DE10107019A1 - Fuel cell system with pressure matching has at least one of the devices for setting operating pressure of fuel cell arranged between reformer unit and fuel cell - Google Patents

Fuel cell system with pressure matching has at least one of the devices for setting operating pressure of fuel cell arranged between reformer unit and fuel cell

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Christoph Maume
Gert Hinsenkamp
Joerg Mayer
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Abstract

The system has at least one reformer unit (2) for generating reformat gas containing hydrogen, at least one fuel cell (4), at least one device (5) for setting the operating pressure of the reformer unit and at least one device (3,6) for setting the operating pressure of the fuel cell. At least one of the devices for setting the operating pressure of the fuel cell is arranged between the reformer unit and the fuel cell. Independent claims are also included for the following: a method of controling a fuel cell system.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit Druckanpassung, sowie ein Steuerungsverfahren für ein solches Brennstoffzellensystem.The present invention relates to a fuel cell system with pressure adjustment, as well a control method for such a fuel cell system.

Insbesondere in der Automobilindustrie ist die Verwendung von Wasserstoff zur Erzeugung elektrischer Energie mittels Brennstoffzellen bekannt. Der Wasserstoff, der für diese Verwendung benötigt wird kann aus einem flüssigen Kraftstoff gewonnen werden. Insbesondere finden Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Benzin oder Methanol, Anwendung. Der Wasserstoff wird aus diesen Kraftstoffen in sogenannten Reformern erhalten. In diesem Reformer wird der Kraftstoff in Kohlendioxid bzw. Kohlenmonoxid und Wasserstoff umgewandelt. Das Produkt des Reformers ist somit ein wasserstoffreiches Gas, welches einer Brennstoffzelle zugeführt werden kann und dort in Strom umgesetzt wird.The use of hydrogen is particularly important in the automotive industry Generation of electrical energy using fuel cells is known. The hydrogen, the needed for this use can be obtained from a liquid fuel become. In particular, find hydrocarbons, such as gasoline or Methanol, application. The hydrogen is made from these fuels in so-called Receive reformers. In this reformer, the fuel is converted into carbon dioxide or Converted carbon monoxide and hydrogen. The product of the reformer is therefore a hydrogen-rich gas, which can be fed to a fuel cell and in there Electricity is implemented.

In der Regel wird eine Reformereinheit verwendet, die aus einem Reformer, Shift-Stufen und einer CO-Reinigung besteht. Üblicherweise werden die Reformereinheit und die Brennstoffzelle auf etwa dem gleichen Druckniveau betrieben. Der Betriebsdruck der Reformereinheit liegt dabei meist ein wenig über dem der Brennstoffzelle, um den Druckverlust, der in der Reformereinheit auftreten kann, zu berücksichtigen.Usually a reformer unit is used, which consists of a reformer, shift stages and there is CO cleaning. Usually the reformer unit and the Fuel cell operated at about the same pressure level. The operating pressure of the The reformer unit is usually a little higher than that of the fuel cell Pressure loss that can occur in the reformer unit must be taken into account.

In WO 99/60646 ist ein Brennstoffzellensystem beschrieben, bei dem der Kathoden- und der Anodenseite einer Brennstoffzelle ein gleicher Druck angeboten werden kann, indem für die Verdichtung der der Reformereinheit und der Kathodenseite der Brennstoffzelle zugeführten Luft ein zweistufiger Verdichter zugeordnet ist. Hierdurch werden der Druck in der Reformereinheit und in der Brennstoffzelle in ein festes Verhältnis gesetzt, das sich durch den in der Reformereinheit zu erwartenden Druckverlust bestimmt.WO 99/60646 describes a fuel cell system in which the cathode and the anode side of a fuel cell can be offered an equal pressure by for the compression of the reformer unit and the cathode side of the fuel cell air supplied is assigned a two-stage compressor. This will reduce the pressure in the reformer unit and in the fuel cell in a fixed ratio that is determined by the pressure loss to be expected in the reformer unit.

Wird eine Reformereinheit bei geringen Betriebsdrücken gefahren, ist allerdings das Volumen und das Gewicht der Reformereinheit extrem hoch. Die Erhöhung des Betriebsdruckes der Reformereinheit würde zwar zu einer Verringerung des Gewichts und des Volumens der Reformereinheit führen. Andererseits ist zu beachten, dass die Reformereinheit und die Brennstoffzelle durch die Zuführung des Reformatgases an die Brennstoffzelle miteinander verbunden sind und so in etwa der Druck, des aus der Reformereinheit austretenden Gases, an der Anodenseite der Brennstoffzelle anliegt. Wird daher der Druck in der Reformereinheit erhöht, so muss der Betriebsdruck in der Brennstoffzelle diesem erhöhten Druckniveau angepasst werden. Dies wird erreicht, indem der Brennstoffzelle an der Kathodenseite Luft zugeführt wird, die auf das gewünschte Druckniveau verdichtet wurde und über eine Druckhaltevorrichtung geregelt wird. Bei Erhöhung des Druckniveaus in der Reformereinheit wird daher ein hoher Energieaufwand für die Verdichtung der Luft notwendig. Der Durchsatz an Luft in der Brennstoffzelle ist relativ hoch und daher müssten große Mengen an Luft vor der Einführung in die Brennstoffzelle verdichtet werden. Auch wenn die von der Brennstoffzelle selbst erzeugte Leistung für die Verdichtung der Luft verwendet wird, bedeutet dies doch eine erhebliche Verringerung des Wirkungsgrades des Brennstoffzellensystems, da ein Großteil der von der Brennstoffzelle erzeugten Leistung von einem Kompressor zur Verdichtung der Luft aufgezehrt würde.However, if a reformer unit is operated at low operating pressures, this is the case Volume and weight of the reformer unit extremely high. The increase in  Operating pressure of the reformer unit would reduce the weight and the volume of the reformer unit. On the other hand, it should be noted that the Reformer unit and the fuel cell by supplying the reformate gas to the Fuel cells are connected to each other and so is approximately the pressure that comes from the Reformer unit emerging gas, on the anode side of the fuel cell. Therefore, if the pressure in the reformer unit is increased, the operating pressure in the Fuel cell can be adapted to this increased pressure level. This is achieved by supplying air to the fuel cell on the cathode side which is directed to the desired pressure level was compressed and regulated via a pressure maintaining device becomes. As the pressure level in the reformer unit increases, the pressure becomes higher Energy expenditure necessary for the compression of the air. The flow of air in the Fuel cell is relatively high and therefore large amounts of air would have to be in front of it Introduction to the fuel cell. Even if that of the Fuel cell self-generated power is used for air compression this means a significant reduction in the efficiency of the Fuel cell system, since much of the power generated by the fuel cell would be consumed by a compressor to compress the air.

Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, bei dem das Volumen und das Gewicht des Systems, insbesondere der Reformereinheit soweit wie möglich reduziert werden kann und gleichzeitig ein hoher Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems erzielt werden kann.The object of the invention is therefore to provide a fuel cell system in which Volume and weight of the system, especially the reformer unit as far as possible can be reduced and at the same time a high efficiency of the Fuel cell system can be achieved.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass diese Aufgabe durch eine gezielte Entkopplung der Betriebsdrücke der Reformereinheit und der Brennstoffzelle gelöst werden kann.The invention is based on the finding that this task is carried out by a targeted Decoupling of the operating pressures of the reformer unit and the fuel cell solved can be.

Diese Aufgabe wird daher erfindungsgemäß durch ein Brennstoffzellensystem, wie in Anspruch 1 definiert gelöst. Demnach umfasst das Brennstoffzellensystem mindestens eine Reformereinheit, zur Erzeugung von wasserstoffhaltigem Reformatgas, und mindestens eine Brennstoffzelle, sowie mindestens eine Vorrichtung zum Einstellen des Betriebsdrucks der Reformereinheit und mindestens eine Vorrichtung zum Einstellen des Betriebsdrucks der Brennstoffzelle, wobei mindestens eine der Vorrichtungen zum Einstellen des Betriebsdrucks der Brennstoffzelle zwischen der Reformereinheit und der Brennstoffzelle zwischengeschaltet ist. This object is therefore achieved according to the invention by a fuel cell system, as in Claim 1 defined solved. Accordingly, the fuel cell system comprises at least a reformer unit for generating hydrogen-containing reformate gas, and at least one fuel cell, and at least one device for adjusting the Operating pressure of the reformer unit and at least one device for adjusting the Operating pressure of the fuel cell, at least one of the devices for Setting the operating pressure of the fuel cell between the reformer unit and the Fuel cell is interposed.  

Unter Einstellen eines Betriebsdrucks ist im Sinne dieser Erfindung das Erhöhen oder Verringern eines bestehenden Druckes zu verstehen. Die Vorrichtungen zur Einstellung der Betriebsdrücke in den Einheiten des Brennstoffzellensystems sind daher nicht unbedingt solche Vorrichtungen, die ein Gas von Normaldruck auf ein anderes Druckniveau bringen.In the context of this invention, increasing or reducing the operating pressure Understand an existing pressure. The adjustment devices the operating pressures in the units of the fuel cell system are therefore not necessarily such devices that one gas from normal pressure to another Bring pressure level.

Durch dieses Brennstoffzellensystem ist der Betriebsdruck der Reformereinheit von dem Betriebsdruck in der Brennstoffzelle entkoppelt. Die Drücke können unabhängig voneinander eingestellt werden und so die jeweils idealen Betriebsbedingungen in der Reformereinheit und der Brennstoffzelle realisiert werden, ohne dass dadurch negative Auswirkungen auf die jeweils andere Systemeinheit zu befürchten sind. Der Druck in der Reformereinheit kann so gewählt werden, dass insbesondere das Volumen und das Gewicht der Reformereinheit gering gehalten werden kann. Weiterhin kann der Druck in der Reformereinheit an den Durchsatz gekoppelt werden, wodurch eine Erhöhung der Lastspreizung erzielt wird und eine Optimierung der Kontaktzeit zwischen dem Gasgemisch aus den Reaktionspartnern und einem in dem Reformer vorgesehenen Katalysator erreicht werden kann.Through this fuel cell system, the operating pressure of the reformer unit is from that Operating pressure decoupled in the fuel cell. The pressures can be independent can be set from each other and so the ideal operating conditions in each case Reformer unit and the fuel cell can be realized without causing negative Effects on the other system unit are to be feared. The pressure in the Reformer unit can be selected so that in particular the volume and Weight of the reformer unit can be kept low. Furthermore, the pressure in the reformer unit to be coupled to the throughput, thereby increasing the Load spreading is achieved and an optimization of the contact time between the Gas mixture from the reactants and one provided in the reformer Catalyst can be achieved.

Vorzugsweise stellt die Vorrichtung zum Einstellen des Betriebsdrucks in der Brennstoffzelle, die zwischen der Reformereinheit und der Brennstoffzelle geschaltet ist, eine Drosselvorrichtung dar. Hierdurch kann in der Reformereinheit ein hoher Betriebsdruck eingestellt werden, ohne dass auch die, der Reformereinheit nachgeschaltete, Brennstoffzelle bei hohen Drücken betrieben werden muss. Dies hat unter anderem den Vorteil, dass die der Brennstoffzelle zugeführte Luft nicht auf hohe Drücke verdichtet werden muss und so der Energiebedarf für die Verdichtung der Luft für die Brennstoffzelle gering gehalten werden kann. Weiterhin wird durch das Vorsehen einer Drosselvorrichtung zwischen der Reformereinheit und der Brennstoffzelle ein Druckgefälle erzeugt, wodurch die Reformereinheit eine gewisse Speicherfunktion einnehmen kann. Die Dynamik des Brennstoffzellensystems kann dadurch erheblich verbessert werden.Preferably, the device for adjusting the operating pressure in the Fuel cell, which is connected between the reformer unit and the fuel cell, represents a throttle device. As a result, a high Operating pressure can be set without the reformer unit downstream, fuel cell must be operated at high pressures. this has Among other things, the advantage that the air supplied to the fuel cell is not high Pressures must be compressed and so the energy requirement for the compression of the air the fuel cell can be kept low. Furthermore, by providing a throttle device between the reformer unit and the fuel cell Pressure drop generated, which gives the reformer unit a certain memory function can take. The dynamics of the fuel cell system can be significant be improved.

Die Drosselvorrichtung kann beispielsweise einen Expander darstellen. Bei dieser Ausführungsform kann die Druckenergie, die bei der Druckreduzierung an dem Expander frei wird, wiedergewonnen werden und anderen Verwendungen in dem Brennstoffzellensystem zugeführt werden. Diese Energie kann beispielsweise für eine gegebenenfalls vorgesehene Verdichtung der Luft, die der Brennstoffzelle zugeführt wird, verwendet werden.The throttle device can represent an expander, for example. At this Embodiment can reduce the pressure energy that occurs when reducing pressure on the expander becomes free, can be recovered and other uses in the  Fuel cell system are supplied. This energy can be used, for example optionally provided compression of the air that is fed to the fuel cell, be used.

Zum Einstellen des Betriebsdrucks der Reformereinheit wird vorzugsweise ein Kompressor verwendet, durch den beispielsweise die Luft, die in die Reformereinheit eingebracht wird, verdichtet werden kann. Dadurch kann in der Reformereinheit, insbesondere in dem Reformer, ein für die Umsetzung von Wasser, Luft und Kraftstoff erhöhter Druck eingestellt werden. Der Betriebsdruck der Reformereinheit kann in dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem somit durch eine Vorrichtung, vorzugsweise einen Kompressor, eingestellt werden, der in der Luftzuführung zu der Reformereinheit vorgesehen ist.A is preferably used to set the operating pressure of the reformer unit Compressor used, for example, by the air that enters the reformer unit is introduced, can be compressed. As a result, in the reformer unit, especially in the reformer, one for the implementation of water, air and fuel increased pressure can be set. The operating pressure of the reformer unit can be in the Fuel cell system according to the invention thus by a device, preferably a compressor, set in the air supply to the reformer unit is provided.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems wird außer der zwischen der Reformereinheit und der Brennstoffzelle vorgesehenen Vorrichtung, z. B. eines Expanders, eine weitere Vorrichtung zum Einstellen des Betriebsdrucks der Brennstoffzelle vorgesehen. Diese stellt vorzugsweise einen Kompressor und eine Druckhaltevorrichtung dar und ist in der Luftzuführung zu der Kathodenseite der Brennstoffzelle vorgesehen. Über diese Anordnung kann die der Brennstoffzelle zugeführte Luft auf etwa das gleiche Druckniveau gebracht werden, mit dem das Reformatgas der Anodenseite der Brennstoffzelle zugeführt wird.In one embodiment of the fuel cell system according to the invention, the device provided between the reformer unit and the fuel cell, z. B. an expander, another device for adjusting the operating pressure of the Fuel cell provided. This is preferably a compressor and a Pressure holding device and is in the air supply to the cathode side of the Fuel cell provided. This arrangement enables the fuel cell supplied air are brought to about the same pressure level with which the Reformate gas is supplied to the anode side of the fuel cell.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems, bei dem Wasser, Kraftstoff und Luft als Reaktionspartner in eine Reformereinheit geleitet werden gelöst, wobei der Druck der zugeführten Luft vor dem Einbringen in die Reformereinheit auf ein bestimmtes Druckniveau gebracht wird, und das die Rerformereinheit verlassende wasserstoffhaltige Reformatgas auf ein gewünschtes Druckniveau gebracht wird, bevor es in die Brennstoffzelle eingeführt wird. Der Druck der in der Brennstoffzelle anliegt kann so, unabhängig von dem in der Reformereinheit herrschenden Betriebsdruck, eingestellt werden. Vorzugsweise ist der in der Reformereinheit eingestellte Druck höher, als der in der Brennstoffzelle eingestellte Druck. Der Druck des Reformatgases wird daher vor dem Einbringen in die Brennstoffzelle gesenkt. Dadurch kann ein Druckgefälle erzielt werden, das für das Betreiben des Brennstoffzellensystems vorteilhaft genutzt werden kann. The object underlying the invention is further achieved by a method for Control of a fuel cell system in which water, fuel and air act as Reactants are passed into a reformer unit, the pressure of the air supplied to a specific one before being introduced into the reformer unit Is brought pressure level, and that leaving the reformer unit containing hydrogen Reformate gas is brought to a desired pressure level before it enters the Fuel cell is introduced. The pressure in the fuel cell can be independent of the operating pressure prevailing in the reformer unit become. The pressure set in the reformer unit is preferably higher than that in pressure set in the fuel cell. The pressure of the reformate gas is therefore before Introduced into the fuel cell lowered. This allows a pressure drop to be achieved that can be used advantageously for operating the fuel cell system.  

Um einen Druck in der Brennstoffzelle einstellen zu können, der über dem Normaldruck liegt und Druckdifferenzen zwischen der Kathoden und der Anodenseite der Brennstoffzelle gering zu halten, wird bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens der Brennstoffzelle an der Kathodenseite Luft zugeführt, die vor dem Einbringen einer Druckerhöhung unterzogen wurde. Eine Druckhaltevorrichtung ermöglicht dabei das exakte Einstellen von Drücken unabhängig vom Durchsatz.In order to be able to set a pressure in the fuel cell that is above normal pressure lies and pressure differences between the cathode and the anode side of the Keeping the fuel cell low is one embodiment of the invention Process of the fuel cell on the cathode side air supplied before the Introducing a pressure increase was subjected. A pressure maintenance device enables the exact setting of pressures regardless of the throughput.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnung beschrieben, wobei:The invention is described below with reference to the accompanying drawings, in which:

Fig. 1: ein schematisches Blockschaubild einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems zeigt. Fig. 1: shows a schematic block diagram of an embodiment of the fuel cell system of the invention.

Wie sich aus Fig. 1 ergibt, weist das Brennstoffzellensystem 1 bei dieser Ausführungsform eine Reformereinheit 2, eine Brennstoffzelle 4, sowie einen Expander 3 und zwei Kompressoren 5 und 6 auf. Die Reformereinheit 2 weist einen Eingang für Wasser und für Kraftstoff auf. In der dargestellten Ausführungsform ist dieser Eingang als ein gemeinsamer Eingang für diese beiden Reaktionspartner dargestellt. Es liegt aber auch im Sinne der Erfindung Wasser und Kraftstoff über separate Eingänge in die Reformereinheit 2 einzubringen, wobei in den Zuführungsleitungen für diese Reaktionspartner weitere Vorrichtungen, wie beispielsweise Verdichtet bei gasförmigem Kraftstoff oder Erwärmungsvorrichtungen, vorgesehen sein können. Weiterhin weist die Reformereinheit 2 einen Eingang für Luft auf. In der Luftzuführungsleitung 7 zu der Reformereinheit 2 ist in der dargestellten Ausführungsform eine Kompressor 5 angeordnet.As is apparent from Fig. 1, the fuel cell system 1 in this embodiment, a reforming unit 2, a fuel cell 4, and an expander 3, and two compressors 5 and 6. The reformer unit 2 has an input for water and for fuel. In the embodiment shown, this input is shown as a common input for these two reaction partners. However, it is also within the scope of the invention to introduce water and fuel into the reformer unit 2 via separate inputs, it being possible for further devices, for example compressed in the case of gaseous fuel or heating devices, to be provided in the feed lines for these reactants. Furthermore, the reformer unit 2 has an input for air. In the embodiment shown, a compressor 5 is arranged in the air supply line 7 to the reformer unit 2 .

Die Brennstoffzelle 4 weist eine Kathodenseite 42 und eine Anodenseite 41 auf, wobei die Anodenseite 41 mit dem Ausgang der Reformereinheit 2 über den Expander 3 verbunden ist und an der Kathodenseite 42 eine Luftzuführungsleitung 8 vorgesehen ist. In der Luftzuführungsleitung 8 zu der Kathodenseite 42 der Brennstoffzelle 4 ist ein Kompressor 6 angeordnet.The fuel cell 4 has a cathode side 42 and an anode side 41 , the anode side 41 being connected to the outlet of the reformer unit 2 via the expander 3 and an air supply line 8 being provided on the cathode side 42 . A compressor 6 is arranged in the air supply line 8 to the cathode side 42 of the fuel cell 4 .

Um zudem in der Brennstoffzelle 4 einen erhöhten Betriebsdruck aufbauen zu können, sind zusätzliche Druckhaltevorrichtungen 411, 421 vorgesehen, die in den Austrittsleitungen der Brennstoffzelle 4 angeordnet sind. Diese Druckhaltevorrichtungen 411, 421 wirken dabei als Vordruckregler und können als Expander oder Druckregelventil ausgeführt sein.In order to also be able to build up an increased operating pressure in the fuel cell 4 , additional pressure holding devices 411 , 421 are provided, which are arranged in the outlet lines of the fuel cell 4 . These pressure-maintaining devices 411 , 421 act as admission pressure regulators and can be designed as expanders or pressure regulating valves.

Das Verfahren zur Steuerung dieses Brennstoffzellensystems wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 1 beschrieben.The method for controlling this fuel cell system is described below with reference to FIG. 1.

In die Reformereinheit 2 werden über die Zuleitung für Wasser und Kraftstoff sowie über die Luftzuführungsleitung 7 die Reaktionspartner dosiert. Die Zugabe, insbesondere der geringen Menge an Luft, erfolgt hierbei vorzugsweise im Druckbereich von drei bis fünf bar. Diese Reaktionspartner werden in dem Reformer umgewandelt und gegebenenfalls weiteren Verfahrensschritten, wie der CO-Konvertierung und einer selektiven Oxidation, unterzogen. Das so erhaltene wasserstoffreiche Reformatgas verlässt die Reformereinheit 2 und wird an einen Expander 3 geleitet, an dem es auf ein gewünschtes Druckniveau gebracht werden kann. Das Druckniveau, das durch den Expander 3 eingestellt werden soll, bestimmt sich durch den Betriebsdruck mit dem die Brennstoffzelle 4 gefahren werden soll. Dieser sollte vorzugsweise gering sein, um ein Verdichten der für die Reaktion in der Brennstoffzelle notwendigen Luft auf ein Minimum reduzieren zu können und den so Energieverbrauch für das Verdichten zu minimieren. Die Brennstoffzelle kann beispielsweise bei einem Druck von etwa 2 bar betrieben werden.The reactants are metered into the reformer unit 2 via the supply line for water and fuel and via the air supply line 7 . The addition, in particular the small amount of air, is preferably carried out in the pressure range from three to five bar. These reactants are converted in the reformer and optionally subjected to further process steps, such as CO conversion and selective oxidation. The hydrogen-rich reformate gas obtained in this way leaves the reformer unit 2 and is passed to an expander 3 , where it can be brought to a desired pressure level. The pressure level that is to be set by the expander 3 is determined by the operating pressure at which the fuel cell 4 is to be operated. This should preferably be low in order to be able to reduce compression of the air necessary for the reaction in the fuel cell to a minimum and thus to minimize the energy consumption for the compression. The fuel cell can be operated, for example, at a pressure of approximately 2 bar.

Das Reformatgas, das den Expander 3 verlässt, wird an der Anodenseite 41 der Brennstoffzelle 4 zugeführt. Von der Kathodenseite 42 wird die Brennstoffzelle 4 mit Luft versorgt, die in der dargestellten Ausführungsform über einen Kompressor 6 auf das gewünschte Druckniveau, vorzugsweise auf etwa das Druckniveau mit dem das Reformatgas den Expander 3 verlässt, gebracht wurde.The reformate gas leaving the expander 3 is fed to the fuel cell 4 on the anode side 41 . The fuel cell 4 is supplied with air from the cathode side 42 , which in the embodiment shown was brought to the desired pressure level, preferably to the pressure level at which the reformate gas leaves the expander 3 , via a compressor 6 .

Wie sich aus dieser Beschreibung ergibt kann mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem das Betreiben der Brennstoffzelle und der Reformereinheit optimiert werden. Der Druck für die Reformereinheit kann eingestellt werden, ohne dass dadurch der Druck, der in der Brennstoffzelle anliegt, automatisch mitbestimmt wird. Vielmehr lässt sich dieser letztgenannte Druck separat über die Drosselvorrichtung zwischen Reformereinheit und Brennstoffzelle bestimmen. Die Reformereinheit kann daher mit sehr hohen Drücken betrieben werden, ohne dass auch die Brennstoffzelle bei einem so hohen Druckniveau gefahren werden muss. Die Energie, die zur Verdichtung der in die Brennstoffzelle einzubringenden Luft benötigt wird kann minimiert werden. Dies ist von besonderer Bedeutung, da die der Brennstoffzelle zuzuführende Luftmenge relativ groß ist.As can be seen from this description, with the invention Fuel cell system the operation of the fuel cell and the reformer unit be optimized. The pressure for the reformer unit can be adjusted without this automatically determines the pressure that is present in the fuel cell. Rather, this latter pressure can be separately via the throttle device between the reformer unit and the fuel cell. The reformer unit can can therefore be operated at very high pressures without the fuel cell must be driven at such a high pressure level. The energy required for compaction  The air that is to be introduced into the fuel cell can be minimized. This is of particular importance since the amount of air to be fed to the fuel cell is relative is great.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann die, für die Verdichtung der Luft für die Brennstoffzelle benötigte, Energie zumindest teilweise aus der Rückgewinnung der Druckenergie aus dem Reformatgas bereitgestellt werden. Hierbei kann ein als Drosselvorrichtung wirkender Expander, der zwischen der Reformereinheit und der Brennstoffzelle angeordnet ist, mit dem Verdichter, insbesondere einem Kompressor, der der Kathodenseite der Brennstoffzelle vorgeschaltet ist, verbunden sein. Die bei der Expansion des Reformatgases gewonnene Energie kann aber auch anderen Verwendungen innerhalb des Brennstoffzellensystems zugeführt werden. Durch diese Rückgewinnung und Verwendung der Energie innerhalb des Brennstoffzellensystems kann der Wirkungsgrad des Systems erheblich gesteigert werden. Es ist aber auch möglich die rückgewonnene Energie Verwendungen außerhalb des Brennstoffzellensystems zuzuführen.In a preferred embodiment, the, for the compression of the air for the Fuel cells required energy at least partially from the recovery of the Pressure energy can be provided from the reformate gas. Here, a as Throttle device acting expander between the reformer unit and the Fuel cell is arranged with the compressor, in particular a compressor, the is connected upstream of the cathode side of the fuel cell. The at the Expansion of the reformate gas gained energy can also others Uses are supplied within the fuel cell system. Through this Recovery and use of energy within the fuel cell system the efficiency of the system can be increased significantly. It is also possible the recovered energy uses outside of the Feed fuel cell system.

Claims (11)

1. Brennstoffzellensystem (1), das mindestens eine Reformereinheit (2), zur Erzeugung von wasserstoffhaltigem Reformatgas, und mindestens eine Brennstoffzelle (4), sowie mindestens eine Vorrichtung (5) zum Einstellen des Betriebsdrucks der Reformereinheit und mindestens eine Vorrichtung (3, 6) zum Einstellen des Betriebsdrucks der Brennstoffzelle aufweist, wobei mindestens eine der Vorrichtungen (3) zum Einstellen des Betriebsdruck der Brennstoffzelle (4) zwischen der Reformereinheit (2) und der Brennstoffzelle (4) zwischengeschaltet ist.1. fuel cell system ( 1 ), the at least one reformer unit ( 2 ) for generating hydrogen-containing reformate gas, and at least one fuel cell ( 4 ), and at least one device ( 5 ) for adjusting the operating pressure of the reformer unit and at least one device ( 3 , 6 ) for setting the operating pressure of the fuel cell, at least one of the devices ( 3 ) for setting the operating pressure of the fuel cell ( 4 ) being interposed between the reformer unit ( 2 ) and the fuel cell ( 4 ). 2. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Einstellen des Betriebsdrucks in der Brennstoffzelle (4), die zwischen der Reformereinheit (2) und der Brennstoffzelle (4) geschaltet ist, eine Drosselvorrichtung (3) darstellt.2. Fuel cell system ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the device for adjusting the operating pressure in the fuel cell ( 4 ), which is connected between the reformer unit ( 2 ) and the fuel cell ( 4 ), represents a throttle device ( 3 ). 3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Expander (3) darstellt.3. Fuel cell system according to claim 2, characterized in that the device is an expander ( 3 ). 4. Brennstoffzellensystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (5) zum Einstellen des Betriebsdrucks der Reformereinheit einen Kompressor darstellt.4. Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the device ( 5 ) for setting the operating pressure of the reformer unit is a compressor. 5. Brennstoffzellensystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (5) zum Einstellen des Betriebsdrucks der Reformereinheit (2) in der Luftzuführung (7) zu der Reformereinheit (2) vorgesehen ist.5. Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the device ( 5 ) for adjusting the operating pressure of the reformer unit ( 2 ) in the air supply ( 7 ) to the reformer unit ( 2 ) is provided. 6. Brennstoffzellensystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung (6) zum Einstellen des Betriebsdrucks der Brennstoffzelle (4) einen Kompressor (6) darstellt und in der Luftzuführung (8) zu der Brennstoffzelle (4) an der Kathodenseite (42) der Brennstoffzelle (4) vorgesehen ist.6. Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that a device ( 6 ) for adjusting the operating pressure of the fuel cell ( 4 ) represents a compressor ( 6 ) and in the air supply ( 8 ) to the fuel cell ( 4 ) on the cathode side ( 42 ) of the fuel cell ( 4 ) is provided. 7. Verfahren zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems, bei dem Wasser, Kraftstoff und Luft als Reaktionspartner in eine Reformereinheit (2) geleitet werden, wobei der Druck der zugeführten Luft vor dem Einbringen in die Reformereinheit auf ein bestimmtes Druckniveau gebracht wird, und das die Rerformereinheit (2) verlassende wasserstoffhaltige Reformatgas auf ein gewünschtes Druckniveau gebracht wird, bevor es in die Brennstoffzelle (4) eingeführt wird.7.Method for controlling a fuel cell system, in which water, fuel and air are passed as reaction partners into a reformer unit ( 2 ), the pressure of the air supplied being brought to a certain pressure level before being introduced into the reformer unit, and the reformer unit ( 2 ) leaving hydrogen-containing reformate gas is brought to a desired pressure level before it is introduced into the fuel cell ( 4 ). 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Reformatgases vor dem Einbringen in die Brennstoffzelle (4) gesenkt wird.8. The method according to claim 7, characterized in that the pressure of the reformate gas is reduced before being introduced into the fuel cell ( 4 ). 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzelle (4) an der Kathodenseite (42) Luft zugeführt wird, die vor dem Einbringen einer Druckerhöhung unterzogen wurde.9. The method according to any one of claims 7 or 8, characterized in that the fuel cell ( 4 ) on the cathode side ( 42 ) air is supplied, which was subjected to a pressure increase before introduction. 10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reformereinheit (2) mit einem höheren Betriebsdruck als die Brennstoffzelle (4) betrieben wird, wobei das Volumen der Reformereinheit einen Speicher für wasserstoffreiches Gas und somit einen Energiepuffer für einen dynamischen Betrieb des Brennstoffzellensystems bildet.10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the reformer unit ( 2 ) is operated at a higher operating pressure than the fuel cell ( 4 ), the volume of the reformer unit being a storage for hydrogen-rich gas and thus an energy buffer for dynamic operation of the Fuel cell system forms. 11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in der Reformereinheit (2) derart an die Lastanforderung anpassbar ist, daß ein großer Lastbereich/eine große Lastspreizung erreicht wird.11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the pressure in the reformer unit ( 2 ) can be adapted to the load requirement such that a large load range / a large load spread is achieved.
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WO2018033287A1 (en) * 2016-08-19 2018-02-22 Robert Bosch Gmbh Fuel cell device

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