invention relates to a fuel cell system (100), comprising a fuel cell stack (110) with an anode section (120) and a cathode section (130), the anode section (120) having an anode feed section (122) for supplying anode feed gas (AZG) and an anode discharge section (124) for discharging anode off-gas (AAG) and the cathode section (130) has a cathode feed section (132) for supplying cathode feed gas (KZG) and a cathode discharge section (134) for discharging cathode off-gas (KAG), the fuel cell stack (110 ) and at least in sections the anode feed section (122), the anode discharge section (124), the cathode feed section (132) and the cathode discharge section (134) are arranged within a thermally insulated insulating housing (140) and within the insulating housing (140) at least one catalytic recombination device (10 ) is arranged with a catalyst body (20) with a catalyst surface (22) for a catalytic recombination of at least one fuel gas (BG) of the fuel cell stack with an oxidizing gas (OG), wherein the at least one recombination device (10) is arranged in a gas collecting section (142) of the insulating housing (140), in which during operation of the fuel cell stack (110), the at least one combustible gas (BG) collects and the recombination device (10) has a vertically or substantially vertically oriented throughflow direction (DR) for throughflow with respect to a direction of gravity (SR) of the fuel cell system (100). Fuel gas (BG) and oxidizing gas (OG) has.

Description

BRENNSTOFFZELLENSYSTEM MIT EINER REKOMBINATIONSVORRICHTUNG FUEL CELL SYSTEM WITH A RECOMBINATION DEVICE

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Rekombinationsvorrichtung zum Schutz gegen eine explosive Atmosphäre in einem Isoliergehäuse. The present invention relates to a fuel cell system with a recombination device for protection against an explosive atmosphere in an insulating housing.

[0002] Es ist bekannt, dass Brennstoffzellensysteme in unterschiedlichen Konstruktionsweisen zur Produktion eines Brenngases oder zur Produktion von elektrischem Strom eingesetzt werden. Für die Produktion von elektrischem Strom wird ein Brenngas dem Brennstoffzellensystem zugeführt, während unter Verbrauch von elektrischem Strom Brenngas produziert wird. In beiden Fällen handelt es sich um ein entzündliches Brenngas, wie beispielsweise Wasserstoff oder Methan. Auch ist es bekannt, dass eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle als eine Konstruktionsweise für das Brennstoffzellensystem zum Einsatz kommen kann. Um einen möglichst effizienten Betrieb solcher Hochtemperatur-Brennstoffzellen gewährleisten zu können, sind üblicherweise thermisch isolierte Isoliergehäuse vorgesehen, welche auch als Hotbox bezeichnet werden, innerhalb welcher der Brennstoffzellenstapel angeordnet ist. It is known that fuel cell systems are used in different constructions for the production of a fuel gas or for the production of electricity. A fuel gas is supplied to the fuel cell system for the production of electric power, while fuel gas is produced while consuming electric power. In both cases it is a flammable combustible gas such as hydrogen or methane. Also, it is known that a high-temperature fuel cell can be used as a construction of the fuel cell system. In order to be able to ensure the most efficient possible operation of such high-temperature fuel cells, thermally insulated insulating housings are usually provided, which are also referred to as hotboxes, within which the fuel cell stack is arranged.

[0003] Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass bei Hochtemperatur-Brennstoffzellen eine Leckage innerhalb der Hotbox nicht vollständig ausgeschlossen werden kann. Insbesondere durch hohe Temperaturschwankungen zwischen normaler Umgebungstemperatur und Betriebstemperaturen von 400 C° bis 900 C° kann es über thermische Ausdehnung oder Verschleiß zu geringen Leckagen der Leitungen und/oder der anderen Bauteile innerhalb der Hotbox kommen. Dies könnte im Extremfall dazu führen, dass über eine solche Leckage innerhalb des Gehäuses Brenngas austritt und sich ansammelt. Da darüber hinaus bei einer HochtemperaturBrennstoffzelle eine entsprechend hohe Innentemperatur in diesem Isoliergehäuse herrscht, besteht die Gefahr einer Entzündung dieses Brenngases innerhalb des Isoliergehäuses ab einer definierten Zündkonzentration. Um dies zu vermeiden, ist entweder eine sehr hohe Genauigkeit und Vermeidung bei der Montage und damit einhergehende Vermeidung von Leckagen notwendig. Auch ist es bekannt, dass die Gasführung des Brennstoffzellensystems im Unterdruck durchgeführt wird, sodass im Falle einer Leckage kein Gas in die Hotbox austritt, sondern vielmehr Gas aus dem Innenraum der Hotbox in die mit Unterdruck betriebene Leitung angesaugt wird. Dies reduziert die Variationsbreite des Betriebes des Brennstoffzellensystems. A disadvantage of the known solutions is that in the case of high-temperature fuel cells, leakage within the hotbox cannot be completely ruled out. In particular, high temperature fluctuations between normal ambient temperature and operating temperatures of 400 C° to 900 C° can lead to small leaks in the lines and/or other components within the hotbox due to thermal expansion or wear. In extreme cases, this could lead to combustion gas escaping and accumulating via such a leak inside the housing. Since, in addition, there is a correspondingly high internal temperature in this insulating housing in the case of a high-temperature fuel cell, there is a risk of this combustion gas igniting within the insulating housing above a defined ignition concentration. In order to avoid this, either a very high degree of accuracy and avoidance during assembly and the associated avoidance of leaks is necessary. It is also known that the gas flow of the fuel cell system is carried out under negative pressure, so that in the event of a leak no gas escapes into the hotbox, but rather gas is sucked from the interior of the hotbox into the line operated with negative pressure. This reduces the range of variation in the operation of the fuel cell system.

[0004] Auch ist es bekannt, solche Isoliergehäuse mit einem aufwendigen aktiven Gasaustausch zu versehen, um regelmäßig eine Durchlüftung des Innenraums des Isoliergehäuses zur Verfügung zu stellen. It is also known to provide such an insulating housing with a complex active gas exchange in order to regularly provide ventilation of the interior of the insulating housing.

[0005] Weitere Brennstoffzellensysteme mit einer Rekombinationsvorrichtung sind beispielsweise aus der WO 2017154137 A1 und der DE 10150385 A1 bekannt. [0005] Further fuel cell systems with a recombination device are known, for example, from WO 2017154137 A1 and DE 10150385 A1.

[0006] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise einen Explosionsschutz für eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle zur Verfügung zu stellen. It is an object of the present invention to at least partially eliminate the disadvantages described above. In particular, it is the object of the present invention to provide explosion protection for a high-temperature fuel cell in a cost-effective and simple manner.

[0007] Die voranstehende Aufgabe wird gelöst, durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Rekombinationsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Rekombinationsvorrichtung und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann. The above object is achieved by a fuel cell system having the features of claim 1 and a recombination device having the features of claim 10. Further features and details of the invention result from the dependent claims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the fuel cell system according to the invention naturally also apply in connection with the recombination device according to the invention and vice versa, so that the disclosure of the individual aspects of the invention is or can always be referred to alternately.

[0008] Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem weist einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt auf. Der Anodenabschnitt ist mit einem Anodenzuführabschnitt zum Zuführen von Anodenzuführgas und mit einem Anodenabführabschnitt A fuel cell system according to the invention has a fuel cell stack with an anode section and a cathode section. The anode section is provided with an anode supply section for supplying anode supply gas and with an anode discharge section

zum Abführen von Anodenabgas ausgestattet. Der Kathodenabschnitt ist mit einem Kathodenzuführabschnitt zum Zuführen von Kathodenzuführgas und mit einem Kathodenabführabschnitt zum Abführen von Kathodenabgas ausgestattet. Darüber hinaus ist der Brennstoffzellenstapel und zumindest abschnittsweise auch der Anodenzuführabschnitt, der Anodenabführabschnitt, der Kathodenzuführabschnitt und der Kathodenabführabschnitt innerhalb eines thermisch isolierten Isoliergehäuses angeordnet. Innerhalb dieses Isoliergehäuses ist bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem darüber hinaus wenigstens eine katalytische Rekombinationsvorrichtung angeordnet. Diese Rekombinationsvorrichtung weist einen Katalysatorkörper mit einer Katalysatoroberfläche auf, für eine katalytische Kombination von wenigstens einem Brenngas des Brennstoffzellenstapels mit einem Oxidationsgas. equipped for discharging anode waste gas. The cathode section is equipped with a cathode supply section for supplying cathode supply gas and a cathode exhaust section for discharging cathode off-gas. In addition, the fuel cell stack and at least sections of the anode feed section, the anode discharge section, the cathode feed section and the cathode discharge section are arranged within a thermally insulated insulating housing. In addition, at least one catalytic recombination device is arranged within this insulating housing in a fuel cell system according to the invention. This recombination device has a catalyst body with a catalyst surface for a catalytic combination of at least one fuel gas of the fuel cell stack with an oxidation gas.

[0009] Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem basiert auf bekannten Konstruktionsweisen von Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem kann demnach auch als Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem bezeichnet werden. Dieses Brennstoffzellensystem ist mit seinen wesentlichen Funktionsbauteilen innerhalb des thermisch isolierten Isoliergehäuses angeordnet. Dieses Isoliergehäuse wird häufig auch als Hotbox bezeichnet und dient dazu, die Effizienz im Betrieb des Brennstoffzellensystems zu steigern. Temperaturen innerhalb dieses thermisch isolierten Isoliergehäuses liegen im stationären Betrieb des Brennstoffzellensystems beispielsweise im Bereich zwischen circa 400 °C und bis zu 900 °C. A fuel cell system according to the invention is based on known construction methods of high-temperature fuel cells. A fuel cell system according to the invention can therefore also be referred to as a high-temperature fuel cell system. This fuel cell system is arranged with its essential functional components within the thermally insulated insulating housing. This insulating housing is also often referred to as a hot box and is used to increase the efficiency of the fuel cell system's operation. During stationary operation of the fuel cell system, temperatures within this thermally insulated insulating housing are in the range between approximately 400° C. and up to 900° C., for example.

[0010] Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist es nun, einen Explosionsschutz beziehungsweise einen Schutz gegen Zündung eines Brenngases innerhalb des Isoliergehäuses zu gewährleisten. Ein Brenngas ist dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung jegliches Gas, welches unter Einwirkung einer hohen Temperatur und/oder eines Zündfunkens ab einer Zündkonzentration zünden würde und zu einer Verbrennungsreaktion und/oder einer Explosion führen könnte. Ein Oxidationsgas ist ein Gas, welches das Brenngas chemisch oxidiert und auf diese Weise die Konzentration an Brenngas wieder reduziert, insbesondere unter die Zündkonzentration reduziert. The core idea of the present invention is now to ensure explosion protection or protection against ignition of a combustible gas within the insulating housing. In the context of the present invention, a combustible gas is any gas which would ignite under the influence of a high temperature and/or an ignition spark from an ignition concentration and could lead to a combustion reaction and/or an explosion. An oxidizing gas is a gas that chemically oxidizes the fuel gas and in this way reduces the concentration of fuel gas again, in particular reduces it below the ignition concentration.

[0011] Der erfindungsgemäße Kerngedanke beruht nun darauf, dass Leckagen in den einzelnen Zuführabschnitten und Abführabschnitten des Anodenabschnitts und des Kathodenabschnitts in Kauf genommen werden können, da das Brenngas katalytisch umgesetzt werden kann, wenn es durch eine solche Leckage austritt. Dabei ist noch darauf hinzuweisen, dass das Brenngas in einem der Zuführabschnitte und/oder in einem der Abführabschnitte enthalten sein kann. Erzeugt beispielsweise das Brennstoffzellensystem im Elektrolysebetrieb unter Stromverbrauch das Brenngas, so kann dieses Brenngas in einem der Abführabschnitte enthalten sein und über entsprechende Leckagen in diesem Abführabschnitt in den Innenraum des Isoliergehäuses austreten. Wird das Brennstoffzellensystem im Stromerzeugungsbetrieb betrieben, so kann das Brenngas beispielsweise im Anodenzuführabschnitt enthalten sein, aber auch eine Restmenge eines solchen Brenngases in einem der Abführabschnitte. The core idea of the invention is now based on the fact that leaks in the individual feed sections and discharge sections of the anode section and the cathode section can be accepted, since the fuel gas can be catalytically converted when it exits through such a leak. It should also be pointed out that the fuel gas can be contained in one of the feed sections and/or in one of the discharge sections. For example, if the fuel cell system generates the fuel gas in electrolysis mode while consuming electricity, this fuel gas can be contained in one of the discharge sections and can escape into the interior of the insulating housing via corresponding leaks in this discharge section. If the fuel cell system is operated in power generation mode, the fuel gas can be contained in the anode feed section, for example, but also a residual amount of such a fuel gas in one of the discharge sections.

[0012] Auch in diesem Fall kann über eine Leckage in dem Zuführabschnitt oder den entsprechenden Abführabschnitten das Brenngas in den Innenraum des Isoliergehäuses gelangen. In this case, too, the fuel gas can get into the interior of the insulating housing via a leak in the feed section or the corresponding discharge sections.

[0013] Durch die Anordnung der katalytischen Rekombinationsvorrichtung wird es nun möglich, dass das Brenngas in katalysierter Weise mit dem Oxidationsgas reagiert und auf diese Weise in ein Reaktionsprodukt umgesetzt wird, welches nicht mehr brennbar ist. So kann beispielsweise Wasserstoff als Brenngas mit Sauerstoff als Oxidationsgas an dem Katalysatorkörper in Wasserdampf umgesetzt werden. In ähnlicher Weise ist auch eine Umsetzung von Methangas mit entsprechendem Sauerstoff innerhalb des Isoliergehäuses in Kohlendioxid und ebenfalls Wasserdampf möglich. Hier ist gut zu erkennen, wie durch die katalytische Rekombination mit dem Oxidationsgas das Brenngas sozusagen verbraucht wird und auf diese Weise die Konzentration an Brenngas innerhalb des Isoliergehäuses abgesenkt wird. Damit kann sichergestellt werden, dass durch die katalytische Rekombination bei einem Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem die Konzentration an Brenngas trotz der Zündgefahr durch die hohe Innentemperatur im Isoliergehäuse niemals die Zündkonzentration übersteigt. The arrangement of the catalytic recombination device, it is now possible that the fuel gas reacts in a catalyzed manner with the oxidizing gas and is converted in this way into a reaction product which is no longer combustible. For example, hydrogen as fuel gas can be converted into water vapor with oxygen as oxidation gas on the catalyst body. In a similar way, it is also possible to convert methane gas with the corresponding oxygen within the insulating housing into carbon dioxide and also water vapor. Here it is easy to see how the combustible gas is, so to speak, consumed by the catalytic recombination with the oxidizing gas and in this way the concentration of combustible gas within the insulating housing is reduced. It can thus be ensured that the concentration of fuel gas never exceeds the ignition concentration due to the catalytic recombination in a high-temperature fuel cell system, despite the risk of ignition due to the high internal temperature in the insulating housing.

[0014] Neben dem Explosionsschutz ist auf diese Weise eine sehr kostengünstige und einfache In addition to the explosion protection is in this way a very inexpensive and simple

Umsetzung möglich. Sogar eine Nachrüstung bestehender Brennstoffzellensysteme mit einer erfindungsgemäßen und später noch erläuterten Rekombinationsvorrichtung ist grundsätzlich denkbar. Auch ist noch darauf hinzuweisen, dass es sich hier insbesondere um eine passive oder im Wesentlichen passive Schutzmöglichkeit handelt. Im Vergleich zu aktiven Belüftungsvorrichtungen, wie sie im Stand der Technik bekannt sind, ist hier also eine erhöhte Ausfallsicherheit gegeben. Da die katalytische Rekombination im Wesentlichen automatisch durch chemische Triebkräfte stattfindet, ist diese Sicherungsfunktion auch kontrollfrei und damit durch chemischen Antrieb automatisch gewährleistet. implementation possible. Even a retrofitting of existing fuel cell systems with a recombination device according to the invention and explained later is fundamentally conceivable. It should also be pointed out that this is in particular a passive or essentially passive protection option. In comparison to active ventilation devices, as are known in the prior art, there is increased reliability here. Since the catalytic recombination essentially takes place automatically through chemical driving forces, this safety function is also control-free and thus automatically guaranteed by chemical driving forces.

[0015] Der Katalysatorkörper weist für diese katalytische Wirkung ein Katalysatormaterial auf. Dieses kann beispielsweise als Katalysatormaterial auf der Oberfläche des Katalysators die Katalysatoroberfläche ausbilden. Selbstverständlich kann der Katalysatorkörper auch vollständig 0der im Wesentlichen vollständig aus einem solchen Katalysatormaterial ausgebildet sein. Um, wie dies später noch erläutert wird, die Katalysatoroberfläche und damit die katalytische Wirkung noch weiter zu steigern, kann der Katalysatorkörper zum Beispiel eine Wabenstruktur, eine Rippenstruktur oder eine porenförmige Ausgestaltung aufweisen, welche entsprechend mit Katalysatormaterial als Katalysatoroberfläche beschichtet ist. So sind beispielsweise keramische Bauteile oder Sintermaterialien als Katalysatorkörper denkbar, um eine optimierte und entsprechend vergrößerte Katalysatoroberfläche zur Verfügung zu stellen. The catalyst body has a catalyst material for this catalytic effect. This can form the catalyst surface, for example as catalyst material on the surface of the catalyst. Of course, the catalyst body can also be formed entirely or essentially entirely from such a catalyst material. In order, as will be explained later, to further increase the catalyst surface area and thus the catalytic effect, the catalyst body can have a honeycomb structure, a ribbed structure or a pore-shaped configuration, for example, which is correspondingly coated with catalyst material as the catalyst surface. For example, ceramic components or sintered materials are conceivable as catalyst bodies in order to provide an optimized and correspondingly enlarged catalyst surface.

[0016] Bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist weiter vorgesehen, dass die wenigstens eine Rekombinationsvorrichtung in einem Gassammelabschnitt des Isoliergehäuses angeordnet ist, in welchem sich beim Betrieb des Brennstoffzellenstapels das wenigstens eine Brenngas sammelt. Dabei handelt es sich selbstverständlich um Brenngas, welches durch eine mögliche Leckage in den Zuführabschnitten, den Abführabschnitten oder am Brennstoffzellenstapel selbst in den Innenraum des Isolationsgehäuses gelangt ist. Der Gassammelabschnitt basiert dabei auf den Strömungsverhältnissen innerhalb des Isolationsgehäuses sowie den Dichteunterschieden der Atmosphäre des Isoliergehäuses. Handelt es sich bei dem Brenngas beispielsweise um eine gasförmige Komponente mit geringerer Dichte als die übrige Atmosphäre innerhalb des Isoliergehäuses, so wird der Gassammelabschnitt entsprechend in einem oberen Bereich des Isoliergehäuses angeordnet sein. Insbesondere können auch mehrere Gassammelabschnitte definiert werden, um für unterschiedliche Betriebssituationen und/oder unterschiedliche Temperaturen verschiedene Gassammelabschnitte mit einer oder sogar mehreren Rekombinationsvorrichtungen auszustatten. In a fuel cell system according to the invention it is further provided that the at least one recombination device is arranged in a gas collecting section of the insulating housing, in which the at least one fuel gas collects during operation of the fuel cell stack. This is, of course, fuel gas that has entered the interior of the insulating housing through a possible leak in the feed sections, the discharge sections or on the fuel cell stack itself. The gas collection section is based on the flow conditions within the insulating housing and the differences in density of the atmosphere of the insulating housing. If the fuel gas is, for example, a gaseous component with a lower density than the rest of the atmosphere inside the insulating housing, then the gas collection section will be arranged accordingly in an upper region of the insulating housing. In particular, a plurality of gas collection sections can also be defined in order to equip different gas collection sections with one or even more recombination devices for different operating situations and/or different temperatures.

[0017] Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn eine definierte Menge an frischem Oxidationsgas in das Isoliergehäuse an einer definierten Stelle eingeleitet wird und die Rekombinationsvorrichtung vor einer definierten Auslassstelle positioniert ist. Durch diese Anordnung und in Kombination mit der erzwungenen Konvektion kann sichergestellt werden, dass sämtliches Brenngas aus einer Leckage auch an der Rekombinationsvorichtung umgesetzt wird. Um mögliche Wärmeverluste zu minimieren, kann mit Vorteil auch ein Wärmeaustausch zwischen Aus- und Einlass erfolgen. A further advantage arises when a defined amount of fresh oxidizing gas is introduced into the insulating housing at a defined point and the recombination device is positioned in front of a defined outlet point. This arrangement and in combination with the forced convection can ensure that all fuel gas from a leak is also converted at the recombination device. In order to minimize possible heat losses, heat can also be exchanged between the outlet and the inlet.

[0018] Vorteile sind weiter erzielbar, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der Katalysatorkörper wenigstens abschnittsweise eine Geometrie mit vergrößerter Katalysatoroberfläche aufweist, insbesondere wenigstens einer der folgenden Geometrien: [0018]Advantages can also be achieved if, in a fuel cell system according to the invention, the catalyst body has, at least in sections, a geometry with an enlarged catalyst surface, in particular at least one of the following geometries:

- Rippengeometrie, - Wabengeometrie, - Porengeometrie. - rib geometry, - honeycomb geometry, - pore geometry.

[0019] Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Selbstverständlich können unterschiedliche Geometrien auch miteinander kombiniert sein. Beispielsweise kann ein porenförmiger Katalysatorkörper mehrere Rippenstrukturen aufweisen, um eine weiter verstärkte und vergrößerte Katalysatoroberfläche zur Verfügung stellen zu können. Je nach Materialwahl des Katalysatorkörpers und insbesondere auch der Art des Katalysatormaterials sind hier unterschiedlichste Geometrien denkbar. Je größer die Katalysatoroberfläche ausgebildet wird, umso größer ist auch der katalytische Effekt und die damit zusammenhängenden The above list is a non-exhaustive list. Of course, different geometries can also be combined with one another. For example, a porous catalyst body can have a plurality of rib structures in order to be able to provide a further reinforced and enlarged catalyst surface. Depending on the choice of material for the catalyst body and in particular also the type of catalyst material, the most varied of geometries are conceivable here. The larger the catalyst surface is, the greater the catalytic effect and the associated effects

Umsetzraten. Um die Sicherheit, insbesondere auch in großen Leckagesituationen, weiter zu erhöhen, kann eine vergrößerte Katalysatoroberfläche eine höhere Sicherheit zur Verfügung stellen, sodass die Konzentration an Brenngas unterhalb einer vordefinierten Zündkonzentration bleibt. Selbstverständlich können die Katalysatoroberflächen zumindest teilweise auch an und/oder in eine Wandung des Isoliergehäuses integriert sein. conversion rates. In order to further increase safety, especially in large leakage situations, an enlarged catalytic converter surface can provide greater safety, so that the concentration of fuel gas remains below a predefined ignition concentration. Of course, the catalytic converter surfaces can also be at least partially integrated on and/or in a wall of the insulating housing.

[0020] Bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist weiter die Rekombinationsvorrichtung bezogen auf eine Schwerkraftrichtung des Brennstoffzellensystems eine vertikal oder im Wesentlichen vertikal ausgerichtete Durchströmungsrichtung für eine Durchströmung mit Brenngas und Oxidationsgas aufweist. Diese vertikale Ausrichtung, insbesondere entlang einer Geraden, führt dazu, dass das Brenngas und das Oxidationsgas innerhalb des Katalysatorkörpers miteinander katalytisch reagieren, wobei üblicherweise Wärme freigesetzt wird. Durch die entsprechende freigesetzte Wärme erhitzt sich das Reaktionsgas, sodass ein Kamineffekt innerhalb des Katalysatorkörpers entsteht. Dies ist grundsätzlich unabhängig von der Art und der Ausrichtung der Einlässe und der Auslässe des Katalysatorkörpers, kann aber durch die später noch erläuterten Führungselemente weiter unterstützt werden. Die definierte und insbesondere vertikal ausgerichtete Durchströmungsrichtung führt nicht nur zu einer verbesserten Durchströmung des Katalysatorkörpers, sondern führt darüber hinaus zu einer aktiv erzwungenen Zirkulation im Innenraum des Isoliergehäuses. Neben einer verbesserten Durchströmung und damit einer verstärkten katalytischen Wirkweise, werden sozusagen automatisch Brenngase aus anderen Abschnitten des Isoliergehäuses zur Rekombinationsvorrichtung hin zirkuliert. Die erfindungsgemäße Wirkung der Rekombination steigt weiter, sodass insbesondere eine kleinere Ausgestaltung der Rekombinationsvorrichtung und insbesondere des Katalysatorkörpers für die gleiche Sicherheit im Explosionsschutz ausreichend ist. [0020] In a fuel cell system according to the invention, the recombination device also has a vertically or substantially vertically oriented flow direction for a flow of fuel gas and oxidizing gas in relation to a direction of gravity of the fuel cell system. This vertical orientation, in particular along a straight line, causes the fuel gas and the oxidizing gas to react with one another catalytically within the catalyst body, with heat usually being released. The reaction gas is heated by the heat released, creating a chimney effect within the catalyst body. This is fundamentally independent of the type and orientation of the inlets and outlets of the catalyst body, but can be further supported by the guide elements that will be explained later. The defined and in particular vertically aligned direction of flow not only leads to an improved flow through the catalyst body, but also leads to an actively forced circulation in the interior of the insulating housing. In addition to an improved flow and thus an increased catalytic effect, combustion gases are automatically circulated from other sections of the insulating housing to the recombination device, so to speak. The effect of the recombination according to the invention increases further, so that in particular a smaller configuration of the recombination device and in particular of the catalyst body is sufficient for the same level of safety in terms of explosion protection.

[0021] Vorteile bringt es ebenfalls mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem die Rekombinationsvorrichtung wenigstens abschnittsweise Führungselemente, insbesondere in Form von Führungswandungen aufweist, für eine Führung des Brenngases und des Oxidationsgases entlang der Durchströmungsrichtung. Solche Führungselemente dienen dazu, den Kamineffekt noch weiter zu verstärken, wie er im voranstehenden Absatz erläutert worden ist. So ist beispielsweise auch ein seitlicher Zustrom grundsätzlich denkbar, wobei jedoch bevorzugt die Führungswandungen den Katalysatorkörper so umschließen, dass insbesondere eine einzige definierte Einlassöffnung vom Innenraum des Isoliergehäuses auf den Katalysatorkörper und eine einzige definierte Auslassöffnung vom Katalysatorkörper in den Innenraum des Isoliergehäuses ausgebildet sind. Dies reduziert oder minimiert sogar den seitlichen Zustrom, sodass entsprechend der Kamineffekt gemäß dem voranstehenden Absatz noch weiter verstärkt werden kann. It is also advantageous if, in a fuel cell system according to the invention, the recombination device has at least partially guide elements, in particular in the form of guide walls, for guiding the fuel gas and the oxidizing gas along the flow direction. Such guide elements serve to reinforce the chimney effect even further, as explained in the preceding paragraph. For example, a lateral inflow is also conceivable in principle, but the guide walls preferably enclose the catalyst body in such a way that in particular a single defined inlet opening from the interior of the insulating housing to the catalyst body and a single defined outlet opening from the catalyst body to the interior of the insulating housing are formed. This reduces or even minimizes the lateral inflow, so that the chimney effect can be further enhanced according to the previous paragraph.

[0022] Vorteilhaft ist es weiter, wenn bei der Rekombinationsvorrichtung insbesondere deren Katalysatorkörper entlang der Durchströmungsrichtung einen konstanten oder im Wesentlichen konstanten Strömungsquerschnitt aufweist. Dieser Strömungsquerschnitt ist insbesondere regelmäBig, vorzugsweise rotationssymmetrisch, beispielsweise rund, ausgebildet. So kann beispielsweise eine zylindrische Ausgestaltung der Rekombinationsvorrichtung zylinderförmige Wandungsabschnitte aufweisen, in deren Hohlraum der Katalysatorkörper, ebenfalls zylindrisch ausgebildet, angeordnet ist. Der Hohlzylinder der Führungselemente, also das entsprechend ausgebildete Rohrstück, weist am unteren und am oberen Ende eine entsprechende Einlass- und Auslassöffnung auf, wobei der Strömungsquerschnitt, vorzugsweise als runder Strömungsquerschnitt, sich konstant zwischen Einlass und Auslass erstreckt. It is also advantageous if, in the case of the recombination device, the catalyst body in particular has a constant or essentially constant flow cross section along the direction of flow. This flow cross section is in particular regular, preferably rotationally symmetrical, for example round. For example, a cylindrical design of the recombination device can have cylindrical wall sections, in the cavity of which the catalyst body, also of cylindrical design, is arranged. The hollow cylinder of the guide elements, i.e. the correspondingly designed piece of pipe, has a corresponding inlet and outlet opening at the lower and upper end, with the flow cross section, preferably as a round flow cross section, extending constantly between the inlet and outlet.

[0023] Weitere Vorteile können erzielt werden, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem die Rekombinationsvorrichtung wenigstens einen Temperatursensor aufweist, für eine Erfassung wenigstens einer der folgenden Temperaturen: Further advantages can be achieved if, in a fuel cell system according to the invention, the recombination device has at least one temperature sensor for detecting at least one of the following temperatures:

- Materialtemperatur des Katalysatorkörpers, - Einlasstemperatur der Rekombinationsvorrichtung, - Auslasstemperatur der Rekombinationsvorrichtung. - material temperature of the catalyst body, - inlet temperature of the recombination device, - outlet temperature of the recombination device.

[0024] Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Selbstverständlich können auch zwei oder mehr verschiedene Temperatursensoren an unterschiedlichen Stellen miteinander kombiniert werden. Es ist auch möglich, dass ein Temperatursensor für die Erfassung der Temperatur im Innenraum des Isoliergehäuses beabstandet von der Rekombinationsvorrichtung vorgesehen ist. Dadurch, dass eine Uberwachung der Temperatur möglich ist, kann im einfachsten Fall überwacht werden, ob eine Zündtemperatur überschritten wird oder nicht. Durch die Uberwachung der Wärmeentwicklung am Katalysatorkörper, beispielsweise durch Materialtemperatur oder die Differenz zwischen Auslasstemperatur und Einlasstemperatur an der Rekombinationsvorrichtung, wird die aktuell abgerufene katalytische Wirkung erfassbar. Je stärker eine Umsetzung in katalysierter Weise innerhalb der Rekombinationsvorrichtung stattfindet, umso größer ist auch der erwärmende Effekt, welcher wiederum durch den Temperatursensor erkennbar wird. So ist es also möglich, die aktuelle Rekombinationsleistung zu erfassen und insbesondere über längere Zeiträume nicht nur die Überwachung einer Funktionsfähigkeit der Rekombination, sondern auch das Erkennen möglicher Alterungseffekte oder eines Verschleißes der Katalysatorwirkung zu erkennen. Diese Ausbildung ist insbesondere frei von einem Gassensor in dem Isoliergehäuse. The above list is a non-exhaustive list. Of course, two or more different temperature sensors can also be combined with one another at different points. It is also possible that a temperature sensor for detecting the temperature in the interior of the insulating housing is provided at a distance from the recombination device. Because the temperature can be monitored, in the simplest case it can be monitored whether an ignition temperature is exceeded or not. By monitoring the heat development on the catalytic converter body, for example due to the material temperature or the difference between the outlet temperature and the inlet temperature at the recombination device, the currently activated catalytic effect can be recorded. The stronger a conversion takes place in a catalyzed manner within the recombination device, the greater the heating effect, which in turn can be detected by the temperature sensor. It is thus possible to record the current recombination performance and, in particular over longer periods of time, not only to monitor whether the recombination is functional, but also to identify possible aging effects or wear and tear of the catalytic converter effect. In particular, this design is free of a gas sensor in the insulating housing.

[0025] Vorteile bringt es ebenfalls mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem die Rekombinationsvorrichtung wenigstens ein Heizelement aufweist, für ein aktives Aufheizen des Katalysatorkörpers. Dabei kann es sich zum Beispiel um ein elektrisches Heizelement handeln. Ein solches elektrisches Heizelement kann sowohl in den Katalysatorkörper integriert sein als auch in seitliche Führungselemente angeordnet werden. Die aktive Beheizung der Rekombinationsvorrichtung und/oder des Katalysatorkörpers führt dazu, dass auch bei Anfahrprozessen des Brennstoffzellensystems oder anderen kühleren Betriebsweisen, bei entsprechend noch niedrigen Betriebstemperaturen, der bereits mehrfach erläuterte Kamineffekt erzeugt oder verstärkt werden kann. Auch kann durch ein aktives Beheizen der Rekombinationsvorrichtung die katalytische Wirkung auch dann zur Verfügung gestellt werden, wenn die Temperatur innerhalb des Isoliergehäuses noch unterhalb der katalytischen Wirktemperatur des Katalysatormaterials liegt. Die Rekombination und die Schutzwirkung sind also auch in kalten Betriebssituationen zur Verfügung stellbar. Als elektrisches Heizelement sind beispielsweise induktive Heizelemente und/oder kapazitive Heizelemente im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar. It also has advantages if, in a fuel cell system according to the invention, the recombination device has at least one heating element for active heating of the catalyst body. This can be an electrical heating element, for example. Such an electrical heating element can either be integrated into the catalyst body or arranged in lateral guide elements. The active heating of the recombination device and/or the catalyst body means that the chimney effect already explained several times can be generated or intensified even during start-up processes of the fuel cell system or other cooler modes of operation at correspondingly low operating temperatures. Active heating of the recombination device can also make the catalytic effect available when the temperature inside the insulating housing is still below the catalytically effective temperature of the catalyst material. The recombination and the protective effect can also be made available in cold operating situations. In the context of the present invention, for example, inductive heating elements and/or capacitive heating elements are conceivable as electrical heating elements.

[0026] Vorteile kann es ebenfalls mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem gemäß dem voranstehenden Absatz der Katalysatorkörper wenigstens abschnittsweise das Heizelement aufweist. Dies führt zu einer Integration des Heizelementes in den Katalysatorkörper oder sogar zur Ausbildung des Heizelementes durch den Katalysatorkörper. Beispielsweise kann der Katalysatorkörper zumindest teilweise elektrisch leitend ausgebildet sein, sodass er bei elektrischer Bestromung eine Widerstandsheizung für den Katalysatorkörper zur Verfügung stellt. [0026] It can also bring advantages if, in a fuel cell system according to the invention according to the preceding paragraph, the catalyst body has the heating element at least in sections. This leads to an integration of the heating element into the catalyst body or even to the formation of the heating element through the catalyst body. For example, the catalyst body can be designed to be at least partially electrically conductive, so that it provides resistance heating for the catalyst body when electrically energized.

[0027] Weitere Vorteile sind erzielbar, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem im Isoliergehäuse an wenigstens zwei unterschiedlichen Positionen Rekombinationsvorrichtungen angeordnet sind, wobei insbesondere die Durchströmungsrichtungen der Rekombinationsvorrichtungen parallel oder im Wesentlichen parallel ausgerichtet sind. Vorzugsweise sind zumindest zwei Rekombinationsvorrichtungen sogar koaxial zueinander ausgerichtet, sodass der Kamineffekt an die weitere Rekombinationsvorrichtung übergeben wird und die Gesamtzirkulation innerhalb des Isoliergehäuses noch verstärkt wird. Bevorzugt sind diese unterschiedlichen Positionen auf unterschiedlichen vertikalen Höhen innerhalb des Isoliergehäuses ausgebildet, sodass die Rekombinationsvorrichtungen ebenfalls auf unterschiedlichen Höhen die erzwungene Zirkulation im Isoliergehäuse verstärken. Further advantages can be achieved if recombination devices are arranged in at least two different positions in a fuel cell system according to the invention in the insulating housing, with the flow directions of the recombination devices in particular being aligned parallel or essentially parallel. Preferably, at least two recombination devices are even aligned coaxially with one another, so that the chimney effect is passed on to the other recombination device and the overall circulation within the insulating housing is further increased. Preferably, these different positions are formed at different vertical levels within the isolating enclosure, so that the recombination devices, also at different levels, reinforce the forced circulation in the isolating enclosure.

[0028] Weiter von Vorteil ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem das Isoliergehäuse als Unterdruckgehäuse bezogen auf die Innendrücke im Anodenzuführabschnitt, dem Anodenabführabschnitt, dem Kathodenzuführabschnitt und/oder dem Kathodenabführabschnitt ausgebildet ist. Das bedeutet, dass auch bei in Kauf nehmen einer möglichen Leckage die Zuführabschnitte und die Abführabschnitte des Brennstoffzellenstapels eine sehr freie Betriebsweise aufweisen, also sowohl im Unterdruckbetrieb als auch im Überdruckbetrieb betrieben wer-It is also advantageous if, in a fuel cell system according to the invention, the insulating housing is designed as a vacuum housing based on the internal pressures in the anode feed section, the anode discharge section, the cathode feed section and/or the cathode discharge section. This means that even if you accept a possible leak, the feed sections and the discharge sections of the fuel cell stack have a very free mode of operation, i.e. are operated both in negative pressure mode and in positive pressure mode.

den können. Das Isoliergehäuse als Unterdruckgehäuse ist möglich, da auch im Unterdruckfall, wenn also Brenngas durch eine Leckage in das Isoliergehäuse eintritt, der Explosionsschutz gegen ein unerwünschtes Zünden des Brenngases durch die katalytische Rekombinationswirkung der Rekombinationsvorrichtung gewährleistet ist. can. The insulating housing as a vacuum housing is possible because even in the case of low pressure, ie if fuel gas enters the insulating housing through a leak, the explosion protection against undesired ignition of the fuel gas is guaranteed by the catalytic recombination effect of the recombination device.

[0029] Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Rekombinationsvorrichtung zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem. Eine solche Rekombinationsvorrichtung weist einen Katalysatorkörper mit einer Katalysatoroberfläche für eine katalytische Rekombination von wenigstens einem Brenngas des Brennstoffzellenstapels mit einem Oxidationsgas auf. Weiter ist eine Befestigungsschnittstelle zur Befestigung im Isoliergehäuse des Brennstoffzellensystems vorgesehen. Damit bringt eine erfindungsgemäße Kombinationsvorrichtung die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem erläutert worden sind. Die Rekombinationsvorrichtung ist dabei insbesondere gemäß den entsprechenden Ausführungsformen in dem bereits erläuterten Brennstoffzellensystem ausgebildet. Another object of the present invention is a recombination device for use in a fuel cell system according to the invention. Such a recombination device has a catalyst body with a catalyst surface for catalytic recombination of at least one fuel gas of the fuel cell stack with an oxidizing gas. A mounting interface for mounting in the insulating housing of the fuel cell system is also provided. A combination device according to the invention thus brings with it the same advantages as have been explained in detail with reference to a fuel cell system according to the invention. The recombination device is designed in particular according to the corresponding embodiments in the fuel cell system already explained.

[0030] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schematisch: Further advantages, features and details of the invention result from the following description, in which exemplary embodiments of the invention are described in detail with reference to the drawings. They show schematically:

[0031] Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, 1 shows an embodiment of a fuel cell system according to the invention,

[0032] Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, 2 shows a further embodiment of a fuel cell system according to the invention,

[0033] Fig. 3 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rekombinationsvorrichtung, 3 shows an embodiment of a recombination device according to the invention,

[0034] Fig. 4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rekombinationsvorrichtung, 4 shows a further embodiment of a recombination device according to the invention,

[0035] Fig. 5 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rekombinationsvorrichtung, 5 shows a further embodiment of a recombination device according to the invention,

[0036] Fig. 6 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rekombinationsvorrichtung, 6 shows a further embodiment of a recombination device according to the invention,

[0037] Fig. 7 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rekombinationsvorrichtung, 7 shows a further embodiment of a recombination device according to the invention,

[0038] Fig. 8 die Ausführungsform der Figur 7 in seitlicher Darstellung und 8 shows the embodiment of FIG. 7 in a side view and

[0039] Fig. 9 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rekombinationsvorrichtung. 9 shows a further embodiment of a recombination device according to the invention.

[0040] Die Figur 1 zeigt schematisch ein Brennstoffzellensystem 100 mit einem als Hotbox ausgebildetem Isoliergehäuse 140. Innerhalb des Isoliergehäuses 140 ist ein Brennstoffzellenstapel 110 angeordnet, welcher hier in einen Anodenabschnitt 120 und einen Kathodenabschnitt 130 aufgeteilt ist. Der Anodenabschnitt 120 erhält Anodenzuführgas AZG über einen Anodenzuführabschnitt 122 und produziert Anodenabgas AAG, welches er über den Anodenabführabschnitt 124 abgibt. In ähnlicher Weise erhält der Kathodenabschnitt 130 Kathodenzuführgas KZG über den Kathodenzuführabschnitt 132 und gibt Kathodenabgas KAG über den Kathodenabführabschnitt 134 wieder ab. Die beiden Zuführabschnitte 122 und 132 sowie die beiden Abführabschnitte 124 und 134 führen dabei durch das Isoliergehäuse 140 hindurch und können beispielsweise außerhalb an die Umgebung abgegeben werden beziehungsweise fluidkommunizierend mit entsprechend weiteren Bauteilen versehen sein. Das gesamte Brennstoffzellensystem kann selbstverständlich weitere Bauteile wie Rezirkulationsleitungen, Reformervorrichtungen, Wärmetauschervorrichtungen, Nachbrennervorrichtungen oder Ahnliches aufweisen. Diese sind der UÜbersichtlichkeit halber in der Figur 1 nicht dargestellt. 1 shows schematically a fuel cell system 100 with an insulating housing 140 embodied as a hotbox. The anode section 120 receives anode feed gas AZG via an anode feed section 122 and produces anode off-gas AAG, which it discharges via anode discharge section 124 . Similarly, the cathode section 130 receives cathode supply gas KZG via the cathode supply section 132 and discharges cathode off-gas KAG via the cathode discharge section 134 . The two feed sections 122 and 132 as well as the two discharge sections 124 and 134 lead through the insulating housing 140 and can, for example, be discharged outside to the environment or be provided with corresponding further components in a fluid-communicating manner. The entire fuel cell system can, of course, have further components such as recirculation lines, reformer devices, heat exchanger devices, afterburner devices or the like. For the sake of clarity, these are not shown in FIG.

[0041] Sollte es je nach Betriebsweise des Brennstoffzellensystems 100 in einem der Zuführabschnitte 122 und 132 oder in einem der Abführabschnitte 124 oder 134 oder sogar im Brennstoffzellenstapel 110 selbst zu einer Leckage kommen, durch welche Brenngas BG austritt, so würde If, depending on the mode of operation of the fuel cell system 100, a leak occurs in one of the feed sections 122 and 132 or in one of the discharge sections 124 or 134 or even in the fuel cell stack 110 itself, through which fuel gas BG escapes

durch eine fehlende Belüftung des Isoliergehäuses 140 die Konzentration an Brenngas BG innerhalb des Isoliergehäuses 140 steigen. Da es sich bei dem Brennstoffzellensystem 100 um eine Hochtemperaturanlage handelt, liegen die Temperaturen innerhalb des Isoliergehäuses 140 im Bereich zwischen 400 °C und bis zu 900 °C. Dies würde bei Erreichen einer zündfähigen Zündkonzentration an Brenngas BG innerhalb des Isoliergehäuses 140 zum Zünden des Brenngases führen und damit entweder zu einer Beschädigung des Brennstoffzellensystems 100 oder sogar zur Zerstörung desselben durch Explosion. due to a lack of ventilation of the insulating housing 140, the concentration of fuel gas BG within the insulating housing 140 increases. Since the fuel cell system 100 is a high-temperature system, the temperatures within the insulating housing 140 are in the range between 400° C. and up to 900° C. If an ignitable concentration of combustible gas BG is reached within insulating housing 140, this would result in the combustible gas igniting and thus either in damage to fuel cell system 100 or even in its destruction by an explosion.

[0042] Um zu vermeiden, dass die Konzentration an Brenngas BG die Zündkonzentration erreicht oder diese sogar übersteigt, ist in einem Gassammelabschnitt 142 des Isoliergehäuses 140 eine Rekombinationsvorrichtung 10 angeordnet. Diese ist insbesondere in verschiedenen Varianten mit Bezug auf die weiteren Figuren ab Figur 3 noch näher erläutert. Schematisch ist sie zumindest mit einem Katalysatorkörper 20 versehen, welcher eine katalytisch wirksame Katalysatoroberfläche 22 aufweist. Bei der Ausführungsform der Figur 1 sind bereits Führungselemente 30 zu erkennen, welche unterstützend eine Durchströmungsrichtung DR zur Verfügung stellen. In order to prevent the concentration of fuel gas BG from reaching or even exceeding the ignition concentration, a recombination device 10 is arranged in a gas collecting portion 142 of the insulating housing 140 . This is explained in more detail, in particular in different variants, with reference to the further figures from FIG. Schematically, it is provided with at least one catalyst body 20 which has a catalytically active catalyst surface 22 . In the embodiment of FIG. 1, guide elements 30 can already be seen, which supportively provide a flow direction DR.

[0043] Brenngas BG wird also zusammen mit Oxidationsgas OG, welches sich innerhalb der Atmosphäre des Isoliergehäuses 140 befindet, die Rekombinationsvorrichtung 10 entlang der Durchströmungsrichtung DR durchströmen und dabei das Brenngas BG katalytisch in ein Reaktionsgas umsetzen. Im Ergebnis ist die Brenngaskonzentration reduziert und sichergestellt, dass eine Zündkonzentration nicht überschritten wird. Combustion gas BG will therefore flow through the recombination device 10 along the flow direction DR together with oxidizing gas OG, which is located within the atmosphere of the insulating housing 140, thereby catalytically converting the combustion gas BG into a reaction gas. As a result, the fuel gas concentration is reduced and it is ensured that an ignition concentration is not exceeded.

[0044] Die Figur 2 zeigt eine ähnliche Lösung, jedoch ist hier der Gassammelabschnitt 142 über die gesamte vertikale Höhe entgegen der Schwerkraftrichtung SR ausgebildet. Es sind hier zwei identische Rekombinationsvorrichtungen 10, eine im oberen Teil und eine im unteren Teil, angeordnet. Die entsprechend ausgebildete Durchströmungsrichtung jeder Rekombinationsvorrichtung 10 ist parallel und hier sogar koaxial zueinander, sodass eine Zirkulation innerhalb des Isoliergehäuses 140 in verstärkter Weise zur Verfügung gestellt wird. Auch Brenngas aus anderen Bereichen, insbesondere in der Figur 2 rechts des Brennstoffzellenstapels 110, kann durch diese erzwungene Rezirkulation in den Gassammelabschnitt 142 und damit zu den Rekombinationsvorrichtungen 10 gefördert werden. 2 shows a similar solution, but here the gas collection section 142 is formed over the entire vertical height counter to the direction of gravity SR. Two identical recombination devices 10 are arranged here, one in the upper part and one in the lower part. The correspondingly designed through-flow direction of each recombination device 10 is parallel and here even coaxial to one another, so that circulation within the insulating housing 140 is made available in an increased manner. Fuel gas from other areas, in particular to the right of the fuel cell stack 110 in FIG.

[0045] Die Figuren 3 bis 9 zeigen verschiedene Ausführungsformen von Rekombinationsvorrichtungen 10, wie sie im Brennstoffzellensystemen 100, beispielsweise gemäß den Figuren 1 und 2, eingesetzt werden können. In der Figur 3 ist eine Lösung mit Kamineffekt dargestellt, welche einen runden Querschnitt aufweist. Der Katalysatorkörper 20 ist hier als poröse Keramik ausgebildet und von einem rohrförmigen Führungselement 30 umgeben. Die Katalysatoroberfläche 22 wird durch die wabenförmigen oder porenförmigen innenliegenden Oberflächen auf dem Katalysatorkörper 20 gebildet und kann beispielsweise eine Beschichtung aus Katalysatormaterial aufweisen. Der Strömungsquerschnitt SQ, welcher hier durch die radiale Erstreckung des Katalysatorkörpers 20 definiert wird, ist im Wesentlichen konstant zwischen dem Eingang, dem Verlauf und dem Ausgang der Rekombinationsvorrichtung 10. Uber den Eingang unten kann nun Oxidationsgas OG und Brenngas BG in den Katalysatorkörper 20 eintreten. Durch die Katalysatoroberfläche 22 erfolgt die katalytische Umsetzung zwischen dem Brenngas BG und dem Oxidationsgas OG, wobei üblicherweise eine Wärmeentwicklung stattfindet. Durch die weitere Erwärmung bei der Umsetzung steigt das sich ergebende Reaktionsgas weiter auf, entlang der Durchströmungsrichtung DR und tritt am oberen Ende durch die Auslassöffnung der Rekombinationsvorrichtung 10 wieder aus. Der auf diese Weise erzielte Kamineffekt führt zu einer verbesserten Durchströmung und zu einer erzwungenen Zirkulation im Isoliergehäuse 140. Die Figur 3 zeigt darüber hinaus noch eine Befestigungsschnittstelle 60 zur definierten mechanischen Befestigung in der gewünschten Position innerhalb des Isoliergehäuses 140. Figures 3 to 9 show different embodiments of recombination devices 10, as they can be used in the fuel cell system 100, for example according to Figures 1 and 2. FIG. 3 shows a solution with a chimney effect, which has a round cross section. The catalyst body 20 is designed here as a porous ceramic and is surrounded by a tubular guide element 30 . The catalyst surface 22 is formed by the honeycomb or pore-shaped inner surfaces on the catalyst body 20 and can have a coating of catalyst material, for example. The flow cross section SQ, which is defined here by the radial extent of the catalyst body 20, is essentially constant between the inlet, the course and the outlet of the recombination device 10. The oxidizing gas OG and fuel gas BG can now enter the catalyst body 20 via the inlet below. The catalytic conversion between the combustible gas BG and the oxidizing gas OG takes place through the catalyst surface 22, and heat is usually generated. As a result of the further heating during the reaction, the resulting reaction gas rises further along the flow direction DR and exits again at the upper end through the outlet opening of the recombination device 10 . The chimney effect achieved in this way leads to improved flow and forced circulation in the insulating housing 140. Figure 3 also shows a fastening interface 60 for defined mechanical fastening in the desired position within the insulating housing 140.

[0046] Die Figur 4 basiert auf der Ausführungsform der Figur 3. Hier sind zusätzlich drei Temperatursensoren 40 angeordnet, welche an drei Stellen Temperaturen bestimmen können. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist eine Bestimmung der Einlasstemperatur am Katalysatorkörper 20, der Auslasstemperatur des Katalysatorkörpers 20 und einer Materialtemperatur des Katalysatorkörpers 20 möglich. Damit kann durch die damit erfassbare Abwärme die aktuelle katalyti-4 is based on the embodiment of FIG. 3. Three temperature sensors 40 are additionally arranged here, which can determine temperatures at three points. In the present embodiment, it is possible to determine the inlet temperature at the catalyst body 20, the outlet temperature of the catalyst body 20 and a material temperature of the catalyst body 20. With this, the current catalytic

71717 71717

sche Reaktionsleistung und damit die aktive Rekombinationswirkung qualitativ oder sogar quantitativ bestimmt werden, sodass eine Kontrolle oder eine Uberwachung der Rekombinationsleistung zur Absicherung gegen einen Explosionsschaden möglich ist. cal reaction performance and thus the active recombination effect can be determined qualitatively or even quantitatively, so that control or monitoring of the recombination performance to protect against explosion damage is possible.

[0047] Auch die Figur 5 beruht auf der Ausführungsform der Figur 3. Hier ist ein Heizelement 50 in die Führungselemente 30 integriert. So ist ein seitliches, beispielsweise durch elektrischen Strom aktiviertes, Heizen des Katalysatorkörpers 20 möglich. Die Figur 6 zeigt eine ähnliche Möglichkeit, bei welcher das Heizelement 50 jedoch durchströmbar in den Katalysatorkörper 20 integriert ist. In beiden Fällen kann die Temperatur des Katalysatorkörpers 20 aktiv gesteigert werden, sodass auch bei kalten Betriebssituationen, beispielsweise beim Anfahren des Brennstoffzellensystems 100, die gewünschte Sicherheitsfunktion durch Rekombination in katalytischer Weise gewährleistet werden kann. FIG. 5 is also based on the embodiment of FIG. 3. A heating element 50 is integrated into the guide elements 30 here. In this way, lateral heating of the catalytic converter body 20, activated for example by electric current, is possible. FIG. 6 shows a similar possibility, in which the heating element 50 is integrated into the catalyst body 20 so that it can be flowed through. In both cases, the temperature of the catalyst body 20 can be actively increased, so that even in cold operating situations, for example when starting up the fuel cell system 100, the desired safety function can be guaranteed by recombination in a catalytic manner.

[0048] In den Figuren 7 und 8 ist eine alternative Ausführungsform mit einem verringerten Kamineffekt dargestellt. Hier weist der Katalysatorkörper 20 mehrere Einzelbestandteile auf, welche hier rippenförmig angeordnet sind. Die einzelnen Katalysatorkörperteile können dabei ebenfalls wieder porös, aber auch als Vollmaterial ausgebildet sein. Die Katalysatoroberfläche 22 wird dabei zumindest durch die Rippenoberflächen der einzelnen Teile des Katalysatorkörpers 20 zur Verfügung gestellt. Selbstverständlich ist jedoch auch eine Kombination mit porösen Katalysatorkörpern 20 denkbar. In the figures 7 and 8 an alternative embodiment is shown with a reduced chimney effect. Here, the catalyst body 20 has several individual components, which are arranged in the form of ribs here. The individual parts of the catalyst body can also be porous again, but they can also be designed as a solid material. The catalyst surface 22 is made available at least by the rib surfaces of the individual parts of the catalyst body 20 . Of course, however, a combination with porous catalyst bodies 20 is also conceivable.

[0049] Die Figur 9 bildet die Ausführungsform der Figur 3 dahingehend weiter, dass der Strömungsquerschnitt SQ sich entlang der Durchströmungsrichtung DR reduziert. Damit wird bei der Wärmeentwicklung und der entsprechend entstehenden Dichteunterschiede der Aufstieg der Gase innerhalb des Katalysatorkörpers 20 noch weiter verstärkt und insbesondere beschleunigt, sodass nicht nur die Durchströmung, sondern auch die externe erzwungene Zirkulation im Isoliergehäuse 140 noch weiter verstärkt werden kann. FIG. 9 develops the embodiment of FIG. 3 in that the flow cross section SQ is reduced along the flow direction DR. With the development of heat and the resulting differences in density, the ascent of the gases within the catalyst body 20 is further intensified and in particular accelerated, so that not only the flow but also the external forced circulation in the insulating housing 140 can be further intensified.

[0050] Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. The above explanation of the embodiments describes the present invention exclusively in the context of examples.

BEZUGSZEICHENLISTE REFERENCE LIST

10 Rekombinationsvorrichtung 20 Katalysatorkörper 10 recombination device 20 catalyst body

22 Katalysatoroberfläche 22 catalyst surface

30 Führungselemente 30 guide elements

40 Temperatursensor 40 temperature sensor

50 Heizelement 50 heating element

60 Befestigungsschnittstelle 60 attachment interface

100 Brennstoffzellensystem 110 Brennstoffzellenstapel 120 Anodenabschnitt 100 fuel cell system 110 fuel cell stack 120 anode section

122 Anodenzuführabschnitt 124 Anodenabführabschnitt 130 Kathodenabschnitt 122 anode supply section 124 anode discharge section 130 cathode section

132 Kathodenzuführabschnitt 134 Kathodenabführabschnitt 140 Isoliergehäuse 132 cathode supply section 134 cathode discharge section 140 insulating case

142 Gassammelabschnitt 142 gas collection section

BG Brenngas BG fuel gas

OG Oxidationsgas OG oxidizing gas

AZG Anodenzuführgas AAG Anodenabgas AZG anode feed gas AAG anode exhaust gas

KZG Kathodenzuführgas KAG Kathodenabgas KZG cathode feed gas KAG cathode exhaust gas

SR Schwerkraftrichtung SR gravity direction

DR Durchströmungsrichtung SQ Strömungsquerschnitt DR Flow direction SQ Flow cross section

Claims

patent claims

1. Fuel cell system (100), comprising a fuel cell stack (110) with an anode section (120) and a cathode section (130), wherein the anode section (120) has an anode feed section (122) for supplying anode feed gas (AZG) and an anode discharge section (124) for discharging anode waste gas (AAG) and the cathode section (130) has a cathode feed section (132) for supplying cathode feed gas (KZG) and a cathode discharge section (134) for discharging cathode waste gas (KAG), the fuel cell stack (110) and at least the anode feed section (122), the anode discharge section (124), the cathode feed section (132) and the cathode discharge section (134) are arranged in sections within a thermally insulated insulating housing (140), with at least one catalytic recombination device (10) being arranged within the insulating housing (140). is provided with a catalyst body (20) with a catalyst surface (22) for a catalytic recombination of at least one fuel gas (BG) of the fuel cell stack with an oxidation gas (OG), characterized in that the at least one recombination device (10) is arranged in a gas collection section (142) of the insulating housing (140), in which during operation of the fuel cell stack (110) which collects at least one fuel gas (BG) and the recombination device (10) has a vertically or substantially vertically aligned flow direction (DR) for a flow of fuel gas in relation to a direction of gravity (SR) of the fuel cell system (100). (BG) and oxidizing gas (OG).

2. Fuel cell system (100) according to claim 1, characterized in that the catalyst body (20) has at least in sections a geometry with an enlarged catalyst surface (22), in particular at least one of the following geometries:

- rib geometry - honeycomb geometry - pore geometry

3. The fuel cell system (100) according to claim 1 or 2, characterized in that the recombination device (10) has guide elements (30) at least in sections, in particular in the form of guide walls, for guiding the fuel gas (BG) and the oxidation gas (OG) along the flow direction (DR).

4. Fuel cell system (100) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the recombination device (10), in particular its catalyst body (20) along the flow direction (DR) has a constant or substantially constant flow cross section (SQ).

5. Fuel cell system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the recombination device (10) has at least one temperature sensor (40) for detecting at least one of the following temperatures:

- material temperature of the catalyst body (20) - inlet temperature of the recombination device (10) - outlet temperature of the recombination device (10)

6. Fuel cell system (100) according to any one of the preceding claims, characterized in that the recombination device (10) has at least one heating element (50) for active heating of the catalyst body (20).

7. The fuel cell system (100) as claimed in claim 6, characterized in that the catalyst body (20) has the heating element (50) at least in sections.

8. The fuel cell system (100) according to any one of the preceding claims, characterized in that recombination devices (10) are arranged in at least two different positions in the insulating housing (140), with the flow directions (DR) of the recombination devices (10) in particular being aligned parallel or substantially parallel are.

9. Fuel cell system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the insulating housing (140) as a vacuum housing based on the internal pressures in the anode feed section (122), the anode discharge section (124), the cathode feed section (132) and/or the cathode discharge section ( 134) is formed.

10. recombination device (10) for use in a fuel cell system (100) with the features of one of claims 1 to 9, comprising a catalyst body (20) with a catalyst surface (22) for a catalytic recombination of at least one fuel gas (BG) of the fuel cell stack ( 110) with an oxidizing gas (OG) and a mounting interface (60) for mounting in the insulating housing (140) of the fuel cell system (100).

11. Recombination device (10) according to claim 10, characterized in that the catalyst body (20) has at least in sections a geometry with an enlarged catalyst surface (22), in particular at least one of the following geometries:

- rib geometry - honeycomb geometry - pore geometry.

12. The recombination device (10) according to any one of claims 10 or 11, characterized in that the recombination device (10) has a vertical or essentially vertical throughflow direction (DR) for a throughflow with respect to a direction of gravity (SR) of the fuel cell system (100). Fuel gas (BG) and oxidizing gas (OG) has.

13. The recombination device (10) according to any one of claims 10 to 12, characterized in that the recombination device (10) has guide elements (30) at least in sections, in particular in the form of guide walls, for guiding the fuel gas (BG) and the oxidation gas (0OG ) along the flow direction (DR).

14. recombination device (10) according to one of claims 10 to 13, characterized in that the recombination device (10), in particular its catalyst body (20) along the flow direction (DR) has a constant or substantially constant flow cross section (SQ).

15. recombination device (10) according to any one of claims 10 to 14, characterized in that the recombination device (10) has at least one temperature sensor (40) for detecting at least one of the following temperatures:

- Material temperature of the catalyst body (20)

- inlet temperature of the recombination device (10)

- outlet temperature of the recombination device (10). Recombination device (10) according to one of Claims 10 to 15, characterized in that the recombination device (10) has at least one heating element (50) for active heating of the catalyst body (20).

16. recombination device (10) according to claim 16, characterized in that the catalyst body (20) has the heating element (50) at least in sections.

6 sheets of drawings