DE102005061536A1

DE102005061536A1 - Fuel cell system comprises units on the waste gas side for reducing cathode waste gas leaving the fuel cell unit to an amount to be fed to a burner of a burner arrangement and to be mixed with the anode waste gas

Info

Publication number: DE102005061536A1
Application number: DE102005061536A
Authority: DE
Inventors: Hans-Richard Dipl.-Ing. Kessler; Gerhard Dr.-Ing. Konrad; Marc Dr.-Ing. Sommer
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2007-05-03

Abstract

Fuel cell system comprises units on the waste gas side for reducing cathode waste gas leaving the fuel cell unit to an amount to be fed to a burner (24) of a burner arrangement (23) and to be mixed with the anode waste gas.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennereinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a fuel cell system with a burner device according to the preamble of claim 1.

Brennstoffzellen setzen den ihnen zur Verfügung gestellten Wasserstoff nicht vollständig um, d.h. die Wasserstoffzugabe erfolgt überstöchiometrisch. Die Menge des nicht umgesetzten Wasserstoffs muss vor Abgabe an die Umwelt soweit reduziert werden, dass Zertifizierungsvorschriften eingehalten werden. Insbesondere muss das Unterschreiten der unteren Explosionsgrenze in Luft sichergestellt werden. Zur Wirkungsgradsteigerung durch eine Rückgewinnung. von Energie in einer Verdichter/Expander-Einheit ist es sinnvoll, den von der Brennstoffzelle emittierten Wasserstoff möglichst vollständig zu verwerten, was mit Hilfe eines katalytischen. Brenners bewerkstelligt werden kann. Es zeigt sich jedoch, dass hierzu eine Mindest-Wasserstoffkonzentration im Gemisch Wasserstoff/Kathodenabgas notwendig ist, die den Wirkungsgrad des Gesamtsystems verschlechtert.fuel cells put that at your disposal did not completely convert hydrogen, i. the hydrogen addition is superstoichiometric. The Amount of unreacted hydrogen must be before delivery to the Environment as far as being reduced to that certification regulations be respected. In particular, falling below the lower Explosion limit in air can be ensured. To increase efficiency through a recovery. of energy in a compressor / expander unit it makes sense the hydrogen emitted by the fuel cell as possible Completely to recycle what with the help of a catalytic. Brenners accomplished can be. However, it turns out that this is a minimum hydrogen concentration in the mixture of hydrogen / cathode exhaust gas is necessary, the efficiency of the overall system deteriorates.

Weiterhin ist die Reduzierung von Kosten für die Brennstoffzellenstapel-Bruttoleistung, der Leistung der Elektromaschine für die Verdichter/Expander-Einheit und zur Reduzierung der Kühlanforderungen wünschenswert. Hierzu ist die Erzeugung heißen Abgases erforderlich, welches in der Verdichter/Expander-Einheit entspannt wird und so zu einer Steigerung der Nettoleistung führt. Zu diesem Zweck muss die Wasserstoffzufuhr zu einer Brennereinheit erhöht werden, was durch eine zusätzliche Dosiereinrichtung oder durch Erhöhung der Wasserstoffüberstöchiometrie auf der Anodenseite oder durch eine Erhöhung der Purgerate bewerkstelligt werden kann. Der zusätzliche Wasserstoff muss dem Brenner so zugeführt werden, dass es zu keinem Zeitpunkt zur Bildung von schädlichen Emissionen, insbesondere Stickoxiden, kommen kann.Farther is the reduction of costs for the Fuel cell stack gross output, the power of the electric machine for the Compressor / expander unit and to reduce the cooling requirements desirable. This is the production of hot exhaust gas required, which relaxes in the compressor / expander unit will lead to an increase in net output. To For this purpose, the hydrogen supply to a burner unit must be increased, which by an additional Dosing device or by increasing the hydrogen superstoichiometry on the anode side or by increasing the Purgerate done can be. The additional Hydrogen must be supplied to the burner so that it does not lead to any Timing of the formation of harmful Emissions, especially nitrogen oxides, may come.

Aus der Offenlegungsschrift DE 102 01 668 A1 ist zur Reduzierung der Wasserstoffkonzentration im Abgas, das sich aus dem aus dem Anodenabschnitt strömenden, von der Brennstoffzelle nicht umgesetzten Wasserstoff sowie dem Kathodenabgas zusammensetzt, ein katalytischer Brenner beschrieben. Diesem wird das beschriebene Gasgemisch vollständig durchgemischt zugegeben. Es zeigt sich, dass die zum Aktivieren des katalytischen Brenners bzw. zu einer vollständigen Umsetzung des Wasserstoffs notwendigen Mindest-Wasserstoffkonzentration in einem Bereich liegt, der einer sehr hohen Purgerate bzw. eine, Betrieb der Anodenseite mit sehr hoher Wasserstoffüberstöchiometrie entspricht, was den Wirkungsgrad des Gesamtsystems reduziert.From the publication DE 102 01 668 A1 is for reducing the hydrogen concentration in the exhaust gas, which consists of the flowing from the anode portion, not reacted by the fuel cell hydrogen and the cathode exhaust, a catalytic burner described. This is the mixed gas described completely mixed. It turns out that the minimum hydrogen concentration necessary for activating the catalytic burner or for complete conversion of the hydrogen is within a range which corresponds to a very high purge rate or operation of the anode side with a very high hydrogen superstoichiometry, which reduces the efficiency of the Overall system reduced.

Aus der Offenlegungsschrift EP 1 156 545 A2 ist bekannt, die Nettoleistung eines Brennstoffzellensystems durch Dosierung von Brennstoff in einen katalytischen Brenner oder durch Erhöhung des von der Brennstoffzelle nicht umgesetzten Wasserstoffs durch Erhöhung der Wasserstoffüberstöchiometrie auf der Anodenseite und anschließender Zugabe des heißen Produktgases auf einen mit einem Verdichter gekoppelten Expander gesteigert wird, was einen so genannten Boostbetrieb ergibt. Als besonders vorteilhaften erweist sich die Reduzierung der Brennstoffzellenbruttoleistung bei gleicher Nettoleistung des Gesamtsystems. Hierdurch und durch die mögliche Reduzierung der Leistung der Elektromaschine der Verdichter/Expander-Einheit werden die Kosten eines Brennstoffzellensystems signifikant reduziert. Weiterhin ist vorteilhaft die Reduzierung der am Fahrzeugkühler abzuführenden Wärme. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass nur so viel Brennstoff dem katalytischen Brenner zugeführt wird, dass die Temperatur des Produktgases unter eines für die Entstehung von unerwünschten Emissionen, wie etwa Stickoxiden, kritischen Werts bleibt. Der Gewinn an Nettoleistung wird also durch diese Randbedingungen eingeschränkt.From the publication EP 1 156 545 A2 It is known to increase the net output of a fuel cell system by metering fuel into a catalytic combustor or by increasing the hydrogen unreacted by the fuel cell by increasing the hydrogen overstoichiometry on the anode side and then adding the hot product gas to a compressor coupled to a compressor, resulting in so-called boost operation results. The reduction of the fuel cell gross power proves to be particularly advantageous with the same net power of the overall system. This and the possible reduction in the performance of the electric machine of the compressor / expander unit significantly reduces the cost of a fuel cell system. Furthermore, it is advantageous to reduce the dissipated heat to the vehicle radiator. It should be noted, however, that only so much fuel is supplied to the catalytic burner that the temperature of the product gas remains below a critical level for the generation of undesirable emissions, such as nitrogen oxides. The net power gain is thus limited by these constraints.

Weiterhin offenbart die Offenlegungsschrift DE 103 57 158 A1 eine Vorrichtung, bei der nicht umgesetzter Wasserstoff in einem katalytischen Brenner oxidiert wird, wobei dem Brenner zusätzlich Luft zugeführt wird. Um eine Überhitzung des katalytischen Brenners zu vermeiden, kann dem Brenner auch Wasser oder eine erhöhte Luftmenge zugeführt werden.Furthermore, the published patent application DE 103 57 158 A1 a device in which unreacted hydrogen is oxidized in a catalytic burner, wherein the burner is additionally supplied with air. In order to avoid overheating of the catalytic burner, the burner and water or an increased amount of air can be supplied.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennereinrichtung anzugeben, bei dem der von der Brennstoffzelle nicht verbrauchte Wasserstoff unschädlich umsetzbar ist, ohne den Gesamtwirkungsgrad zu verschlechtern oder an entsprechender Stelle die Temperatur über eine kritische Grenze zu treiben.task The invention is a fuel cell system with a burner device indicate that the fuel cell is not used up Hydrogen harmless is feasible without worsening the overall efficiency or in appropriate place, the temperature over a critical limit float.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.The The object is achieved by the Characteristics of claim 1 solved.

Günstige Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.Favorable price and further developments of the invention are the further claims remove.

Bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem sind abgasseitig Mittel vorgesehen, um das aus der Brennstoffzelleneinheit austretende Kathodenabgas gegenüber der Menge, die wenigstens einem Brenner der Brennereinrichtung zuführbar und mit Anodenabgas mischbar ist, in seiner Absolutmenge und/oder wenigstens lokal im Anodenabgas/Kathodenabgasgemisch zu verringern. Dadurch kann die Wasserstoffkonzentration im Eduktgemisch, das der Brennereinrichtung zugeführt wird, geeignet erhöht werden, ohne in die Medienzuführung eingreifen zu müssen. Eine Erhöhung der Wasserstoffüberstöchiometrie oder der Spülrate mit Wasserstoff (Purge-Rate) ist nicht notwendig. Der Wirkungsgrad des Gesamtsystems wird nicht beeinträchtigt.In a fuel cell system according to the invention, means are provided on the exhaust side for reducing the amount of cathode exhaust gas which can be supplied to the burner unit and mixed with anode exhaust gas in its absolute amount and / or at least locally in the anode exhaust gas / cathode exhaust gas mixture. This can the hydrogen concentration in the educt mixture, which is supplied to the burner device, can be increased appropriately without having to intervene in the media supply. Increasing the hydrogen over-stoichiometry or purge rate with hydrogen (purge rate) is not necessary. The efficiency of the overall system is not affected.

Eine günstige Ausgestaltung sieht vor, dass eine Abzweigleitung an einer Abzweigung von der kathodenseitigen Abgasleitung abzweigt, in der ungemischtes Kathodenabgas an dem ersten Brenner vorbeiführbar ist. Zweckmäßigerweise ist dabei die Abzweigung von der kathodenseitigen Abgasleitung stromauf vor der ersten Mischstelle vorgesehen.A favorable Embodiment provides that a branch line at a junction branches off from the cathode-side exhaust pipe, in the unmixed Cathode exhaust gas can be moved past the first burner. Conveniently, is the branch of the cathode-side exhaust pipe upstream provided before the first mixing point.

Vorteilhafterweise kann das Kathodenabgas wenigstens teilweise ungemischt an dem ersten Brenner vorbeiführbar sein, während ein anodenabgasreiches Kathodenabgas der Brennereinrichtung zuführbar ist. Zumindest kann vorgesehen sein, dass das Anodenabgas sich nur mit einem Teil des Kathodenabgases mischt und das ungemischte Kathodenabgas innerhalb der Brennereinrichtung an katalytisch aktiven Bereichen der Brennereinrichtung vorbeigeleitet wird. Jenseits der Brennereinrichtung kann das ungemischte Kathodenabgas mit dem umgesetzten Anodenabgas/Kathodenabgasgemisch zusammengeführt und entsorgt werden. Gegebenenfalls kann die Menge des an der Brennereinrichtung vorbeigeführten Kathodenabgases bedarfsabhängig eingestellt werden, indem beispielsweise an der Abzweigung ein geeignetes variabel einstellbares Ventil vorgesehen ist.advantageously, For example, the cathode exhaust gas may be at least partially unmixed at the first burner passing out be while an anode exhaust gas-rich cathode exhaust gas of the burner device can be fed. At least it can be provided that the anode exhaust gas only with a portion of the cathode exhaust gas and the unmixed cathode exhaust gas within the burner device at catalytically active areas the burner device is bypassed. Beyond the burner device can the unmixed cathode exhaust gas is combined with the reacted anode exhaust gas / cathode exhaust gas mixture and be disposed of. Optionally, the amount of the cathode exhaust gas passed past the burner device can be adjusted as required be, for example, at the branch a suitable variable adjustable valve is provided.

Ist in der kathodenseitigen Abgasleitung eine zweite Mischstelle vorgesehen, kann insbesondere in einem Boost-Betrieb, bei dem ein erhöhter Wasserstoffbedarf in der Brennereinrichtung herrscht, um für eine Turbine heißes Abgas bereitzustellen, eine der Brennereinrichtung zuzuführende Wasserstoffmenge homogen mit dem gesamten Kathodenabgas gemischt werden. Es kann gegebenenfalls der Brennereinrichtung eine erhöhte Wasserstoffmenge im Anodenabgas durch überstöchiometrische Zuführung von Wasserstoff zur Brennstoffzelleneinheit und/oder durch zusätzliche Wasserstoffdosierung in die Brennereinrichtung, vorzugsweise stromauf der zweiten Mischstelle, zugeführt werden, ohne dass schädliche Emissionen durch Überschreiten einer zulässigen Maximaltemperatur in der Brennereinrichtung entstehen.is a second mixing point is provided in the cathode-side exhaust gas line, especially in a boost mode, where a raised Hydrogen demand in the burner device prevails in order for a turbine hot To provide exhaust gas, one of the burner device to be supplied amount of hydrogen be homogeneously mixed with the entire cathode exhaust gas. It can optionally the burner means an increased amount of hydrogen in the anode exhaust gas by superstoichiometric feed from hydrogen to the fuel cell unit and / or by additional Hydrogen metering in the burner device, preferably upstream the second mixing point supplied be without harmful Emissions due to exceeding a permissible one Maximum temperature in the burner device arise.

Vorteilhaft kann in diesem Fall in der anodenseitigen Abgasleitung ein Ventil vorgesehen sein, mit dem Anodenabgas betriebsparameterabhängig auf die eine und die andere Mischstelle mengenmäßig verteilbar ist. Für einen Boostbetrieb kann stromauf vor der zweiten Mischstelle und stromab des Ventils eine Zudosierung von zusätzlichem Wasserstoff vorgesehen sein. Die Mengenverteilung des Anodenabgases auf die erste und die zweite Mischstelle kann betriebsparameterabhängig eingestellt werden. So kann die Menge des Anodenabgases in dem Kathodenabgas fein eingestellt werden.Advantageous can in this case in the anode-side exhaust pipe a valve be provided with the anode exhaust operating parameter dependent on the one and the other mixing point is distributed quantitatively. For one Boost operation can be upstream of the second mixing point and downstream the valve a metered addition of additional hydrogen provided be. The quantity distribution of the anode exhaust gas on the first and the second mixing point can be adjusted depending on operating parameters. So can the amount of anode exhaust gas in the cathode exhaust gas is finely adjusted become.

Bei einer günstigen Weiterbildung kann die zweite Mischstelle stromauf vor der Abzweigung des Anodenabgases vorgesehen sein und mit Anodenabgas gemischtes Kathodenabgas über die Abzweigung in einen zweiten Brenner der Brennereinrichtung zuführbar sein, der strömungstechnisch parallel zum ersten Brenner geschaltet ist. Damit kann die vollständige Umsetzung auch des zudosierten Wasserstoffs gewährleistet werden.at a cheap one Continuing, the second mixing point upstream of the diversion be provided of the anode exhaust gas and mixed with anode exhaust gas Cathode exhaust over the branch can be fed into a second burner of the burner device, the fluidic connected in parallel to the first burner. This can be the full implementation be ensured and the metered hydrogen.

Ist das Anodenabgas über die erste Mischstelle in das Kathodenabgas so einführbar, dass an katalytisch aktiven Bereichen des Brenners eine erhöhte Konzentration des Anodenabgases vorliegt, kann durch eine resultierende und geeignete gewünschte inhomogene Verteilung des Anodenabgases im Kathodenabgas, das sich beispielsweise nur mit einem Teil des Kathodenabgases mischt, in katalytisch aktiven Bereichen der Brennereinrichtung eine höhere Anodenabgaskonzentration eingestellt werden und so die vollständige Umsetzung des darin enthaltenen Wasserstoffs erreicht werden.is the anode exhaust over the first mixing point in the cathode exhaust gas so insertable that on catalytically active areas of the burner an increased concentration the anode exhaust gas is present, can by a resulting and suitable desired inhomogeneous distribution of the anode exhaust gas in the cathode exhaust gas, which is For example, mixed only with a portion of the cathode exhaust gas, in catalytically active areas of the burner device, a higher anode exhaust gas concentration and so the full implementation of the content contained therein Hydrogen can be achieved.

Günstigerweise kann Anodenabgas über eine Düse in eine Einrichtung in der Brennereinrichtung leitbar sein, mit der anodenabgasreiches von anodenabgasarmem bzw. anodenabgasfreiem Kathodenabgas trennbar und das anodenabgasreiche Kathodenabgas katalytisch aktiven Bereichen der Brennereinrichtung zuführbar ist. In diesem Teilbereich der Brennereinrichtung stellt sich eine höhere Wasserstoffkonzentration ein, so dass der nicht in der Brennstoffzelleneinheit umgesetzte Wasserstoff vollständig zu Wasser umgesetzt werden kann.conveniently, can be anode exhaust via a Nozzle in a device in the burner device be conductive, with the Anode exhaust gas rich from anode exhaust gas-free or anode exhaust gas-free cathode exhaust gas separable and the anode exhaust-rich cathode exhaust gas catalytically active Areas of the burner device can be fed. In this subarea the burner device is a higher hydrogen concentration so that the not reacted in the fuel cell unit Hydrogen completely can be converted to water.

Gegebenenfalls kann zwischen dem Ventil und der zweiten Mischstelle eine Zudosierung von Wasserstoff vorgesehen ist. Dies ist besonders für einen Boostbetrieb vorteilhaft. Im Boostbetrieb kann der zusätzlich zudosierte Wasserstoff über die zweite Mischstelle zugeführt werden und homogen mit dem Kathodenabgas vermischt an den Brenner gelangen, wo über die Düse brennereingangnah noch Anodenabgas zugeführt wird und dort für eine lokale Überhöhung der Wasserstoffkonzentration an katalytisch aktiven Bereichen sorgt. Gegebenenfalls kann durch geeignete Einbauten das eingedüste Anodenabgas mit einem Teil des eintretenden Kathodenabgases gezielt an katalytisch aktive Bereiche geführt werden, während das homogen mit Wasserstoff und/oder Teilen des Anodenabgases gemischte Kathodenabgas an andere Bereiche des Brenners gelangt.Possibly can be added between the valve and the second mixing point of hydrogen is provided. This is especially for one Boosting advantageous. In boost mode, the additional dosed Hydrogen over fed to the second mixing point and homogeneously mixed with the cathode exhaust gas to the burner get over where the nozzle burner input close still anode exhaust gas is supplied and there for a local elevation of Hydrogen concentration ensures at catalytically active areas. Optionally, by suitable internals with the injected anode exhaust gas a portion of the incoming cathode exhaust gas specifically to catalytic active areas led be while which is homogeneously mixed with hydrogen and / or parts of the anode exhaust gas Cathode exhaust gas reaches other areas of the burner.

Weist die Brennereinrichtung eine elektrische Heizung auf, kann dessen Umsetzverhalten bei tieferen Temperaturen unterhalb seines optimalen Betriebstemperaturbereichs verbessert werden.Does the burner device an electric cal heating, its conversion behavior can be improved at lower temperatures below its optimum operating temperature range.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in der Zeichnung beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert, ohne auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt zu sein.Further Advantages and details of the invention are described below a preferred embodiment described in the drawing explained in more detail, without to this embodiment limited to be.

Dabei zeigen:there demonstrate:

1a, b; eine schematische Darstellung eines bevorzugten Brennstoffzellensystems nach der Erfindung mit einem Kathodenabgasbypass (a) und eine schematische Darstellung eines bevorzugten Brennstoffzellensystems nach der Erfindung mit einem zweiten Brenner (b) für einen Betrieb mit erhöhtem Wasserstoffbedarf im Anodenabgas; 1a , b; a schematic representation of a preferred fuel cell system according to the invention with a cathode exhaust gas bypass (a) and a schematic representation of a preferred fuel cell system according to the invention with a second burner (b) for an operation with increased hydrogen demand in the anode exhaust gas;

2 eine schematische Darstellung eines bevorzugten Brennstoffzellensystems nach der Erfindung mit einer lokalen Erhöhung der Anodenabgasmenge an einem Brennereingang; 2 a schematic representation of a preferred fuel cell system according to the invention with a local increase in the amount of anode exhaust gas at a burner inlet;

3 eine schematische Darstellung eines bevorzugten Brennstoffzellensystems nach der Erfindung mit einer lokalen Erhöhung der Anodenabgasmenge in einer inhomogenen Mischung aus Kathodenabgas und Anodenabgas an einem Brennereingang; 3 a schematic representation of a preferred fuel cell system according to the invention with a local increase in the anode exhaust gas amount in an inhomogeneous mixture of cathode exhaust gas and anode exhaust gas at a burner inlet;

4 eine schematische Darstellung eines bevorzugten Brennstoffzellensystems nach der Erfindung mit einer homogenen Mischung von Anodenabgas und Kathodenabgas. 4 a schematic representation of a preferred fuel cell system according to the invention with a homogeneous mixture of anode exhaust gas and cathode exhaust gas.

In den Figuren sind gleiche oder funktionell sich entsprechende Komponenten mit gleich bleibenden Bezugszeichen beziffert.In The figures are identical or functionally corresponding components numbered with the same reference numerals.

Zur Erläuterung der Erfindung zeigen die 1a und 1b eine erste und zweite Ausgestaltung eines bevorzugten, vereinfacht dargestellten Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelleneinheit 10, die aus einer Mehrzahl von nicht dargestellten Brennstoffzellen aufgebaut ist. Details des Brennstoffzellensystems sind nicht weiter dargestellt, dem Fachmann jedoch geläufig. Die Brennstoffzelleneinheit 10 ist vereinfacht mit einer Anode 11 und einer Kathode 12 dargestellt. Ein Reduktionsmittel, insbesondere Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Medium, beispielsweise ein Reformat, gelangt über eine anodenseitige Medienzuführung 13 zur Anode 11, und wird dort umgesetzt. Anodenabgas gelangt über eine anodenseitige Abgasleitung 14 aus der Brennstoffzelleneinheit 10.To illustrate the invention show the 1a and 1b a first and second embodiment of a preferred, simplified fuel cell system shown with a fuel cell unit 10 , which is composed of a plurality of fuel cells, not shown. Details of the fuel cell system are not shown, but familiar to the expert. The fuel cell unit 10 is simplified with an anode 11 and a cathode 12 shown. A reducing agent, in particular hydrogen or a hydrogen-rich medium, for example a reformate, passes via an anode-side media feed 13 to the anode 11 , and is implemented there. Anode exhaust gas passes through an anode-side exhaust pipe 14 from the fuel cell unit 10 ,

Ein Oxidationsmittel, beispielsweise Luft, gelangt über eine einer kathodenseitigen Medienzuführung 15, 16 zur Kathode 12 der Brennstoffzelleneinheit 10 und wird über eine kathodenseitige Abgasleitung 17 aus der Brennstoffzelleneinheit 10. In der kathodenseitigen Medienzuführung 15 ist ein Kompressor 34 einer Kompressor/Expandereinheit 33 angeordnet, der mit einem Expander 35 auf derselben Welle 36 angeordnet ist und vom Expander 35 angetrieben wird. Der Expander 35 ist abgasseitig in einer Abgasleitung 31 angeordnet und sitzt stromab einer Brennereinrichtung 23, in der Wasserstoff im Anodenabgas umgesetzt wird. Die Brennereinrichtung 23 setzt auf katalytischem Weg Wasserstoff aus dem Anodenabgas mit Sauerstoff aus dem Kathodenabgas zu Wasser um. Das in der Brennereinrichtung 23 umgesetzte Anodenabgas und Kathodenabgas gelangt als Produktgas über eine Abgasleitung 32 aus dem Brennstoffzellensystem.An oxidizing agent, for example air, passes through a cathode-side media supply 15 . 16 to the cathode 12 the fuel cell unit 10 and is via a cathode-side exhaust pipe 17 from the fuel cell unit 10 , In the cathode-side media supply 15 is a compressor 34 a compressor / expander unit 33 arranged with an expander 35 on the same wave 36 is arranged and removed from the expander 35 is driven. The expander 35 is exhaust side in an exhaust pipe 31 arranged and sits downstream of a burner device 23 , in which hydrogen is converted in the anode exhaust gas. The burner device 23 Catalytically converts hydrogen from the anode exhaust gas with oxygen from the cathode exhaust gas to water. That in the burner device 23 converted anode exhaust gas and cathode exhaust gas passes as product gas via an exhaust pipe 32 from the fuel cell system.

Die beiden Abgasleitungen 14, 17 sind an einer ersten Mischstelle 18 in eine gemeinsame Abgasleitung 21 zusammengeführt. In der gemeinsamen Abgasleitung 21 ist die katalytische Brennereinrichtung 23 mit einem ersten Brenner 24 zur Umsetzung von Wasserstoff im Anodenabgas angeordnet (1a). Das aus der Brennstoffzelleneinheit 10 austretende Kathodenabgas ist gegenüber der Menge, die dem Brenner 24 der Brennereinrichtung 23 zuführbar und mit Anodenabgas mischbar ist, in seiner Absolutmenge verringert.The two exhaust pipes 14 . 17 are at a first mixing point 18 in a common exhaust pipe 21 merged. In the common exhaust pipe 21 is the catalytic burner device 23 with a first burner 24 for converting hydrogen into the anode exhaust gas ( 1a ). That from the fuel cell unit 10 Exiting cathode exhaust is opposite the amount that the burner 24 the burner device 23 can be fed and miscible with anode exhaust gas, reduced in its absolute amount.

Eine Abzweigleitung 27 zweigt an einer Abzweigung 22 von der kathodenseitigen Abgasleitung 17 ab. Die Abzweigung 22 von der kathodenseitigen Abgasleitung 17 ist stromauf vor der ersten Mischstelle 18 vorgesehen. In der Abzweigleitung 27 ist Kathodenabgas ungemischt mit Anodenabgas an dem ersten Brenner 24 vorbeiführbar. Dadurch ist die Absolutmenge des Kathodenabgases im Anodenabgas, das dem ersten Brenner 24 zugeführt wird, verringert, da nur ein Teil des Kathodenabgases über eine Leitung 21 zur Brennereinrichtung gelangt. Die Abzweigleitung 27 mündet stromab der Brennereinrichtung 23 in einer Einmündung 37 in das Produktgas, das die Brennereinrichtung 23 verlässt und von dort in den Expander 35. Denkbar ist auch, dass die Abzweigleitung 27 stromab des Verdichters 35 mit dem dann im Expander 35 entspannten Produktgas zusammengeführt wird.A branch line 27 branches off at a junction 22 from the cathode-side exhaust pipe 17 from. The turnoff 22 from the cathode-side exhaust pipe 17 is upstream of the first mixing point 18 intended. In the branch line 27 For example, cathode exhaust is unmixed with anode exhaust at the first burner 24 moved past. As a result, the absolute amount of the cathode exhaust gas in the anode exhaust gas, which is the first burner 24 is supplied, because only a part of the cathode exhaust gas via a line 21 reaches the burner device. The branch line 27 opens downstream of the burner device 23 in a junction 37 in the product gas, which is the burner device 23 leaves and from there into the expander 35 , It is also conceivable that the branch line 27 downstream of the compressor 35 with the then in the expander 35 relaxed product gas is brought together.

1b zeigt eine Weiterbildung des Systems in 1a, das für eine Boost-Betrieb geeignet ist. Der Aufbau des bevorzugten Brennstoffzellensystems entspricht weitgehend dem in 1a, auf deren Beschreibung zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen verwiesen genommen wird. 1b shows a training of the system in 1a which is suitable for a boost operation. The structure of the preferred fuel cell system largely corresponds to that in 1a , to the description of which reference is made to avoid unnecessary repetition.

Allerdings ist nunmehr in der anodenseitigen Abgasleitung 14 ein Ventil 28 vorgesehen, mit dem Anodenabgas betriebsparameterabhängig auf die erste Mischstelle 18 oder eine zweite, stromauf der Abzweigung 22 angeordneten Mischstelle 20 umschaltbar und über eine Leitung 19 zur kathodenseitigen Abgasleitung 17 zuführbar ist. In der Leitung 19 ist eine Zudosierung 42 von zusätzlichen Wasserstoff oder einem wasserstoffreichem Medium vorgesehen.However, now in the anode-side exhaust pipe 14 a valve 28 provided with the Anode exhaust operating parameter dependent on the first mixing point 18 or a second, upstream of the branch 22 arranged mixing point 20 switchable and via a line 19 to the cathode-side exhaust pipe 17 can be fed. In the line 19 is a dosage 42 provided by additional hydrogen or a hydrogen-rich medium.

Da die zweite Mischstelle 20 stromauf der Abzweigung 22 angeordnet ist, gelangt einmal homogen mit Anodenabgas gemischtes Kathodenabgas über eine Leitung 26 und 21 zur Brennereinheit 23, zum anderen gelangt gemischtes Kathodenabgas in einen zweiten Brenner 25 der Brennereinheit 23, der strömungsmäßig parallel zum ersten Brenner 24 angeordnet ist und in dem der Restwasserstoff in diesem Teilzweig des Abgasstrangs umgesetzt wird. Auch der über die Zudosierung 42 zudosierte Wasserstoff kann damit sicher zu Wasser umgesetzt werden. Das aus der Brennstoffzelleneinheit 10 austretende Kathodenabgas 39 ist gegenüber der Menge, die dem einen Brenner 24 der Brennereinrichtung 23 zuführbar und mit Anodenabgas mischbar ist, in seiner Absolutmenge verringert.Because the second mixing point 20 upstream of the junction 22 is arranged, once uniformly mixed with anode exhaust gas cathode exhaust gas passes through a line 26 and 21 to the burner unit 23 On the other hand, mixed cathode exhaust gas enters a second burner 25 the burner unit 23 which is fluidly parallel to the first burner 24 is arranged and in which the residual hydrogen is reacted in this branch of the exhaust branch. Also about the metering 42 Metered hydrogen can thus be safely converted to water. That from the fuel cell unit 10 exiting cathode exhaust 39 is opposite to the amount that the one burner 24 the burner device 23 can be fed and miscible with anode exhaust gas, reduced in its absolute amount.

2 illustriert eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Ein bevorzugtes Brennstoffzellensystem entspricht in großen Teilen denen aus den 1a und 1b, auf die zur Beschreibung verwiesen wird. In dem bevorzugten Brennstoffzellensystem ist keine Abzweigung in der kathodenseitigen Abgasleitung 17 vorgesehen, sondern die kathodenseitige Abgasleitung 17 mündet ungeteilt in einen Brenner 24 einer Brennereinheit 23. Eine erste Mischstelle 18 ist nun eingangsnah am Brenner 24 angeordnet. Eine zweite Mischstelle 20 ist stromauf der ersten Mischstelle 18 vorgesehen, Anodenabgas kann über eine Leitung 19 zur Mischstelle 20 gelangen. In der Leitung 19 kann eine Zudosierung 42 von Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Medium vorgesehen sein. Wahlweise kann so das Anodenabgas entweder der ersten Mischstelle 18 (durchbrochene Linie) oder der zweiten Mischstelle 20 zugeführt werden, wenn beispielsweise ein erhöhter Wasserstoffbedarf in der Brennereinrichtung 23 besteht. 2 illustrates another embodiment of the invention. A preferred fuel cell system corresponds in large parts to those of the 1a and 1b to which reference is made for description. In the preferred fuel cell system, there is no branch in the cathode-side exhaust pipe 17 provided, but the cathode-side exhaust pipe 17 flows undivided into a burner 24 a burner unit 23 , A first mixing point 18 is now close to the burner 24 arranged. A second mixing point 20 is upstream of the first mixing point 18 provided, anode exhaust gas can via a line 19 to the mixing point 20 reach. In the line 19 can be a dosing 42 be provided by hydrogen or a hydrogen-containing medium. Optionally, so the anode exhaust gas either the first mixing point 18 (broken line) or the second mixing point 20 supplied, for example, if an increased demand for hydrogen in the burner device 23 consists.

Das Anodenabgas ist über die erste Mischstelle 18 in das Kathodenabgas so einführbar, dass an katalytisch aktiven Bereichen des Brenners 24 eine erhöhte Konzentration des Anodenabgases und dort damit eine lokal erhöhte Wasserstoffkonzentration vorliegt, was für eine bessere Umsetzung des Wasserstoffs sorgt, auch wenn die Brennstoffzelleneinheit 10 nicht mit einer übermäßigen Wasserstoffüberstöchiometrie betrieben wird. Das aus der Brennstoffzelleneinheit 10 austretende Kathodenabgas gegenüber der Menge, die dem Brenner 24 der Brennereinrichtung 23 zuführbar und mit Anodenabgas mischbar ist, wenigstens lokal im Anodenabgas/Kathodenabgasgemisch verringert.The anode exhaust gas is above the first mixing point 18 in the cathode exhaust gas so insertable that at catalytically active areas of the burner 24 an increased concentration of the anode exhaust gas and there is thus a locally increased hydrogen concentration, which ensures a better conversion of the hydrogen, even if the fuel cell unit 10 is not operated with excessive hydrogen overstoichiometry. That from the fuel cell unit 10 Exiting cathode exhaust gas over the amount to the burner 24 the burner device 23 can be fed and miscible with anode exhaust gas, at least locally reduced in the anode exhaust gas / cathode exhaust gas mixture.

3 zeigt eine Ausgestaltung einer derartigen, gezielt inhomogenen Zuführung von Anodenabgas in das Kathodenabgas bzw. den Brenner 24. Anodenabgas 40 ist über eine Düse 30 in den Brenner 24 einführbar und vermischt sich, da eingangsnah zum Brenner 24 eingebracht, nur mit einem Teil des Kathodenabgases 39. An katalytisch aktiven Bereichen des Brenners 24 stellt sich demnach lokal eine höhere Wasserstoffkonzentration bezogen auf das Kathodenabgas ein, so dass dieser besser umgesetzt werden kann. Eine solche Anordnung kann beispielsweise in einer Anordnung nach 2 eingesetzt werden. Es ist auch denkbar, dass mehrere solcher Düsen entlang des Strömungspfads durch die Brennereinheit 23 vorgesehen sind. Bei einem Boostbetrieb kann vor der Düse Wasserstoff in das Kathodenabgas zudosiert werden und homogen gemischt zum Brenner 24 gelangen und dort weiteren Wasserstoff über die Düse 30 aufnehmen, der sich nur mit einem Teil des Kathodenabgas/Wasserstoffgemischs vermischt. 3 shows an embodiment of such, targeted inhomogeneous supply of anode exhaust gas into the cathode exhaust gas and the burner 24 , anode exhaust gas 40 is over a nozzle 30 in the burner 24 einführbar and mixes, as the entrance to the burner 24 introduced, only with a portion of the cathode exhaust gas 39 , At catalytically active areas of the burner 24 Accordingly, a higher concentration of hydrogen with respect to the cathode exhaust gas occurs locally so that it can be better reacted. Such an arrangement may, for example, in an arrangement according to 2 be used. It is also conceivable that a plurality of such nozzles along the flow path through the burner unit 23 are provided. In a boost mode, hydrogen can be added to the cathode exhaust gas in front of the nozzle and homogeneously mixed with the burner 24 get there and more hydrogen through the nozzle 30 take up, which mixes only with a portion of the cathode exhaust gas / hydrogen mixture.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeigt 4, in der Anodenabgas 40 über eine Düse 30, die eine erste Mischstelle 18 bildet, in eine Einrichtung 29 in der Brennereinrichtung 23 geleitet und vermischt sich dort nur mit einem Teil des Kathodenabgases 39. Die Einrichtung 29 führt das Gemisch nur einem Teilbereich des katalytisch aktiven Bereichs des Brenners 24 der Brennereinrichtung 23 zu, so dass sich in besagtem Teilbereich eine höhere Wasserstoffkonzentration einstellt und dieser dadurch vollständig umgesetzt wird.A further advantageous embodiment shows 4 , in the anode exhaust 40 over a nozzle 30 , which is a first mixing point 18 forms into a facility 29 in the burner device 23 directed and mixed there only with a portion of the cathode exhaust gas 39 , The device 29 The mixture leads only a portion of the catalytically active region of the burner 24 the burner device 23 to, so that sets in this subarea a higher hydrogen concentration and this is thereby fully implemented.

Das anodenabgasarme bzw. anodenabgasfreie Kathodenabgas wird an besagten Bereichen vorbeigeleitet.The Anodesabgasarme or anode exhaust gas-free cathode exhaust gas is at said Areas bypassed.

Claims

Fuel cell system with a fuel cell unit ( 10 ) with a plurality of fuel cells, with an anode-side media feed ( 13 ) and a cathode-side media supply ( 15 . 16 ) to the fuel cell unit ( 10 ) and an anode-side exhaust pipe ( 14 ) for anode exhaust gas ( 40 ) and a cathode-side exhaust pipe ( 17 ) for cathode exhaust gas ( 39 ) of the fuel cell unit ( 10 ) where both exhaust pipes ( 14 . 17 ) at at least one first mixing point ( 18 ) in a common exhaust pipe ( 21 ) are mergable and in the common exhaust pipe ( 21 ) a catalytic burner device ( 23 ) with at least one first burner ( 24 ) for the conversion of hydrogen in the anode exhaust gas ( 40 ), characterized in that on the exhaust side means ( 18 . 22 . 29 . 30 ) are provided to the from the fuel cell unit ( 10 ) exiting cathode exhaust gas ( 39 ) compared to the amount of at least one burner ( 24 ) of the burner device ( 23 ) and with Ano the exhaust gas ( 40 ) is miscible to reduce in its absolute amount and / or at least locally in the anode exhaust gas / cathode exhaust gas mixture.

Fuel cell system according to claim 1, characterized in that a branch line ( 27 ) at a branch ( 22 ) from the cathode-side exhaust pipe ( 17 ), in the cathode exhaust gas ( 39 . 41 ) on the first burner ( 24 ) can be brought past.

Fuel cell system according to claim 2, characterized in that the branch ( 22 ) from the cathode-side exhaust pipe ( 17 ) upstream of the first mixing point ( 18 ) is provided.

Fuel cell system according to claim 2 or 3, characterized in that cathode exhaust gas ( 39 ) at least partially unmixed at the first burner ( 24 ) and / or catalytically active regions of the burner device ( 23 ) can be brought past.

Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that in the cathode-side exhaust pipe ( 17 ) a second mixing point ( 20 ) is provided.

Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that in the anode-side exhaust pipe ( 14 ) a valve ( 28 ) is provided, with the anode exhaust gas ( 40 ) depends on the operating parameters depending on one or the other mixing point ( 18 . 20 ) is switchable.

Fuel cell system according to claim 5 or 6, characterized in that the second mixing point ( 20 ) upstream of the branch ( 22 ) and with anode exhaust gas ( 40 ) mixed cathode exhaust gas ( 39 ) over the branch ( 22 ) into a second burner ( 25 ) of the burner device ( 23 ) can be fed, the fluidically parallel to the first burner ( 24 ) is switched.

Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the anode exhaust gas ( 40 ) via the first mixing point ( 18 ) into the cathode exhaust gas ( 39 ) is insertable so that at catalytically active areas of the burner ( 24 ) an increased concentration of the anode exhaust gas ( 40 ) is present.

Fuel cell system according to claim 8, characterized in that anode exhaust gas ( 40 ) via a nozzle ( 30 ) into an institution ( 29 ) in the burner device ( 23 ) is conductive, with a mixture of anode exhaust gas ( 40 ) and cathode exhaust gas ( 39 ) of unmixed cathode exhaust gas ( 39 ) and the mixture of catalytically active regions of the burner device ( 24 ) can be fed.

Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that between the valve ( 28 ) and the second mixing point ( 20 ) and / or the burner device ( 23 ) an addition ( 42 ) of hydrogen is provided.

Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the burner device ( 23 ) has an electric heater.