DE102008033986B4 - Brennstoffzellensystem mit zwei in Serie geschalteten Brennstoffzellenstapeln und Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems - Google Patents

Brennstoffzellensystem mit zwei in Serie geschalteten Brennstoffzellenstapeln und Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems Download PDF

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Abstract

Brennstoffzellensystem (10) mit einem ersten Brennstoffzellenstapel (14) und einem zweiten Brennstoffzellenstapel (16), wobei dem zweiten Brennstoffzellenstapel (16) Wassermoleküle enthaltendes Anodenabgas (18) des ersten Brennstoffzellenstapels (14) zuführbar ist, und wobei über eine Zuleitung dem Anodenabgas (18) Kohlenwasserstoffe (20) beimischbar sind, und wobei das Anodenabgas (18) des ersten Brennstoffzellenstapels (14) dem zweiten Brennstoffzellenstapel (16) ungekühlt zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Brennstoffzellenstapel (14) ein exotherm betriebener Brennstoffzellenstapel ist und dass der zweite Brennstoffzellenstapel (16) ein nicht exotherm betriebener Brennstoffzellenstapel ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem ersten Brennstoffzellenstapel und einem zweiten Brennstoffzellenstapel, wobei dem zweiten Brennstoffzellenstapel Wassermoleküle enthaltendes Anodenabgas des ersten Brennstoffzellenstapels zuführbar ist, und wobei über eine Zuleitung dem Anodenabgas Kohlenwasserstoffe beimischbar sind, und wobei das Anodenabgas des ersten Brennstoffzellenstapels dem zweiten Brennstoffzellenstapel ungekühlt zuführbar ist.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einem ersten Brennstoffzellenstapel und einem zweiten Brennstoffzellenstapel, wobei dem zweiten Brennstoffzellenstapel Wassermoleküle enthaltendes Anodenabgas des ersten Brennstoffzellenstapels zugeführt wird und wobei über eine Zuleitung dem Anodenabgas Kohlenwasserstoffe beigemischt werden, und wobei das Anodenabgas des ersten Brennstoffzellenstapels dem zweiten Brennstoffzellenstapel ungekühlt zugeführt wird.
  • Brennstoffzellensysteme bieten aufgrund ihres gegenüber einer herkömmlichen Verbrennungsmaschine potentiell höheren Wirkungsgrades bei der Umwandlung chemischer in elektrischer Energie eine zukunftsweisende Möglichkeit zur Erzeugung von Strom. Ein Brennstoffzellensystem enthält als zentrale Einheit zumindest einen Brennstoffzellenstapel, in dem ein einer Anodenseite des Brennstoffzellenstapels zugeführtes wasserstoffreiches Reformat mit einer Kathodenseite zugeführter Kathodenluft umgesetzt wird. Dabei entstehen elektrische Energie und Wärme. Um den Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems zu steigern ist prinzipiell bekannt, die bei der Reaktion entstehende Abwärme weiter zu nutzen. Dies kann beispielsweise in Form von Wärmetauschern geschehen, die die Abwärme einem endothermen Reformierungsprozess zuführen, in welchem das zum Betrieb der Brennstoffzelle notwendige wasserstoffreiche Reformat erzeugt wird. In diesem Zusammenhang ist auch bekannt, Brennstoff intern in einem Brennstoffzellenstapel zu Reformat umzusetzen, wobei die benötigte thermische Energie dem Brennstoffzellenstapel extern zugeführt werden muss beziehungsweise durch den Brennstoffzellenstapel bei der Stromerzeugung selbst erzeugt wird. Ein derartiger Brennstoffzellenstapel kann beispielsweise endotherm oder autotherm arbeiten.
  • US 5,413,878 A beschreibt eine Vorrichtung mit in Serie geschalteten Brennstoffzellenstapeln, wobei Anoden- und Kathodengas in entgegengesetzten Richtungen seriell nacheinander durch die einzelnen Brennstoffzellenstapel geleitet werden. Der Beschreibung ist zu entnehmen, dass gleichartige Brennstoffstapel, die bei möglichst identischen Betriebspunkten arbeiten sollen, seriell miteinander gekoppelt werden, um die Effizienz der Gesamtvorrichtung zu erhöhen. Die einzelnen Brennstoffzellenstapel werden explizit als IRMCFC-Brennstoffzellenstapel bezeichnet die grundsätzlich exotherm sind.
  • Auch die US 5,518,828 A beschreibt eine Vorrichtung mit in Serie geschalteten Brennstoffzellenstapeln, wobei Anoden- und Kathodengas in entgegengesetzten Richtungen nacheinander durch die einzelnen Brennstoffzellenstapel geführt werden. Gemäß dieser Druckschrift werden alle Brennstoffzellenstapel bei identischen Betriebspunkten betrieben, so dass alle Brennstoffzellenstapel beispielsweise exotherm sind.
  • Die Effizienz derartiger Brennstoffzellensysteme ist jedoch oftmals unbefriedigend, weshalb es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein einfach aufgebautes Brennstoffzellensystem mit hoher Effizienz bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass der erste Brennstoffzellenstapel ein exotherm betriebener Brennstoffzellenstapel ist und dass der zweite Brennstoffzellenstapel ein nicht exotherm betriebener Brennstoffzellenstapel ist.
  • Das ungekühlte Zuführen des Anodenabgases des ersten Brennstoffzellenstapels zum zweiten Brennstoffzellenstapel führt zu einer Effizienzsteigerung des Brennstoffzellensystems, da die aus dem ersten Brennstoffzellenstapel mit dem Anodenabgas abgeführte thermische Energie zur Reformierung der dem Anodenabgas beigemischten Kohlenwasserstoffe im zweiten Brennstoffzellenstapel verwendet werden kann.
  • Vorteilhafterweise ist auch vorgesehen, dass das Brennstoffzellensystem ein Steuergerät umfasst, welches geeignet ist, die Kohlenwasserstoffe in einem molaren Verhältnis von Wassermolekülen zu Kohlenstoffatomen der Kohlenwasserstoffe größer als eins dem Anodenabgas des ersten Brennstoffzellenstapels beizumischen. Durch die Beimischung von Kohlenwasserstoffen zu dem Anodenabgas des ersten Brennstoffzellenstapels in dem beschriebenen molaren Verhältnis wird ein Überschuss von Brennstoff bei der anschließenden Dampfreformierung nach dem Eintritt in den zweiten Brennstoffzellenstapel verhindert. Auf diese Weise können Rußablagerungen im zweiten Brennstoffzellenstapel verhindert oder zumindest minimiert werden. Die beigemischten Kohlenwasserstoffe, die als Brennstoff dienen, können dabei insbesondere in gasförmiger Form dem Anodenabgas zugegeben werden.
  • Besonders bevorzugt ist, dass das Steuergerät geeignet ist, die Kohlenwasserstoffe in einem molaren Verhältnis von Wassermolekülen zu Kohlenstoffatomen der Kohlenwasserstoffe größer als zwei dem Anodenabgas des ersten Brennstoffzellenstapels beizumischen.
  • Nützlicherweise ist dabei vorgesehen, dass das im ersten Brennstoffzellenstapel erwärmte Kathodenabgas dem zweiten Brennstoffzellenstapel zuführbar ist. Auch die Zuführung des im ersten Brennstoffzellenstapel erwärmten Kathodenabgases zu dem zweiten Brennstoffzellenstapel steigert die thermische Effizienz des Brennstoffzellensystems als ganzes.
  • Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass das Brennstoffzellensystem ein Steuergerät umfasst, welches geeignet ist, dem erwärmten Kathodenabgas des ersten Brennstoffzellenstapels zur Temperaturregelung Oxidationsmittel in Form von kühlerer Luft beizumischen. Das Kathodenabgas des ersten Brennstoffzellenstapels, das als Oxidationsmittel in erwärmter Form dem zweiten Brennstoffzellenstapel zuführbar ist, kann vorteilhafterweise mit weiterem Oxidationsmittel in Form von kühlerer Frischluft gemischt werden. Dies erlaubt zum einem eine Temperaturregelung des zweiten Brennstoffzellenstapels in Form einer geregelten Kühlung beziehungsweise geregelten Temperaturabsenkung des zweiten Brennstoffzellenstapels beziehungsweise der Bereitstellung einer ausreichenden Menge an Oxidationsmittel auf der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels. Letzteres kann notwendig sein, da dem dem zweiten Brennstoffzellenstapel zugeführten Anodenabgas des ersten Brennstoffzellenstapels weiterer Brennstoff zugeführt wurde, der in dem zweiten Brennstoffzellenstapel nach Möglichkeit vollständig umgesetzt werden soll.
  • Vorzugsweise ist vorgesehen, dass dem ersten Brennstoffzellenstapel ein Reformer vorgeschaltet ist. Das dem ersten Brennstoffzellenstapel zugeführte wasserstoffreiche Reformat kann insbesondere durch einen Reformer gewannen werden, beispielsweise einem POX-Reformer, dem Brennstoff und Oxidationsmittel in Form von Luft mit einer Luftzahl λ kleiner als 1 zugeführt wird. Die ablaufende Partielle-Oxidations-Reformierung ist eine exotherme Reaktion die entsprechend der Gleichung CnH2n + n / 2O2 → nH2 + nCO verläuft.
  • Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass der erste Brennstoffzellenstapel und der zweite Brennstoffzellenstapel elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die elektrische Reihenschaltung der zwei Brennstoffzellenstapel, zum Beispiel durch eine galvanische Kopplung, erlaubt die Bereitstellung einer gewünschten elektrischen Spannung mit einem kleinen Brennstoffzellensystem. Eine elektrische Parallelschaltung der zwei Brennstoffzellenstapel ist jedoch ebenfalls denkbar. Für eine gleich hohe elektrische Spannung würde dann jedoch ein größeres Brennstoffzellensystem benötigt.
  • Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der zweite Brennstoffzellenstapel ein autotherm betriebener Brennstoffzellenstapel ist. Das Betreiben des zweiten Brennstoffzellenstapels als autothermer Brennstoffzellenstapel ermöglicht eine effiziente Energieausnutzung in dem zweiten Brennstoffzellenstapel, wobei die in dem zweiten Brennstoffzellenstapel ablaufende endotherme Dampfreformierung entsprechend der Gleichung CnH2n + 2nH2O → 3nH2 + nCO2 abläuft. Die für die endotherme Dampfreformierung notwendige Energie wird dann durch die im Anschluss durchgeführte katalytische Umsetzung des Wasserstoffgases mit Sauerstoff aus dem Oxidationsmittel an der Brennstoffzellenmembran erzeugt. Auch aus dem ersten Brennstoffzellenstapel stammendes unverbrauchtes Wasserstoffgas, das in den zweiten Brennstoffzellenstapel übertritt, kann umgesetzt werden und zum Temperaturerhalt in dem zweiten Brennstoffzellenstapel beitragen. Über die Menge des in den zweiten Brennstoffzellenstapel eingebrachten Wasserstoffgases ergibt sich ein weiterer Freiheitsgrad bei der Betriebsführung des Brennstoffzellensystems.
  • Besonders bevorzugt ist, dass der zweite Brennstoffzellenstapel ein endotherm betriebener Brennstoffzellenstapel ist und dass der erste Brennstoffzellenstapel die thermische Energie für den zweiten Brennstoffzellenstapel bereitstellt. Das Betreiben des zweiten Brennstoffzellenstapels als endothermer Brennstoffzellenstapel, das heißt das die Dampfreformierung mehr Energie verbraucht als die anschließend bei der Umsetzung des entstandenen Wasserstoffgases freigesetzte thermische Energie, ist bezüglich des Wirkungsgrades besonders vorteilhaft, da die thermische Energie von dem exotherm arbeitenden ersten Brennstoffzellenstapel an den zweiten Brennstoffzellenstapel durch das Anoden- und Kathodenabgas des ersten Brennstoffzellenstapels an den zweiten Brennstoffzellenstapel übertragen werden kann. Diese Betriebsweise ist hinsichtlich des Wirkungsgrades des Gesamtsystems besonders effizient, da das gesamte Brennstoffzellensystem dann nahezu autotherm ohne Erzeugung überschüssiger thermischer Energie arbeiten kann.
  • Nützlicherweise ist vorgesehen, dass das weitere Anodenabgas des zweiten Brennstoffzellenstapels vollständig aus dem Brennstoffzellensystem abgeführt wird. Das vollständige Abführen des weiteren Anodenabgases des zweiten Brennstoffzellenstapels aus dem System erlaubt einen kontinuierlichen Durchsatz von Anodengas durch beide Brennstoffzellenstapel, wobei eventuell noch in dem weiteren Anodenabgas enthaltenes Kohlenmonoxid beziehungsweise Wasserstoffgas in einem Nachbrenner zur Schonung der Umwelt verbrannt werden kann und in dem weiteren Anodenabgas enthaltene thermische Energie über einen Wärmetauscher in das Brennstoffzellensystem zurückgeführt werden kann.
  • Das gattungsgemäße Verfahren wird dadurch weiterentwickelt, dass der erste Brennstoffzellenstapel exotherm betrieben wird und dass der zweite Brennstoffzellenstapel nicht exotherm betrieben wird. Auf diese Weise werden die Vorteile und Besonderheiten des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems auch im Rahmen eines Verfahrens umgesetzt.
  • Dieses wird nützlicherweise dadurch weiterentwickelt, dass dem Anodenabgas des ersten Brennstoffzellenstapels die Kohlenwasserstoffe in einem molaren Verhältnis von Wassermolekülen zu Kohlenstoffatomen der Kohlenwasserstoffe größer als eins dem Anodenabgas des ersten Brennstoffzellenstapels beigemischt werden. Auf diese Weise kann eine Ablagerung von Ruß in der Anodengasführung beziehungsweise auf der Anodenseite der Brennstoffzellenstapel verhindert werden.
  • Besonders bevorzugt ist, dass das molare Verhältnis größer als zwei ist.
  • Besonders bevorzugt ist dabei, dass das im ersten Brennstoffzellenstapel erwärmte Kathodenabgas dem zweiten Brennstoffzellenstapel zugeführt wird.
  • Weiterhin kann vorgesehen sein, dass dem erwärmten Kathodenabgas des ersten Brennstoffzellenstapels zur Temperaturregelung Oxidationsmittel in Form von kühlerer Luft beigemischt wird. Kühler bedeutet hierbei, dass das Kathodenabgas des ersten Brennstoffzellenstapels eine höhere Temperatur als die beigemischte Luft aufweist.
  • Nützlicherweise kann vorgesehen sein, dass der erste Brennstoffzellenstapel und der zweite Brennstoffzellenstapel elektrisch in Reihe geschaltet betrieben werden.
  • Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der zweite Brennstoffzellenstapel autotherm betrieben wird.
  • Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der zweite Brennstoffzellenstapel endotherm betrieben wird und dass die zum Betrieb des zweiten Brennstoffzellenstapels notwendige thermische Energie von dem ersten Brennstoffzellenstapel bereitgestellt wird.
  • Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitende Zeichnung anhand einer besonders bevorzugten Ausführungsform beispielhaft erläutert.
  • Es zeigt:
  • 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems. Ein Brennstoffzellensystem 10 umfasst neben einem Reformer 26, einem ersten Brennstoffzellenstapel 14 und einem zweiten Brennstoffzellenstapel 16, ein Steuergerät 12, eine Brennstofffördereinrichtung 30, eine Fördereinrichtung 36, eine Kathodengasfördervorrichtung 44, eine weitere Brennstofffördereinrichtung 70 und eine weitere Kathodengasfördervorrichtung 72. Die Brennstofffördereinrichtung 30 fördert Brennstoff 32 zu dem Reformer 26 dem weiterhin über die Fördereinrichtung 36, die beispielsweise als einfaches Gebläse ausgeführt sein kann, Oxidationsmittel 34, zum Beispiel Luft, zugeführt wird. Der Reformer 26, der insbesondere als exotherm arbeitender Partieller-Oxidations-Reformer (kurz POX-Reformer) ausgeführt sein kann, setzt den Brennstoff 32 in ein wasserstoffreiches Reformat 38 um. Dabei wird davon ausgegangen, dass der Brennstoff 32 Kohlenwasserstoffe enthält und die partielle Oxidationsgleichung gemäß folgender Formel abläuft: CnH2n + n / 2O2 → nH2 + nCO
  • Das Reformat 38 wird dem ersten Brennstoffzellenstapel 14 als Anodengas zugeführt. Ein Kathodengas 42, zum Beispiel Luft als Oxidationsmittel, wird von der Kathodengasfördervorrichtung 44 dem Brennstoffzellenstapel 14 zugeführt. Der erste Brennstoffzellenstapel 14 arbeitet exotherm und setzt das wasserstoffreiche und kohlenmonoxidreiche Reformat 38 zu Wasser und CO2 um. Dabei werden dem Kathodengas 42 Sauerstoffionen entzogen und zusammen mit den im Reformat 38 vorhandenen Wasserstoffmolekülen beziehungsweise Kohlenmonoxid zu Wasser beziehungsweise Kohlendioxid umgesetzt. Ein den ersten Brennstoffzellenstapel 14 verlassendes Anodenabgas 18 ist daher hinsichtlich des Wasserstoffgehaltes abgereichert und enthält dafür zusätzlich Wasser. Weiterhin verlasst den ersten Brennstoffzellenstapel 14 das Kathodenabgas 22, welches gegenüber dem Kathodengas 42 eine geringere Menge an Sauerstoff enthält. Das Anodenabgas 18 und das Kathodenabgas 22 sind gegenüber dem in den ersten Brennstoffzellenstapel 14 einströmenden Reformat 38 beziehungsweise dem Kathodengas 42 durch die in dem ersten Brennstoffzellenstapel 14 entstehende thermische Energie erwärmt. Dies dient der Kühlung des ersten Brennstoffzellenstapels, da so die überschüssige thermische Energie aus dem ersten Brennstoffzellenstapel 14 abgeführt wird. Das heißt dass das Anodenabgas 18 und das Kathodenabgas 22 zumindest einen Teil der in dem exotherm betriebenen ersten Brennstoffzellenstapel 14 entstehenden Prozesswärme mit sich führen. Das Anodenabgas 18 und das Kathodenabgas 22 werden dem zweiten Brennstoffzellenstapel 16 zugeführt. Der erste Brennstoffzellenstapel 14 und der zweite Brennstoffzellenstapel 16 sind also bezüglich der Gasführungen von Anodengas und Kathodengas in Reihe geschaltet. Dies erlaubt insbesondere eine Reduzierung des Kathodengasvolumenstroms um etwa die Hälfte, was zur Erhöhung des Wirkungsgrades beiträgt. Vor Eintritt in den zweiten Brennstoffzellenstapel 16 werden dem Anodenabgas 18 noch zusätzlich Kohlenwasserstoffe 20 über die weitere Brennstofffördervorrichtung 70 beigemischt. Das molare Verhältnis der beigemischten Kohlenwasserstoffe 20, die insbesondere gasförmig sein können, erfolgt in Abhängigkeit von den in dem Anodenabgas 18 vorhandenen Wassermolekülen. Das molare Verhältnis wird dabei so gewählt, dass das Verhältnis der Wassermoleküle zu den Kohlenstoffatomen der Kohlenwasserstoffe zumindest größer als eins ist, vorzugsweise jedoch größer als zwei. Dies vermeidet bei der anschließenden in dem zweiten Brennstoffzellenstapel 16 ablaufenden endothermen Dampfreformierung ein Ablagern von Kohlenstoffatomen in Form von Ruß. Dem Kathodenabgas 22 kann über die weitere Kathodengasfördervorrichtung 72 Oxidationsmittel 24 in Form von nicht vorgewärmter Luft zugeführt werden. Dadurch kann das Temperaturniveau des dem zweiten Brennstoffzellenstapel 16 zugeführten Kathodenabgases 22 über die zugeführte Menge von Oxidationsmittel 24 reguliert werden. Dies erlaubt insbesondere in Übergangsphasen, das heißt Aufwärmphase und Abkühlungsphase, des Brennstoffzellensystems eine verbesserte thermische Regelbarkeit. Der zweite Brennstoffzellenstapel 16 kann entweder endotherm oder autotherm betrieben werden. Wird der zweite Brennstoffzellenstapel 16 endotherm betrieben, so wird die zu seinem Betrieb notwendige zusätzliche thermische Energie über das Anodenabgas 18 und das Kathodenabgas 22 von dem ersten Brennstoffzellenstapel 14 an den zweiten Brennstoffzellenstapel 16 übertragen. Bei dieser Betriebsart wird mehr thermische Energie für die Dampfreformierung benötigt, als durch die katalytische Stromerzeugung in dem zweiten Brennstoffzellenstapel 16 erzeugt wird. Ein den zweiten Brennstoffzellenstapel 16 verlassendes weiteres Anodenabgas 28 und ein weiteres Kathodenabgas 50 werden aus dem Brennstoffzellensystem 10 abgeführt. Zuvor ist jedoch noch eine Nachverbrennung von eventuell in dem weiteren Anodenabgas 28 noch enthaltenem Kohlenmonoxid beziehungsweise Wasserstoffgas in einem nicht dargestellten Nachbrenner zur Schonung der Umwelt möglich. Weiterhin kann in dem weiteren Anodenabgas 28 und dem weiteren Kathodenabgas 50 enthaltene thermische Energie über einen ebenfalls nicht dargestellten Wärmetauscher in das Brennstoffzellensystem 10 zurückgeführt werden. Der erste Brennstoffzellenstapel 14 und der zweite Brennstoffzellenstapel 16 sind über eine galvanische Kopplung 74 in Serie geschaltet und versorgen einen Verbraucher 68 mit elektrischer Energie.
  • Das Steuergerät 12 regelt die Förderleistungen der einzelnen dargestellten Fördervorrichtungen 30, 36, 44, 70 und 72 über eine erste Steuerleitung 52, eine zweite Steuerleitung 54, eine dritte Steuerleitung 56, eine vierte Steuerleitung 58 und eine fünfte Steuerleitung 60, die jeweils mit einer der Fördervorrichtungen 30, 36, 44, 70 und 72, gekoppelt sind. Das Steuergerät 12 regelt die Förderleistung der einzelnen Fördervorrichtungen 30, 36, 44, 70 und 72 auf Grundlage der von Sensoreinrichtungen 40, 46 und 48 über Sensorleitungen 62, 64 und 66 empfangenen Messwerte. Die Sensoreinrichtungen 40, 46 und 48 können beispielsweise Temperaturen, Sauerstoffgehalt, Wasserstoffgehalt und Wassergehalt in den jeweiligen Gasströmen erfassen.
  • Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Brennstoffzellensystem
    12
    Steuergerät
    14
    erster Brennstoffzellenstapel
    16
    zweiter Brennstoffzellenstapel
    18
    Anodenabgas
    20
    Kohlenwasserstoffe
    22
    Kathodenabgas
    24
    Oxidationsmittel
    26
    Reformer
    28
    weiteres Anodenabgas
    30
    Brennstofffördereinrichtung
    32
    Brennstoff
    34
    Oxidationsmittel
    36
    Fördereinrichtung
    38
    Reformat
    40
    Sensoreinrichtung
    42
    Kathodengas
    44
    Kathodengasfördervorrichtung
    46
    Sensoreinrichtung
    48
    Sensoreinrichtung
    50
    weiteres Kathodenabgas
    52
    erste Steuerleitung
    54
    zweite Steuerleitung
    56
    dritte Steuerleitung
    58
    vierte Steuerleitung
    60
    fünfte Steuerleitung
    62
    erste Sensorleitung
    64
    zweite Sensorleitung
    66
    dritte Sensorleitung
    68
    Verbraucher
    70
    weitere Brennstofffördervorrichtung
    72
    weitere Kathodengasfördervorrichtung
    74
    galvanische Kopplung

Claims (18)

  1. Brennstoffzellensystem (10) mit einem ersten Brennstoffzellenstapel (14) und einem zweiten Brennstoffzellenstapel (16), wobei dem zweiten Brennstoffzellenstapel (16) Wassermoleküle enthaltendes Anodenabgas (18) des ersten Brennstoffzellenstapels (14) zuführbar ist, und wobei über eine Zuleitung dem Anodenabgas (18) Kohlenwasserstoffe (20) beimischbar sind, und wobei das Anodenabgas (18) des ersten Brennstoffzellenstapels (14) dem zweiten Brennstoffzellenstapel (16) ungekühlt zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Brennstoffzellenstapel (14) ein exotherm betriebener Brennstoffzellenstapel ist und dass der zweite Brennstoffzellenstapel (16) ein nicht exotherm betriebener Brennstoffzellenstapel ist.
  2. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (10) ein Steuergerät (12) umfasst, welches geeignet ist, die Kohlenwasserstoffe (20) in einem molaren Verhältnis von Wassermolekülen zu Kohlenstoffatomen der Kohlenwasserstoffe (20) größer als eins dem Anodenabgas (18) des ersten Brennstoffzellenstapels (14) beizumischen.
  3. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (12) geeignet ist, die Kohlenwasserstoffe (20) in einem molaren Verhältnis von Wassermolekülen zu Kohlenstoffatomen der Kohlenwasserstoffe (20) größer als zwei dem Anodenabgas (18) des ersten Brennstoffzellenstapels (14) beizumischen.
  4. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das im ersten Brennstoffzellenstapel (14) erwärmte Kathodenabgas (22) dem zweiten Brennstoffzellenstapel (16) zuführbar ist.
  5. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (10) ein Steuergerät (12) umfasst, welches geeignet ist, dem erwärmten Kathodenabgas (22) des ersten Brennstoffzellenstapels (14) zur Temperaturregelung Oxidationsmittel (24) in Form von kühlerer Luft beizumischen.
  6. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Brennstoffzellenstapel (14) ein Reformer (26) vorgeschaltet ist.
  7. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Brennstoffzellenstapel (14) und der zweite Brennstoffzellenstapel (16) elektrisch in Reihe geschaltet sind.
  8. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Brennstoffzellenstapel (16) ein autotherm betriebener Brennstaffzellenstapel ist.
  9. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, – dass der zweite Brennstoffzellenstapel (16) ein endotherm betriebener Brennstoffzellenstapel ist und – dass der erste Brennstoffzellenstapel (14) die thermische Energie für den zweiten Brennstoffzellenstapel (16) bereitstellt.
  10. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Anodenabgas (28) des zweiten Brennstoffzellenstapels (18) vollständig aus dem Brennstoffzellensystem (10) abgeführt wird.
  11. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10) mit einem ersten Brennstoffzellenstapel (14) und einem zweiten Brennstoffzellenstapel (16), wobei dem zweiten Brennstoffzellenstapel (16) Wassermoleküle enthaltendes Anodenabgas (18) des ersten Brennstoffzellenstapels (14) zugeführt wird, und wobei über eine Zuleitung dem Anodenabgas (18) Kohlenwasserstoffe (20) beigemischt werden, und wobei das Anodenabgas (18) des ersten Brennstoffzellenstapels (14) dem zweiten Brennstoffzellenstapel (16) ungekühlt zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Brennstoffzellenstapel (14) exotherm betrieben wird und dass der zweite Brennstoffzellenstapel (16) nicht exotherm betrieben wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem Anodenabgas des ersten Brennstoffzellenstapels die Kohlenwasserstoffe (20) in einem molaren Verhältnis von Wassermolekülen zu Kohlenstoffatomen der Kohlenwasserstoffe (20) größer als eins dem Anodenabgas (18) des ersten Brennstoffzellenstapels (14) beigemischt werden.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das molare Verhältnis größer als zwei ist.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das im ersten Brennstoffzellenstapel (14) erwärmte Kathodenabgas (22) dem zweiten Brennstoffzellenstapel (16) zugeführt wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass dem erwärmten Kathodenabgas (22) des ersten Brennstoffzellenstapels (14) zur Temperaturregelung Oxidationsmittel (24) in Form von kühlerer Luft beigemischt wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Brennstoffzellenstapel (14) und der zweite Brennstoffzellenstapel (16) elektrisch in Reihe geschaltet betrieben werden.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Brennstoffzellenstapel (16) autotherm betrieben wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, – dass der zweite Brennstoffzellenstapel (16) endotherm betrieben wird und – dass die zum Betrieb des zweiten Brennstoffzellenstapels (16) notwendige thermische Energie von dem ersten Brennstoffzellenstapel (14) bereitstellt wird.
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