DE102012206053A1 - Fuel cell device, has heat exchangers allowing combustible gas upstream by cathode electrolyte anode units and comprising chemical active substance for changing composition of combustible gas - Google Patents

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Abstract

The device (100) has a fuel cell stack (104) comprising electrochemical active cathode electrolyte-anode units, and a reformer (102) i.e. starting burner, for producing combustible gas for the fuel cell stack from output fuel. The combustible gas manufactured by the reformer and oxidant are supplied to the fuel cell stack. Heat exchangers (108) allow the combustible gas upstream by cathode electrolyte-anode units. The heat exchangers comprise a chemical active substance for changing the composition of the combustible gas. An independent claim is also included for a method for operating a fuel cell device.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung, welche einen Brennstoffzellenstapel, der elektrochemisch aktive Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheiten umfasst, und einen Reformer zum Herstellen eines Brenngases für den Brennstoffzellenstapel aus einem Ausgangsbrennstoff umfasst, wobei dem Brennstoffzellenstapel das vom Reformer hergestellte Brenngas und ein Oxidationsmittel zuführbar sind.The present invention relates to a fuel cell device comprising a fuel cell stack comprising electrochemically active cathode-electrolyte-anode units and a reformer for producing fuel gas for the fuel cell stack from a starting fuel, wherein the fuel cell stack supplied by the reformer fuel gas and an oxidizing agent are.

Bekannte Brennstoffzellenvorrichtungen dieser Art umfassen die Baukomponenten Reformer, Brennstoffzellenstapel (auch als "Brennstoffzellenstack" bezeichnet), Restgasbrenner und Schichtwärmeübertrager.Known fuel cell devices of this type include the structural components reformer, fuel cell stack (also referred to as "fuel cell stack"), residual gas burner and layer heat exchanger.

Im Reformer wird ein zuvor verdampfter Kraftstoff, zum Beispiel ein Dieselkraftstoff, beispielsweise durch partielle Oxidation der höheren Kohlenwasserstoffe des Ausgangskraftstoffs in H2, CO, CO2, H2O und Restkohlenwasserstoffe zerlegt. Die Bestandteile H2 und CO können anschließend im Brennstoffzellenstapel elektrochemisch verstromt werden.In the reformer, a previously evaporated fuel, for example, a diesel fuel, for example, by partial oxidation of the higher hydrocarbons of the starting fuel in H 2 , CO, CO 2 , H 2 O and residual hydrocarbons is decomposed. The components H 2 and CO can then be electrochemically converted in the fuel cell stack.

Das bei der elektrochemischen Verstromung im Brennstoffzellenstapel nicht umgesetzte Brenngas wird nach dem Brennstoffzellenstapel sowohl aus sicherheitstechnischen und umwelttechnischen Gründen als auch aus Energieeffizienzgründen im Restgasbrenner nachverbrannt. Die dabei entstehende Prozesswärme wird dem Schichtwärmeübertrager zugeführt. Dieser heizt mit der Prozesswärme das Oxidationsmittel (Kathodenluft) für den Brennstoffzellenstapel auf, bevor das Oxidationsmittel in den Brennstoffzellenstapel geleitet wird.The unreacted in the electrochemical power generation in the fuel cell stack fuel gas is post-combusted after the fuel cell stack both for safety and environmental reasons and for energy efficiency reasons in the residual gas burner. The resulting process heat is fed to the layer heat exchanger. This heat with the process heat the oxidizer (cathode air) for the fuel cell stack before the oxidant is passed into the fuel cell stack.

In der Startphase einer solchen Brennstoffzellenvorrichtung wird der Reformer üblicherweise auch als sogenannter "Startbrenner" verwendet.In the starting phase of such a fuel cell device, the reformer is usually also used as a so-called "start burner".

Durch die Verbrennung des Ausgangsbrennstoffes entsteht nämlich Wärme, welche dazu dient, den Brennstoffzellenstapel auf dessen Betriebstemperatur (von beispielsweise ungefähr 750 °C) aufzuheizen.Namely, the combustion of the starting fuel produces heat which serves to heat the fuel cell stack to its operating temperature (for example, about 750 ° C).

Beim Starten der Brennstoffzellenvorrichtung wird der Reformer als Startbrenner gezündet. Das heiße Brenngas (mit einer Temperatur von teilweise bis zu 900 °C) aus dem Reformer wird auf den noch kalten Brennstoffzellenstapel geleitet. Auch in der Aufheizphase wird das nicht umgesetzte Brenngas – wie in der Betriebsphase – im Restgasbrenner nachverbrannt. Im Schichtwärmetauscher wird das Oxidationsmittel (Kathodenluft) durch Wärmeübertragung aus dem Abgas des Restgasbrenners aufgeheizt.When starting the fuel cell device of the reformer is ignited as starting burner. The hot fuel gas (with a temperature of up to 900 ° C) from the reformer is passed to the still cold fuel cell stack. Even in the heating phase, the unreacted fuel gas - as in the operating phase - afterburned in the residual gas burner. In the layer heat exchanger, the oxidizing agent (cathode air) is heated by heat transfer from the exhaust gas of the residual gas burner.

Dies hat zur Folge, dass die Temperaturdifferenz zwischen den Brenngas-Kanälen und den Oxidationsmittel-Kanälen im Brennstoffzellenstapel teilweise bis zu 200 K betragen kann. Dadurch entstehen thermomechanische Belastungen, die den Brennstoffzellenstapel nachhaltig schädigen können.This has the consequence that the temperature difference between the fuel gas channels and the oxidant channels in the fuel cell stack can be up to 200 K in some cases. This creates thermo-mechanical loads that can permanently damage the fuel cell stack.

Um die Temperaturdifferenz und die daraus resultierenden thermomechanischen Spannungen zu reduzieren, kann die Startbrennerleistung des Reformers reduziert werden. Dies führt aber zu einer für den Benutzer der Brennstoffzellenvorrichtung häufig untolerierbar langen Startzeit der Brennstoffzellenvorrichtung von mehr als 60 Minuten.To reduce the temperature difference and the resulting thermo-mechanical stresses, the starting burner power of the reformer can be reduced. However, this leads to a fuel cell device start time that is often unacceptably long for the user of the fuel cell device of more than 60 minutes.

Ferner kann eine unerwünschte Aufkohlung an den Anoden der elektrochemisch aktiven Brennstoffzelleneinheiten des Brennstoffzellenstapels auftreten.Further, undesirable carburization may occur at the anodes of the electrochemically active fuel cell units of the fuel cell stack.

Aufkohlende Gase wie Kohlenmonoxid (CO) oder höhere Kohlenwasserstoffe (beispielsweise Ethin, C2H2) werden nämlich an den Anoden der Brennstoffzelleneinheiten, unterstützt von der katalytischen Aktivität der Anoden (beispielsweise des darin enthaltenen Nickels) reduziert, wobei sich Kohlenstoff an den Anoden ablagert.Carburizing gases such as carbon monoxide (CO) or higher hydrocarbons (eg, ethyne, C 2 H 2 ) are in fact reduced at the anodes of the fuel cell units, aided by the catalytic activity of the anodes (e.g., the nickel contained therein), with carbon being deposited on the anodes ,

Diese Aufkohlung tritt besonders bei Temperaturen zwischen ungefähr 300 °C und ungefähr 600 °C (Festkörpertemperatur) auf (sogenanntes "Rußfenster").This carburization occurs especially at temperatures between about 300 ° C and about 600 ° C (solid state temperature) (so-called "soot window").

Das in den Brennstoffzellenstapel einströmende Gas ist zwar von Anfang an deutlich wärmer als das Rußfenster, jedoch ist die Substrattemperatur, insbesondere die Temperatur der Anoden, zunächst geringer. Die Anoden werden erst durch den Brenngasstrom aufgewärmt.Although the gas flowing into the fuel cell stack is significantly warmer from the beginning than the soot window, the substrate temperature, in particular the temperature of the anodes, is initially lower. The anodes are only warmed up by the fuel gas flow.

Je höher die Temperatur der Anoden wird, desto schneller diffundiert der auf den Anoden abgelagerte Kohlenstoff in das Anodenmaterial (meist ein Cermet-Material) und dort bevorzugt in die metallische Komponente (beispielsweise Nickel) hinein. Da es sich hierbei um einen Diffusionsprozess handelt, tritt dieser umso stärker auf, je höher die Temperatur ist und je länger die erhöhte Temperatur gehalten wird (beispielsweise bei einer Temperatur oberhalb von 500 °C und einer Haltezeit von mehr als einer Stunde).The higher the temperature of the anodes, the faster the carbon deposited on the anodes diffuses into the anode material (usually a cermet material) and there preferably into the metallic component (for example nickel). Since this is a diffusion process, the higher the temperature, the longer the temperature and the longer the elevated temperature is maintained (for example, at a temperature above 500 ° C and a hold time of more than one hour).

Ein Betriebszyklus der Brennstoffzellenvorrichtung besteht aus einer Aufheizphase, einer Betriebsphase und einer Abkühlphase. Diesem Betriebszyklus entspricht ein Temperaturzyklus des Brennstoffzellenstapels.An operating cycle of the fuel cell device consists of a heating phase, an operating phase and a cooling phase. This operating cycle corresponds to a temperature cycle of the fuel cell stack.

In der Aufheizphase kommt es zur Kohlenstoffablagerung an den Anoden. In der Betriebsphase diffundiert der Kohlenstoff in die Metallkörner (beispielsweise Nickel) ein. In der Abkühlphase oder in der darauffolgenden nächsten Aufheizphase sprengt der eindiffundierte Kohlenstoff die Metallkörner aufgrund der nicht miteinander kompatiblen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des metallischen Korns einerseits und des Kohlenstoffs andererseits.During the heating phase, carbon deposits occur at the anodes. In the Operating phase, the carbon diffuses into the metal grains (for example, nickel). In the cooling phase or in the next next heating phase, the diffused carbon exceeds the metal grains due to the incompatible thermal expansion coefficients of the metallic grain on the one hand and the carbon on the other hand.

Dieses Aufsprengen wird auch "metal dusting" genannt. Die herausgelösten Metallpartikel werden durch den Brenngasstrom aus dem Brennstoffzellenstapel heraustransportiert. Die Anoden verlieren somit zunehmend ihre metallische und katalytisch aktive Komponente. Dadurch verlieren die Brennstoffzelleneinheiten ihre Leistungsfähigkeit. This blasting is also called "metal dusting". The leached metal particles are transported out of the fuel cell stack by the fuel gas stream. The anodes thus increasingly lose their metallic and catalytically active component. As a result, the fuel cell units lose their efficiency.

Die beschriebenen Prozesse der Kohlenstoffablagerung, der Kohlenstoffdiffusion und des "metal dusting" treten nicht nur sequentiell auf, sondern können sich auch überlagern.The described processes of carbon deposition, carbon diffusion and metal dusting not only occur sequentially, but can also overlap.

Aufgrund der Kohlenstoffablagerung an den Anoden der Brennstoffzelleneinheiten in Verbindung mit "metal dusting"-Effekten kommt es zu einer hohen Alterungsrate des Brennstoffzellenstapels. Um die hieraus resultierenden Leistungsverluste zu kompensieren, muss der Brennstoffzellenstapel entsprechend überdimensioniert werden. Dies verursacht Mehrkosten oder führt zu einem für den Benutzer inakzeptablen Leistung/Kosten-Verhältnis.Due to the carbon deposition on the anodes of the fuel cell units in conjunction with metal dusting effects, a high rate of aging of the fuel cell stack occurs. To compensate for the resulting power losses, the fuel cell stack must be oversized accordingly. This causes additional costs or results in a user-unacceptable performance / cost ratio.

Ferner kann eine unerwünschte Reoxidation der Anoden der Brennstoffzelleneinheiten des Brennstoffzellenstapels auftreten.Furthermore, undesired reoxidation of the anodes of the fuel cell units of the fuel cell stack may occur.

Bedingt durch unterschiedliche Betriebsstrategien ist es nämlich nahezu unvermeidlich, dass Sauerstoff mit dem Brenngas auf die Anoden gelangt. So kann der Reformer insbesondere beim Zünden im Fall eines Neustarts der Brennstoffzellenvorrichtung kurzfristig Sauerstoff auf die noch heißen Anoden (bei einer Temperatur von beispielsweise mehr als 300 °C) emittieren, da eine Überstöchiometrie des Sauerstoffs bezogen auf den eingesetzten Ausgangsbrennstoff für die Zündneigung notwendig ist.Due to different operating strategies, it is almost inevitable that oxygen will reach the anodes with the fuel gas. Thus, the reformer, in particular when igniting in the case of a restart of the fuel cell device briefly emit oxygen to the still hot anodes (at a temperature of, for example, more than 300 ° C), since an overstoichiometry of the oxygen based on the starting fuel used for the ignition tendency is necessary.

Leistungsfähige Anoden bestehen meist aus einem Cermet-Material (beispielsweise Nickel und Yttrium-stabilisiertes Zirkondioxid). Durch den systembedingten Sauerstoffeintrag kann es an den Anoden bei erhöhten Temperaturen zu einer Oxidation des metallischen Nickels kommen (Bildung von NiO). Da es sich bei diesem Vorgang um einen Diffusionsprozess handelt, ist das Ausmaß desselben temperaturabhängig. Eine merkliche Diffusion und Reoxidation wird erst merklich bei Temperaturen von mehr als 300 °C. Durch die Oxidation kommt es zu einer Volumenänderung der Struktur. Wenn wieder Brenngas auf die Anode gelangt (das heißt wenn der Sauerstoffpartialdruck wieder abnimmt), wird das NiO wieder zu Ni reduziert. Jedoch ist auch dieser Vorgang mit einer erneuten Volumenänderung verbunden. Sowohl die Oxidation als auch die anschließende Reduktion induzieren mechanische Spannungen in den Anoden. Da es sich bei den elektrochemisch aktiven Zellen um einen überwiegend keramischen Verbund handelt, können die entstehenden mechanischen Spannungen nicht durch plastisches Verformen kompensiert werden. Vielmehr bauen sich die mechanischen Spannungen in Form von Rissen im an die Anoden angrenzenden Elektrolyten ab. Durch diese Risse kann Brenngas direkt mit dem Oxidationsmittel (beispielsweise Luft) auf der gegenüberliegenden Seite der elektrochemisch aktiven Zelle reagieren. Powerful anodes usually consist of a cermet material (for example, nickel and yttrium-stabilized zirconia). Owing to the system-induced introduction of oxygen, an oxidation of the metallic nickel can occur at elevated temperatures at the anodes (formation of NiO). Since this process is a diffusion process, its extent is temperature dependent. Significant diffusion and reoxidation becomes noticeable only at temperatures above 300 ° C. The oxidation causes a volume change of the structure. When fuel gas returns to the anode (that is, when the oxygen partial pressure decreases again), the NiO is reduced to Ni again. However, this process is associated with a renewed volume change. Both the oxidation and the subsequent reduction induce mechanical stresses in the anodes. Since the electrochemically active cells are a predominantly ceramic composite, the resulting mechanical stresses can not be compensated by plastic deformation. Rather, the mechanical stresses build up in the form of cracks in the electrolyte adjacent to the anodes. Through these cracks, fuel gas can react directly with the oxidant (eg, air) on the opposite side of the electrochemically active cell.

Im günstigeren Fall resultiert hieraus lediglich ein Leistungs- oder Wirkungsgradverlust des Brennstoffzellenstapels. Im schlimmsten Fall können die Risse aber, bedingt durch einen offenen Brand, ein katastrophales Versagen des Brennstoffzellenstapels bewirken.In the more favorable case, this results in only a power or efficiency loss of the fuel cell stack. In the worst case, however, the cracks can cause a catastrophic failure of the fuel cell stack due to an open fire.

Das Problem der unerwünschten Reoxidation des Anodenmaterials tritt insbesondere bei einem Reformerstart in Verbindung mit einem noch warmen Brennstoffzellenstapel auf. The problem of unwanted reoxidation of the anode material occurs in particular in a reformer start in conjunction with a still warm fuel cell stack.

Der Reformer kann, beispielsweise durch elektrische Heizung, vorkonditioniert werden, um das Sauerstoffvolumen im Brenngas zu reduzieren, weil dann eine geringere Überstöchiometrie notwendig ist. Problematisch ist allerdings hierbei die Bereitstellung der elektrischen Energie, welche dazu benötigt wird, um den Reformer schon ohne Gasverbrennung aufzuheizen (Vorkonditionierung). The reformer may be preconditioned, for example by electric heating, to reduce the volume of oxygen in the fuel gas, because then a lower excess stoichiometry is necessary. However, the problem here is the provision of electrical energy, which is needed to heat the reformer already without gas combustion (preconditioning).

Alternativ zu einer Vorheizung des Reformers kann auch die Regelstrategie der Brennstoffzellenvorrichtung geändert werden, so dass beispielsweise die Brennstoffzellenvorrichtung nicht eingeschaltet werden kann, solange der Brennstoffzellenstack noch warm ist. Solche Einschränkungen in der Betriebsweise der Brennstoffzellenvorrichtung sind für den Benutzer aber häufig nicht akzeptabel.As an alternative to preheating the reformer, the control strategy of the fuel cell device can also be changed so that, for example, the fuel cell device can not be switched on as long as the fuel cell stack is still warm. However, such limitations in the operation of the fuel cell device are often unacceptable to the user.

Ferner kann eine durch Verunreinigung des Brenngases mit Schwefel bedingte Leistungsabnahme des Brennstoffzellenstapels auftreten.Furthermore, a loss of fuel cell stack due to contamination of the fuel gas with sulfur may occur.

Im handelsüblichen Ausgangsbrennstoff, beispielsweise in einem Dieselkraftstoff, sind trotz der Bezeichnung "schwefelfrei" nämlich geringe Mengen an Schwefel vorhanden (in Europa beispielsweise bis zu 10 ppm; in den USA ist der Schwefelgehalt noch höher).For example, in the case of commercial starting fuel, for example in a diesel fuel, despite the term "sulfur-free", small amounts of sulfur are present (in Europe for example up to 10 ppm, in the USA the sulfur content is even higher).

Während bei Betriebstemperaturen des Brennstoffzellenstapels höher als 900 °C diese Schwefelmengen tolerabel sind, ist dies bei einer Absenkung der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels kritischer.While at operating temperatures of the fuel cell stack higher than 900 ° C these sulfur levels are tolerable, this is at a Lowering the operating temperature of the fuel cell stack critical.

Bei hocheffizienten SOFC("Solid Oxide Fuel Cell")-APU("Auxiliary Power Unit")-Brennstoffzellenvorrichtungen werden aufgrund von Wirkungsgradbetrachtungen Betriebstemperaturen des Brennstoffzellenstapels von weniger als 800 °C bevorzugt. In diesem Fall sinkt die Schwefeltoleranz auf deutlich weniger als 10 ppm. Bisherige Untersuchungen ergaben, dass bei einer Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels von ungefähr 800 °C erst bei einem Schwefelgehalt von weniger als 1 ppm keine Leistungsabnahme mehr resultiert. In high efficiency Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) fuel cell devices, operating temperatures of the fuel cell stack of less than 800 ° C are preferred due to efficiency considerations. In this case, the sulfur tolerance drops to significantly less than 10 ppm. Previous studies have shown that at an operating temperature of the fuel cell stack of about 800 ° C only at a sulfur content of less than 1 ppm no decrease in performance results.

Bei Verwendung eines normalen Dieselkraftstoffs mit einem Schwefelgehalt von 8,8 ppm und einer Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels von 750 °C nimmt die Leistung des Brennstoffzellenstapels innerhalb von 4 Stunden um mehr als 30 % ab. Gasanalysen haben ergeben, dass diese geringere Leistung darauf zurückzuführen ist, dass im Brennstoffzellenstack kein CO mehr umgesetzt wird, während H2 zunächst gleichbleibend weiter verstromt wird.Using normal diesel fuel with a sulfur content of 8.8 ppm and a fuel cell stack operating temperature of 750 ° C, fuel cell stack performance decreases by more than 30% within 4 hours. Gas analyzes have shown that this lower performance is due to the fact that in the fuel cell stack no more CO is converted, while H 2 continues to be first continuously converted into electricity.

Der Leistungsabfall durch den Schwefelgehalt ist zwar teilweise reversibel, wenn dem Brennstoffzellenstapel ein Brenngas mit einem Schwefelgehalt von weniger als 1 ppm zugeführt wird. Bei Verwendung von derzeit handelsüblichem Kraftstoff ist der aus dem Schwefelgehalt resultierende Leistungs- bzw. Wirkungsgradverlust jedoch nicht tolerabel.Although the performance decrease by the sulfur content is partially reversible when the fuel cell stack, a fuel gas is supplied with a sulfur content of less than 1 ppm. However, with the use of currently commercial fuel, the power loss resulting from the sulfur content is not tolerable.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzellenvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher durch die Zusammensetzung des Brenngases bedingte negative Einwirkungen auf die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels verringert oder ganz vermieden werden. The present invention has for its object to provide a fuel cell device of the type mentioned, in which caused by the composition of the fuel gas negative effects on the performance of the fuel cell stack can be reduced or avoided altogether.

Diese Aufgabe wird bei einer Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Brennstoffzellenvorrichtung mindestens einen Wärmeübertrager umfasst, der von dem Brenngas stromaufwärts von den Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheiten des Brennstoffzellenstapels durchströmbar ist, wobei der Wärmeübertrager mindestens eine chemisch aktive Substanz zur Veränderung der Zusammensetzung des Brenngases umfasst.This object is achieved in a fuel cell device with the features of the preamble of claim 1 according to the invention, that the fuel cell device comprises at least one heat exchanger, which is flowed through by the fuel gas upstream of the cathode-electrolyte-anode units of the fuel cell stack, wherein the heat exchanger at least one chemically active substance for changing the composition of the fuel gas.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit das Konzept zugrunde, die Zusammensetzung des Brenngases vor dem Eintritt desselben in den elektrochemisch aktiven Teil des Brennstoffzellenstapels in gewünschter Weise zu verändern, um insbesondere eine Aufkohlung der Anoden, eine Reoxidation der Anoden und/oder einen Leistungsabfall des Brennstoffzellenstapels aufgrund des Vorhandenseins von Schwefel im Brenngas zu vermeiden.The present invention is therefore based on the concept of changing the composition of the fuel gas before it enters the electrochemically active part of the fuel cell stack in the desired manner, in particular a carburizing of the anodes, a reoxidation of the anodes and / or a power loss of the fuel cell stack due to Presence of sulfur in the fuel gas to avoid.

Dabei erfolgt diese Veränderung der Zusammensetzung des Brenngases mit Hilfe der mindestens einen chemisch aktiven Substanz in einem Wärmeübertrager, welcher die zusätzliche Funktion aufweist, Wärme aus dem Brenngas auf ein anderes Fluid und/oder Wärme von einem anderen Fluid auf das Brenngas zu übertragen.In this case, this change in the composition of the fuel gas by means of at least one chemically active substance in a heat exchanger, which has the additional function of transferring heat from the fuel gas to another fluid and / or heat from another fluid to the fuel gas.

Durch diese Doppelfunktion des Wärmeübertragers mit der chemisch aktiven Substanz wird die Anzahl der für die Herstellung der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung erforderlichen Komponenten reduziert und deren Aufbau vereinfacht.By virtue of this dual function of the heat exchanger with the chemically active substance, the number of components required for the production of the fuel cell device according to the invention is reduced and its structure simplified.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass mindestens eine chemisch aktive Substanz eine zumindest teilweise Reduktion mindestens eines Bestandteils des Brenngases bewirkt. Hierdurch wird die vorstehend beschriebene unerwünschte Aufkohlung an den Anoden der elektrochemisch aktiven Brennstoffzelleneinheiten des Brennstoffzellenstapels vermieden. Um Schädigungen des Brennstoffzellenstapels durch eine solche Aufkohlung durch CO oder höhere Kohlenwasserstoffe (beispielsweise C2H2) im Brennstoffzellenstapel zu vermeiden, ist es von Vorteil, diese aufkohlenden Gase vor dem Eintritt in den Brennstoffzellenstapel in dem Wärmeübertrager zu reduzieren.It is preferably provided that at least one chemically active substance causes at least partial reduction of at least one constituent of the fuel gas. As a result, the above-described undesirable carburization at the anodes of the electrochemically active fuel cell units of the fuel cell stack is avoided. To avoid damage to the fuel cell stack by such carburization by CO or higher hydrocarbons (for example, C 2 H 2 ) in the fuel cell stack, it is advantageous to reduce these carburizing gases before entering the fuel cell stack in the heat exchanger.

Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass der erfindungsgemäße Wärmeübertrager brenngasseitig katalytisch aktive Flächen enthält.This can be achieved, in particular, by virtue of the fact that the heat exchanger according to the invention contains catalytically active surfaces on the fuel gas side.

Diese katalytisch aktiven Flächen können beispielsweise durch Einlegen eines Anodensubstrats (Cermet-Material) oder einer, insbesondere handelsüblichen, Nickelfolie in einen Brenngasraum des Wärmeübertragers bereitgestellt werden.These catalytically active surfaces can be provided for example by inserting an anode substrate (cermet material) or a, in particular commercially available, nickel foil in a combustion gas space of the heat exchanger.

Insbesondere das Nickel hat eine ausreichend hohe katalytische Aktivität, um eine Reduktion der aufkohlenden Gase zu erzielen.In particular, the nickel has a sufficiently high catalytic activity to achieve a reduction of the carburizing gases.

Die Reduktionswirkung ist besonders groß, wenn die Temperatur der zur Reduktion der aufkohlenden Gase chemisch aktiven Substanz im Wärmeübertrager längere Zeit im vorstehend erwähnten Rußfenster (von ungefähr 300 °C bis ungefähr 600 °C) gehalten wird und/oder wenn die Reduktionsreaktion katalytisch beschleunigt wird.The reducing effect is particularly great when the temperature of the substance chemically active for reducing the carburizing gases in the heat exchanger is maintained in the aforementioned soot window (from about 300 ° C to about 600 ° C) for a long time and / or when the reduction reaction is catalytically accelerated.

Besonders günstig ist es, wenn die chemisch aktive Substanz, insbesondere eine eingelegte Folie, durch ein anderes, ebenfalls den Wärmeübertrager durchströmendes Fluid, beispielsweise das Oxidationsmittel, gekühlt wird, weil dadurch die Verweilzeit im Rußfenster steigt.It is particularly favorable if the chemically active substance, in particular an inserted film, is cooled by another fluid which also flows through the heat exchanger, for example the oxidizing agent, because this increases the residence time in the soot window.

Ferner ist es von Vorteil, wenn mindestens eine chemisch aktive Substanz des Wärmeübertragers eine Verringerung des Sauerstoffgehalts im Brenngas bewirkt. Furthermore, it is advantageous if at least one chemically active substance of the heat exchanger causes a reduction of the oxygen content in the fuel gas.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Wärmeübertrager, vorzugsweise brenngasseitig, mindestens eine chemisch aktive Substanz enthält, welche im Falle eines Reformerstarts bei einem noch warmen Brennstoffzellenstapel den Sauerstoff aus dem vom Reformer emittierten Brenngas zumindest teilweise entfernt ("gettert").In particular, it may be provided that the heat exchanger, preferably on the fuel gas side, contains at least one chemically active substance which at least partially removes ("gasses") the oxygen from the fuel gas emitted by the reformer in the event of a reformer start with a still warm fuel cell stack.

Eine für eine Verringerung des Sauerstoffgehaltes im Brenngas verwendbare chemisch aktive Substanz ist beispielsweise ein Cermet-Material, Nickel oder eine Nickellegierung.A chemically active substance which can be used for reducing the oxygen content in the fuel gas is, for example, a cermet material, nickel or a nickel alloy.

Die vorstehend beschriebene Rissbildung kann im Falle der chemisch aktiven Substanz im Wärmeübertrager nicht auftreten, da diese Substanz nicht an einen Elektrolyten angrenzt. Ferner muss die eingesetzte chemische Substanz oder ein Substanzträger, an dem diese chemische Substanz angeordnet ist, nicht gasdicht sein, so dass eine Rissbildung unschädlich wäre.The cracking described above can not occur in the case of the chemically active substance in the heat exchanger, since this substance is not adjacent to an electrolyte. Furthermore, the chemical substance used or a substance carrier on which this chemical substance is arranged, must not be gas-tight, so that cracking would be harmless.

Durch die Wechselwirkung von Aufkohlung und Reoxidation einer chemisch aktiven Substanz im Wärmeübertrager kann die Lebensdauer dieser chemisch aktiven Substanz positiv beeinflusst werden.Through the interaction of carburization and reoxidation of a chemically active substance in the heat exchanger, the lifetime of this chemically active substance can be positively influenced.

So kann beispielsweise der in der Aufheizphase an der chemisch aktiven Substanz im Wärmeübertrager abgelagerte Kohlenstoff durch einen Reformerstart, bei dem Sauerstoff mit dem Brenngas in den Wärmeübertrager gelangt, freigebrannt werden, bevor der abgelagerte Brennstoff einen "metal dusting"-Effekt auslöst.Thus, for example, the carbon deposited in the heat exchanger on the chemically active substance in the heat exchanger can be burned free by a reformer start, in which oxygen with the fuel gas enters the heat exchanger, before the deposited fuel triggers a "metal dusting" effect.

Ferner ist es günstig, wenn mindestens eine chemisch aktive Substanz im Wärmeübertrager eine zumindest teilweise Entfernung von Schwefel oder einer Schwefelverbindung aus dem Brenngas bewirkt.Furthermore, it is favorable if at least one chemically active substance in the heat exchanger causes at least partial removal of sulfur or a sulfur compound from the fuel gas.

Dies bietet den Vorteil, dass eine durch Verunreinigung des Brenngases mit Schwefel bedingte Leistungsabnahme des Brennstoffzellenstapels vermieden wird.This offers the advantage that a decrease in fuel cell stack performance caused by contamination of the fuel gas with sulfur is avoided.

Insbesondere kann eine chemisch aktive Substanz, welche Nickel enthält, Schwefel aus der Gasphase entfernen.In particular, a chemically active substance containing nickel can remove sulfur from the gas phase.

Zur Verringerung des Schwefelgehalts im Brenngas kann also insbesondere eine Folie aus Nickel oder einer Nickellegierung in den Wärmeübertrager eingebracht werden.In order to reduce the sulfur content in the fuel gas so in particular a film of nickel or a nickel alloy can be introduced into the heat exchanger.

Mindestens eine chemisch aktive Substanz kann insbesondere eine Beschichtung an einer Wandung eines von dem Brenngas durchströmbaren Innenraums des Wärmeübertragers umfassen.At least one chemically active substance may in particular comprise a coating on a wall of an interior of the heat exchanger through which the fuel gas can flow.

Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass mindestens eine chemisch aktive Substanz einen Substanzträger umfasst, der in einem von dem Brenngas durchströmbaren Innenraum des Wärmeübertragers angeordnet ist.Alternatively or additionally, it can be provided that at least one chemically active substance comprises a substance carrier, which is arranged in an interior of the heat exchanger through which the fuel gas can flow.

Der Substanzträger kann insbesondere eine mit mindestens einer chemisch aktiven Substanz beschichtete oder aus mindestens einer chemisch aktiven Substanz gebildete Folie umfassen.The substance carrier may in particular comprise a film coated with at least one chemically active substance or formed from at least one chemically active substance.

Ferner ist es von Vorteil, wenn mindestens eine chemisch aktive Substanz durch ein den Wärmeübertrager zusätzlich zu dem Brenngas durchströmendes Fluid kühlbar ist. Hierdurch kann insbesondere erreicht werden, dass die Temperatur der chemisch aktiven Substanz im Wärmeübertrager möglichst lange im sogenannten Rußfenster (von ungefähr 300 °C bis ungefähr 600 °C Festkörpertemperatur) verweilt, wodurch eine besonders effiziente Reduktion aufkohlender Gase aus dem Brenngas bewirkt wird.Furthermore, it is advantageous if at least one chemically active substance can be cooled by a fluid flowing through the heat exchanger in addition to the fuel gas. In this way, it can be achieved, in particular, that the temperature of the chemically active substance in the heat exchanger dwells as long as possible in the so-called soot window (from about 300 ° C. to about 600 ° C. solid-state temperature), thereby causing a particularly efficient reduction of carburizing gases from the fuel gas.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wärmeübertrager außer von dem Brenngas auch von dem dem Brennstoffzellenstapel zuzuführenden Oxidationsmittel durchströmbar ist, und zwar vorzugsweise stromaufwärts von den elektrochemisch aktiven Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheiten des Brennstoffzellenstapels.In a preferred embodiment of the invention it is provided that the heat exchanger can be traversed by the fuel cell stack to be supplied oxidant except from the fuel gas, preferably upstream of the electrochemically active cathode-electrolyte anode units of the fuel cell stack.

In diesem Fall umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung vorteilhafterweise mindestens einen Wärmeübertrager, der von dem Brenngas und von dem Oxidationsmittel stromaufwärts von den Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheiten des Brennstoffzellenstapels durchströmbar ist.In this case, the fuel cell device advantageously comprises at least one heat exchanger through which the fuel gas and the oxidant upstream of the cathode-electrolyte-anode units of the fuel cell stack can flow.

Dieser Wärmeübertrager ist somit im Strömungsweg des Brenngases zwischen dem Reformer und dem elektrochemisch aktiven Teil des Brennstoffzellenstapels angeordnet.This heat exchanger is thus arranged in the flow path of the fuel gas between the reformer and the electrochemically active part of the fuel cell stack.

Hierdurch werden die thermomechanischen Belastungen des Brennstoffzellenstapels in der Aufheizphase verringert und/oder eine Verkürzung der Aufheizphase ermöglicht.As a result, the thermo-mechanical loads of the fuel cell stack are reduced in the heating phase and / or allows a shortening of the heating phase.

In der Startphase oder Aufheizphase wird das heiße Brenngas vom Reformer in diesen Wärmeübertrager geleitet. Hier kann das Brenngas einen Teil seiner Wärme an das ebenfalls in den Wärmeübertrager eingespeiste Oxidationsmittel (Kathodenluft) abgeben. Das Brenngas wird dabei abgekühlt, während das Oxidationsmittel (Kathodenluft) aufgeheizt wird. Der Wärmeübertrager weist somit eine im Wesentlichen neutrale Energiebilanz auf, wobei nahezu kein Wärmeverlust im Wärmeübertrager auftritt. In the starting phase or heating phase, the hot fuel gas is passed from the reformer in this heat exchanger. Here, the fuel gas can give off some of its heat to the oxidant (cathode air) also fed into the heat exchanger. The fuel gas is cooled while while the oxidant (cathode air) is heated. The heat exchanger thus has a substantially neutral energy balance, with almost no heat loss occurring in the heat exchanger.

Die jeweiligen Temperaturen des Brenngases und des Oxidationsmittels gleichen sich im Wärmeübertrager im Wesentlichen ohne zeitlichen Versatz an, bevor das Brenngas und das Oxidationsmittel in den elektrochemisch aktiven Teil des Brennstoffzellenstapels gelangen.The respective temperatures of the fuel gas and the oxidant are equal in the heat exchanger substantially without a time lag before the fuel gas and the oxidant reach the electrochemically active part of the fuel cell stack.

Hierdurch verringert sich die thermomechanische Belastung im Brennstoffzellenstapel bei vorgegebener Startzeit, oder der Brennstoffzellenstapel kann – ohne Erhöhung der thermomechanischen Spannungen im Brennstoffzellenstapel – mit einem höheren zeitlichen Temperaturgradienten belastet werden, was bedeutet, dass die Startzeit verkürzt werden kann.This reduces the thermo-mechanical load in the fuel cell stack at a predetermined start time, or the fuel cell stack can - without increasing the thermo-mechanical stresses in the fuel cell stack - be charged with a higher temporal temperature gradient, which means that the start time can be shortened.

Dabei kann der Wärmeübertrager beispielsweise als separate Komponente stromabwärts von dem Reformer und stromaufwärts von dem Brennstoffzellenstapel (in Bezug auf die Strömungsrichtung des Brenngases) ausgebildet sein.In this case, the heat exchanger may be formed, for example, as a separate component downstream of the reformer and upstream of the fuel cell stack (with respect to the flow direction of the fuel gas).

Alternativ hierzu kann auch vorgesehen sein, dass der Wärmeübertrager in den Brennstoffzellenstapel integriert ist.Alternatively, it can also be provided that the heat exchanger is integrated in the fuel cell stack.

Eine Integration des Wärmeübertragers in den Brennstoffzellenstapel bietet die Zusatzfunktion, dass das Temperaturfeld des Brennstoffzellenstapels durch den Wärmeübertrager homogenisierbar ist.An integration of the heat exchanger in the fuel cell stack offers the additional function that the temperature field of the fuel cell stack can be homogenized by the heat exchanger.

Die Leistungsfähigkeit eines Brennstoffzellenstapels, insbesondere eines SOFC("Solid Oxide Fuel Cell")-Brennstoffzellenstapels, wird maßgeblich durch die Homogenität des Temperaturfeldes in allen drei Raumrichtungen bestimmt. The performance of a fuel cell stack, in particular of an SOFC (solid oxide fuel cell) fuel cell stack, is largely determined by the homogeneity of the temperature field in all three spatial directions.

Je nach Strömungskonzept stellen sich im Brennstoffzellenstapel unterschiedliche Temperaturen ein.Depending on the flow concept, different temperatures occur in the fuel cell stack.

Ist der Brennstoffzellenstapel für einen sogenannten "Co-Flow"-Betrieb vorgesehen, bei welchem der Brenngas-Einlass und der Oxidationsmittel-Einlass des Brennstoffzellenstapels gemeinsam auf einer Einlassseite des Brennstoffzellenstapels liegen, während sich der Brenngas-Auslass und der Oxidationsmittel-Auslass des Brennstoffzellenstapels auf der gegenüberliegenden Auslassseite des Brennstoffzellenstapels befinden, so ist die Einlassseite des Brennstoffzellenstapels üblicherweise kühler als dessen Auslassseite. Dies liegt daran, dass bei der Verstromung von H2 und CO stets auch Wärme produziert wird, welche auf das den Brennstoffzellenstapel durchströmende Brenngas und das den Brennstoffzellenstapel durchströmende Oxidationsmittel übertragen wird.When the fuel cell stack is for a so-called "co-flow" operation in which the fuel gas inlet and the oxidant inlet of the fuel cell stack are common to an inlet side of the fuel cell stack while the fuel gas outlet and the oxidant outlet of the fuel cell stack are on the opposite outlet side of the fuel cell stack, the inlet side of the fuel cell stack is usually cooler than the outlet side. This is because in the conversion of H 2 and CO always heat is also produced, which is transferred to the fuel cell stack flowing through the fuel gas and the fuel cell stack flowing through the oxidant.

Ein anderer Temperaturunterschied stellt sich bei den randständigen Brennstoffzelleneinheiten (Randebenen) des Brennstoffzellenstapels ein. Jede Brennstoffzelleneinheit (Ebene des Brennstoffzellenstapels) außer den randständigen Brennstoffzelleneinheiten (Randebenen) erhält Abwärme sowohl von der in der Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels darunterliegenden Brennstoffzelleneinheit (Ebene) als auch von der in der Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels darüberliegenden Brennstoffzelleneinheit (Ebene). Die randständigen Brennstoffzelleneinheiten (Randebenen), das heißt die unterste und die oberste Brennstoffzelleneinheit des Brennstoffzellenstapels, erhalten hingegen Abwärme nur von einer anderen Brennstoffzelleneinheit des Brennstoffzellenstapels, weshalb diese randständigen Brennstoffzelleneinheiten (Randebenen) im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung kühler sind als die nicht randständigen Brennstoffzelleneinheiten. Da die jeweilige Zellleistung stark von der Temperatur abhängig ist, limitieren die randständigen Brennstoffzelleneinheiten (Randebenen) die gesamte Leistung des Brennstoffzellenstapels. Another temperature difference arises at the marginal fuel cell units (edge planes) of the fuel cell stack. Each fuel cell unit (fuel cell stack level) other than the marginal fuel cell units (edge planes) receives waste heat from both the fuel cell unit (level) underlying the stacking direction of the fuel cell stack and the fuel cell unit (level) located above in the stacking direction of the fuel cell stack. The marginal fuel cell units (edge planes), that is, the lowermost and the uppermost fuel cell unit of the fuel cell stack, however, receive waste heat only from another fuel cell unit of the fuel cell stack, which is why these marginal fuel cell units (edge planes) are cooler during operation of the fuel cell device than the non-marginal fuel cell units. Since the respective cell performance is highly dependent on the temperature, the peripheral fuel cell units (edge planes) limit the overall performance of the fuel cell stack.

Ein Wärmeübertrager hat stets eine Wechselwirkung mit seiner Umgebung, das heißt er kann Wärme aus der Umgebung aufnehmen bzw. an die Umgebung abgeben. Es kann daher ein Zusatznutzen des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers kreiert werden, indem der Wärmeübertrager so verwendet wird, dass dem Brennstoffzellenstapel durch das Vorhandensein des Wärmeübertragers ein homogeneres Temperaturfeld auferlegt wird.A heat exchanger always has an interaction with its environment, that is, it can absorb heat from the environment or deliver it to the environment. It can therefore be created an added benefit of the heat exchanger according to the invention by the heat exchanger is used so that the fuel cell stack is imposed by the presence of the heat exchanger, a more homogeneous temperature field.

Es ist daher günstig, wenn der Wärmeübertrager zumindest teilweise in einer Randzone des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist.It is therefore advantageous if the heat exchanger is arranged at least partially in an edge zone of the fuel cell stack.

Dabei kann die Randzone, in welcher der Wärmeübertrager zumindest teilweise angeordnet ist, eine obere Randzone, eine untere Randzone oder eine seitliche Randzone des Brennstoffzellenstapels sein.In this case, the edge zone, in which the heat exchanger is arranged at least partially, be an upper edge zone, a lower edge zone or a lateral edge zone of the fuel cell stack.

Ferner ist es günstig, wenn der Wärmeübertrager mindestens eine elektrochemisch inaktive Brennstoffzelleneinheit des Brennstoffzellenstapels umfasst. Furthermore, it is favorable if the heat exchanger comprises at least one electrochemically inactive fuel cell unit of the fuel cell stack.

Eine solche elektrochemisch inaktive Brennstoffzelleneinheit kann beispielsweise statt der elektrochemisch aktiven Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit einer elektrochemisch aktiven Brennstoffzelleneinheit ein elektrochemisch inaktives Trennelement zwischen einem Brenngasraum und einem Oxidationsmittelraum der Brennstoffzelleneinheit umfassen.By way of example, such an electrochemically inactive fuel cell unit may comprise, instead of the electrochemically active cathode-electrolyte-anode unit of an electrochemically active fuel cell unit, an electrochemically inactive separating element between a fuel gas space and an oxidant space of the fuel cell unit.

Eine oder mehrere solcher elektrochemisch inaktiven Brennstoffzelleneinheiten sind vorzugsweise randständig im Brennstoffzellenstapel angeordnet, das heißt dass diese elektrochemisch inaktiven Brennstoffzelleneinheiten vorzugsweise die untersten oder die obersten Brennstoffzelleneinheiten im Brennstoffzellenstapel bilden. One or more such electrochemically inactive fuel cell units are preferably arranged marginally in the fuel cell stack, that is to say that these electrochemically inactive fuel cell units preferably form the lowermost or the uppermost fuel cell units in the fuel cell stack.

Insbesondere dann, wenn der Brennstoffzellenstapel für einen "Co-Flow"-Betrieb ausgelegt ist, ist es günstig, wenn der Wärmeübertrager zumindest teilweise seitlich neben mehreren elektrochemisch aktiven Brennstoffzelleneinheiten des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist.In particular, when the fuel cell stack is designed for a "co-flow" operation, it is favorable if the heat exchanger is arranged at least partially laterally next to a plurality of electrochemically active fuel cell units of the fuel cell stack.

Besonders günstig ist es, wenn der Wärmeübertrager seitlich neben allen elektrochemisch aktiven Brennstoffzelleneinheiten des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist. It is particularly favorable if the heat exchanger is arranged laterally next to all electrochemically active fuel cell units of the fuel cell stack.

Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Strömungsrichtung des Brenngases und/oder die Strömungsrichtung des Oxidationsmittels durch den Wärmeübertrager zumindest abschnittsweise im Wesentlichen parallel zu einer Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels verläuft.It is preferably provided that the flow direction of the fuel gas and / or the flow direction of the oxidant through the heat exchanger extends at least partially substantially parallel to a stacking direction of the fuel cell stack.

Die Stapelrichtung ist diejenige Richtung, in welcher die Brennstoffzelleneinheiten des Brennstoffzellenstapels aufeinanderfolgen. The stacking direction is the direction in which the fuel cell units of the fuel cell stack follow each other.

Wenn ein Teil des Wärmeübertragers eine seitliche Randzone des Brennstoffzellenstapels bildet, so verläuft die Strömungsrichtung des Brenngases und/oder die Strömungsrichtung des Oxidationsmittels durch diesen Teil des Wärmeübertragers vorzugsweise überall im Wesentlichen parallel zu der Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels. When a part of the heat exchanger forms a lateral edge zone of the fuel cell stack, the flow direction of the fuel gas and / or the flow direction of the oxidant through this part of the heat exchanger preferably runs substantially parallel to the stacking direction of the fuel cell stack.

Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wärmeübertrager zusätzlich zu dem Brenngas und vorzugsweise zusätzlich zu dem Oxidationsmittel von einem Abgas des Brennstoffzellenstapels durchströmbar ist. In a particular embodiment of the invention, it is provided that the heat exchanger can be flowed through by an exhaust gas of the fuel cell stack in addition to the fuel gas and preferably in addition to the oxidizing agent.

In diesem Fall kann der erfindungsgemäße Wärmeübertrager zusätzlich die Funktion des Schichtwärmeübertragers erfüllen, welcher Prozesswärme aus dem Abgas des Brennstoffzellenstapels, insbesondere aus dem Abgas des Restgasbrenners, auf das Oxidationsmittel vor dessen Eintritt in den Brennstoffzellenstapel überträgt.In this case, the heat exchanger according to the invention can additionally fulfill the function of the Schichtwärmeübertragers, which transfers process heat from the exhaust gas of the fuel cell stack, in particular from the exhaust gas of the residual gas burner, to the oxidizing agent before it enters the fuel cell stack.

Vorzugsweise ist der Wärmeübertrager in diesem Fall von Abgas aus einem stromabwärts von dem Brennstoffzellenstapel angeordneten Restgasbrenner durchströmbar.In this case, the heat exchanger can preferably be flowed through by exhaust gas from a residual gas burner arranged downstream of the fuel cell stack.

Ein solcher Wärmeübertrager ist vorzugsweise als ein Kreuzströmer ausgebildet.Such a heat exchanger is preferably designed as a Kreuzströmer.

Vorzugsweise kommt die mindestens eine chemisch aktive Substanz im Wärmeübertrager mit dem Brenngas in Kontakt, während dasselbe den Wärmeübertrager durchströmt.Preferably, the at least one chemically active substance in the heat exchanger comes into contact with the fuel gas while it flows through the heat exchanger.

Die chemisch aktiven Substanzen, die vorteilhafterweise im Wärmeübertrager angeordnet sind, können insbesondere einen oder mehrere der folgenden Bestandteile enthalten:

  • – Nickel;
  • – ein Cermet-Material;
  • – ein Edelmetall, wie beispielsweise Silber, Gold und/oder Platin;
  • – ein katalytisch aktives Oxidkeramik-Material, beispielsweise ein Cer-Oxid; und/oder
  • – eine sonstige katalytisch aktive Verbindung, beispielsweise eine Verbindung aus ungefähr 20 Gewichtsprozent bis ungefähr 90 Gewichtsprozent von Nebengruppenmetallen oder von Elementen der dritten und vierten Hauptgruppe und ungefähr 10 Gewichtsprozent bis ungefähr 80 Gewichtsprozent Alkali- oder Erdalkaliverbindungen (Verbindungen dieser Art sind beispielsweise in der WO 2008/122266 A1 offenbart, auf welche insoweit ausdrücklich Bezug genommen wird).
The chemically active substances, which are advantageously arranged in the heat exchanger, may in particular contain one or more of the following constituents:
  • - nickel;
  • - a cermet material;
  • A precious metal such as silver, gold and / or platinum;
  • A catalytically active oxide ceramic material, for example a cerium oxide; and or
  • - Another catalytically active compound, for example a compound of about 20 weight percent to about 90 weight percent of transition group metals or elements of the third and fourth main group and about 10 weight percent to about 80 weight percent alkali or alkaline earth compounds (compounds of this type are for example in the WO 2008/122266 A1 which is expressly incorporated herein by reference).

Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager ist vorzugsweise als ein Schichtwärmeübertrager ausgebildet.The heat exchanger according to the invention is preferably designed as a layer heat exchanger.

Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist der Wärmeübertrager so ausgeführt, dass er kein separates Bauteil ist, sondern in Form von zusätzlichen Ebenen (elektrochemisch inaktive Brennstoffzelleneinheiten) im Brennstoffzellenstapel integriert ist.In a particular embodiment of the invention, the heat exchanger is designed so that it is not a separate component, but is integrated in the form of additional levels (electrochemically inactive fuel cell units) in the fuel cell stack.

In den Wärmeübertrager können Folien mit einer oder mehreren chemisch aktiven Substanzen, welche die Zusammensetzung des Brenngases, das durch den Wärmeübertrager strömt, verändern, eingelegt sein.In the heat exchanger, films with one or more chemically active substances, which change the composition of the fuel gas flowing through the heat exchanger, be inserted.

Die Brennstoffzelleneinheiten der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung sind vorzugsweise als SOFC("Solid Oxide Fuel Cell")-Brennstoffzellen (Festoxidbrennstoffzellen) ausgebildet und/oder weisen vorzugsweise eine Betriebstemperatur von 650 °C oder mehr auf.The fuel cell units of the fuel cell device according to the invention are preferably designed as SOFC (solid oxide fuel cell) fuel cells (solid oxide fuel cells) and / or preferably have an operating temperature of 650 ° C. or more.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung, welches folgende Verfahrensschritte umfasst:

  • – Herstellen eines Brenngases aus einem Ausgangsbrennstoff mittels eines Reformers;
  • – Zuführen des Brenngases zu einem Brennstoffzellenstapel, der elektrochemisch aktive Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheiten umfasst; und
  • – Zuführen eines Oxidationsmittels zu dem Brennstoffzellenstapel.
The present invention further relates to a method for operating a fuel cell device, which comprises the following method steps:
  • - Producing a fuel gas from a starting fuel by means of a reformer;
  • Supplying the fuel gas to a fuel cell stack comprising electrochemically active cathode-electrolyte-anode units; and
  • - supplying an oxidizing agent to the fuel cell stack.

Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein solches Verfahren zu schaffen, bei dem negative Einwirkungen auf den Brennstoffzellenstapel aufgrund der Zusammensetzung des Brenngases verringert oder ganz vermieden werden.The present invention has the further object of providing such a method in which negative effects on the fuel cell stack due to the composition of the fuel gas are reduced or avoided altogether.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 15 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Brenngas durch mindestens einen Wärmeübertrager geleitet wird, der stromaufwärts von den Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheiten des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist und mindestens eine chemisch aktive Substanz zur Veränderung der Zusammensetzung des Brenngases umfasst.This object is achieved in a method for operating a fuel cell device having the features of the preamble of claim 15 according to the invention in that the fuel gas is passed through at least one heat exchanger, which is arranged upstream of the cathode-electrolyte-anode units of the fuel cell stack and at least one chemically active substance for changing the composition of the fuel gas.

Besondere Ausgestaltungen eines solchen Verfahrens sind bereits vorstehend im Zusammenhang mit den besonderen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung erläutert worden.Particular embodiments of such a method have already been explained above in connection with the particular embodiments of the fuel cell device according to the invention.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.Further features and advantages of the invention are the subject of the following description and the drawings of exemplary embodiments.

In den Zeichnungen zeigen:In the drawings show:

1 eine schematische Prinzipdarstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung, welche einen Reformer, einen Brennstoffzellenstapel, einen Restgasbrenner, einen stromaufwärts von dem Brennstoffzellenstack angeordneten Wärmeübertrager und einen stromabwärts von dem Restgasbrenner angeordneten Wärmeübertrager umfasst; 1 a schematic diagram of a fuel cell device, which comprises a reformer, a fuel cell stack, a residual gas burner, a heat exchanger disposed upstream of the fuel cell stack and a heat exchanger arranged downstream of the residual gas burner;

2 einen schematischen vertikalen Schnitt durch den stromaufwärts von dem Brennstoffzellenstapel angeordneten Wärmeübertrager aus 1; 2 a schematic vertical section through the arranged upstream of the fuel cell stack heat exchanger 1 ;

3 eine schematische Draufsicht auf den Wärmeübertrager aus 2; 3 a schematic plan view of the heat exchanger 2 ;

4 einen schematischen vertikalen Schnitt durch den Brennstoffzellenstapel und den stromaufwärts von dem Brennstoffzellenstapel angeordneten Wärmeübertrager aus 1; 4 a schematic vertical section through the fuel cell stack and arranged upstream of the fuel cell stack heat exchanger 1 ;

5 eine schematische Prinzipdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer Brennstoffzellenvorrichtung, welche einen Reformer, einen Brennstoffzellenstapel und einen Restgasbrenner, einen in den Brennstoffzellenstapel integrierten und stromaufwärts von den Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheiten des Brennstoffzellenstapels angeordneten Wärmeübertrager und einen stromabwärts von dem Restgasbrenner angeordneten Abgas-Wärmeübertrager umfasst; 5 a schematic diagram of a second embodiment of a fuel cell device, which comprises a reformer, a fuel cell stack and a residual gas burner, an integrated in the fuel cell stack and upstream of the cathode-electrolyte-anode units of the fuel cell stack arranged heat exchanger and a downstream of the residual gas burner arranged exhaust gas heat exchanger ;

6 einen schematischen vertikalen Schnitt durch den elektrochemisch aktiven Teil des Brennstoffzellenstapels und den dem Brennstoffzellenstapel vorgeschalteten Wärmeübertrager, wobei der elektrochemisch aktive Teil des Brennstoffzellenstapels auf den Wärmeübertrager aufgeschweißt ist; 6 a schematic vertical section through the electrochemically active part of the fuel cell stack and the fuel cell stack upstream heat exchanger, wherein the electrochemically active part of the fuel cell stack is welded to the heat exchanger;

7 einen schematischen vertikalen Schnitt durch den elektrochemisch aktiven Teil des Brennstoffzellenstapels und den dem Brennstoffzellenstapel vorgeschalteten Wärmeübertrager, wobei der elektrochemisch aktive Teil des Brennstoffzellenstapels mittels einer Dichtungsmatte auf den Wärmeübertrager aufgesetzt ist; 7 a schematic vertical section through the electrochemically active part of the fuel cell stack and the fuel cell stack upstream heat exchanger, wherein the electrochemically active part of the fuel cell stack is placed by means of a sealing mat on the heat exchanger;

8 einen schematischen vertikalen Schnitt durch einen Brennstoffzellenstapel mit integriertem Wärmeübertrager, wobei ein Teil des Wärmeübertragers seitlich neben mehreren elektrochemisch aktiven Zellen des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist; 8th a schematic vertical section through a fuel cell stack with integrated heat exchanger, wherein a portion of the heat exchanger is arranged laterally adjacent to a plurality of electrochemically active cells of the fuel cell stack;

9 einen schematischen horizontalen Schnitt durch den Brennstoffzellenstapel aus 8; 9 a schematic horizontal section through the fuel cell stack 8th ;

10 eine schematische Prinzipdarstellung einer dritten Ausführungsform einer Brennstoffzellenvorrichtung, welche einen Reformer, einen Brennstoffzellenstapel, einen Restgasbrenner und einen Wärmeübertrager, der von reformiertem Brenngas, von Oxidationsmittel und von einem Abgas des Restgasbrenners durchströmbar ist, umfasst; 10 a schematic diagram of a third embodiment of a fuel cell device, which comprises a reformer, a fuel cell stack, a residual gas burner and a heat exchanger, which is permeated by reformed fuel gas, oxidizing agent and an exhaust gas of the residual gas burner comprises;

11 einen schematischen vertikalen Schnitt durch den Wärmeübertrager aus 10; 11 a schematic vertical section through the heat exchanger 10 ;

12 einen schematischen horizontalen Schnitt durch den Wärmeübertrager aus 10; und 12 a schematic horizontal section through the heat exchanger 10 ; and

13 eine schematische Prinzipdarstellung einer vierten Ausführungsform einer Brennstoffzellenvorrichtung, welche einen Reformer, einen Brennstoffzellenstapel, einen Restgasbrenner, einen von reformiertem Brenngas und Oxidationsmittel durchströmbaren ersten Wärmeübertrager, eine von reformiertem Brenngas aus dem ersten Wärmeübertrager durchströmbare Entschwefelungsvorrichtung und eine von reformiertem Brenngas aus der Entschwefelungsvorrichtung, von Oxidationsmittel aus dem ersten Wärmeübertrager und von einem Abgas des Restgasbrenners durchströmbaren zweiten Wärmeübertrager umfasst. 13 a schematic schematic diagram of a fourth embodiment of a fuel cell device, which comprises a reformer, a fuel cell stack, a residual gas burner, a reformed fuel gas and oxidant flow through the first heat exchanger, a reformed fuel gas from the first heat exchanger can flow through the desulfurization and a reformed fuel gas from the desulfurization of oxidant out comprises the first heat exchanger and a second heat exchanger through which an exhaust gas of the residual gas burner can flow.

Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.Identical or functionally equivalent elements are denoted by the same reference numerals in all figures.

Eine in den 1 bis 4 dargestellte, als Ganzes mit 100 bezeichnete Brennstoffzellenvorrichtung, deren prinzipieller Aufbau aus 1 zu ersehen ist, umfasst einen Reformer 102, einen Brennstoffzellenstapel 104, einen Restgasbrenner 106, einen Wärmeübertrager 108 und einen Abgas-Wärmeübertrager 110.One in the 1 to 4 shown as a whole with 100 designated fuel cell device whose basic structure 1 can be seen, includes a reformer 102 , a fuel cell stack 104 , a residual gas burner 106 , a heat exchanger 108 and an exhaust heat exchanger 110 ,

Im Reformer 102 wird ein zuvor verdampfter Ausgangsbrennstoff, beispielsweise Diesel, in ein Brenngas umgewandelt, welches in dem Brennstoffzellenstapel 104 elektrochemisch verstrombare Bestandteile, insbesondere H2 und CO, enthält.In the reformer 102 For example, a previously evaporated starting fuel, for example, diesel, is converted into a fuel gas, which is in the fuel cell stack 104 contains electrochemically energizable constituents, in particular H 2 and CO.

Die Herstellung des Brenngases aus dem Ausgangsbrennstoff im Reformer 102 kann beispielsweise durch eine partielle Oxidation der höheren Kohlenwasserstoffe des Ausgangsbrennstoffs, beispielsweise des Dieselkraftstoffs, erfolgen, mittels welcher dieser höheren Kohlenwasserstoffe in H2, CO, CO2, H2O und Restkohlenwasserstoffe zerlegt werden.The production of the fuel gas from the starting fuel in the reformer 102 For example, by a partial oxidation of the higher hydrocarbons of the starting fuel, such as the diesel fuel, carried out by means of which these higher hydrocarbons in H 2 , CO, CO 2 , H 2 O and residual hydrocarbons are decomposed.

Der verdampfte Ausgangsbrennstoff wird dem Reformer 102 über eine Ausgangsbrennstoff-Zuführleitung 112 zugeführt. Der zugeführte Ausgangsbrennstoff kann sich dabei ungefähr auf Raumtemperatur befinden.The evaporated starting fuel becomes the reformer 102 via an output fuel supply line 112 fed. The supplied starting fuel can be approximately at room temperature.

Für die Durchführung der partiellen Oxidation wird dem Reformer 102 ferner Luft über eine Luft-Zuführleitung 114 zugeführt.To carry out the partial oxidation is the reformer 102 further air via an air supply line 114 fed.

Auch diese dem Reformer 102 zugeführte Luft kann beispielsweise Raumtemperatur aufweisen.This too the reformer 102 supplied air may for example have room temperature.

Durch die partielle Oxidation des Ausgangsbrennstoffs im Reformer 102 entsteht Wärme, welche das den Reformer 102 verlassende Brenngas, das auch als Reformat bezeichnet wird, auf eine Temperatur von bis zu ungefähr 900 °C erwärmt. Dieses aufgeheizte Brenngas wird über eine Brenngas-Leitung 116 der Warmseite des Wärmeübertragers 108 zugeführt.Due to the partial oxidation of the starting fuel in the reformer 102 there is heat, which is the reformer 102 leaving fuel gas, also referred to as reformate, heated to a temperature of up to about 900 ° C. This heated fuel gas is via a fuel gas line 116 the warm side of the heat exchanger 108 fed.

Das für die elektrochemische Reaktion im Brennstoffzellenstapel 104 benötigte Oxidationsmittel, beispielsweise Luft, wird über eine Oxidationsmittel-Zuführleitung 118 der Kaltseite des Abgas-Wärmeübertragers 110 zugeführt. Am Oxidationsmittel-Eingang des Abgas-Wärmeübertragers 110 kann das Oxidationsmittel beispielsweise Raumtemperatur aufweisen.That for the electrochemical reaction in the fuel cell stack 104 required oxidizing agent, for example air, is via an oxidant supply line 118 the cold side of the exhaust gas heat exchanger 110 fed. At the oxidant inlet of the exhaust gas heat exchanger 110 For example, the oxidizing agent may be at room temperature.

Der Warmseite des Abgas-Wärmeübertragers 110 wird über eine Abgas-Leitung 120 ein Abgas des Restgasbrenners 106 zugeführt, welches im Restgasbrenner 106 durch Nachverbrennung des im Brennstoffzellenstapel 104 nicht vollständig umgesetzten Brenngases erzeugt wird. The warm side of the flue gas heat exchanger 110 is via an exhaust pipe 120 an exhaust gas of the residual gas burner 106 fed, which in the residual gas burner 106 by afterburning of the fuel cell stack 104 not completely converted fuel gas is generated.

Die im Restgasbrenner 106 bei der Nachverbrennung des Brenngases entstehende Prozesswärme wird im Abgas-Wärmeübertrager 110 von dem Abgas des Restgasbrenners 106 zumindest teilweise auf das Oxidationsmittel übertragen, wobei das Abgas von einer Eingangstemperatur von beispielsweise mehr als 950 °C auf eine Ausgangstemperatur von beispielsweise ungefähr 200 °C abgekühlt wird.The in the residual gas burner 106 In the afterburning of the fuel gas resulting process heat is in the exhaust gas heat exchanger 110 from the exhaust gas of the residual gas burner 106 at least partially transferred to the oxidizing agent, wherein the exhaust gas is cooled from an inlet temperature of, for example, more than 950 ° C to an outlet temperature of, for example, about 200 ° C.

Das abkühlte Abgas wird aus dem Abgas-Wärmeübertrager 110 über eine Abgas-Abführleitung 122 abgeführt.The cooled exhaust gas is from the exhaust gas heat exchanger 110 via an exhaust gas discharge line 122 dissipated.

Das Oxidationsmittel wird im Abgas-Wärmeübertrager 110 erwärmt, wobei das Ausmaß der Erwärmung vom Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels 104 abhängt.The oxidizing agent is in the exhaust gas heat exchanger 110 heated, the extent of heating from the operating state of the fuel cell stack 104 depends.

Zu Beginn der Aufheizphase des Brennstoffzellenstapels 104, wenn der Brennstoffzellenstapel 104 noch kalt ist, tritt das Oxidationsmittel ungefähr bei Raumtemperatur aus dem Abgas-Wärmeübertrager 110 aus. Während der Aufheizphase des Brennstoffzellenstapels 104 steigt die Austrittstemperatur des Oxidationsmittels beim Austreten aus dem Abgas-Wärmeübertrager 110 an und erreicht schließlich, wenn sich der Brennstoffzellenstapel 104 in seiner Betriebsphase befindet, beispielsweise ungefähr 700 °C.At the beginning of the heating phase of the fuel cell stack 104 when the fuel cell stack 104 is still cold, the oxidizing agent occurs at about room temperature from the exhaust gas heat exchanger 110 out. During the heating phase of the fuel cell stack 104 As the exit temperature of the oxidant rises, it exits the exhaust heat exchanger 110 and finally reaches when the fuel cell stack 104 in its operating phase, for example about 700 ° C.

Das im Abgas-Wärmeübertrager 110 erwärmte Oxidationsmittel wird über eine Oxidationsmittel-Leitung 124 der Kaltseite des Wärmeübertragers 108 zugeführt.That in the exhaust heat exchanger 110 heated oxidant is passed through an oxidant line 124 the cold side of the heat exchanger 108 fed.

Im Wärmeübertrager 108 wird Wärme von dem Brenngas auf das Oxidationsmittel übertragen, so dass das Brenngas und das Oxidationsmittel beim Austreten aus dem Wärmeübertrager 108 (durch getrennte Leitungen) im Wesentlichen dieselbe Temperatur von beispielsweise nahezu 850 °C aufweisen.In the heat exchanger 108 Heat is transferred from the fuel gas to the oxidant, so that the fuel gas and the oxidant upon exiting the heat exchanger 108 (by separate lines) have substantially the same temperature, for example, almost 850 ° C.

Im Wärmeübertrager 108 tritt also kein Wärmeverlust auf.In the heat exchanger 108 So no heat loss occurs.

Die Temperaturen des Brenngases und des Oxidationsmittels gleichen sich im Wärmeübertrager 108 ohne zeitlichen Versatz an, bevor sie in den Brennstoffzellenstapel 104 gelangen. Hierdurch wird die thermomechanische Belastung des Brennstoffzellenstapels 104, die sonst durch den Temperaturgradienten zwischen den Brennstoffzellenkanälen und den Oxidationsmittelkanälen im Brennstoffzellenstapel 104 verursacht wird, verringert. Dies bewirkt eine Verlängerung der Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels 104. Alternativ oder ergänzend hierzu kann die Aufheizzeit oder Startzeit des Brennstoffzellenstapels 104, welche zur Erhöhung der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 104 auf die Betriebstemperatur (von beispielsweise nahezu 850 °C) benötigt wird, verkürzt werden.The temperatures of the fuel gas and the oxidant are the same in the heat exchanger 108 with no time lag before entering the fuel cell stack 104 reach. As a result, the thermo-mechanical load of fuel cell stack 104 otherwise due to the temperature gradient between the fuel cell channels and the oxidant channels in the fuel cell stack 104 caused is reduced. This causes an extension of the life of the fuel cell stack 104 , Alternatively or additionally, the heating time or start time of the fuel cell stack 104 , which increase the temperature of the fuel cell stack 104 to the operating temperature (for example, almost 850 ° C) is required to be shortened.

Der Brennstoffzellenstapel 104 weist mehrere, in einer Stapelrichtung 126 aufeinanderfolgende Brennstoffzelleneinheiten 128 auf, welche jeweils eine elektrochemisch aktive Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit 130 mit einer Kathode, einer Anode und einem zwischen der Kathode und der Anode angeordneten Elektrolyten sowie einen an die Anode angrenzenden, von dem Brenngas durchströmbaren Anodenraum 132 und einen an die Kathode angrenzenden, von dem Oxidationsmittel durchströmbaren Kathodenraum 134 umfassen (siehe den schematischen vertikalen Schnitt durch den Brennstoffzellenstapel in 4). The fuel cell stack 104 has several, in a stacking direction 126 successive fuel cell units 128 each having an electrochemically active cathode-electrolyte-anode unit 130 with a cathode, an anode and an electrolyte arranged between the cathode and the anode, and an anode space adjoining the anode and permeable by the fuel gas 132 and a cathode space adjacent to the cathode and permeable by the oxidant 134 comprise (see the schematic vertical section through the fuel cell stack in 4 ).

In 4 ist beispielhaft ein Brennstoffzellenstapel 104 mit drei in der Stapelrichtung 126 aufeinandergestapelten Brennstoffzelleneinheiten 128 dargestellt. In der Praxis wird die Anzahl der Brennstoffzelleneinheiten 128 des Brennstoffzellenstapels 104 jedoch in der Regel deutlich höher sein.In 4 is an example of a fuel cell stack 104 with three in the stacking direction 126 stacked fuel cell units 128 shown. In practice, the number of fuel cell units 128 of the fuel cell stack 104 however, usually be significantly higher.

Die Kathodenräume 138 aller Brennstoffzelleneinheiten 128 sind über einen oder mehrere, vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Stapelrichtung 126 verlaufende, Oxidationsmittel-Zuführkanäle 136 mit einem Oxidationsmittel-Einlass 136 des Brennstoffzellenstapels 104 verbunden.The cathode rooms 138 all fuel cell units 128 are over one or more, preferably substantially parallel to the stacking direction 126 extending, oxidant feed channels 136 with an oxidant inlet 136 of the fuel cell stack 104 connected.

Dem Oxidationsmittel-Einlass 138 des Brennstoffzellenstapels 104 wird das im Wärmeübertrager 108 erwärmte Oxidationsmittel über eine Oxidationsmittel-Leitung 143 (siehe 1) zugeführt.The oxidant inlet 138 of the fuel cell stack 104 it will be in the heat exchanger 108 heated oxidant via an oxidant line 143 (please refer 1 ).

Die Anodenräume 132 aller Brennstoffzelleneinheiten 128 des Brennstoffzellenstapels 104 sind über einen oder mehrere, vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Stapelrichtung 126 verlaufende, Brenngas-Zuführkanäle 140 (siehe 4) mit einem (nicht dargestellten) Brenngas-Einlass des Brennstoffzellenstapels 104 verbunden.The anode rooms 132 all fuel cell units 128 of the fuel cell stack 104 are over one or more, preferably substantially parallel to the stacking direction 126 running, fuel gas supply channels 140 (please refer 4 ) with a fuel gas inlet (not shown) of the fuel cell stack 104 connected.

Dem Brenngas-Einlass des Brennstoffzellenstapels 104 wird das im Wärmeübertrager 108 abgekühlte Brenngas über eine Brenngas-Leitung 142 zugeführt (siehe 1).The fuel gas inlet of the fuel cell stack 104 it will be in the heat exchanger 108 cooled fuel gas via a fuel gas line 142 supplied (see 1 ).

Ferner sind die Kathodenräume 134 aller Brennstoffzelleneinheiten 128 des Brennstoffzellenstapels 104 über einen oder mehrere, vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Stapelrichtung 126 verlaufende, Oxidationsmittel-Abführkanäle 144 mit einem Oxidationsmittel-Auslass 146 des Brennstoffzellenstapels 104 verbunden.Further, the cathode compartments 134 all fuel cell units 128 of the fuel cell stack 104 over one or more, preferably substantially parallel to the stacking direction 126 extending, oxidant-discharge channels 144 with an oxidant outlet 146 of the fuel cell stack 104 connected.

Entsprechend sind alle Anodenräume 132 der Brennstoffzelleneinheiten 128 des Brennstoffzellenstapels 104 über einen oder mehrere, vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Stapelrichtung 126 verlaufende, Brenngas-Abführkanäle mit einem (nicht dargestellten) Brenngas-Auslass des Brennstoffzellenstapels 104 verbunden.Accordingly, all anode rooms 132 the fuel cell units 128 of the fuel cell stack 104 over one or more, preferably substantially parallel to the stacking direction 126 extending, fuel gas discharge ducts with a (not shown) fuel gas outlet of the fuel cell stack 104 connected.

Das im Brennstoffzellenstapel 104 unvollständig umgesetzte Brenngas, das eine Temperatur von beispielsweise nahezu 850 °C aufweist, gelangt von dem Brenngas-Auslass des Brennstoffzellenstapels 104 über eine Brenngas-Leitung 148 zu einem Brenngas-Einlass des Restgasbrenners 106.The fuel cell stack 104 incompletely reacted fuel gas having a temperature of, for example, almost 850 ° C, passes from the fuel gas outlet of the fuel cell stack 104 via a fuel gas line 148 to a fuel gas inlet of the residual gas burner 106 ,

Das im Brennstoffzellenstapel 104 unvollständig umgesetzte Oxidationsmittel gelangt von dem Oxidationsmittel-Auslass 146 des Brennstoffzellenstapels 104 über eine Oxidationsmittel-Leitung 150 zu einem Oxidationsmittel-Einlass des Restgasbrenners 106.The fuel cell stack 104 incompletely reacted oxidant passes from the oxidant outlet 146 of the fuel cell stack 104 via an oxidant line 150 to an oxidant inlet of the residual gas burner 106 ,

Im Restgasbrenner 106 wird das Brenngas mit dem Oxidationsmittel nachverbrannt, und das hierdurch entstehende Abgas des Brennstoffzellenstapels 104 wird über die Abgas-Leitung 120 dem Abgas-Wärmeübertrager 110 zugeführt, wie bereits vorstehend beschrieben. Dieses Abgas kann eine Temperatur von beispielsweise ungefähr 950 °C oder mehr aufweisen.In the residual gas burner 106 the fuel gas is post-combusted with the oxidizing agent, and the resulting exhaust gas of the fuel cell stack 104 is via the exhaust pipe 120 the exhaust gas heat exchanger 110 fed, as already described above. This exhaust gas may have a temperature of, for example, about 950 ° C or more.

Bei der in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsform der Brennstoffzellenvorrichtung 100 ist der Wärmeübertrager 108 separat von dem Brennstoffzellenstapel 104 ausgebildet und angeordnet.In the in the 1 to 4 illustrated embodiment of the fuel cell device 100 is the heat exchanger 108 separately from the fuel cell stack 104 trained and arranged.

Wie in den 2 und 3 dargestellt, kann der Wärmeübertrager 108 aber im Wesentlichen denselben grundsätzlichen Aufbau wie der Brennstoffzellenstapel 104 haben, wobei lediglich die elektrochemisch aktiven Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheiten 130 des Brennstoffzellenstapels 104 durch elektrochemisch inaktive Trennelemente zwischen den Brenngasräumen 152, welche von dem zu kühlenden Brenngas durchströmbar sind, und den Oxidationsmittelräumen 154, welche von dem zu erwärmenden Oxidationsmittel durchströmbar sind, ersetzt werden. As in the 2 and 3 shown, the heat exchanger 108 but essentially the same basic structure as the fuel cell stack 104 having only the electrochemically active cathode-electrolyte-anode units 130 of the fuel cell stack 104 by electrochemically inactive separating elements between the fuel gas spaces 152 , which can be traversed by the fuel gas to be cooled, and the oxidant spaces 154 , which are permeable by the oxidizing agent to be heated, to be replaced.

Wie aus den 2 und 3 zu ersehen ist, sind die Oxidationsmittelräume 154 des Wärmeübertragers 108 über einen oder mehrere, beispielsweise drei, Oxidationsmittel-Zuführkanäle 156 mit einem Oxidationsmittel-Einlass 158 des Wärmeübertragers 108 verbunden.Like from the 2 and 3 can be seen, are the oxidant spaces 154 of the heat exchanger 108 via one or more, for example three, oxidant feed channels 156 with a Oxidant intake 158 of the heat exchanger 108 connected.

Ferner sind die Oxidationsmittelräume 154 des Wärmeübertragers 108 über einen oder mehrere, beispielsweise drei, Oxidationsmittel-Abführkanäle 160 mit einem Oxidationsmittel-Auslass 162 des Wärmeübertragers 108 verbunden.Furthermore, the oxidant spaces 154 of the heat exchanger 108 via one or more, for example three, oxidant-discharge channels 160 with an oxidant outlet 162 of the heat exchanger 108 connected.

Die Brenngasräume 152 des Wärmeübertragers 108 sind über einen oder mehrere, beispielsweise zwei, Brenngas-Zuführkanäle 164 mit einem (nicht dargestellten) Brenngas-Einlass des Wärmeübertragers 108 verbunden.The fuel gas rooms 152 of the heat exchanger 108 are via one or more, for example two, fuel gas supply channels 164 with a (not shown) fuel gas inlet of the heat exchanger 108 connected.

Ferner sind die Brenngasräume 152 des Wärmeübertragers 108 über einen oder mehrere, beispielsweise zwei, Brenngas-Abführkanäle 166 mit einem (nicht dargestellten) Brenngas-Auslass des Wärmeübertragers 108 verbunden.Furthermore, the fuel gas rooms 152 of the heat exchanger 108 via one or more, for example two, fuel gas discharge ducts 166 with a (not shown) fuel gas outlet of the heat exchanger 108 connected.

Die Brenngasräume 152 und die Oxidationsmittelräume 154 des Wärmeübertragers 108 werden bei der in den 2 und 3 dargestellten Ausführungsform des Wärmeübertragers 108 mit parallel zueinander ausgerichteten Strömungsrichtungen des Brenngases bzw. des Oxidationsmittels durchströmt (sogenannter "Co-Flow").The fuel gas rooms 152 and the oxidant rooms 154 of the heat exchanger 108 be at the in the 2 and 3 illustrated embodiment of the heat exchanger 108 flows through with parallel aligned flow directions of the fuel gas and the oxidizing agent (so-called "co-flow").

Grundsätzlich kann aber auch vorgesehen sein, dass die Brenngasräume 152 und die Oxidationsmittelräume 154 des Wärmeübertragers 108 im Gegenstrom, das heißt mit entgegengesetzt zueinander gerichteten Strömungsrichtungen des Brenngases bzw. des Oxidationsmittels, durchströmt werden.In principle, however, it can also be provided that the fuel gas spaces 152 and the oxidant rooms 154 of the heat exchanger 108 in countercurrent, that is to be flowed through with oppositely directed flow directions of the fuel gas or the oxidant.

Ferner kann auch vorgesehen sein, dass die Strömungsrichtungen des Brenngases in den Brenngasräumen 152 und des Oxidationsmittels in den Oxidationsmittelräumen 154 des Wärmeübertragers 108 quer, vorzugsweise senkrecht, zueinander ausgerichtet sind, so dass der Wärmeübertrager 108 vom Brenngas und dem Oxidationsmittel im Kreuzstrom durchströmt wird.Furthermore, it can also be provided that the flow directions of the fuel gas in the fuel gas spaces 152 and the oxidant in the oxidant spaces 154 of the heat exchanger 108 transverse, preferably perpendicular, are aligned with each other, so that the heat exchanger 108 flows through the fuel gas and the oxidant in the cross flow.

Ferner ist in den Brenngasräumen 152 des Wärmeübertragers 108 mindestens eine chemisch aktive Substanz angeordnet, mittels welcher die Zusammensetzung des Brenngases beim Durchströmen der Brenngasräume 152 des Wärmeübertragers 108 verändert wird.Further, in the fuel gas rooms 152 of the heat exchanger 108 arranged at least one chemically active substance, by means of which the composition of the fuel gas as it flows through the fuel gas spaces 152 of the heat exchanger 108 is changed.

So kann vorgesehen sein, dass die chemische Substanz eine zumindest teilweise Reduktion mindestens eines Bestandteils des Brenngases in den Brenngasräumen 152 des Wärmeübertragers 108 bewirkt.Thus it can be provided that the chemical substance is an at least partial reduction of at least one constituent of the fuel gas in the fuel gas spaces 152 of the heat exchanger 108 causes.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass eine chemische Substanz verwendet wird, mittels welcher CO oder höhere Kohlenwasserstoffe, beispielsweise C2H2, reduziert werden, so dass Ruß aus dem Brenngas an der chemischen Substanz auf der Brenngasseite des Wärmeübertragers 108 abgeschieden wird. Hierdurch wird eine Schädigung des Anodenmaterials im Brennstoffzellenstapel 104 durch Aufkohlung vermieden.In particular, it can be provided that a chemical substance is used, by means of which CO or higher hydrocarbons, for example C 2 H 2 , are reduced, so that soot from the fuel gas on the chemical substance on the fuel gas side of the heat exchanger 108 is deposited. This causes damage to the anode material in the fuel cell stack 104 avoided by carburizing.

Die Reduktion der sonst eine Aufkohlung an den Anoden des Brennstoffzellenstapels 104 verursachenden Bestandteile des Brenngases in den Brenngasräumen 152 des Wärmeübertragers 108 ist besonders wirksam, wenn die Temperatur in den Brenngasräumen 152 des Wärmeübertragers 108 längere Zeit im Rußfenster (von ungefähr 300 °C bis ungefähr 600 °C Festkörpertemperatur) gehalten wird und/oder wenn die Reduktionsreaktion katalytisch beschleunigt wird.The reduction of otherwise carburizing at the anodes of the fuel cell stack 104 causing components of the fuel gas in the fuel gas chambers 152 of the heat exchanger 108 is particularly effective when the temperature in the fuel gas spaces 152 of the heat exchanger 108 for a long time in the soot window (from about 300 ° C to about 600 ° C solid state temperature) and / or when the reduction reaction is catalytically accelerated.

Beispielsweise kann zur Reduktion der sonst eine Aufkohlung der Anoden des Brennstoffzellenstapels 104 bewirkenden Bestandteile des Brenngases durch Einlegen eines Anodensubstrats (Cermet-Material) oder einer Nickelfolie in die Brenngasräume 152 des Wärmeübertragers 108 bewirkt werden.For example, to reduce the otherwise carburizing of the anodes of the fuel cell stack 104 causing components of the fuel gas by inserting an anode substrate (cermet material) or a nickel foil in the fuel gas chambers 152 of the heat exchanger 108 be effected.

Das Nickel weist eine ausreichend hohe katalytische Aktivität zur Förderung der Reduktionsreaktion auf.The nickel has a sufficiently high catalytic activity to promote the reduction reaction.

Besonders günstig ist es, wenn die katalytisch wirksame chemische Substanz als Beschichtung auf einem Trennelement 167 zwischen einem Brenngasraum 152 und einem Oxidationsmittelraum 154 des Wärmeübertragers 108 ausgebildet ist und/oder an einem Substratträger 169, insbesondere einer Folie, angeordnet ist, welche mit dem Trennelement 167 zwischen dem Brenngasraum 152 und dem Oxidationsmittelraum 154 in wärmeleitender Verbindung steht oder wenn die katalytisch wirksame chemische Substanz selbst das Trennelement 167 zwischen dem Brenngasraum 152 und dem Oxidationsmittelraum 154 bildet, da in diesen Fällen die chemisch aktive Substanz durch das den Oxidationsmittelraum 154 durchströmende Oxidationsmittel gekühlt wird, was dazu führt, dass die Temperatur der chemisch aktiven Substanz möglichst lange in dem vorstehend genannten Rußfenster verweilt.It is particularly advantageous if the catalytically active chemical substance is used as a coating on a separating element 167 between a fuel gas space 152 and an oxidant room 154 of the heat exchanger 108 is formed and / or on a substrate carrier 169 , in particular a film, which is arranged with the separating element 167 between the fuel gas space 152 and the oxidant space 154 is thermally conductive compound or if the catalytically active chemical substance itself is the separating element 167 between the fuel gas space 152 and the oxidant space 154 forms, as in these cases, the chemically active substance by the the oxidant space 154 by flowing oxidant is cooled, which causes the temperature of the chemically active substance as long as possible dwells in the aforementioned soot window.

Ferner kann vorgesehen sein, dass die chemisch aktive Substanz in den Brenngasräumen 152 des Wärmeübertragers 108 eine Verringerung des Sauerstoffgehalts im Brenngas bewirkt.Furthermore, it can be provided that the chemically active substance in the fuel gas spaces 152 of the heat exchanger 108 causes a reduction in the oxygen content in the fuel gas.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die chemisch aktive Substanz im Falle eines Reformerstarts bei einem noch warmen Brennstoffzellenstapel 104 den vom Reformer 102 emittierten Sauerstoff "gettert", das heißt aus dem Brenngasstrom entfernt.In particular, it can be provided that the chemically active substance in the case of a reformer start in a still warm fuel cell stack 104 that of the reformer 102 emitted oxygen "gettert", that is removed from the fuel gas stream.

Wenn das bei einem Reformerstart emittierte Sauerstoffvolumen des Reformers 102 zwischen ungefähr 10 Nl und ungefähr 100 Nl liegt, reichen schon wenige 100 g an in die Brenngasräume 152 des Wärmeübertragers 108 eingebrachter chemisch aktiver Substanz, um diese Sauerstoffmenge aus dem Brenngas zu entfernen. When the reformer's oxygen volume emitted by the reformer 102 is between about 10 Nl and about 100 Nl, just a few 100 g rich in the fuel gas 152 of the heat exchanger 108 introduced chemically active substance to remove this amount of oxygen from the fuel gas.

Durch die Verringerung des Sauerstoffgehaltes im Brenngas kann das Problem einer Reoxidation des Anodenmaterials des Brennstoffzellenstapels 104 im Falle eines Reformerstarts in Verbindung mit einem noch warmen Brennstoffzellenstapel 104 vermieden werden.By reducing the oxygen content in the fuel gas, the problem of reoxidation of the anode material of the fuel cell stack 104 in the case of a reformer start in connection with a still warm fuel cell stack 104 be avoided.

Auch für eine Verringerung des Sauerstoffgehaltes im Brenngas ist eine chemisch aktive Substanz, welche ein Cermet-Material oder ein nickelhaltiges Material umfasst, besonders geeignet.Also, for a reduction of the oxygen content in the fuel gas, a chemically active substance comprising a cermet material or a nickel-containing material is particularly suitable.

Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass die chemisch aktive Substanz in den Brenngasräumen 152 des Wärmeübertragers 108 eine zumindest teilweise Entfernung von Schwefel oder Schwefelverbindungen aus dem Brenngas bewirkt.Furthermore, it is preferably provided that the chemically active substance in the fuel gas spaces 152 of the heat exchanger 108 causing at least partial removal of sulfur or sulfur compounds from the fuel gas.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die chemisch aktive Substanz gasförmige Schwefelverbindungen kondensiert und an sich bindet.In particular, it can be provided that the chemically active substance condenses gaseous sulfur compounds and binds to itself.

Über die gesamte Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels 104 hinweg müssen üblicherweise weniger als 100 g Schwefel aus dem Brenngas abgeschieden werden. Die Menge an chemisch aktiver Substanz in den Brenngasräumen 152 des Wärmeübertragers 108 wird entsprechend gewählt, um diese Abscheideleistung erzielen zu können.Over the lifetime of the fuel cell stack 104 usually less than 100 g of sulfur must be separated from the fuel gas. The amount of chemically active substance in the fuel gas spaces 152 of the heat exchanger 108 is selected accordingly in order to achieve this separation efficiency.

Auch für die Entschwefelung des Brenngases ist eine chemisch aktive Substanz, welche ein Cermet-Material oder ein nickelhaltiges Material umfasst, besonders geeignet. Also, for the desulfurization of the fuel gas, a chemically active substance comprising a cermet material or a nickel-containing material is particularly suitable.

Um an der chemisch aktiven Substanz abgeschiedenen Ruß aus dem System zu entfernen, kann vorgesehen sein, dass die chemisch aktive Substanz aus den Brenngasräumen 152 des Wärmeübertragers 108 entnommen und gegen frische chemisch aktive Substanz ausgetauscht wird. Alternativ hierzu kann auch der gesamte Wärmeübertrager 108 einschließlich der in den Brenngasräumen 152 angeordneten chemisch aktiven Substanz ausgetauscht werden.In order to remove soot deposited on the chemically active substance from the system, it can be provided that the chemically active substance from the fuel gas spaces 152 of the heat exchanger 108 removed and replaced with fresh chemically active substance. Alternatively, also the entire heat exchanger 108 including in the fuel gas chambers 152 arranged to be exchanged chemically active substance.

Die Lebensdauer der chemisch aktiven Substanz im Wärmeübertrager 108 kann aber auch positiv durch Wechselwirkungen beeinflusst werden, welche einen solchen Austausch hinauszögern oder überflüssig machen können.The lifetime of the chemically active substance in the heat exchanger 108 but can also be positively influenced by interactions that can delay or make unnecessary such an exchange.

So kann beispielsweise der während der Aufheizphase des Brennstoffzellenstapels 104 im Wärmeübertrager 108 an der chemisch aktiven Substanz abgelagerte Kohlenstoff durch einen Reformerstart, unter erhöhter Emission von Sauerstoff, freigebrannt werden, bevor die Kohlenstoffablagerung einen "metal dusting"-Effekt auslöst.For example, during the heating phase of the fuel cell stack 104 in the heat exchanger 108 carbon deposited on the chemically active substance is burned free by a reformer start, with increased emission of oxygen, before the carbon deposit triggers a metal dusting effect.

Ferner kann vorgesehen sein, dass Kohlenstoffablagerungen an der chemisch aktiven Substanz während der Betriebsphase des Brennstoffzellenstapels 104 durch Rückführung von Abgas des Brennstoffzellenstapels 104 mit erhöhtem H2O-Gehalt auf die Brenngasseite des Wärmeübertrager 108 (sogenanntes Rezyklieren) verringert werden.Furthermore, it can be provided that carbon deposits on the chemically active substance during the operating phase of the fuel cell stack 104 by recycling exhaust gas from the fuel cell stack 104 with increased H 2 O content on the fuel gas side of the heat exchanger 108 (so-called recycling) can be reduced.

Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass Kohlenstoffablagerungen an der chemisch aktiven Substanz des Wärmeübertragers 108 während der Betriebsphase des Brennstoffzellenstapels 104 durch einen erhöhten Sauerstoff-Partialdruck im Brenngas abgebrannt werden.Alternatively or additionally, it may be provided that carbon deposits on the chemically active substance of the heat exchanger 108 during the operating phase of the fuel cell stack 104 be burned off by an increased oxygen partial pressure in the fuel gas.

Zur Erhöhung des Sauerstoff-Partialdrucks im Brenngas kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Reformer 102 ein Ventil zur Zugabe von Sauerstoff in das aus dem Reformer 102 austretende Brenngas aufweist.To increase the oxygen partial pressure in the fuel gas may be provided in particular that the reformer 102 a valve for adding oxygen to the reformer 102 having exiting fuel gas.

Alternativ oder ergänzend zu einem Cermet-Material und/oder einem nickelhaltigen Material kann die chemisch aktive Substanz des Wärmeübertragers 108 auch einen oder mehrere der folgenden Bestandteile enthalten:

  • – ein Edelmetall, wie beispielsweise Silber, Gold und/oder Platin;
  • – ein katalytisch aktives Oxidkeramik-Material, beispielsweise ein Cer-Oxid; und/oder
  • – eine sonstige katalytisch aktive Verbindung, beispielsweise eine Verbindung aus ungefähr 20 Gewichtsprozent bis ungefähr 90 Gewichtsprozent von Nebengruppenmetallen oder von Elementen der dritten und vierten Hauptgruppe und ungefähr 10 Gewichtsprozent bis ungefähr 80 Gewichtsprozent Alkali- oder Erdalkaliverbindungen (Verbindungen dieser Art sind beispielsweise in der WO 2008/122266 A1 offenbart, auf welche insoweit ausdrücklich Bezug genommen wird).
Alternatively or in addition to a cermet material and / or a nickel-containing material, the chemically active substance of the heat exchanger 108 also contain one or more of the following components:
  • A precious metal such as silver, gold and / or platinum;
  • A catalytically active oxide ceramic material, for example a cerium oxide; and or
  • - Another catalytically active compound, for example a compound of about 20 weight percent to about 90 weight percent of transition group metals or elements of the third and fourth main group and about 10 weight percent to about 80 weight percent alkali or alkaline earth compounds (compounds of this type are for example in the WO 2008/122266 A1 which is expressly incorporated herein by reference).

Eine in den 5 bis 9 dargestellte zweite Ausführungsform der Brennstoffzellenvorrichtung 100 unterscheidet sich von der in den 1 bis 4 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass der Wärmeübertrager 108 nicht als ein separat von dem Brennstoffzellenstapel 104 angeordnetes Element ausgebildet ist, sondern in den Brennstoffzellenstapel 104 integriert ist.One in the 5 to 9 illustrated second embodiment of the fuel cell device 100 is different from the one in the 1 to 4 shown first embodiment in that the heat exchanger 108 not as a separate from the fuel cell stack 104 arranged element is formed, but in the fuel cell stack 104 is integrated.

Bei der in 6 dargestellten Variante dieser Ausführungsform der Brennstoffzellenvorrichtung 100 ist der Wärmeübertrager 108 an die Unterseite 170 des elektrochemisch aktiven Teils 168 des Brennstoffzellenstapels 104 angesetzt, so dass der Wärmeübertrager 108 eine untere Randzone 172 des Brennstoffzellenstapels 104, in welchen der Wärmeübertrager 108 integriert ist, bildet.At the in 6 illustrated variant of this embodiment of the fuel cell device 100 is the heat exchanger 108 to the bottom 170 of the electrochemically active part 168 of the fuel cell stack 104 scheduled so that the heat exchanger 108 a lower edge zone 172 of the fuel cell stack 104 , in which the heat exchanger 108 integrated forms.

Durch diese Ausbildung der Kombination aus Wärmeübertrager 108 und Brennstoffzellenstapel 104 wird das Temperaturfeld im elektrochemisch aktiven Teil 168 des Brennstoffzellenstapels 104 homogenisiert, da eine sich sonst einstellende Erniedrigung der Temperatur in der untersten Ebene des elektrochemisch aktiven Teils 168 des Brennstoffzellenstapels 104 durch die von dem Wärmeübertrager 108 an den elektrochemisch aktiven Teil 168 des Brennstoffzellenstapels 104 abgegebene Wärme verringert oder ganz vermieden wird.Due to this design of the combination of heat exchanger 108 and fuel cell stacks 104 becomes the temperature field in the electrochemically active part 168 of the fuel cell stack 104 Homogenized, since an otherwise decreasing temperature in the lowest level of the electrochemically active part 168 of the fuel cell stack 104 through the heat exchanger 108 to the electrochemically active part 168 of the fuel cell stack 104 emitted heat is reduced or avoided altogether.

Dabei kann der Wärmeübertrager 108 wie bei der in den 1 bis 4 dargestellten ersten Ausführungsform ausgebildet sein.In this case, the heat exchanger 108 like the one in the 1 to 4 be formed illustrated first embodiment.

Der elektrochemisch aktive Teil 168 des Brennstoffzellenstapels 104 kann bei dieser Ausführungsform wie der Brennstoffzellenstapel 104 der in den 1 bis 4 dargestellten ersten Ausführungsform ausgebildet sein.The electrochemically active part 168 of the fuel cell stack 104 may in this embodiment as the fuel cell stack 104 in the 1 to 4 be formed illustrated first embodiment.

Bei der in 6 dargestellten Variante kann der Wärmeübertrager 108 stoffschlüssig, insbesondere durch Verschweißung, mit dem elektrochemisch aktiven Teil 168 des Brennstoffzellenstapels 104 verbunden sein.At the in 6 variant shown, the heat exchanger 108 cohesively, in particular by welding, with the electrochemically active part 168 of the fuel cell stack 104 be connected.

Bei der in 7 dargestellten Variante dieser Ausführungsform liegen der Wärmeübertrager 108 und der elektrochemisch aktive Teil 168 des Brennstoffzellenstapels 104 nicht unmittelbar aneinander an, sondern ist eine Dichtung 174, beispielsweise in Form einer Dichtungsmatte, zwischen dem Wärmeübertrager 108 und dem elektrochemisch aktiven Teil 168 des Brennstoffzellenstapels 104 angeordnet.At the in 7 illustrated variant of this embodiment are the heat exchanger 108 and the electrochemically active part 168 of the fuel cell stack 104 not directly to each other, but is a seal 174 , For example in the form of a sealing mat, between the heat exchanger 108 and the electrochemically active part 168 of the fuel cell stack 104 arranged.

Bei dieser Variante sind der Wärmeübertrager 108 und der elektrochemisch aktive Teil 168 des Brennstoffzellenstapels 104 vorzugsweise lösbar, beispielsweise durch Verschraubung, miteinander verbunden.In this variant, the heat exchanger 108 and the electrochemically active part 168 of the fuel cell stack 104 preferably releasably, for example by screwing, connected together.

Dies bietet den Vorteil, dass der elektrochemisch aktive Teil 168 des Brennstoffzellenstapels 104 getrennt von dem Wärmeübertrager 108 einem Systemtest zur Prüfung der Funktionsfähigkeit unterzogen werden kann.This offers the advantage that the electrochemically active part 168 of the fuel cell stack 104 separated from the heat exchanger 108 can be subjected to a system test to test the functionality.

Außerdem werden die durch ein direktes Aufschweißen des elektrochemisch aktiven Teils 168 des Brennstoffzellenstapels 104 auf den Wärmeübertrager 108 auftretenden hohen Belastungen, die aufgrund von Rissbildungen einen Totalausfall des Systems verursachen könnten, vermieden.In addition, by a direct welding of the electrochemically active part 168 of the fuel cell stack 104 on the heat exchanger 108 occurring high loads that could cause a total failure of the system due to cracking, avoided.

Die Dichtung 174 kann beispielsweise eine Mischung von Al2O3-Fasern und SiO2-Fasern (in beliebigem Mischungsverhältnis) umfassen.The seal 174 For example, it may comprise a mixture of Al 2 O 3 fibers and SiO 2 fibers (in any mixing ratio).

Vorzugsweise ist die Dichtung als ein Vlies aus Oxid-Fasern ausgebildet.Preferably, the gasket is formed as a non-woven of oxide fibers.

Bei der in den 6 und 7 dargestellten Variante der zweiten Ausführungsform der Brennstoffzellenvorrichtung 100 kann der Wärmeübertrager 108 statt an der Unterseite 170 des elektrochemisch aktiven Teils 168 des Brennstoffzellenstapels 104 auch an der Oberseite 176 des elektrochemisch aktiven Teils 168 angeordnet sein und hierdurch eine obere Randzone des Brennstoffzellenstapels 104 bilden.In the in the 6 and 7 illustrated variant of the second embodiment of the fuel cell device 100 can the heat exchanger 108 instead of at the bottom 170 of the electrochemically active part 168 of the fuel cell stack 104 also at the top 176 of the electrochemically active part 168 be arranged and thereby an upper edge zone of the fuel cell stack 104 form.

Ferner kann vorgesehen sein, dass der Wärmeübertrager 108 in zwei Teile aufgeteilt ist, von denen einer eine untere Randzone 172 und der andere eine obere Randzone des Wärmeübertragers 108 bildet. Hierdurch wird eine besonders wirksame Homogenisierung des Temperaturfeldes im Brennstoffzellenstapel 104 erzielt.Furthermore, it can be provided that the heat exchanger 108 is divided into two parts, one of which is a lower edge zone 172 and the other an upper edge zone of the heat exchanger 108 forms. This results in a particularly effective homogenization of the temperature field in the fuel cell stack 104 achieved.

Die Integration des Wärmeübertragers 108 in den Brennstoffzellenstapel 104 kann alternativ oder ergänzend zum Anfügen eines separat hergestellten Wärmeübertragers 108 an den elektrochemisch aktiven Teil 168 des Brennstoffzellenstapels 104 auch dadurch erfolgen, dass eine oder mehrere Brennstoffzelleneinheiten 128 des Brennstoffzellenstapels 104 statt einer elektrochemisch aktiven Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit 130 eine elektrochemisch inaktive Trennwand, beispielsweise in Form eines Metallblechs, erhält, wobei dann Wärme durch diese Trennwand hindurch von dem Brenngas auf das Oxidationsmittel übertragen wird.The integration of the heat exchanger 108 in the fuel cell stack 104 may alternatively or additionally to the addition of a separately prepared heat exchanger 108 to the electrochemically active part 168 of the fuel cell stack 104 also be done by one or more fuel cell units 128 of the fuel cell stack 104 instead of an electrochemically active cathode-electrolyte-anode unit 130 receives an electrochemically inactive partition, for example in the form of a metal sheet, in which case heat is transferred through this partition wall of the fuel gas to the oxidizing agent.

Die auf diese Weise elektrochemisch inaktiv gemachten Brennstoffzelleneinheiten 128 liegen vorzugsweise stromaufwärts von den elektrochemisch aktiven Brennstoffzelleneinheiten 128.The thus made electrochemically inactive fuel cell units 128 are preferably upstream of the electrochemically active fuel cell units 128 ,

Die elektrochemisch inaktiven Brennstoffzelleneinheiten 128 können auch als "Dummy-Ebenen" des Brennstoffzellenstapels 104 bezeichnet werden.The electrochemically inactive fuel cell units 128 can also be called "dummy levels" of the fuel cell stack 104 be designated.

Bei einer in 8 dargestellten dritten Variante der zweiten Ausführungsform der Brennstoffzellenvorrichtung 100 ist der in den Brennstoffzellenstapel 104 integrierte Wärmeübertrager 108 teilweise seitlich neben dem elektrochemisch aktiven Teil 168 des Brennstoffzellenstapels 104 und teilweise über dem elektrochemisch aktiven Teil 168 des Brennstoffzellenstapels 104 angeordnet, so dass der Wärmeübertrager 108 sowohl eine seitliche Randzone 180 als auch eine obere Randzone 182 des Brennstoffzellenstapels 104 bildet, wodurch eine besonders wirksame Homogenisierung des Temperaturfeldes des Brennstoffzellenstapels 104 erzielt wird.At an in 8th illustrated third variant of the second embodiment of the fuel cell device 100 is the one in the fuel cell stack 104 integrated heat exchanger 108 partly laterally next to the electrochemically active part 168 of the fuel cell stack 104 and partially over the electrochemically active part 168 of the fuel cell stack 104 arranged so that the heat exchanger 108 both a lateral edge zone 180 when also an upper edge zone 182 of the fuel cell stack 104 forms, whereby a particularly effective homogenization of the temperature field of the fuel cell stack 104 is achieved.

Der seitlich neben dem elektrochemisch aktiven Teil 168 des Brennstoffzellenstapels 104 angeordnete seitliche Teil 184 des Wärmeübertragers 108 umfasst mindestens einen Oxidationsmittel-Zuführkanal 156 und mindestens einen Brenngas-Zuführkanal 164, welche sich vorzugsweise beide im Wesentlichen längs der Stapelrichtung 126 des Brennstoffzellenstapels 104 erstrecken.The side next to the electrochemically active part 168 of the fuel cell stack 104 arranged lateral part 184 of the heat exchanger 108 comprises at least one oxidant supply channel 156 and at least one fuel gas supply passage 164 which are preferably both substantially along the stacking direction 126 of the fuel cell stack 104 extend.

Im seitlichen Teil 184 des Wärmeübertragers 108 kann somit Wärme von dem Brenngas im Brenngas-Zuführkanal 164 auf das Oxidationsmittel im Oxidationsmittel-Zuführkanal 156 übertragen werden.In the lateral part 184 of the heat exchanger 108 can thus heat from the fuel gas in the fuel gas supply channel 164 to the oxidant in the oxidant feed channel 156 be transmitted.

An seinem dem Oxidationsmittel-Einlass 158 des Wärmeübertragers 108 abgewandten Ende mündet der Oxidationsmittel-Zuführkanal 156 in einen Oxidationsmittelkanal 186, welcher vorzugsweise quer, insbesondere im Wesentlichen senkrecht, zur Stapelrichtung 126 des Brennstoffzellenstapels 104 verläuft und zu einem Oxidationsmittel-Einlass 138 eines Oxidationsmittel-Zuführkanals 136 des elektrochemisch aktiven Teils 168 des Brennstoffzellenstapels 104 führt.At its the oxidant inlet 158 of the heat exchanger 108 remote end opens the oxidant supply channel 156 in an oxidant channel 186 , which preferably transversely, in particular substantially perpendicular, to the stacking direction 126 of the fuel cell stack 104 passes and to an oxidant inlet 138 an oxidant feed channel 136 of the electrochemically active part 168 of the fuel cell stack 104 leads.

Ebenso mündet der Brenngas-Zuführkanal 164 des seitlichen Teils 184 des Wärmeübertragers 108 an seinem dem Brenngas-Einlass des Wärmeübertragers 108 abgewandten Ende in einen Brenngaskanal, welcher vorzugsweise quer, insbesondere im Wesentlichen senkrecht, zu der Stapelrichtung 126 des Brennstoffzellenstapels 104 verläuft und zu einem Brenngas-Einlass eines Brenngas-Zuführkanals 140 des elektrochemisch aktiven Teils 168 des Brennstoffzellenstapels 104 führt.Likewise, the fuel gas supply channel opens 164 of the lateral part 184 of the heat exchanger 108 at its the fuel gas inlet of the heat exchanger 108 opposite end in a fuel gas channel, which preferably transversely, in particular substantially perpendicular, to the stacking direction 126 of the fuel cell stack 104 runs and to a fuel gas inlet of a fuel gas supply channel 140 of the electrochemically active part 168 of the fuel cell stack 104 leads.

Der Brenngas-Zuführkanal 140 und der Oxidationsmittel-Zuführkanal 136 des elektrochemisch aktiven Teils 168 des Brennstoffzellenstapels 104 erstrecken sich vorzugsweise längs der Stapelrichtung 126 des Brennstoffzellenstapels 104.The fuel gas supply channel 140 and the oxidant supply channel 136 of the electrochemically active part 168 of the fuel cell stack 104 preferably extend along the stacking direction 126 of the fuel cell stack 104 ,

Von dem Oxidationsmittel-Zuführkanal 136 gelangt das Oxidationsmittel durch die Kathodenräume 134 der Brennstoffzelleneinheiten 128 in einen Oxidationsmittel-Abführkanal 144 des elektrochemisch aktiven Teils 168 des Brennstoffzellenstapels 104, welcher sich, vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Stapelrichtung 126, bis zu einem Oxidationsmittel-Auslass 146 des Brennstoffzellenstapels 104 erstreckt.From the oxidant feed channel 136 the oxidizing agent passes through the cathode compartments 134 the fuel cell units 128 in an oxidant discharge channel 144 of the electrochemically active part 168 of the fuel cell stack 104 , which is, preferably substantially parallel to the stacking direction 126 , to an oxidizer outlet 146 of the fuel cell stack 104 extends.

Von dem Brenngas-Zuführkanal 140 gelangt das Brenngas durch die Anodenräume 132 der Brennstoffzelleneinheiten 128 zu einem Brenngas-Abführkanal 178 des elektrochemisch aktiven Teils 168 des Brennstoffzellenstapels 104, welcher sich, vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Stapelrichtung 126, bis zu einem Brenngas-Auslass des Brennstoffzellenstapels 104 erstreckt.From the fuel gas supply passage 140 the fuel gas passes through the anode chambers 132 the fuel cell units 128 to a fuel gas discharge channel 178 of the electrochemically active part 168 of the fuel cell stack 104 , which is, preferably substantially parallel to the stacking direction 126 , to a fuel gas outlet of the fuel cell stack 104 extends.

In dem oberen Teil 188 des Wärmeübertragers 108, welcher den Oxidationsmittelkanal 186 und den hierzu parallel geführten Brenngaskanal umfasst, wird Wärme von dem Brenngas auf das Oxidationsmittel übertragen.In the upper part 188 of the heat exchanger 108 containing the oxidant channel 186 and includes the fuel gas passage parallel thereto, heat is transferred from the fuel gas to the oxidant.

Außerdem bildet der obere Teil 188 des Wärmeübertragers 108 eine obere Randzone 182 des Brennstoffzellenstapels 104, welche Wärme an die oberste Brennstoffzelleneinheit 128 des elektrochemisch aktiven Teils 168 des Brennstoffzellenstapels 104 abgibt, so dass ein Temperaturabfall dieser randständigen Brennstoffzelleneinheit 128 gegenüber den zentralen Brennstoffzelleneinheiten 128 verringert oder ganz vermieden wird.Besides, the upper part forms 188 of the heat exchanger 108 an upper edge zone 182 of the fuel cell stack 104 which heat to the uppermost fuel cell unit 128 of the electrochemically active part 168 of the fuel cell stack 104 gives off, so that a temperature drop of this marginal fuel cell unit 128 towards the central fuel cell units 128 reduced or completely avoided.

Der seitliche Teil 184 des Wärmeübertragers 108 gibt Wärme an die ihm zugewandten Endbereiche der Brennstoffzelleneinheiten 128 ab, so dass ein Temperaturabfall dieser Endbereiche der Brennstoffzelleneinheiten 128 gegenüber den zentralen Bereichen der Brennstoffzelleneinheiten 128 verringert oder ganz vermieden wird.The lateral part 184 of the heat exchanger 108 gives heat to the end regions of the fuel cell units facing it 128 so that a temperature drop of these end portions of the fuel cell units 128 opposite the central regions of the fuel cell units 128 reduced or completely avoided.

Somit bewirken die beiden Teile 184 und 188 des Wärmeübertragers 108 eine Vergleichmäßigung des Temperaturfelds im Brennstoffzellenstapel 104, wodurch Randeffekte vermieden werden und der Brennstoffzellenstapel 104 von thermomechanischer Belastung entlastet wird. Thus, the two parts effect 184 and 188 of the heat exchanger 108 a homogenization of the temperature field in the fuel cell stack 104 , which avoids edge effects and the fuel cell stack 104 is relieved of thermomechanical load.

Auch bei allen in den 5 bis 9 dargestellten Varianten des Wärmeübertragers 108 kann vorgesehen sein, dass im vom Brenngas durchströmten Bereich des Wärmeübertragers 108 mindestens eine chemisch aktive Substanz zur Veränderung der Zusammensetzung des Brenngases angeordnet ist.Also at all in the 5 to 9 illustrated variants of the heat exchanger 108 it can be provided that in the area of the heat exchanger through which the fuel gas flows 108 at least one chemically active substance for changing the composition of the fuel gas is arranged.

Im Übrigen stimmen alle drei dargestellten Varianten der in den 5 bis 9 dargestellten zweiten Ausführungsform der Brennstoffzellenvorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den 1 bis 4 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.Incidentally, all three variants illustrated in the 5 to 9 illustrated second embodiment of the fuel cell device 100 in terms of structure, function and method of production with in the 1 to 4 illustrated in the first embodiment, reference is made to the above description in this regard.

Eine in den 10 bis 12 dargestellte dritte Ausführungsform der Brennstoffzellenvorrichtung 100 unterscheidet sich von der in den 1 bis 4 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass der Wärmeübertrager 108 und der Abgas-Wärmeübertrager 110 nicht als zwei verschiedene, separat voneinander angeordnete Komponenten ausgebildet sind, sondern in einem von drei fluiden Medien durchströmten Wärmeübertrager 108' zusammengefasst sind. One in the 10 to 12 illustrated third embodiment of the fuel cell device 100 is different from the one in the 1 to 4 shown first embodiment in that the heat exchanger 108 and the exhaust heat exchanger 110 not as two different, separately arranged Components are formed, but in a flow of three fluid media heat exchanger 108 ' are summarized.

Der Wärmeübertrager 108' ist beispielsweise als ein Kreuzstrom-Schichtwärmeübertrager mit horizontalen Mehrfachkanälen, welche das Oxidationsmittel bzw. das Brenngas führen, und einem oder mehreren vertikalen Abgaskanälen ausgebildet.The heat exchanger 108 ' For example, it is formed as a cross-flow layer heat exchanger with horizontal multiple passages carrying the oxidant and the fuel gas and one or more vertical exhaust passages.

Bei der in den 11 und 12 im Einzelnen dargestellten Ausgestaltung des Wärmeübertrager 108' ist der Wärmeübertrager 108' hinsichtlich der das Oxidationsmittel führenden Kanäle und der das Brenngas führenden Kanäle grundsätzlich genauso aufgebaut wie der in den 2 und 3 dargestellte Wärmeübertrager.In the in the 11 and 12 shown in detail embodiment of the heat exchanger 108 ' is the heat exchanger 108 ' in terms of the oxidant leading channels and the fuel gas leading channels basically the same structure as in the 2 and 3 illustrated heat exchanger.

Die Brenngasräume 152 und die Oxidationsmittelräume 154 des Wärmeübertragers 108' werden jedoch von einem oder mehreren, beispielsweise drei, vertikalen Abgaskanälen 190 durchsetzt, wobei die Innenräume der Abgaskanäle 190 gasdicht von den Brenngasräumen 152 und den Oxidationsmittelräumen 154 getrennt sind.The fuel gas rooms 152 and the oxidant rooms 154 of the heat exchanger 108 ' However, one or more, for example, three, vertical exhaust ducts 190 interspersed, with the interiors of the exhaust ducts 190 gastight from the fuel gas chambers 152 and the oxidant spaces 154 are separated.

Jeder der Abgaskanäle 190 erstreckt sich von einem Abgas-Einlass 192 bis zu einem Abgas-Auslass 194 des Wärmeübertragers 108' und vorzugsweise im Wesentlichen parallel zu einer Stapelrichtung des Wärmeübertragers 108', längs welcher die Brenngasräume 152 und Oxidationsmittelräume 154 des Wärmeübertragers 108' aufeinanderfolgen.Each of the exhaust channels 190 extends from an exhaust inlet 192 up to an exhaust outlet 194 of the heat exchanger 108 ' and preferably substantially parallel to a stacking direction of the heat exchanger 108 ' , along which the fuel gas chambers 152 and oxidant rooms 154 of the heat exchanger 108 ' consecutive.

In dem kombinierten Wärmeübertrager 108' kann somit sowohl Wärme von dem Brenngas auf das Oxidationsmittel als auch Wärme von dem Abgas des Brennstoffzellenstapels 104 auf das Oxidationsmittel übertragen werden.In the combined heat exchanger 108 ' Thus, both heat from the fuel gas to the oxidant and heat from the exhaust gas of the fuel cell stack 104 be transferred to the oxidizing agent.

Hierdurch wird eine Angleichung der Temperaturen des Brenngases und des Oxidationsmittels vor deren Eintritt in den Brennstoffzellenstapel 104 erzielt, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung 100 nur einen Wärmeübertrager 108' enthalten muss.As a result, an alignment of the temperatures of the fuel gas and the oxidizing agent prior to their entry into the fuel cell stack 104 achieved, wherein the fuel cell device 100 only one heat exchanger 108 ' must contain.

Diese Ausführungsform stellt jedoch hohe Ansprüche an die Regelungstechnik, da die Temperaturregelung in der Aufheizphase und in der Betriebsphase des Brennstoffzellenstapels 104 mittels nur eines Wärmeübertragers 108' umgesetzt werden muss.However, this embodiment makes high demands on the control technology, since the temperature control in the heating phase and in the operating phase of the fuel cell stack 104 by means of only one heat exchanger 108 ' must be implemented.

Es ist daher günstig, wenn bei dieser Ausführungsform ein Bypass 196 vorgesehen ist, mittels welchem Kühlluft in die Abgasleitung 120, vor dem Eintritt des Abgases in den Wärmeübertrager 108', einspeisbar ist. It is therefore advantageous if in this embodiment a bypass 196 is provided, by means of which cooling air into the exhaust pipe 120 , before the entry of the exhaust gas into the heat exchanger 108 ' , is feedable.

Ferner ist es günstig, wenn bei dieser Ausführungsform ein Bypass 198 vorgesehen ist, mittels welchem Kühlluft in die Oxidationsmittelleitung 143, vor dem Eintritt des Oxidationsmittels in den elektrochemisch aktiven Teil 168 des Brennstoffzellenstapels 104, einspeisbar ist.Furthermore, it is favorable if in this embodiment a bypass 198 is provided, by means of which cooling air into the oxidant line 143 , before the entry of the oxidizing agent into the electrochemically active part 168 of the fuel cell stack 104 , is feedable.

Im Übrigen stimmt die in den 10 bis 12 dargestellte dritte Ausführungsform der Brennstoffzellenvorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den 1 bis 4 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.Incidentally, the right in the 10 to 12 illustrated third embodiment of the fuel cell device 100 in terms of structure, function and method of production with in the 1 to 4 illustrated in the first embodiment, reference is made to the above description in this regard.

Eine in 13 dargestellte vierte Ausführungsform der Brennstoffzellenvorrichtung 100 unterscheidet sich von der in den 10 bis 12 dargestellten dritten Ausführungsform dadurch, dass die Brennstoffzellenvorrichtung 100 zwei Wärmeübertrager 108 und 108' umfasst, die sowohl von dem Brenngas als auch von dem Oxidationsmittel stromaufwärts von dem elektrochemisch aktiven Teil 168 des Brennstoffzellenstapels 104 durchströmbar sind, wobei der erste Wärmeübertrager 108 dem Wärmeübertrager 108 der in den 1 bis 4 dargestellten ersten Ausführungsform entspricht, welcher von dem aus dem Reformer 102 stammenden Reformat und von dem aus der Oxidationsmittel-Zuführleitung 118 stammenden Oxidationsmittel durchströmbar ist, so dass in dem Wärmeübertrager 108 Wärme von dem reformierten Brenngas auf das, vorzugsweise zunächst bei Raumtemperatur befindliche, Oxidationsmittel übertragbar ist.An in 13 illustrated fourth embodiment of the fuel cell device 100 is different from the one in the 10 to 12 illustrated third embodiment in that the fuel cell device 100 two heat exchangers 108 and 108 ' comprising both the fuel gas and the oxidant upstream of the electrochemically active portion 168 of the fuel cell stack 104 can be flowed through, wherein the first heat exchanger 108 the heat exchanger 108 in the 1 to 4 illustrated first embodiment, which of the reformer 102 originating reformate and from the oxidant supply line 118 can flow through the originating oxidant, so that in the heat exchanger 108 Heat from the reformed fuel gas to the, preferably initially at room temperature, oxidizing agent is transferable.

Das im ersten Wärmeübertrager 108 erwärmte Oxidationsmittel gelangt über eine Oxidationsmittel-Leitung 200 zu einem Oxidationsmittel-Einlass des zweiten Wärmeübertragers 108'.That in the first heat exchanger 108 heated oxidant passes over an oxidant line 200 to an oxidant inlet of the second heat exchanger 108 ' ,

Das im ersten Wärmeübertrager 108 abgekühlte Brenngas gelangt über eine Brenngas-Leitung 202 zu einem Brenngas-Einlass einer Entschwefelungsvorrichtung 204, in welcher der Gehalt des Brenngases an Schwefel und/oder an schwefelhaltigen Verbindungen, insbesondere durch Kondensation von schwefelhaltigen Verbindungen an einer in der Entschwefelungsvorrichtung 204 enthaltenen chemisch aktiven Substanz, verringerbar ist.That in the first heat exchanger 108 cooled fuel gas passes through a fuel gas line 202 to a fuel gas inlet of a desulfurization device 204 , in which the content of the fuel gas to sulfur and / or sulfur-containing compounds, in particular by condensation of sulfur-containing compounds at one in the desulfurization 204 contained chemically active substance, is reducible.

Eine solche zur Entschwefelung des Brenngases geeignete chemisch aktive Substanz kann beispielsweise Nickel, ein Cermet-Material und/oder ZnO umfassen.Such a chemically active substance suitable for desulphurising the fuel gas may comprise, for example, nickel, a cermet material and / or ZnO.

Das zumindest teilweise entschwefelte Brenngas gelangt von einem Brenngas-Auslass der Entschwefelungsvorrichtung 204 über eine Brenngas-Leitung 206 zu einem Brenngas-Einlass des zweiten Wärmeübertragers 108'.The at least partially desulfurized fuel gas passes from a fuel gas outlet of the desulfurization device 204 via a fuel gas line 206 to a fuel gas inlet of the second heat exchanger 108 ' ,

Das Brenngas und das Oxidationsmittel verlassen den ersten Wärmeübertrager 108 mit einander angeglichenen Temperaturen von beispielsweise nahezu 600 °C. The fuel gas and the oxidant leave the first heat exchanger 108 with matched temperatures of, for example, almost 600 ° C.

Mit etwa denselben Temperaturen treten das Brenngas und das Oxidationsmittel in den zweiten Wärmeübertrager 108' ein, in welchem Wärme von dem Abgas des Brennstoffzellenstapels 104 auf das Brenngas und das Oxidationsmittel übertragen wird, so dass das Brenngas und das Oxidationsmittel auf einander angeglichene Temperaturen von beispielsweise nahezu 850 °C erwärmt werden.With approximately the same temperatures, the fuel gas and the oxidizing agent enter the second heat exchanger 108 ' in which heat from the exhaust gas of the fuel cell stack 104 is transferred to the fuel gas and the oxidizing agent, so that the fuel gas and the oxidizing agent are heated to aligned temperatures of, for example, almost 850 ° C.

Mit dieser Temperatur verlassen das Brenngas und das Oxidationsmittel den zweiten Wärmeübertrager 108' und treten in den Brennstoffzellenstapel 104 ein.At this temperature, the fuel gas and the oxidant leave the second heat exchanger 108 ' and enter the fuel cell stack 104 one.

Bei der in 13 dargestellten vierten Ausführungsform kann die Temperatur des Brenngases für die Entschwefelung mittels des ersten Wärmeübertragers 108 separat optimal geregelt werden, so dass ein optimaler Entschwefelungsgrad erzielt werden kann.At the in 13 illustrated fourth embodiment, the temperature of the fuel gas for desulfurization by means of the first heat exchanger 108 be optimally controlled separately, so that an optimal degree of desulfurization can be achieved.

Im Übrigen stimmt die in 13 dargestellte vierte Ausführungsform der Brennstoffzellenvorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den 1 bis 4 dargestellten ersten Ausführungsform bzw. (in Bezug auf den zweiten Wärmeübertrager 108' und die Bypässe 196 sowie 198) mit der in den 10 bis 12 dargestellten dritten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.Incidentally, the in 13 illustrated fourth embodiment of the fuel cell device 100 in terms of structure, function and method of production with in the 1 to 4 illustrated first embodiment or (with respect to the second heat exchanger 108 ' and the bypasses 196 such as 198 ) with in the 10 to 12 illustrated third embodiment, the above description of which reference is made.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 2008/122266 A1 [0088, 0172] WO 2008/122266 A1 [0088, 0172]

Claims (15)

Brennstoffzellenvorrichtung, umfassend einen Brennstoffzellenstapel (104), der elektrochemisch aktive Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheiten (130) umfasst, und einen Reformer (102) zum Herstellen eines Brenngases für den Brennstoffzellenstapel (104) aus einem Ausgangsbrennstoff, wobei dem Brennstoffzellenstapel (104) das vom Reformer (102) hergestellte Brenngas und ein Oxidationsmittel zuführbar sind, dadurch gekennzeichnet, die Brennstoffzellenvorrichtung (100) mindestens einen Wärmeübertrager (108; 108') umfasst, der von dem Brenngas stromaufwärts von den Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheiten (130) des Brennstoffzellenstapels (104) durchströmbar ist, wobei der Wärmeübertrager (108; 108') mindestens eine chemisch aktive Substanz zur Veränderung der Zusammensetzung des Brenngases umfasst.A fuel cell device comprising a fuel cell stack ( 104 ), the electrochemically active cathode-electrolyte-anode units ( 130 ), and a reformer ( 102 ) for producing a fuel gas for the fuel cell stack ( 104 ) from a starting fuel, wherein the fuel cell stack ( 104 ) that of the reformer ( 102 ) and an oxidizing agent can be supplied, characterized in that the fuel cell device ( 100 ) at least one heat exchanger ( 108 ; 108 ' derived from the fuel gas upstream of the cathode-electrolyte-anode units (FIG. 130 ) of the fuel cell stack ( 104 ) is flowed through, wherein the heat exchanger ( 108 ; 108 ' ) comprises at least one chemically active substance for changing the composition of the fuel gas. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine chemisch aktive Substanz eine zumindest teilweise Reduktion mindestens eines Bestandteils des Brenngases bewirkt.Fuel cell device according to claim 1, characterized in that at least one chemically active substance causes at least partial reduction of at least one component of the fuel gas. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine chemisch aktive Substanz eine Verringerung des Sauerstoffgehalts im Brenngas bewirkt.Fuel cell device according to one of claims 1 or 2, characterized in that at least one chemically active substance causes a reduction of the oxygen content in the fuel gas. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine chemisch aktive Substanz eine zumindest teilweise Entfernung von Schwefel oder einer Schwefelverbindung aus dem Brenngas bewirkt. Fuel cell device according to one of claims 1 to 3, characterized in that at least one chemically active substance causes an at least partial removal of sulfur or a sulfur compound from the fuel gas. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine chemisch aktive Substanz eine Beschichtung an einer Wandung eines von dem Brenngas durchströmbaren Innenraums des Wärmeübertragers (108; 108') umfasst.Fuel cell device according to one of claims 1 to 4, characterized in that at least one chemically active substance has a coating on a wall of a through-flow of the fuel gas inside the heat exchanger ( 108 ; 108 ' ). Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine chemisch aktive Substanz einen Substanzträger umfasst, der in einem von dem Brenngas durchströmbaren Innenraum des Wärmeübertragers (108; 108') angeordnet ist.Fuel cell device according to one of claims 1 to 5, characterized in that at least one chemically active substance comprises a substance carrier, which in a through-flow of the fuel gas from the interior of the heat exchanger ( 108 ; 108 ' ) is arranged. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Substanzträger eine mit mindestens einer chemisch aktiven Substanz beschichtete oder aus mindestens einer chemisch aktiven Substanz gebildete Folie umfasst.Fuel cell device according to claim 6, characterized in that the substance carrier comprises a film coated with at least one chemically active substance or formed from at least one chemically active substance. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine chemisch aktive Substanz durch ein den Wärmeübertrager (108; 108') zusätzlich zu dem Brenngas durchströmendes Fluid kühlbar ist.Fuel cell device according to one of claims 1 to 7, characterized in that at least one chemically active substance by a heat exchanger ( 108 ; 108 ' ) is cooled in addition to the fuel gas flowing through the fluid. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (108, 108') von dem Oxidationsmittel durchströmbar ist.Fuel cell device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the heat exchanger ( 108 . 108 ' ) can be flowed through by the oxidizing agent. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (108; 108') von einem Abgas des Brennstoffzellenstapels (104) durchströmbar ist.Fuel cell device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the heat exchanger ( 108 ; 108 ' ) of an exhaust gas of the fuel cell stack ( 104 ) can be flowed through. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine chemisch aktive Substanz Nickel umfasst. Fuel cell device according to one of claims 1 to 10, characterized in that at least one chemically active substance comprises nickel. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine chemisch aktive Substanz ein Edelmetall umfasst.Fuel cell device according to one of claims 1 to 11, characterized in that at least one chemically active substance comprises a noble metal. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine chemisch aktive Substanz eine Oxidkeramik umfasst.Fuel cell device according to one of claims 1 to 12, characterized in that at least one chemically active substance comprises an oxide ceramic. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine chemisch aktive Substanz ungefähr 20 Gewichtsprozent bis ungefähr 90 Gewichtsprozent Verbindungen von Nebengruppenmetallen und/oder von Elementen der dritten und vierten Hauptgruppe und ungefähr 10 Gewichtsprozent bis ungefähr 80 Gewichtsprozent Alkali- und/oder Erdalkaliverbindungen umfasst.Fuel cell device according to one of claims 1 to 13, characterized in that at least one chemically active substance about 20 weight percent to about 90 weight percent of compounds of transition group metals and / or elements of the third and fourth main group and about 10 weight percent to about 80 weight percent alkali and / or alkaline earth compounds. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (100), umfassend folgende Verfahrensschritte: – Herstellen eines Brenngases aus einem Ausgangsbrennstoff mittels eines Reformers (102); – Zuführen des Brenngases zu einem Brennstoffzellenstapel (104), der elektrochemisch aktive Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheiten (130) umfasst; und – Zuführen eines Oxidationsmittels zu dem Brennstoffzellenstapel (104); dadurch gekennzeichnet, dass das Brenngas durch mindestens einen Wärmeübertrager (108; 108') geleitet wird, der stromaufwärts von den Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheiten (130) des Brennstoffzellenstapels (104) angeordnet ist und mindestens eine chemisch aktive Substanz zur Veränderung der Zusammensetzung des Brenngases umfasst.Method for operating a fuel cell device ( 100 ), comprising the following method steps: - producing a fuel gas from a starting fuel by means of a reformer ( 102 ); Supplying the fuel gas to a fuel cell stack ( 104 ), the electrochemically active cathode-electrolyte-anode units ( 130 ); and - supplying an oxidizing agent to the fuel cell stack ( 104 ); characterized in that the fuel gas by at least one heat exchanger ( 108 ; 108 ' ) upstream of the cathode-electrolyte-anode units ( 130 ) of the fuel cell stack ( 104 ) and at least one chemically active Substance for changing the composition of the fuel gas comprises.
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