DE102008008907B4

DE102008008907B4 - Fuel cell system

Info

Publication number: DE102008008907B4
Application number: DE102008008907.9A
Authority: DE
Inventors: Karsten Reiners
Original assignee: Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Priority date: 2008-02-13
Filing date: 2008-02-13
Publication date: 2021-11-04
Anticipated expiration: 2028-02-14
Also published as: DE102008008907A1

Abstract

Brennstoffzellensystem (1), insbesondere in einem Kraftfahrzeug,- mit wenigstens einer Brennstoffzelle (3) zum Generieren von elektrischen Strom, die eine Anodenseite (5) und eine Kathodenseite (6) aufweist,- mit einem Restgasbrenner (7) zum Umsetzen eines brennbaren Gases mit einem Oxidator,- mit einer Oxidatorversorgungseinrichtung (10) zum Zuführen eines Oxidators zum Restgasbrenner (7),- wobei ein Wasserstoffgas enthaltendes Reformatgas zur Anodenseite (5) der Brennstoffzelle (3) zuführbar ist,- wobei Brennstoffzelle (3) und Restgasbrenner (7) so verschaltet sind,- wobei Anodenabgas von der Anodenseite (5) der Brennstoffzelle (3) zum Restgasbrenner (7) zuführbar ist,- wobei Brennerabgas vom Restgasbrenner (7) zur Kathodenseite (6) der Brennstoffzelle (3) zuführbar ist,- mit einem Reformer (2) zum Generieren des Wasserstoffgas enthaltenden Reformatgases, der mit der Brennstoffzelle (3) und dem Restgasbrenner (7) so verschaltet ist, dass Kathodenabgas von der Kathodenseite (6) der Brennstoffzelle (3) zum Reformer (2) zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass- das Brennstoffzellensystem (1) einen Wärmeübertrager (26) zur wärmeübertragenden Kopplung zwischen dem zur Versorgung des Reformers (2) dienenden Kathodenabgas und dem zur Versorgung des Restgasbrenners (7) dienenden Oxidatorgas aufweist,- der Wärmeübertrager (26) einerseits stromauf des Reformers (2) und stromauf des Restgasbrenners (7) in die Kathodenabgasleitung (24) und andererseits in die Oxidatorleitung (14) eingebunden ist.Fuel cell system (1), in particular in a motor vehicle, - with at least one fuel cell (3) for generating electrical current, which has an anode side (5) and a cathode side (6), - with a residual gas burner (7) for converting a combustible gas with an oxidizer, - with an oxidizer supply device (10) for supplying an oxidizer to the residual gas burner (7), - wherein a reformate gas containing hydrogen gas can be supplied to the anode side (5) of the fuel cell (3), - wherein the fuel cell (3) and residual gas burner (7) ) are connected in such a way, - whereby anode exhaust gas can be supplied from the anode side (5) of the fuel cell (3) to the residual gas burner (7), - wherein burner exhaust gas can be supplied from the residual gas burner (7) to the cathode side (6) of the fuel cell (3), - with a reformer (2) for generating the hydrogen gas-containing reformate gas, which is connected to the fuel cell (3) and the residual gas burner (7) in such a way that cathode exhaust gas from the cathode side (6) of the Br The fuel cell (3) can be fed to the reformer (2), characterized in that the fuel cell system (1) has a heat exchanger (26) for the heat-transferring coupling between the cathode exhaust gas used to supply the reformer (2) and the exhaust gas used to supply the residual gas burner (7) - the heat exchanger (26) is integrated into the cathode exhaust line (24) on the one hand upstream of the reformer (2) and upstream of the residual gas burner (7) and on the other hand into the oxidizer line (14).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to a fuel cell system, in particular in a motor vehicle, according to the preamble of claim 1.

Üblicherweise umfasst ein Brennstoffzellensystem zumindest einen Reformer, mit dessen Hilfe aus einem Wasserstoff enthaltenden Kraftstoff und einem geeigneten Oxidator ein Wasserstoffgas enthaltendes Reformatgas generiert werden kann. Ferner kann ein derartiges Brennstoffzellensystem zumindest eine Brennstoffzelle umfassen, mit deren Hilfe aus einem anodenseitig zugeführten Wasserstoffgas enthaltenden Gas, bevorzugt das Reformatgas des Reformers, und einem kathodenseitig zugeführten Sauerstoffgas enthaltenden Gas elektrischer Strom generiert werden kann. Darüber hinaus ist es bekannt, ein Brennstoffzellensystem mit einem Restgasbrenner auszustatten, mit dessen Hilfe ein brennbares Gas mit einem Oxidator umgesetzt werden kann. Beispielsweise können die Abgase der Brennstoffzelle noch einen mehr oder weniger großen Anteil an Wasserstoffgas und Sauerstoffgas enthalten, so dass diese Abgase mit dem Restgasbrenner umsetzbar sind, um die darin chemisch gespeicherte Wärme freizusetzen. Schließlich können bei einem Brennstoffzellensystem eine Kraftstoffversorgungseinrichtung zum Zuführen eines Kraftstoffs zum Reformer sowie zumindest eine Oxidatorversorgungseinrichtung vorgesehen sein.A fuel cell system usually comprises at least one reformer, with the aid of which a reformate gas containing hydrogen gas can be generated from a fuel containing hydrogen and a suitable oxidizer. Furthermore, such a fuel cell system can comprise at least one fuel cell, with the aid of which electrical current can be generated from a gas containing hydrogen gas supplied on the anode side, preferably the reformate gas of the reformer, and a gas containing oxygen gas supplied on the cathode side. In addition, it is known to equip a fuel cell system with a residual gas burner, with the aid of which a combustible gas can be reacted with an oxidizer. For example, the exhaust gases from the fuel cell can also contain a greater or lesser proportion of hydrogen gas and oxygen gas, so that these exhaust gases can be converted with the residual gas burner in order to release the heat chemically stored therein. Finally, in a fuel cell system, a fuel supply device for supplying a fuel to the reformer and at least one oxidizer supply device can be provided.

Üblicherweise sind die einzelnen Komponenten herkömmlicher Brennstoffzellensysteme so miteinander verschaltet, dass der Restgasbrenner eingangsseitig Anodenabgas und Kathodenabgas von der Brennstoffzelle erhält. Das dabei gebildete Abgas kann über einen Wärmeübertrager zum Aufheizen des der Brennstoffzelle zugeführten Kathodengases genutzt werden und wird im Übrigen ggf. über eine Abgasreinigungseinrichtung in die Umgebung freigesetzt. Zur Kühlung des Restgasbrenners kann es dabei insbesondere erforderlich sein, zusätzlich eine Kühlgaszuführung vorzusehen, mit der vorzugsweise kathodenseitig ein geeignetes Kühlgas dem Restgasbrenner zuführbar ist. Ferner kann es zweckmäßig sein, Anodenabgas zum Reformer zurückzuführen, wozu eine entsprechende Rezirkulationsleitung vorzusehen ist, in der regelmäßig auch ein Wärmeübertrager angeordnet werden muss, um eine Überhitzung einer in der Rezirkulationsleitung angeordneten Fördereinrichtung zu vermeiden. Insgesamt ergibt sich somit ein vergleichsweise aufwändiger Aufbau.The individual components of conventional fuel cell systems are usually interconnected in such a way that the residual gas burner receives anode exhaust gas and cathode exhaust gas from the fuel cell on the inlet side. The exhaust gas thus formed can be used via a heat exchanger to heat the cathode gas supplied to the fuel cell and is otherwise released into the environment via an exhaust gas cleaning device, if necessary. In order to cool the residual gas burner, it may in particular be necessary to additionally provide a cooling gas feed with which a suitable cooling gas can be fed to the residual gas burner, preferably on the cathode side. Furthermore, it can be expedient to return anode exhaust gas to the reformer, for which purpose a corresponding recirculation line is to be provided, in which a heat exchanger must regularly also be arranged in order to avoid overheating of a conveying device arranged in the recirculation line. Overall, this results in a comparatively complex structure.

Ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Gattung ist aus der Druckschrift DE 694 02 930 T2 bekannt. Weitere Brennstoffzellensysteme sind in den Druckschriften DE 10 2005 058530A1 und DE 10 2005 001361 A1 beschrieben.A fuel cell system of the type mentioned at the beginning is from the publication DE 694 02 930 T2 known. Further fuel cell systems are in the publications DE 10 2005 058530A1 and DE 10 2005 001361 A1 described.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass sich ein Aufbau ergibt, der mit weniger Komponenten auskommt und insbesondere preiswerter realisierbar ist.The present invention deals with the problem of specifying an improved embodiment for a fuel cell system of the type mentioned at the outset, which is characterized in particular by the fact that a structure is obtained which manages with fewer components and in particular can be implemented more cheaply.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.According to the invention, this problem is solved by the subject matter of the independent claim. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Komponenten des Brennstoffzellensystems so miteinander zu verschalten, dass der Restgasbrenner von der Oxidatorversorgungseinrichtung mit Oxidatorgas versorgt wird und dass Brennerabgas des Restgasbrenners der Kathodenseite der Brennstoffzelle als Kathodengas zugeführt wird. Diese Bauweise oder Verschaltung kommt im Vergleich zu einem herkömmlichen Aufbau mit deutlich weniger Leitungen und Komponenten aus, wodurch sich der Aufbau des Brennstoffzellensystems extrem vereinfacht und preiswerter realisieren lässt. Ferner kann das Systemverhalten positiv beeinflusst werden. Zum Beispiel lässt sich die Startzeit verkürzen, da das Kathodengas im Restgasbrenner stark vorgeheizt werden kann.The invention is based on the general idea of interconnecting the components of the fuel cell system so that the residual gas burner is supplied with oxidizer gas from the oxidizer supply device and that burner exhaust gas from the residual gas burner is supplied to the cathode side of the fuel cell as cathode gas. Compared to a conventional structure, this type of construction or interconnection manages with significantly fewer lines and components, which means that the structure of the fuel cell system can be extremely simplified and implemented more cheaply. Furthermore, the system behavior can be positively influenced. For example, the start-up time can be shortened because the cathode gas in the residual gas burner can be strongly preheated.

Die Erfindung sieht weiterhin vor, dass das Kathodengas der Brennstoffzelle einem Reformer zum Generieren von Wasserstoffgas enthaltendem Reformatgas zugeführt wird. Es ist auch denkbar, dass dem Reformer Anodengas als Oxidator zugeführt wird. Beispielsweise kann bei dieser Bauweise auf eine Rezirkulationsleitung verzichtet werden, da über die gewählte Kathodenabgasführung Brennerabgas dem Reformer eingangsseitig zuführbar ist, wobei das Brennerabgas je nach Betriebszustand des Brennstoffzellensystems mehr oder weniger umsetzbare Bestandteile enthält.The invention further provides that the cathode gas of the fuel cell is fed to a reformer for generating reformate gas containing hydrogen gas. It is also conceivable that anode gas is fed to the reformer as an oxidizer. For example, a recirculation line can be dispensed with with this design, since burner exhaust gas can be fed to the reformer on the inlet side via the selected cathode exhaust gas duct, the burner exhaust gas containing more or less convertible components depending on the operating state of the fuel cell system.

Weiterhin ist nach der Erfindung vorgesehen, dass das Brennstoffzellensystem ein Wärmeübertrager aufweist, mit dessen Hilfe eine wärmeübertragende Kopplung zwischen dem zur Versorgung des Reformers dienenden Kathodenabgas und dem zur Versorgung des Restgasbrenners dienenden Oxidatorgas realisierbar ist. Hierdurch kann eine intensive Aufheizung des dem Restgasbrenner zugeführten Oxidatorgases realisiert werden, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn das Oxidatorgas durch den Restgasbrenner durchgeleitet und der Brennstoffzelle als Kathodengas zugeführt wird. Eine separate Vorheizung des Kathodengases kann dadurch entfallen. Gleichzeitig kann durch diese Verschaltung durch einen Brennerbetrieb des Restgasbrenners bei einem Kaltstart des Brennstoffzellensystems gleichzeitig eine Aufheizung der Brennstoffzelle und des Reformers realisiert werden.The invention also provides that the fuel cell system has a heat exchanger, with the aid of which a heat-transferring coupling can be implemented between the cathode exhaust gas serving to supply the reformer and the oxidizing gas serving to supply the residual gas burner. This enables intensive heating of the oxidizer gas fed to the residual gas burner, which is particularly advantageous if the oxidizer gas is passed through the residual gas burner and fed to the fuel cell as cathode gas. A separate preheating of the cathode gas can thus be omitted. At the same time, this interconnection By operating the residual gas burner during a cold start of the fuel cell system, the fuel cell and the reformer can be heated at the same time.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Further important features and advantages of the invention emerge from the subclaims, from the drawings and from the associated description of the figures on the basis of the drawings.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.Preferred exemplary embodiments of the invention are shown in the drawings and are explained in more detail in the following description, with the same reference symbols referring to the same or similar or functionally identical components.

Es zeigen, jeweils schematisch,

1 und 2 jeweils eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung eines Brennstoffzellensystems bei zwei verschiedenen Ausführungsformen.

They show, each schematically,

1 and 2 each a greatly simplified, circuit diagram-like schematic representation of a fuel cell system in two different embodiments.

Entsprechend den 1 und 2 umfasst ein Brennstoffzellensystem 1 einen Reformer 2 zum Generieren eines Wasserstoffgas enthaltenden Reformatgases. Der Reformer 2 kann hierzu einen Wasserstoff enthaltenden Kraftstoff mit einem geeigneten Oxidator umsetzen. Der Reformer 2 kann dabei insbesondere mit partieller Oxidation des Kraftstoffs arbeiten. Ferner weist das Brennstoffzellensystem 1 zumindest eine Brennstoffzelle 3 zum Generieren von elektrischem Strom auf. Die Brennstoffzelle 3 weist hierzu einen Elektrolyten 4 auf, der in der Brennstoffzelle 3 eine Anodenseite 5 von einer Kathodenseite 6 trennt. Üblicherweise besteht die Brennstoffzelle 3 aus einem Stapel einzelner Brennstoffzellenelemente, bei denen jeweils ein Elektrolytelement die Kathodenseite 6 von der Anodenseite 5 separiert.According to the 1 and 2 includes a fuel cell system 1 a reformer 2 for generating a reformate gas containing hydrogen gas. The reformer 2 can for this purpose convert a fuel containing hydrogen with a suitable oxidizer. The reformer 2 can work in particular with partial oxidation of the fuel. Furthermore, the fuel cell system 1 at least one fuel cell 3 to generate electricity. The fuel cell 3 has an electrolyte for this purpose 4th on that in the fuel cell 3 an anode side 5 from a cathode side 6th separates. Usually there is the fuel cell 3 from a stack of individual fuel cell elements, each of which has an electrolyte element on the cathode side 6th from the anode side 5 separated.

Ferner weist das Brennstoffzellensystem 1 einen Restgasbrenner 7 zum Umsetzen eines brennbaren Gases mit einem Oxidator auf. Besagter Restgasbrenner 7 kann hierzu einen Brennraum 8 aufweisen, in dem das jeweilige brennbare Gas mit dem jeweiligen Oxidator mit Hilfe einer Flamme verbrennbar ist. Ebenso kann der Restgasbrenner 7 einen Katalysator enthalten und mit einer katalytischen Verbrennung oder Umsetzung des brennbaren Gases mit dem Oxidator arbeiten.Furthermore, the fuel cell system 1 a residual gas burner 7th to convert a flammable gas with an oxidizer. Said residual gas burner 7th can do this with a combustion chamber 8th have, in which the respective combustible gas is combustible with the respective oxidizer with the aid of a flame. The residual gas burner can also 7th contain a catalyst and work with a catalytic combustion or reaction of the combustible gas with the oxidizer.

Weiter ist eine Oxidatorversorgungseinrichtung 10 vorgesehen. Diese dient hier bevorzugt zur Versorgung des Restgasbrenners 7 mit einem Oxidatorgas.There is also an oxidizer supply device 10 intended. This is preferably used here to supply the residual gas burner 7th with an oxidizer gas.

Mit Hilfe einer Kraftstoffversorgungseinrichtung 9 kann dem Reformer 2 ein geeigneter Kraftstoff zugeführt werden. Als Kraftstoff eignen sich grundsätzlich beliebige flüssige oder gasförmige Kraftstoffe, sofern sie atomaren Wasserstoff enthalten. Bevorzugt werden jedoch übliche Kohlenwasserstoffe, wie Benzin, Diesel, Erdgas, Biokraftstoffe. Sofern das Brennstoffzellensystem 1 in einem Kraftfahrzeug angeordnete ist, das eine Brennkraftmaschine aufweist, wird zur Versorgung des Reformers 2 zweckmäßig der gleiche Kraftstoff verwendet, mit dem auch die Brennkraftmaschine des Fahrzeugs arbeitet.With the help of a fuel supply device 9 can the reformer 2 a suitable fuel can be supplied. In principle, any liquid or gaseous fuel is suitable as fuel, provided that it contains atomic hydrogen. However, common hydrocarbons such as gasoline, diesel, natural gas, and biofuels are preferred. Unless the fuel cell system 1 is arranged in a motor vehicle, which has an internal combustion engine, is used to supply the reformer 2 expediently the same fuel is used with which the internal combustion engine of the vehicle works.

Zur Versorgung des Reformers 2 mit Kraftstoff weist die Kraftstoffversorgungseinrichtung 9 eine Kraftstoffleitung 11 auf, in der eine geeignete Fördereinrichtung 12 angeordnet ist, bei der es sich bevorzugt um eine Pumpe handeln kann. Die Kraftstoffleitung 11 ist dabei an eine Eingangsseite 13 des Reformers 2 angeschlossen. Zur Versorgung des Restgasbrenners 7 mit Oxidatorgas, bei dem es sich bevorzugt um Luft handelt, weist die Oxidatorversorgungseinrichtung 10 eine Oxidatorleitung 14 auf, die an eine Eingangsseite 15 des Restgasbrenners 7 angeschlossen ist und in der eine geeignete Fördereinrichtung 33 angeordnet ist, bei der es sich beispielsweise um ein Gebläse handeln kann.To supply the reformer 2 with fuel, the fuel supply device 9 a fuel line 11 in which a suitable conveyor 12th is arranged, which can preferably be a pump. The fuel line 11 is on an entry side 13th of the reformer 2 connected. For supplying the residual gas burner 7th with oxidizer gas, which is preferably air, has the oxidizer supply device 10 an oxidizer line 14th on that to an entry side 15th of the residual gas burner 7th is connected and in which a suitable conveyor 33 is arranged, which may, for example, be a fan.

Der Reformer 2 kann im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 der Anodenseite 5 der Brennstoffzelle 3 sein Reformatgas zuführen. Hierzu verbindet eine Reformatgasleitung 16, die auch als Anodengasleitung 16 bezeichnet werden kann, eine Ausgangsseite 17 mit einem anodenseitigen Eingang 18 der Brennstoffzelle 3. Im Betrieb der Brennstoffzelle 3 wird das Anodengas mehr oder weniger umgesetzt, so dass Anodenabgas der Brennstoffzelle 3 dem Restgasbrenner 7 zuführbar ist. Hierzu ist ein anodenseitiger Ausgang 19 der Brennstoffzelle 3 über eine Anodenabgasleitung 20 mit der Eingangsseite 15 des Restgasbrenners 7 verbunden. Bei dieser Anodenabgasleitung 20 kann es sich insbesondere auch um eine interne Leitung handeln, wenn die Brennstoffzelle 3 und der Restgasbrenner 7 eine bauliche Einheit bilden. Das dem Restgasbrenner 7 zugeführte Anodenabgas enthält abhängig vom Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 1 mehr oder weniger Reformatgas. In einem Extremfall kann das Anodenabgas hauptsächlich aus Anodengas bzw. aus Reformatgas bestehen.The reformer 2 can be used in the operation of the fuel cell system 1 the anode side 5 the fuel cell 3 supply its reformate gas. To this end, a reformate gas line connects 16 , also called the anode gas line 16 can be designated an exit page 17th with an anode-side input 18th the fuel cell 3 . In operation of the fuel cell 3 the anode gas is more or less converted, so that the anode exhaust gas of the fuel cell 3 the residual gas burner 7th is feedable. There is an output on the anode side for this purpose 19th the fuel cell 3 via an anode exhaust line 20th with the entry side 15th of the residual gas burner 7th tied together. With this anode exhaust line 20th In particular, it can also be an internal line if the fuel cell 3 and the residual gas burner 7th form a structural unit. The residual gas burner 7th The anode exhaust gas supplied depends on the operating state of the fuel cell system 1 more or less reformate gas. In an extreme case, the anode exhaust gas can mainly consist of anode gas or reformate gas.

Der Restgasbrenner 7 führt Brennerabgas der Kathodenseite 6 der Brennstoffzelle 3 zu. Hierzu ist eine Brennerabgasleitung 21 vorgesehen, die einerseits an eine Ausgangsseite 22 des Restgasbrenners 7 und andererseits an einen kathodenseitigen Eingang 23 der Brennstoffzelle 3 angeschlossen ist. The residual gas burner 7th leads burner exhaust gas to the cathode side 6th the fuel cell 3 to. A burner exhaust line is required for this 21 provided on the one hand to an output side 22nd of the residual gas burner 7th and on the other hand to an input on the cathode side 23 the fuel cell 3 connected.

Insbesondere kann dabei die Brennerabgasleitung 21 auch intern verlaufen, wenn die Brennstoffzelle 3 und der Restgasbrenner 7 eine bauliche Einheit bilden. Je nach Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 1 kann das Brennerabgas mehr oder weniger Oxidator und mehr oder weniger Reformatgas enthalten. Bei ausgeschaltetem Restgasbrenner 7 kann der Reformatgasanteil im Brennerabgas vergleichsweise hoch sein.In particular, the burner exhaust line can 21 also run internally if the fuel cell 3 and the residual gas burner 7th form a structural unit. Depending on the operating status of the fuel cell system 1 the burner exhaust gas can contain more or less oxidizer and more or less reformate gas. With the residual gas burner switched off 7th the proportion of reformate gas in the burner exhaust gas can be comparatively high.

Ferner kann im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 Kathodenabgas von der Kathodenseite 6 der Brennstoffzelle 3 zum Reformer 2 geführt werden. Hierzu verbindet eine Kathodenabgasleitung 24 einen kathodenseitigen Ausgang 25 der Brennstoffzelle 3 mit der Eingangsseite 13 des Reformers 2. Das Kathodenabgas kann je nach Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 1 mehr oder weniger Oxidator enthalten. Ebenso kann das Kathodenabgas Reformatgas enthalten. Alternativ oder zusätzlich kann zur Versorgung des Reformers 2 mit Oxidator, z.B. Luft, eine separate Oxidatorversorgung vorgesehen sein, die eine eigene Fördereinrichtung, z.B. ein Gebläse, enthält.Furthermore, during the operation of the fuel cell system 1 Cathode exhaust gas from the cathode side 6th the fuel cell 3 to the reformer 2 be guided. A cathode exhaust pipe connects to this 24 an output on the cathode side 25th the fuel cell 3 with the entry side 13th of the reformer 2 . The cathode exhaust gas can, depending on the operating state of the fuel cell system 1 contain more or less oxidizer. The cathode exhaust gas can also contain reformate gas. Alternatively or additionally it can be used to supply the reformer 2 with oxidizer, for example air, a separate oxidizer supply can be provided which contains its own conveying device, for example a fan.

In den gezeigten Beispielen weist das Brennstoffzellensystem 1 außerdem einen Wärmeübertrager 26 auf, der einerseits in die Kathodenabgasleitung 24 und andererseits in die Oxidatorleitung 14 eingebunden ist. Auf diese Weise kann der Wärmeübertrager 26 eine wärmeübertragende Kopplung zwischen dem zur Versorgung des Reformers 2 dienenden Kathodenabgas und dem zur Versorgung des Restgasbrenners 7 dienenden Oxidatorgas realisieren. Insbesondere lässt sich hierdurch bei einem Kaltstart des Brennstoffzellensystems 1 eine besonders rasche Aufheizung der Brennstoffzelle 3 und des Reformers 2 realisieren. Ferner lässt sich mehr oder weniger deaktiviertem Restgasbrenner 7 eine intensive Vorheizung des den Restgasbrenner 7 ungehindert durchströmenden Oxidators realisieren, der dann der Brennstoffzelle 3 kathodenseitig zugeführt wird.In the examples shown, the fuel cell system 1 also a heat exchanger 26th on the one hand in the cathode exhaust line 24 and on the other hand in the oxidizer line 14th is involved. In this way, the heat exchanger 26th a heat-transferring coupling between the one supplying the reformer 2 serving cathode exhaust gas and the supply of the residual gas burner 7th Realize serving oxidizer gas. In particular, this makes it possible to start the fuel cell system cold 1 a particularly rapid heating of the fuel cell 3 and the reformer 2 realize. Furthermore, the residual gas burner can be more or less deactivated 7th intensive preheating of the residual gas burner 7th Realize the oxidizer flowing through unhindered, which then the fuel cell 3 is fed on the cathode side.

Dieser Wärmeübertrager 26 kann insbesondere mit der Brennstoffzelle 3 und/oder mit dem Restgasbrenner 7 und/oder mit dem Reformer 2 eine bauliche Einheit bilden.This heat exchanger 26th can in particular with the fuel cell 3 and / or with the residual gas burner 7th and / or with the reformer 2 form a structural unit.

In den gezeigten Beispielen kann optional eine Reformerventileinrichtung 27 vorgesehen sein, über die eine Abgasleitung 28 von der Kathodenabgasleitung 24 abzweigt. Mit Hilfe dieser Reformerventileinrichtung 27 kann eine Aufteilung des von der Brennstoffzelle 3 stammenden Kathodenabgases auf die zum Reformer 2 führende Kathodenabgasleitung 24 und die zu einem Abgassystem 29 führende Abgasleitung 28 eingestellt. werden. Insoweit ermöglicht die Reformerventileinrichtung 27 insbesondere eine Mengenregelung oder Volumenstromregelung für das dem Reformer 2 zugeführte Kathodenabgas.In the examples shown, a reformer valve device can optionally be used 27 be provided over which an exhaust pipe 28 from the cathode exhaust line 24 branches off. With the help of this reformer valve device 27 can be a breakdown of the fuel cell 3 originating cathode exhaust gas to the reformer 2 leading cathode exhaust line 24 and that to an exhaust system 29 leading exhaust pipe 28 set. will. In this respect, the reformer valve device enables 27 in particular a volume control or volume flow control for the reformer 2 supplied cathode exhaust gas.

Die Reformerventileinrichtung 27 kann entsprechend 1 stromauf des Wärmeübertragers 26 in der Kathodenabgasleitung 24 angeordnet sein. Auf diese Weise ist das bei der Reformerventileinrichtung 27 abgezweigte Abgas auf einem erhöhten Temperaturniveau und kann beispielsweise zur Heizzwecken und dergleichen genutzt werden. Im Unterschied dazu kann die Reformerventileinrichtung 27 entsprechend 2 stromab des Wärmeübertragers 26 in der Kathodenabgasleitung 24 angeordnet sein. Auf diese Weise befindet sich das bei der Reformerventileinrichtung 27 abgezweigte Abgas auf einem abgesenkten Temperaturniveau, so dass insgesamt mehr Wärme auf den in der Oxidatorleitung 14 transportierten Oxidator übertragen werden kann.The reformer valve device 27 can accordingly 1 upstream of the heat exchanger 26th in the cathode exhaust line 24 be arranged. This is the case with the reformer valve device 27 diverted exhaust gas at an elevated temperature level and can be used, for example, for heating purposes and the like. In contrast to this, the reformer valve device 27 corresponding 2 downstream of the heat exchanger 26th in the cathode exhaust line 24 be arranged. This is how it is with the reformer valve device 27 diverted exhaust gas at a reduced temperature level, so that overall more heat on the in the oxidizer line 14th transported oxidizer can be transferred.

Das hier gezeigte Brennstoffzellensystem 1 weist außerdem eine Brennerventileinrichtung 30 auf, bei der eine Bypassleitung 31 von der Oxidatorleitung 14 abzweigt. Mit Hilfe der Brennerventileinrichtung 30 kann eine Aufteilung des von der Oxidatorversorgungseinrichtung 10 geförderten Oxidatorgases auf die zum Restgasbrenner 7 führende Oxidatorleitung 14 und auf die Bypassleitung 31 eingestellt werden. Die Bypassleitung 31 mündet bei 32 in die Brennerabgasleitung 21 ein; sie kann grundsätzlich jedoch auch an den kathodenseitigen Eingang der Brennstoffzelle 3 angeschlossen sein. Die Bypassleitung 31 umgeht somit zum einen den Wärmeübertrager 26 und zum anderen den Restgasbrenner 7. Auf diese Weise kann der Kathodenseite 6 unmittelbar kaltes Oxidatorgas zugeführt werden, um eine Überhitzung der Brennstoffzelle 3 zu vermeiden. Gleichzeitig lässt sich dadurch der Sauerstoffgehalt im Brennerabgas erhöhen, falls dies erforderlich sein sollte.The fuel cell system shown here 1 also has a burner valve assembly 30th at which a bypass line 31 from the oxidizer line 14th branches off. With the help of the burner valve assembly 30th can be a division of the from the oxidizer supply device 10 promoted oxidizer gas to the residual gas burner 7th leading oxidizer line 14th and on the bypass line 31 can be set. The bypass line 31 ends at 32 into the burner exhaust line 21 a; In principle, however, it can also be connected to the input of the fuel cell on the cathode side 3 be connected. The bypass line 31 thus on the one hand bypasses the heat exchanger 26th and on the other hand the residual gas burner 7th . This way the cathode side can 6th cold oxidizer gas can be supplied immediately to prevent the fuel cell from overheating 3 to avoid. At the same time, this allows the oxygen content in the burner exhaust gas to be increased, if this should be necessary.

Im Vergleich zu herkömmlichen Brennstoffzellensystemen kommt das hier vorgestellte Brennstoffzellensystem 1 mit deutlich weniger Komponenten und weniger Leitungsabschnitten aus, wodurch sich ein besonders einfacher und preiswerter Aufbau realisieren lässt. Besonders erwähnenswert ist außerdem ein deutlich verkürzter Startvorgang durch die direkte Beheizung der Brennstoffzelle 3 sowie ggf. des Reformers 2 durch den Restgasbrenner 7. Insgesamt kann auch eine Wirkungsgradverbesserung des Brennstoffzellensystems 1 realisiert werden.The fuel cell system presented here is compared to conventional fuel cell systems 1 with significantly fewer components and fewer line sections, which enables a particularly simple and inexpensive structure to be implemented. A significantly shortened start-up process due to the direct heating of the fuel cell is also particularly noteworthy 3 and possibly the reformer 2 through the residual gas burner 7th . Overall, an improvement in the efficiency of the fuel cell system can also be achieved 1 will be realized.

Claims

Fuel cell system (1), in particular in a motor vehicle, - with at least one fuel cell (3) for generating electrical current, which has an anode side (5) and a cathode side (6), - with a residual gas burner (7) for converting a combustible gas with an oxidizer, - with an oxidizer supply device (10) for supplying an oxidizer to the residual gas burner (7), - wherein a reformate gas containing hydrogen gas can be supplied to the anode side (5) of the fuel cell (3) - the fuel cell (3) and the residual gas burner (7) being interconnected in such a way, - wherein the anode exhaust gas can be fed from the anode side (5) of the fuel cell (3) to the residual gas burner (7), - the burner exhaust gas from the residual gas burner (7) to the cathode side (6 ) the fuel cell (3) can be fed, - with a reformer (2) for generating the hydrogen gas-containing reformate gas, which is connected to the fuel cell (3) and the residual gas burner (7) in such a way that cathode exhaust gas from the cathode side (6) of the fuel cell (3) can be fed to the reformer (2), characterized in that - the fuel cell system (1) has a heat exchanger (26) for the heat-transferring coupling between the one for supplying the The reformer (2) serving cathode exhaust gas and the supply of the residual gas burner (7) serving oxidizer gas, - the heat exchanger (26) on the one hand upstream of the reformer (2) and upstream of the residual gas burner (7) in the cathode exhaust gas line (24) and on the other hand in the oxidizer line (14) is involved.

Fuel cell system (1) according to Claim 1 , characterized by a fuel supply device (9) for supplying a fuel to the reformer (2).

Fuel cell system (1) according to Claim 1 or 2 , characterized by a reformer valve device (27) for the adjustable distribution of the cathode off-gas between a cathode off-gas line (24) leading to the reformer (2) and an off-gas line (28).

Fuel cell system (1) according to one of the preceding claims, characterized in - that the reformer valve device (27) is arranged upstream of the heat exchanger (26), or - that the reformer valve device (27) is arranged downstream of the heat exchanger (26).

Fuel cell system (1) according to one of the Claims 1 until 4th , characterized by a burner valve device (30) for the adjustable distribution of the oxidizer gas to an oxidizer line (14) leading to the residual gas burner (7) and a bypass line (31) leading to the anode side (6) of the fuel cell (3) bypassing the residual gas burner (7).