AT525583A1 - Fuel cell system with heating unit - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (100), aufweisend zumindest einen Brennstoffzellenstapel (1) mit wenigstens einem Kathodenabschnitt (K) und wenigstens einem Anodenabschnitt (A), einen Luftzuführabschnitt (3) zum Zuführen von Luft (2) zum Kathodenabschnitt (K) des Brennstoffzellenstapels (1), einen Abluftabschnitt (4) zum Abführen von Abluft (5) von dem Kathodenabschnitt (K) des Brennstoffzellenstapels (1), sowie einen Brennstoffzuführabschnitt (7) zum Zuführen von einem gasförmigen Brennstoff (6) zum Anodenabschnitt (A) des Brennstoffzellenstapels (1), einen Anodenabgasabführabschnitt (9) zum Abführen von einem Brennstoffabgas (8) von dem Anodenabschnitt (A) des Brennstoffzellenstapels (1), sowie wenigstens eine Heizeinheit (11) mit wenigstens einem Heizabschnitt (12) in wärmeübertragendem Kontakt zu dem Brennstoffzuführabschnitt (7) zur Erwärmung des Brennstoffs (6).The present invention relates to a fuel cell system (100), having at least one fuel cell stack (1) with at least one cathode section (K) and at least one anode section (A), an air supply section (3) for supplying air (2) to the cathode section (K) of the fuel cell stack (1), an exhaust air section (4) for discharging exhaust air (5) from the cathode section (K) of the fuel cell stack (1), and a fuel supply section (7) for supplying a gaseous fuel (6) to the anode section (A) of the fuel cell stack (1), an anode off-gas discharge section (9) for discharging a fuel off-gas (8) from the anode section (A) of the fuel cell stack (1), and at least one heating unit (11) having at least one heating section (12) in heat-transferring contact with the fuel supply section (7) to heat the fuel (6).
Description
Brennstoffzeliensystem mit Heizeinheit Fuel cell system with heating unit
Die vorliegende Erfindung befriffit ein Brennstoffzellensystem mit einer Heizeinheit zur Erwärmung von Brennstoff stromaufwärts des Anodenabschnitts eines The present invention relates to a fuel cell system having a heating unit for heating fuel upstream of the anode section of a fuel cell
Brennstoffzellenstapels. fuel cell stack.
Im Stand der Technik sind Brennstoffzellensysteme bekannt, in denen ein Brennstoff vor der Zuleitung zum Anodenabschnitt eines Brennstoffzellenstapels erhitzt wird. Ebenfalls ist bekannt, dass Oxidationskatalysatoren zur katalysatorischen Nachverbrennung von Anodenabgasen in Brennstoffzellen genutzt werden. Die Druckschrift WO 2007 / 037856 zeigt gemäß einer Ausführungsform eine Temperierung des Brennstoffzellensystems durch eine Heizanordnung, wie beispielsweise einen Brenner, Aus der DE 102 13 134 A1 geht eine Brennstoffzelle und ein Verfahren zum Kaltstarten einer Brennstoffzelle hervor. Um die Brennstoffzelle bei einem Kaltstart auf Betriebstemperatur zu erwärmen, beschreibt die DE 102 13 134 A1 die Verwendung einer elektrischen Heizung und/oder eines Kraftstoffbrenners, In der EP 1987 876 A1 wird ein Brennstoffzeilensystem mit einer Heizvorrichtung, einem Oxidationskatalysator und einer Reformierungsreaktionseinheit offenbart. Dem Stand der Technik ist zu entnehmen, dass die genannten Baugruppen stets einzeln ausgeführt sind und damit sowohl der Bauraum als auch die wärmeübertragende Kontaktierung zwischen den Baugruppen nicht optimal genutzt werden. Fuel cell systems are known in the prior art in which a fuel is heated prior to delivery to the anode section of a fuel cell stack. It is also known that oxidation catalysts are used for the catalytic post-combustion of anode exhaust gases in fuel cells. According to one embodiment, publication WO 2007/037856 shows temperature control of the fuel cell system using a heating arrangement, such as a burner. DE 102 13 134 A1 discloses a fuel cell and a method for cold starting a fuel cell. In order to heat the fuel cell to operating temperature during a cold start, DE 102 13 134 A1 describes the use of an electric heater and/or a fuel burner. EP 1987 876 A1 discloses a fuel cell system with a heating device, an oxidation catalyst and a reforming reaction unit. From the state of the art it can be seen that the assemblies mentioned are always designed individually and therefore the installation space and the heat-transferring contacting between the assemblies are not optimally used.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, der voranstehend beschriebenen Problematik zumindest teilweise Rechnung zu tragen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem mit einer Heizeinheit zur Erwärmung von Brennstoff stromaufwärts des Anodenabschnitts eines Brennstoffzeilenstapels für einen anfänglichen Aufheizprozess eines Brennstoffzellensystems und ein Verfahren zur Erwärmung von Brennstoff in einem Brennstoffzeilensystem zu schaffen, welches einen möglichst geringen Bauraum beansprucht und eine möglichst effiziente Ausnutzung der vorhanden thermischen The object of the present invention is to at least partially take account of the problems described above. In particular, it is an object of the present invention to create a fuel cell system with a heating unit for heating fuel upstream of the anode section of a fuel cell stack for an initial heating process of a fuel cell system and a method for heating fuel in a fuel cell system, which requires the smallest possible installation space and a possible Efficient utilization of the existing thermal
Ressourcen des Brennstoffzellensystems aufweist. Has resources of the fuel cell system.
Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch das Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1 sowie das Verfahren gemäß Anspruch 13 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung The above object is solved by the patent claims. In particular, the above object is achieved by the fuel cell system according to claim 1 and the method according to claim 13. Further advantages of the invention
ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erwärmung von Brennstoff In einem Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug result from the dependent claims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the fuel cell system naturally also apply in connection with the method according to the invention for heating fuel in a fuel cell system and vice versa, so that the disclosure of the individual aspects of the invention is always mutually related
genommen wird bzw. werden kann. is or can be taken.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzeilensystem mit zumindest einem Brennstoffzellenstapel mit wenigstens einem Kathodenabschnitt und wenigstens einem Anodenabschnitt zur Verfügung gestellt. Das Brennstoffzellensystem weist einen Luftzuführabschnitt zum Zuführen von Luft zum Kathodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels, einen Abluftabschnitt zum Abführen von Abluft von dem Kathodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels, sowie einen Brennstoffzuführabschnitt zum Zuführen von einem gasförmigen Brennstoff zum Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels, einen Anodenabgasabführabschnitt zum Abführen von einem Brennstoffabgas von dem Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels auf. Weiter umfasst das Brennstoffzeilensystem wenigstens eine Heizeinheit mit wenigstens einem Heizabschnitt in wärmeübertragendem Kontakt zu dem Brennstoffzuführabschnitt zur Erwärmung des Brennstoffs stromaufwärts des Anodenabschnitts. Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem weist folglich wenigstens eine Heizeinheit auf. Eine Heizeinheit kann im Rahmen der Erfindung als Ethanolbrenner und/oder als elektrische Heizvorrichtung und/oder als weitere Heizeinheit ausgebildet sein. Ein Heizabschnitt ist ein Abschnitt, welcher durch die Heizeinheit erhitzt wird und zur Wärmeübertragung an den Brennstoff stromaufwärts des Anodenabschrnitts ausgebildet ist. Ein wärmeübertragender Kontakt des Heizabschnitts zu dem Brennstoffzuführabschnitt kann dabei ein physischer Kontakt oder auch nur eine unmittelbare Nähe zwischen dem Heizabschnitts und dem Brennstoffzuführabschnitt sein, weiche eine Wärmeübertragung vorteilhaft ermöglicht. Ein derart ausgestaltetes Brennstoffzeilensystem ist besonders vorteilhaft, da der Brennstoff vor der Einleitung in den Anodenabschnitt durch die Heizeinheit vorgeheizt werden kann, um eine kürzere Anlaufphase des Brennstoffzellensystems auf einem möglichst geringen According to a first aspect of the present invention, a fuel cell system with at least one fuel cell stack with at least one cathode section and at least one anode section is provided. The fuel cell system includes an air supply section for supplying air to the cathode section of the fuel cell stack, an exhaust section for discharging exhaust air from the cathode section of the fuel cell stack, and a fuel supply section for supplying a gaseous fuel to the anode section of the fuel cell stack, an anode exhaust gas exhaust section for exhausting a fuel off gas from the anode section of the fuel cell stack. The fuel cell system further comprises at least one heating unit having at least one heating section in heat-transferring contact with the fuel supply section for heating the fuel upstream of the anode section. A fuel cell system according to the invention consequently has at least one heating unit. Within the scope of the invention, a heating unit can be designed as an ethanol burner and/or as an electrical heating device and/or as an additional heating unit. A heating section is a section which is heated by the heating unit and is adapted to transfer heat to the fuel upstream of the anode section. A heat-transferring contact between the heating section and the fuel feed section can be a physical contact or just an immediate proximity between the heating section and the fuel feed section, which advantageously enables heat transfer. A fuel cell system configured in this way is particularly advantageous since the fuel can be preheated by the heating unit before it is introduced into the anode section in order to have a shorter start-up phase of the fuel cell system at the lowest possible level
Bauraum und mit einer möglichst effizienten Ausnutzung der vorhanden thermischen Installation space and with the most efficient possible utilization of the existing thermal
Ressourcen des Brennstoffzellensystems zu ermöglichen. Dadurch ist es weiter To enable resources of the fuel cell system. So it's further
möglich eine Startphase des Brennstoffzeilensystem zeitlich zu verkürzen. possible to shorten a start-up phase of the fuel cell system.
Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass der Brennstoffzuführabschnitt, insbesondere spiralförmig, um den Heizabschnitt der Heizeinheit angeordnet ist. Ein Heizabschnitt einer Heizeinhelt kann bevorzugt als zZylinderförmiger Abschnitt ausgebildet sein. Ein Brennstoffzufuhrabschnitt ist bevorzugt als eine spiralförmig um den Heizabschnitt angeordnete Zuleitung zu dem Anadenabschnitt des Brennstoffzellenstapels ausgebildet. Eine derartige Ausbildung des Brennstoffzuführabschnitts ermöglicht eine besonders große Fläche für die Wärmeübertragung zwischen dem Heizabschnitt und dem Brennstoffzuführabschnitt und damit folglich eine besonders effiziente Wärmeübertragung von der Heizeinheit auf den Brennstoff auf sehr geringem Bauraum, Ebenfalls kann der Brennstoffzufuhrabschnitt in Schleifen, Kurven und/oder in Reihe und/oder mit parallel durchströmten Leitungen ausgestaltet sein. According to a development of the present invention, it is possible for the fuel feed section to be arranged, in particular in a spiral shape, around the heating section of the heating unit. A heating section of a heating unit can preferably be designed as a cylindrical section. A fuel feed section is preferably designed as a feed line, arranged spirally around the heating section, to the anode section of the fuel cell stack. Such a design of the fuel feed section enables a particularly large area for the heat transfer between the heating section and the fuel feed section and thus consequently a particularly efficient heat transfer from the heating unit to the fuel in a very small space. The fuel feed section can also be arranged in loops, curves and/or in series and/or be designed with parallel flow lines.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Brennstoffzeilensystems ist es möglich, dass der Heizabschnitt der Heizeinheit eine Strömungsvorrichtung, insbesondere eine statische Strömungsvorrichtung, zur Strömungsführung Innerhalb des Heizabschnitts aufweist. Eine stalische Strömungsvorrichtung kann beispielsweise In Form einer Schnecke ausgebildet sein. Eine Strömungsvorrichtung kann im Rahmen der Erfindung ebenfalls als eine Mischvorrichtung der Strömung innerhalb des Heizabschnitts angesehen werden. Eine derartige Strömungsvorrichtung beeinflusst die Strömung innerhalb des Heizabschnitts vorteilhaft und ermöglicht einen verbesserten Wärmeübergang von der Heizeinheit auf beispielsweise die Wände des Heizabschnitts, Eine Strömungsvorrichtung kann zusätzlich oder alternativ eine Struktur der Wände des Heizabschnitts sein, die einen verbesserten Wärmeülbergang ermöglicht. Folglich ermöglicht eine Strämungsvorrichtung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems auf einem möglichst geringen Bauraum eine verbesserte Effizienz bei der Ausnutzung der vorhanden thermischen Ressourcen des Brennstoffzellensystems. In an advantageous embodiment variant of the fuel cell system according to the invention, it is possible for the heating section of the heating unit to have a flow device, in particular a static flow device, for guiding the flow within the heating section. A stalic flow device can be designed, for example, in the form of a snail. A flow device can also be considered within the scope of the invention as a mixing device of the flow within the heating section. Such a flow device advantageously influences the flow within the heating section and enables improved heat transfer from the heating unit to, for example, the walls of the heating section. A flow device can additionally or alternatively be a structure of the walls of the heating section, which enables improved heat transfer. Consequently, a flow device of the fuel cell system according to the invention enables improved efficiency when utilizing the available thermal resources of the fuel cell system in the smallest possible installation space.
Bei einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es möglich, dass wenigstens ein Oxidationskatalysator stromabwärts des Anodenabgasabführabschnitts und insbesondere stromabwärts des Abluftabschnitts angeordnet ist, wobei der Oxidationskatalysator wärmeübertragend mit dem Brennstoffzuführabschnitt zur Erwärmung von Brennstoff verbunden ist. Ein Oxidationskatalysator dient der oxidationskatalytischen Nachverbrennung von beispielsweise Anodenabgas und Abluft stromabwärts des wenigstens einen Brennstoffzeilenstapels, Somit ermöglicht ein Oxidationskatalysator eine zusätzliche Effizienzsteigerung des Brennstoffzeilensystems und kann unter Nutzung von beispielsweise Anodenabgas und Abluft eine weitere Wärmequelle innerhalb des Brennstoffzellensystems ermöglichen. Die Wärme des Oxidationskatalysators kann bevorzugt ebenfalls zur Erwärmung des Brennstoffes stromaufwärts des Anodenabschnitts oder für die Erwärmung eines weiteren Abschnitts des Brennstoffzellensystems genutzt werden. Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, wenn die Wärme des Oxidationskatalysators auch zur Erwärmung des Kathodenabschnittes genutzt wird. Hierfür wird das Abgas In a likewise advantageous embodiment variant of the fuel cell system according to the invention, it is possible for at least one oxidation catalytic converter to be arranged downstream of the anode exhaust gas discharge section and in particular downstream of the exhaust air section, with the oxidation catalytic converter being connected in a heat-transferring manner to the fuel supply section for heating fuel. An oxidation catalytic converter is used for the oxidation-catalytic post-combustion of, for example, anode exhaust gas and exhaust air downstream of the at least one fuel cell stack. An oxidation catalytic converter thus enables an additional increase in the efficiency of the fuel cell system and can enable a further heat source within the fuel cell system using, for example, anode exhaust gas and exhaust air. The heat of the oxidation catalyst can preferably also be used to heat the fuel upstream of the anode section or to heat another section of the fuel cell system. In addition, it can be advantageous if the heat from the oxidation catalytic converter is also used to heat the cathode section. For this purpose, the exhaust gas
vorteilhaft zwischen dem Anodenabschnitt und dem Kathodenabschnitt aufgeteilt. advantageously divided between the anode section and the cathode section.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Brennstoffzeilensystems ist es möglich, dass ein heike Seite eines ersten Wärmetauschers stromabwärts des Anodenabgasabführabschnitts und/oder stromabwärts des Abluftabschnitts angeordnet ist und eine kalte Seite eines ersten Wärmetauschers mit dem Luftzuführabschnitt zur Erwärmung von zugeführter Luft zum Kathodenabschnitt verbunden ist. Das Anodenabgas und/oder die Abluft können in einem derart weiterentwickelten Brennstoffzellensystem vorteilhaft zur Erwärmung von zugeführter Luft zum Kathodenabschnitt genutzt werden. Dadurch kann mit einer vorgewärmten Luft vor dem Eintritt in den Kathodenabschnitt die Effizienz des Brennstoffzellensystems vorteilhaft erhöht werden. Wenn ein Oxidationskatalysator gemäß dem vorherigen Abschnitt der Beschreibung der Erfindung in das Brennstoffzeilensystem integriert ist, befindet sich der erste Wärmetauscher vorteilhaft stromabwärts des OÖxidationskatalysator und nutzt zusätzlich vorteilhaft wenigstens einen Teil der Abwärme der oxidationskatalytischen Nachverbrennung des Oxidationskatalysators. In a further advantageous embodiment variant of the fuel cell system according to the invention, it is possible for a hot side of a first heat exchanger to be arranged downstream of the anode exhaust gas discharge section and/or downstream of the exhaust air section and for a cold side of a first heat exchanger to be connected to the air supply section for heating air supplied to the cathode section. The anode exhaust gas and/or the exhaust air can advantageously be used in such a further developed fuel cell system for heating air supplied to the cathode section. As a result, the efficiency of the fuel cell system can be advantageously increased with preheated air before it enters the cathode section. If an oxidation catalyst according to the previous section of the description of the invention is integrated into the fuel cell system, the first heat exchanger is advantageously located downstream of the oxidation catalyst and additionally advantageously uses at least part of the waste heat from the oxidation-catalytic post-combustion of the oxidation catalyst.
Zudem ist es bei einem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung möglich, dass der Heizabschnitt wenigstens abschnittsweise in wärmeübertragendem Kontakt zu dem Ancdenabgasabführabschnitts und/oder dem Abluftabschnitts zur Erwärmung von Anodenabgas und/oder Abluft angeordnet ist. Der Heizabschnitt kann folglich eine Vielzahl von Abschnitten mit Wärme versorgen. Neben der Erwärmung von Brennstoff in dem Brennstoffzuführabschnitt, heizt ein derart weiterentiwickeltes Brennstoffzellensystem ebenfalls den Anodenabgasabführabschnitt durch den Heizabschnitt der Heizeinheit. Die Bereiche des Heizabschnitts für die Erwärmung der unterschiedlichen angrenzenden Bereiche können sich überlagern oder getrennt voneinander sein. Das derart ausgestaltete Brennstoffzellensystem nutzt vorteilhaft den Bauraum aus bzw. verringert diesen sogar. It is also possible in a fuel cell system of the present invention for the heating section to be arranged at least in sections in heat-transferring contact with the anode exhaust gas discharge section and/or the exhaust air section for heating anode exhaust gas and/or exhaust air. Consequently, the heating section can supply heat to a plurality of sections. Besides heating fuel in the fuel supply section, such a further developed fuel cell system also heats the anode off-gas discharge section by the heating section of the heating unit. The areas of the heating section for heating the different adjacent areas may overlap or be separate from each other. The fuel cell system designed in this way advantageously uses the installation space or even reduces it.
Von weiterem Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der Heizabschnitt wenigstens abschnittsweise In wärmeübertragendem Kontakt zu dem Oxidationskatalysator angeordnet ist, wobei der Oxidationskatalysator insbesondere ringförmig um den Heizabschnitt ausgebildet ist. Analog zu dem vorherigen Abschnitt ist es von Vorteil den Heizabschnitt für die Heizung von mehreren weiteren Abschnitten zu nutzen. Gemäß dieser Weiterbildung der Erfindung, wird der Heizabschnitt zusätzlich für die Wärmeübertragung Zu und/oder von dem Oxidationskatalysator ausgebildet. Je nach Betriebszustand des Brennstoffzellensystems kann somit Wärme von dem Oxidationskatalysator auf den Heizabschnitt oder von dem Heizabschnitt auf den Oxidationskatalysator übergehen. Die Ausbildung des Oxidationskatalysators in wärmeübertragendem Kontakt zu dem Heizabschnitt stellt eine bauraumsparende Weiterentwicklung zur Effizienzsteigerung des Brennstoffzeilensystems dar. Eine ringförmige Anordnung des Oxidationskatalysators um den Heizabschnitt stellt eine besonders vorteilhafte Ausnutzung des Bauraums und gleichzeitig einen besonders guten Wärmeübergang It can be of further advantage if, in a fuel cell system according to the invention, the heating section is arranged at least in sections in heat-transferring contact with the oxidation catalytic converter, the oxidation catalytic converter being configured in particular in the shape of a ring around the heating section. Analogously to the previous section, it is advantageous to use the heating section for heating several other sections. According to this development of the invention, the heating section is additionally designed for heat transfer to and/or from the oxidation catalytic converter. Depending on the operating state of the fuel cell system, heat can thus be transferred from the oxidation catalytic converter to the heating section or from the heating section to the oxidation catalytic converter. The formation of the oxidation catalytic converter in heat-transferring contact with the heating section represents a space-saving further development to increase the efficiency of the fuel cell system. An annular arrangement of the oxidation catalytic converter around the heating section represents a particularly advantageous use of the installation space and at the same time particularly good heat transfer
zwischen dem Oxidationskatalysator und dem Heizabschnitt dar. between the oxidation catalyst and the heating section.
Bei einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es möglich, dass der Heizabschnitt wenigstens abschnittsweise in wärmeübertragendem Kontakt stromaufwärts von der heißen Seite des ersten Wärmetauschers und stromabwärts von dem In a likewise advantageous embodiment variant of the fuel cell system according to the invention, it is possible that the heating section is at least partially in heat-transferring contact upstream of the hot side of the first heat exchanger and downstream of the
Anaodenabgasabführabschnitt und/oder dem Abluftabschnitt angeordnet ist. Analog Anode exhaust gas discharge section and / or the exhaust air section is arranged. Analogous
zu den vorherigen Abschnitten ist es von Vorteil den Heizabschnitt für die Heizung von mehreren weiteren Abschnitten zu nutzen. Gemäß dieser Weiterbildung der Erfindung, wird der Heizabschnitt zur zusätzlichen oder alternativen Erwärmung eines Brennstoffzellenabschnitts stramaufwärts von der heißen Seite des ersten Wärmetauschers und stromabwärts von dem Anodenabgasabführabschnitt und/oder dem Abluftabschnitt genutzt. Bei dem Vorhandensein eines Oxidationskatalysators in dem erfindungsgemäßen Brennstoffzeilensystem, kann der zusätzlich oder alternativ beheizte Bereich des Brennstoffzellensystems insbesondere stromabwärts des Oxidationskatalysators angeordnet sein. Ein derart ausgestalteies Brennstoffzeilensystem ermöglicht eine Beheizung der Anodenabgase und/oder der Abluft vor dem Eintritt in die heiße Seite des ersten Wärmetauschers und kann folglich vorteilhaft die Vorheizung der von dem Kathodenabschnitt zugeführten Luft compared to the previous sections, it is advantageous to use the heating section for heating several other sections. According to this development of the invention, the heating section is used for additional or alternative heating of a fuel cell section upstream of the hot side of the first heat exchanger and downstream of the anode exhaust gas discharge section and/or the exhaust air section. If an oxidation catalyst is present in the fuel cell system according to the invention, the additionally or alternatively heated area of the fuel cell system can be arranged in particular downstream of the oxidation catalyst. A fuel cell system designed in this way enables the anode exhaust gases and/or the exhaust air to be heated before they enter the hot side of the first heat exchanger and can consequently advantageously preheat the air supplied from the cathode section
optimieren. optimize.
Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass der Heizabschnitt der Heizeinheit stromabwärts des zumindest einen Brennstoffzellenstapels mit dem Anodenabgasabführabschnitt und/oder dem Abluftabschnitt fAuldkommunizierendg verbunden ist. Insbesondere die Ausführung der Heizeinheit als Ethanolbrenner benötigt einen Austrittsbereich zu Ausströmung von einem Medium aus dem Heizabschnitt. Eine Einleitung von beispielsweise den Verbrennungsprodukten eines Ethanolbrenners stromabwärts des zumindest einen Brennstoffzeilenstapels in den Anodenabgasabführabschnitt und/oder den Abluftabschnitt heizt diese Abschnitte vorteilhaft auf und steigert folglich bei Ausnutzung der vorhandenen thermischen Ressourcen des Brennstoffzeilensystems dessen Effizienz vorteilhaft. Das Medium ist im Heizabschnitt insbesondere According to one development of the present invention, it is possible for the heating section of the heating unit to be connected downstream of the at least one fuel cell stack to the anode exhaust gas discharge section and/or the exhaust air section for communicating. In particular, the design of the heating unit as an ethanol burner requires an outlet area for a medium to flow out of the heating section. Introducing, for example, the combustion products of an ethanol burner downstream of the at least one fuel cell stack into the anode exhaust gas discharge section and/or the exhaust air section advantageously heats these sections and consequently advantageously increases the efficiency of the fuel cell system when utilizing the available thermal resources. The medium is in the heating section in particular
gasförmig, wofür ein Verdampfer angeordnet sein kann. gaseous, for which an evaporator can be arranged.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es möglich, dass ein heiße Seite eines zweiten Wärmetauschers stromabwärts des Anodenabgasabführabschnitts und/oder stromabwärts des Abluftabschnitts angeordnet ist und eine kalte Seite eines zweiten Wärmetauschers mit einem Reformerzuführabschnitt einer Reformereinheit zur Erwärmung von zugeführter Abluft und/oder Anodenabgas zur Reformereinheit verbunden ist. Neben der Leitungsführung des Brennstoffzellensystems von dem In a further advantageous embodiment variant of the fuel cell system according to the invention, it is possible for a hot side of a second heat exchanger to be arranged downstream of the anode exhaust gas discharge section and/or downstream of the exhaust air section and for a cold side of a second heat exchanger to be arranged with a reformer feed section of a reformer unit for heating supplied exhaust air and/or Anode exhaust is connected to the reformer unit. In addition to the wiring of the fuel cell system from the
Anaodenabgasabführabschnitt und/oder dem Abluftabschnitt zu einem ersten Anaode exhaust gas discharge section and / or the exhaust air section to a first
Wärmetauscher können die genannten Abschnitte zusätzlich oder alternativ gemäß dieser Ausführungsform des Brennstoffzellensystem mit einem zweiten Wärmetauscher einer Reformereinheit verbunden sein. Ein zweiter Wärmetauscher an oder in der Reformereinheit dient dem Wärmeaustausch von dem Anodenabgas und/oder der Abluft an die Reformereinheit bzw. ein Medium in der Reformereinhelt, Der zweite Wärmetauscher kann vorteilhaft als Verdampfer-Wärmetauscher ausgebildet sein. Ein zweiter Wärmetauscher kann als eigenständig ausgebildeter Wärmetauscher oder als eine andere Möglichkeit zur Wärmeübertragung zwischen dem Anodenabgas und/oder der Abluft an die Reformereinheit konstrulert sein. Eine Reformereinheit kann beispielsweise zur Wasserstoffproduktion für die Nutzung durch das Brennstoffzellensystem genutzt werden. Eine Zuleitung von Abluft und/oder Anodenabgas zu der Reformereinheit stellt eine vorteilhafte Nutzung der vorhandenen thermischen Ressourcen als eine Wärmequelle mit geringem Bauraum According to this embodiment of the fuel cell system, the sections mentioned can additionally or alternatively be connected to a second heat exchanger of a reformer unit. A second heat exchanger on or in the reformer unit serves to exchange heat from the anode exhaust gas and/or the exhaust air to the reformer unit or a medium in the reformer unit. The second heat exchanger can advantageously be designed as an evaporator heat exchanger. A second heat exchanger can be constructed as a stand-alone heat exchanger or as another way of transferring heat between the anode exhaust gas and/or the exhaust air to the reformer unit. A reformer unit can be used, for example, to produce hydrogen for use by the fuel cell system. Feeding exhaust air and/or anode exhaust gas to the reformer unit represents an advantageous use of the available thermal resources as a heat source with little installation space
für die Reformereinheit dar. for the reformer unit.
Zudem ist es bei einem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung möglich, dass ein Reformerzuführabschnitt stromabwärts des Anodenabgasabführabschnitts und/oder stromabwärts des Abluftabschnitts zur Einleitung von Brennstoffabgas und/oder Abluft in den Reformerzuführabschnitt angeordnet ist. Zusätzlich oder alternativ zu dem vorherigen Abschnitt kann Abluft und/oder Anodenabgas ebenfalls in den Reformerzuführabschnitt der Reformereinheit eingeführt werden, um eine In addition, in a fuel cell system of the present invention, it is possible that a reformer feed section is arranged downstream of the anode off-gas discharge section and/or downstream of the exhaust air section for introducing fuel off-gas and/or exhaust air into the reformer feed section. In addition or as an alternative to the previous section, exhaust air and/or anode exhaust gas can also be introduced into the reformer feed section of the reformer unit in order to create a
gewünschtes Mischgasverhältnis in der Reformereinheit einzustellen. set the desired mixed gas ratio in the reformer unit.
Ebenfalls ist es bei einem Brennstoffzeilensystems der vorliegenden Erfindung möglich, dass eine Verdampfereinheit stromaufwärts mit dem Brennstoffzuführabschnitt und/oder stromaufwärts mit wenigstens einer der wenigstens einen Heizeinheit fluldkommunizierend verbunden ist. innerhalb eines Brennstoffzellensystems kann es bei der Brennstoffaufbereitung vorteilhaft sein eine Verdampfereinheit zu integrieren. Ein derart ausgestaltetes Brennstoffzellensystem kann zur Einsparung von Bauraum für den Anodenabschnitt und die Heizeinheit eine gemeinsame Verdampfereinheit nutzen und damit eine vorteilhafte Weiterentwicklung des Brennstoffzellensystems darstellen. It is also possible in a fuel cell system of the present invention for an evaporator unit to be fluid-communicatingly connected upstream to the fuel feed section and/or upstream to at least one of the at least one heating unit. Within a fuel cell system, it can be advantageous to integrate an evaporator unit during fuel preparation. A fuel cell system designed in this way can use a common evaporator unit to save space for the anode section and the heating unit and thus represent an advantageous further development of the fuel cell system.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Erwärmung von Brennstoff in einem Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Aspekt zur Verfügung gestellt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: - Zuführen von Luft (2) über den Luftzuführabschnitt (3) in den Kathodenabschnitt (K) des Brennstoffzelilenstapels (1), - Erwärmung von Brennstoff (6) durch den Heizabschnitt (12) der Heizeinheit, - Zuführen von Brennstoff (6) über den Brennstoffzuführabschnitt (7) in den According to a second aspect of the present invention, there is provided a method for heating fuel in a fuel cell system according to the first aspect. The method has the following steps: - supplying air (2) via the air supply section (3) into the cathode section (K) of the fuel cell stack (1), - heating fuel (6) through the heating section (12) of the heating unit, - Supplying fuel (6) via the fuel supply section (7) in the
Anodenabschnitt (A) des Brennstoffzeilenstapels (1). Anode portion (A) of fuel cell stack (1).
Ein derart ausgestaltetes Verfahren ermöglicht Erwärmung von Brennstoff in einem Brennstoffzellensystem vor der Zuleitung zu dem Anodenabschnitt des wenigstens einen Brennstoffzeilenstapels, Somit kann auf möglichst geringem Bauraum eine möglichst effiziente Ausnutzung der vorhanden thermischen Ressourcen des Brennstoffzellensystems sichergestellt werden. Damit bringt auch ein erfindungsgemäßes Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie vorstehend ausführlich beschrieben worden sind. Die vorstehend erwähnten Schritte können in der dargestellten Reihenfolge oder in einer anderen Reihenfolge durchgeführt werden. Die Verfahrensschritte können einfach oder mehrfach und seriell oder A method designed in this way enables fuel to be heated in a fuel cell system before it is fed to the anode section of the at least one fuel cell stack. The most efficient possible utilization of the available thermal resources of the fuel cell system can thus be ensured in the smallest possible installation space. A method according to the invention thus brings with it the same advantages as have been described in detail above. The above steps may be performed in the order presented or in a different order. The process steps can be single or multiple and serial or
parallel ausgeführt werden. be executed in parallel.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens Ist es möglich, dass der Brennstoff durch einen OÖxidationskatalysator stromabwärts des Anodenabgasabführabschnitts und insbesondere stromabwärts des Abluftabschnitts erwärmt wird. Ein Oxidationskatalysator dient der oxidationskatalytischen Nachverbrennung von beispielsweise Anodenabgas und Abluft stromabwäris des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels. Somit ermöglicht ein Oxidationskatalysator eine zusätzliche Effizienzsteigerung des Brennstoffzellensystems und kann unter Nutzung von beispielsweise Anodenabgas und Abluft eine weitere Wärmequelle innerhalb des Brennstoffzellensystems ermöglichen. Die Wärme des Oxidationskatalysators kann bevorzugt ebenfalls zur Erwärmung des Brennstoffes stromaufwärts des Anodenabschnitts oder für die In an advantageous development of the method according to the invention, it is possible for the fuel to be heated by an oxidation catalytic converter downstream of the anode exhaust gas removal section and in particular downstream of the exhaust air section. An oxidation catalytic converter is used for the oxidation-catalytic post-combustion of, for example, anode exhaust gas and exhaust air downstream of the at least one fuel cell stack. An oxidation catalytic converter thus enables an additional increase in the efficiency of the fuel cell system and can enable a further heat source within the fuel cell system using, for example, anode exhaust gas and exhaust air. The heat of the oxidation catalyst can preferably also be used to heat the fuel upstream of the anode section or for the
Erwärmung eines weiteren Abschnitts des Brennstoffzellensystems genutzt werden. Heating another section of the fuel cell system can be used.
Bei einer ebenfalls vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens In a likewise advantageous development of the method according to the invention
ist es möglich, dass dem Luftzuführabschrnitt zugeführte Luft auf der kalten Seite des it is possible that air supplied to the air supply section is on the cold side of the
ersten Wärmetauschers durch Anodenabgas und/oder Abluft auf der heißen Seite des ersten Wärmetauschers erwärmt wird. Das Anodenabgas und/oder die Abluft können in einem derart weiterentwickelten Verfahren vorteilhaft zur Erwärmung von zugeführter Luft zum Kathodenabschnitt genutzt werden. Dadurch wird mit einer vorgewärmten Luft vor dem Eintritt in den Kathodenabschnitt die Effizienz des first heat exchanger is heated by anode exhaust gas and / or exhaust air on the hot side of the first heat exchanger. The anode exhaust gas and/or the exhaust air can advantageously be used in such a further developed method for heating air supplied to the cathode section. As a result, with preheated air before it enters the cathode section, the efficiency of the
Brennstoffzeilensystems vorteilhaft erhöht. Fuel cell system advantageously increased.
Weitere, die Erfindung verbessermde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Further measures to improve the invention result from the following description of various exemplary embodiments
Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Es zeigen jeweils schematisch: Invention, which are shown schematically in the figures. They each show schematically:
Figur 1 eine Seitenansicht eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstofzellenstapel, einer Heizeinheit, einem Heizabschnitt, einem Brennstoffzuführabschnitt spiralförmig angeordnet um den Heizbereich, einer Strömungsvorrichtung in dem Heizabschritt, einem Oxidationskatalysator, einer Zuleitung zu einem ersten Wärmetaucher und Figure 1 is a side view of a fuel cell system including a fuel cell stack, a heater unit, a heating section, a fuel supply section arranged spirally around the heating section, a flow device in the heating section, an oxidation catalyst, a lead to a first heat exchanger and
einer Zuleitung zu einem Reformerzuführabschnitt einer Reformereinheit, a feed line to a reformer feed section of a reformer unit,
Figur2 eine dreidimensionale Ansicht einer konstruktiven Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems mit einer Heizeinheit, einem Heizabschnitt, einem Brennstoffzuführabschnitt spiralförmig angeordnet um den Heizbereich, einer Strömungsvorrichtung In dem Heizabschnitt, einem Oxidationskatalysator, einer Zuleitung zu einem ersten Wärmetaucher und Figure 2 shows a three-dimensional view of a structural configuration of a fuel cell system with a heating unit, a heating section, a fuel supply section arranged spirally around the heating area, a flow device in the heating section, an oxidation catalyst, a supply line to a first heat exchanger and
einer Zuleitung zu einem Reformerzuführabschnitt einer Reformereinheit, a feed line to a reformer feed section of a reformer unit,
Figur 3 eine Seitenansicht einer weiteren konstruktiven Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems mit einer elektrischen Heizeinheit, einem Heizabschnitt, einem Brennstoffzuführabschnitt angeordnet in und um den Heizbereich, einer Strömungsvorrichtung in dem Heizabschnitt, einem ringförmigen Oxidationskatalysator um die Heizvorrichtung, einer Zuleitung zu einem ersten Wärmetaucher und einer Zuleitung zu einem Figure 3 shows a side view of a further structural embodiment of a fuel cell system with an electric heating unit, a heating section, a fuel supply section arranged in and around the heating area, a flow device in the heating section, an annular oxidation catalyst around the heating device, a feed line to a first heat exchanger and a feed line to one
Reformerzuführabschnitt einer Reformereinheit, und reformer supply section of a reformer unit, and
Figur 4 ein Schaltbild eines Brennstoffzeilensystems mit einem Brennstoffzeilenstapel, einer Heizeinheit, einem Heizabschnitt, einem Figure 4 is a schematic diagram of a fuel cell system including a fuel cell stack, a heater unit, a heater section, a
ersten Wärmetaucher, einem Oxidationskatalysator und einer first heat exchanger, an oxidation catalyst and a
Reformereinheit. reformer unit.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 bis 4 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen. Elements with the same function and mode of operation are each provided with the same reference symbols in FIGS.
In Fig. 1 ist schematisch eine Seitenansicht eines Brennstoffzellensystems 100 mit einem Brennstoffzellenstapel 1 gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 100 weist eine Heizeinheit 11 und einen Heizabschnitt 12 auf. Ein Brennstoffzuführabschnitt 7 ist spiralförmig um den Heizabschnitt 12 angeordnet. Ein Heizabschnitt 12 ist ein Abschnitt stromabwärts der Heizeinheit 11, der durch die Heizeinheit 11 erhitzt wird und zur Wärmeübertragung an den Brennstoff 6 stromaufwärts des Anodenabschnitts A ausgebildet ist. Ein derart ausgestaltetes Brennstoffzellensystems 100 ist besonders vorteilhaft, da der Brennstoff 6 vor der Einleitung in den Anodenabschnitt A durch die Heizeinheit 11 vorgeheizt werden kann, um eine kürzere Anlaufphase des Brennstoffzellensystems 100 auf einem möglichst geringen Bauraum und mit einer möglichst effizienten Ausnutzung der vorhanden thermischen Ressourcen des Brennstoffzellensystems 100 zu ermöglichen. Die spiraförmige Anordnung des Brennstoffzuführabschnitts 7 um den Heizabschnitt 12 ermöglicht eine besonders große Fläche für die Wärmeübertragung zwischen dem Heizabschnitt 12 und dem Brennstoffzuführabschnitt 7 und damit folglich eine besanders effiziente Wärmeübertragung von der Heizeinheit 12 auf den Brennstoff 6 auf sehr geringem Bauraum. Weiter umfasst das Brennstoffzeilensystem 100 einen Oxidationskatalysator 16 zur Oxidationskatalytischen Nachverbrennung von hier beispielhaft Anodenabgas 8 und Abluft 5 stromabwärts des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels 1. Somit ermöglicht ein Oxidationskatalysator 16 eine zusätzliche Effizienzsteigerung des Brennstoffzellensystems 100 und kann unter Nutzung von beispielsweise Anodenabgas 8 und Abluft 5 eine weitere Wärmequelle innerhalb des Brennstoffzellensystems 100 ermöglichen. Die Wärme des Oxidationskatalysators 16 wird vorteilhaft ebenfalls zur Erwärmung des Brennstoffs 6 stromaufwärts des Anodenabschnitts A genutzt. Sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts des Oxidationskatalysators 16 kann das Anodenabgas 8 und die Abluft 5 von dem 1 shows a schematic side view of a fuel cell system 100 with a fuel cell stack 1 . The fuel cell system 100 has a heating unit 11 and a heating section 12 . A fuel supply section 7 is spirally arranged around the heating section 12 . A heating section 12 is a section downstream of the heating unit 11 which is heated by the heating unit 11 and is adapted to transfer heat to the fuel 6 upstream of the anode section A. FIG. A fuel cell system 100 configured in this way is particularly advantageous since the fuel 6 can be preheated by the heating unit 11 before it is introduced into the anode section A, in order to ensure a shorter start-up phase for the fuel cell system 100 in the smallest possible installation space and with the most efficient possible utilization of the available thermal resources of the fuel cell system 100 to allow. The helical arrangement of the fuel feed section 7 around the heating section 12 enables a particularly large area for heat transfer between the heating section 12 and the fuel feed section 7 and consequently a particularly efficient heat transfer from the heating unit 12 to the fuel 6 in a very small space. The fuel cell system 100 also includes an oxidation catalytic converter 16 for the oxidation-catalytic post-combustion of, for example, anode exhaust gas 8 and exhaust air 5 downstream of the at least one fuel cell stack 1. An oxidation catalytic converter 16 thus enables an additional increase in efficiency of the fuel cell system 100 and can use anode exhaust gas 8 and exhaust air 5, for example, to achieve a further Heat source within the fuel cell system 100 allow. The heat of the oxidation catalytic converter 16 is advantageously also used to heat the fuel 6 upstream of the anode section A. Both upstream and downstream of the oxidation catalyst 16, the anode exhaust gas 8 and the exhaust air 5 from the
Heizabschnitt 12 der Heizeinheit 11 erhitzt werden. Der Heizabschnitt 12 weist Heating section 12 of the heating unit 11 are heated. The heating section 12 has
folglich eine vielfache Verwendung für die Erhitzung von Abschnitten und Medien innerhalb des Brennstoffzellensystems 100 auf. Stromabwärts des Oxidationskatalysators 16 wird gemäß der gezeigten Ausbildung des Brennstoffzellensystems 100, das Anodenabgas 8 und die Abluft 5 zu der heißen Seite eines ersten Wärmetauschers 21 geführt. Die kalte Seite eines ersten Wärmetauschers 21 ist mit dem Luftzuführabschnitt 3 verbunden und ermöglicht folglich eine Erwärmung der zugeführten Luft 2 zu dem Kathodenabschnitt K durch die Wärme des Anodenabgases 8 und der Abluft 5. Ebenfalls wird stromabwärts des Oxidationskatalysators 16, gemäß der gezeigten Ausbildung des Brennstoffzeilensystems 100, das Anodenabgas 8 und die Abluft 5 zu einem zweiten Wärmetauscher 22 einer Reformereinheit 20 (nicht gezeigt) zur Erwärmung eines Abschnitts und/oder eines Mediums In und/oder vor der Reformereinheit 20 (nicht consequently has multiple uses for heating portions and media within the fuel cell system 100 . Downstream of the oxidation catalytic converter 16, the anode exhaust gas 8 and the exhaust air 5 are guided to the hot side of a first heat exchanger 21 according to the embodiment of the fuel cell system 100 shown. The cold side of a first heat exchanger 21 is connected to the air supply section 3 and consequently enables the air 2 supplied to the cathode section K to be heated by the heat of the anode exhaust gas 8 and the exhaust air 5 100, the anode exhaust gas 8 and the exhaust air 5 to a second heat exchanger 22 of a reformer unit 20 (not shown) for heating a section and/or a medium In and/or upstream of the reformer unit 20 (not
gezeigt) geleitet. shown).
In Fig. 2 ist schematisch eine dreidimensionale Ansicht einer konstruktiven Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems 100 mit einer Heizeinheit 11 gezeigt. Die Heizeinheit 11 ist als Ethanolbrenner ausgestaltet und mündet in einen Heizabschnitt 12, der von einem Brennstoffzuführabschnitt 7 spiralförmig umgeben wird. Innerhalb des Heizabschnitts 12 ist eine Strömungsvorrichtung 14 angeordnet zur Strömungsbeeinfiussung bzw. -durchmischung zur besseren Wärmeübertragung von dem Heizabschnitt 12 auf den Brennstoff 6 in dem Brennstoffzuführabschnitt 7 stromaufwärts des Kathodenabschnitts K (nicht gezeigt). Der Oxidationskatalysator 16 ist ringförmig um den Heizabschnitt 12 und den Brennstoffzuführabschnitt 7 angeordnet und zur Wärmeübertragung an und von dem Heizabschnitt 12 und dem Brennstoffzuführabschnitt 7 ausgebildet. Stromabwärts des Oxidationskatalysators 16 ist eine Zuleitung zu einem ersten Wärmetaucher 21 und eine Zuleitung zu einem A three-dimensional view of a structural configuration of a fuel cell system 100 with a heating unit 11 is shown schematically in FIG. 2 . The heating unit 11 is designed as an ethanol burner and opens into a heating section 12 which is surrounded by a fuel supply section 7 in the form of a spiral. A flow device 14 is arranged inside the heating section 12 for flow influencing or mixing for better heat transfer from the heating section 12 to the fuel 6 in the fuel supply section 7 upstream of the cathode section K (not shown). The oxidation catalytic converter 16 is arranged in a ring shape around the heating section 12 and the fuel supply section 7 and is designed to transfer heat to and from the heating section 12 and the fuel supply section 7 . Downstream of the oxidation catalyst 16 is a feed line to a first heat exchanger 21 and a feed line to a
Reformerzuführabschnitt 18 einer Reformereinheit 20 angeordnet, Arranged reformer feed section 18 of a reformer unit 20,
In Fig. 3 ist schematisch eine Seitenansicht einer weiteren konstruktiven Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems 100 mit einer elektrischen Heizeinheit 171 gezeigt. Der Heizabschnitt 12 weist eine Strömungsvorrichtung 14 auf, Der Brennstoffzuführabschnitt 7 ist zur Erwärmung des Brennstoffs 6 durch den Heizabschnitt 12 innerhalb des Heizabschnitts 12 angeordnet. Ein ringförmiger Oxidationskatalysator 16 ist um die Heizeinheit 11 zum gegenseitigen FIG. 3 shows a schematic side view of a further constructional configuration of a fuel cell system 100 with an electric heating unit 171 . The heating section 12 has a flow device 14 . The fuel supply section 7 is arranged inside the heating section 12 for heating the fuel 6 by the heating section 12 . An annular oxidation catalyst 16 is around the heating unit 11 to the other
Wärmeaustausch mit der Heizeinheit 11 je nach Betriebszustand des Heat exchange with the heating unit 11 depending on the operating status of the
Brennstoffzellensystems 100 ausgebildet. Stromabwärts des Oxidationskatalysators 16 ist eine Zuleitung zu einem ersten Wärmetaucher 21 und eine Zuleitung zu einem Reformerzuführabschnitt 18 einer Reformereinheit 20 gezeigt. Gegebenenfalls kann auch auf die Zuleitungen verzichtet werden und einfach eine Verteilvorrichtung vorgesehen sein, welche gasförmiger Medium zu den oben genannten Elementen Fuel cell system 100 formed. A feed line to a first heat exchanger 21 and a feed line to a reformer feed section 18 of a reformer unit 20 are shown downstream of the oxidation catalytic converter 16 . If necessary, the supply lines can also be dispensed with and a distribution device can simply be provided which supplies the gaseous medium to the above-mentioned elements
sendet. sends.
In Fig. 4 ist schematisch ein Schaltbild eines Brennstoffzellensystems 100 mit einem Brennstoffzellenstapel 1 mit einem Anodenabschnitt A und einem Kathodenabschnitt K gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 100 weist weiter eine Heizeinheit 11 mit einem Heizabschnitt 12 zur Erhitzung von Brennstoff 6 im Brennstoffzuführabschnitt 7 auf, Der Heizabschnitt mündet Auidkommunizierend stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 1 In den Abluftabschnitt 4 und den Anodenabgasabführabschnitt 9, sodass eine Vermengung der Medien und damit eine Vermischung der Abluft 5 und des Anodenabgases 8 stromaufwärts des Oxidationskatalysators 16 erfolgt. Der Oxidationskatalysator 16 dient der Oxidationskatalytischen Nachverbrennung von hier beispielhaft Anodenabgas 8 und Abluft 5 stromabwärts des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels 1. Stromabwärts des Oxidationskatalysators 16 ist die heiRe Seite eines ersten Wärmetauschers 21 angeordnet, um auf der kalten Seite eines ersten Wärmetauschers 21 zugeführte Luft 2 in dem Luftzuführabschnitt 3 stromaufwärts des Kathodenabschnitts K durch die Wärme des Anodenabgases 8 und der Abluft 5 zu erhitzen. Der Oxidationskatalysator 16 ist derart ausgestaltet und angeordnet, dass eine Wärmeübertragung zwischen dem Oxidationskatalysator 16, dem Brennstoffzuführabschnitt 7 und dem Heizabschnitt 12 jeweils wechselseitig möglich ist. Eine Reformereinheit 20 kann auf verschiedene Art und Weise in das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 100 inkludiert werden. Anodenabgas 8 und Abluft 5 können zum einen direkt stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 1 von dem Abluftabschnitt 4 und dem Anodenabgasabführabschnitt 9 in Richtung der Reformereinheit 20 geführt werden oder zunächst durch einen Oxidationskatalysator 16 geführt werden und erst stromabwärts des Öxidationskatalysators 16 in Richtung der Reformereinheit 20 geführt werden. Weiter kann Anodenabgas 8 und die Abluft 5 dem Reformerzuführabschnitt 18 zur Erzeugung eines Mischgasverhältnisses für die Reformereinheit 20 zugeführt werden und/oder zusätzlich oder alternativ kann das FIG. 4 shows a circuit diagram of a fuel cell system 100 with a fuel cell stack 1 with an anode section A and a cathode section K. FIG. The fuel cell system 100 also has a heating unit 11 with a heating section 12 for heating fuel 6 in the fuel supply section 7. The heating section flows downstream of the fuel cell stack 1 into the exhaust air section 4 and the anode exhaust gas discharge section 9, so that the media are mixed and the exhaust air is mixed 5 and the anode exhaust gas 8 upstream of the oxidation catalyst 16 takes place. The oxidation catalytic converter 16 is used for the oxidation-catalytic post-combustion of, for example, anode exhaust gas 8 and exhaust air 5 downstream of the at least one fuel cell stack 1 To heat air supply section 3 upstream of the cathode section K by the heat of the anode exhaust gas 8 and the exhaust air 5 . The oxidation catalytic converter 16 is designed and arranged in such a way that heat transfer between the oxidation catalytic converter 16, the fuel supply section 7 and the heating section 12 is possible in each case in alternation. A reformer unit 20 can be included in the fuel cell system 100 according to the invention in various ways. Anode exhaust gas 8 and exhaust air 5 can be routed directly downstream of the fuel cell stack 1 from the exhaust air section 4 and the anode exhaust gas discharge section 9 in the direction of the reformer unit 20 or first through an oxidation catalytic converter 16 and only downstream of the oxidation catalytic converter 16 in the direction of the reformer unit 20. Furthermore, anode waste gas 8 and the waste air 5 can be fed to the reformer feed section 18 to generate a mixed gas ratio for the reformer unit 20 and/or additionally or alternatively the
Anodenabgas 8 und die Abluft 5 einem zweiten Wärmetauscher 22 an bzw. in der Anode waste gas 8 and the exhaust air 5 a second heat exchanger 22 on or in the
Reformereinheit 20 auf der heißen Seite zugeführt werden. Ein zweiter Wärmetauscher 22 an oder in der Reformereinheit 20 dient dem Wärmeaustausch von dem Anodenabgas 8 und der Abluft 5 an die Reformereinhelt 20 bzw. ein Medium in der Reformereinheit 20. Ein zweiter Wärmetauscher 22 kann als eigenständig ausgebildeter Wärmetauscher oder als eine andere Möglichkeit zur Wärmeübertragung zwischen dem Anodenabgas 8 und der Abluft 5 an die Reformereinheit 20 konstrulert sein. Reformer unit 20 are supplied on the hot side. A second heat exchanger 22 on or in the reformer unit 20 is used to exchange heat from the anode exhaust gas 8 and the exhaust air 5 to the reformer unit 20 or a medium in the reformer unit 20. A second heat exchanger 22 can be used as an independently designed heat exchanger or as another option for heat transfer be constructed between the anode exhaust gas 8 and the exhaust air 5 to the reformer unit 20.
Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere Gestaltungsgrundsätze zu. Dh. die Erfindung soll nicht auf die mit Bezug auf die In addition to the illustrated embodiments, the invention permits further design principles. Ie. the invention is not intended to relate to the
Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden. Figures explained embodiments are considered limited.
14 14
Bezugszeichenliste Reference List
1 Brennstoffzellenstapel 2 Luft 1 fuel cell stack 2 air
3 Luftzuführabschnitt 3 air supply section
4 Abluftabschnitt 4 exhaust section
5 Abluft 6 Brennstoff 7 Brennstoffzuführabschnitt 5 exhaust air 6 fuel 7 fuel supply section
8 Anodenabgas 9 Anodenabgasabführabschnitt 8 anode off-gas 9 anode off-gas discharge section
11 Heizeinheit 11 heating unit
12 Heizabschnitt 12 heating section
14 Strömungsvorrichtung 16 Oxidationskatalysator 14 flow device 16 oxidation catalyst
18 Reformerzuführabschnitt 18 reformer feed section
20 Reformereinheit 20 reformer unit
214 erster Wärmetauscher 22 zweiter Wärmetauscher 214 first heat exchanger 22 second heat exchanger
30 Verdampfereinheit 30 evaporator unit
100 Brennstoffzellensystem 100 fuel cell system
A Ancdenabschnitt K Kathodenabschnitt A anode section K cathode section
Claims (15)
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| ATA50447/2022A AT525583A1 (en) | 2022-06-23 | 2022-06-23 | Fuel cell system with heating unit |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| ATA50447/2022A AT525583A1 (en) | 2022-06-23 | 2022-06-23 | Fuel cell system with heating unit |
Publications (1)
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|---|---|
| AT525583A1 true AT525583A1 (en) | 2023-03-15 |
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| ATA50447/2022A AT525583A1 (en) | 2022-06-23 | 2022-06-23 | Fuel cell system with heating unit |
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Citations (3)
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-
2022
- 2022-06-23 AT ATA50447/2022A patent/AT525583A1/en not_active Application Discontinuation
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| REJ | Rejection |
Effective date: 20230915 |