DE102014205718A1

DE102014205718A1 - fuel cell device

Info

Publication number: DE102014205718A1
Application number: DE102014205718.3A
Authority: DE
Inventors: Oliver Marquardt; Wolfgang Friede; Uwe Limbeck
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-03-27
Filing date: 2014-03-27
Publication date: 2015-10-01

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Brennstoffzellenvorrichtung, welche dazu vorgesehen ist, mit einem Erdgas betrieben zu werden, mit einer Entschwefelungseinheit (14a; 14b; 14c; 14d; 14e; 14f), welche dazu vorgesehen ist, das Erdgas zu entschwefeln, mit einer der Entschwefelungseinheit (14a; 14b; 14c; 14d; 14e; 14f) nachgeschalteten Reformereinheit (16a; 16b; 16c; 16d; 16e; 16f), welche zur Erzeugung zumindest eines Brenngases vorgesehen ist, und mit einer Brennstoffzelleneinheit (12a; 12b; 12c; 12d; 12e; 12f). Es wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung (10a; 10b; 10c; 10d; 10e; 10f) zumindest einen ersten Rezirkulationspfad (18a; 18b; 18c; 18d; 18e; 18f)aufweist, welcher dazu vorgesehen ist, der Reformereinheit (16a; 16b; 16c; 16d; 16e; 16f) in zumindest einem Betriebszustand zumindest einen Teil eines Abgases der Brennstoffzelleneinheit (12a; 12b; 12c; 12d; 12e; 12f) zuzuführen, und zumindest einen zweiten Rezirkulationspfad (20a; 20b; 20c; 20d; 20e; 20f) aufweist, welcher dazu vorgesehen ist, der Entschwefelungseinheit (14a; 14b; 14c; 14d; 14e; 14f) in zumindest einem Betriebszustand zumindest einen Teil des Brenngases zuzuführen.The invention is based on a fuel cell device, which is intended to be operated with a natural gas, with a desulfurization unit (14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 14f), which is intended to desulphurise the natural gas, with one of Desulfurization unit (14a; 14b; 14c; 14d; 14e; 14f) downstream reformer unit (16a; 16b; 16c; 16d; 16e; 16f), which is provided for generating at least one fuel gas, and with a fuel cell unit (12a; 12b; 12c; 12d, 12e, 12f). It is proposed that the fuel cell device (10a; 10b; 10c; 10d; 10e; 10f) has at least one first recirculation path (18a; 18b; 18c; 18d; 18e; 18f) provided to the reformer unit (16a; 16b 16c; 16d; 16e; 16f) in at least one operating condition to supply at least a portion of an exhaust gas to the fuel cell unit (12a; 12b; 12c; 12d; 12e; 12f) and at least one second recirculation path (20a; 20b; 20c; 20d; 20e; 20f) which is provided to supply at least part of the fuel gas to the desulfurization unit (14a; 14b; 14c; 14d; 14e; 14f) in at least one operating state.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zu einem Betrieb einer Brennstoffzellenvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11.The invention relates to a fuel cell device according to the preamble of patent claim 1 and to a method for operating a fuel cell device according to the preamble of patent claim 11.

Es ist bereits eine Brennstoffzellenvorrichtung bekannt, welche dazu vorgesehen ist, mit einem Erdgas betrieben zu werden, und bei welcher eine Entschwefelungseinheit dazu vorgesehen ist, das Erdgas zu entschwefeln. Der Entschwefelungseinheit ist eine Reformereinheit nachgeschaltet, welche zur Erzeugung zumindest eines Brenngases für eine Brennstoffzelleneinheit vorgesehen ist. There is already known a fuel cell device which is intended to be operated with a natural gas, and in which a desulfurization unit is provided to desulfurize the natural gas. The desulfurization unit is followed by a reformer unit, which is provided for generating at least one fuel gas for a fuel cell unit.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Erfindung geht aus von einer Brennstoffzellenvorrichtung, welche dazu vorgesehen ist, mit einem Erdgas betrieben zu werden, mit einer Entschwefelungseinheit, welche dazu vorgesehen ist, das Erdgas zu entschwefeln, mit einer der Entschwefelungseinheit nachgeschalteten Reformereinheit, welche zur Erzeugung zumindest eines Brenngases vorgesehen ist, und mit einer Brennstoffzelleneinheit.The invention is based on a fuel cell device, which is intended to be operated with a natural gas, with a desulfurization unit, which is intended to desulfurize the natural gas, with a downstream of the desulfurization unit reformer, which is provided for generating at least one fuel gas, and with a fuel cell unit.

Es wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest einen ersten Rezirkulationspfad aufweist, welcher dazu vorgesehen ist, der Reformereinheit in zumindest einem Betriebszustand zumindest einen Teil eines Abgases der Brennstoffzelleneinheit zuzuführen, und zumindest einen zweiten Rezirkulationspfad aufweist, welcher dazu vorgesehen ist, der Entschwefelungseinheit in zumindest einem Betriebszustand zumindest einen Teil des Brenngases zuzuführen.It is proposed that the fuel cell device has at least one first recirculation path which is provided to supply the reformer unit in at least one operating state at least part of an exhaust gas of the fuel cell unit, and at least one second recirculation path, which is provided to the desulfurization in at least one Operating state supply at least a portion of the fuel gas.

Unter einer „Brennstoffzellenvorrichtung“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Vorrichtung zu einer stationären und/oder mobilen Gewinnung, insbesondere elektrischer und/oder thermischer Energie, unter Verwendung zumindest einer Brennstoffzelleneinheit verstanden werden. Unter einem „Erdgas“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Gas und/oder ein Gasgemisch, insbesondere ein Naturgasgemisch, verstanden werden, welches zumindest ein Alkan, insbesondere Methan, Ethan, Propan und/oder Butan umfasst. Ferner kann das Erdgas weitere Bestandteile aufweisen, wie insbesondere Kohlenstoffdioxid und/oder Stickstoff und/oder Sauerstoff und/oder Schwefelverbindungen. Unter einer „Brennstoffzelleneinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit mit zumindest einer Brennstoffzelle verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, zumindest eine chemische Reaktionsenergie zumindest eines, insbesondere kontinuierlich zugeführten, Brenngases, insbesondere Wasserstoff, und zumindest eines Oxidationsmittels, insbesondere Sauerstoff, insbesondere in elektrische Energie umzuwandeln. Die zumindest eine Brennstoffzelle kann insbesondere als Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) und/oder als Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEMFC) ausgebildet sein. Vorzugsweise umfasst die zumindest eine Brennstoffzelleneinheit eine Vielzahl von Brennstoffzellen, welche insbesondere in einem Brennstoffzellenstack angeordnet sind. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt. Unter einer „Entschwefelungseinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, vorzugsweise durch zumindest ein physikalisches und/oder chemisches Adsorptionsverfahren und/oder Absorptionsverfahren, einen Volumen- oder Molanteil an Schwefelverbindungen in dem Erdgas unter einen festgelegten Grenzwert zu senken und vorzugsweise zumindest im Wesentlichen aus dem Erdgas zu entfernen. In this context, a "fuel cell device" is to be understood as meaning, in particular, a device for stationary and / or mobile extraction, in particular electrical and / or thermal energy, using at least one fuel cell unit. In this context, a "natural gas" is to be understood as meaning in particular a gas and / or a gas mixture, in particular a natural gas mixture, which comprises at least one alkane, in particular methane, ethane, propane and / or butane. Furthermore, the natural gas may have further constituents, such as in particular carbon dioxide and / or nitrogen and / or oxygen and / or sulfur compounds. In this context, a "fuel cell unit" is to be understood as meaning in particular a unit having at least one fuel cell which is provided with at least one chemical reaction energy of at least one, in particular continuously supplied, fuel gas, in particular hydrogen, and at least one oxidant, in particular oxygen, in particular to convert electrical energy. The at least one fuel cell can be designed in particular as a solid oxide fuel cell (SOFC) and / or as a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC). Preferably, the at least one fuel cell unit comprises a plurality of fuel cells, which are arranged in particular in a fuel cell stack. By "provided" is intended to be understood in particular specially programmed, designed and / or equipped. The fact that an object is intended for a specific function should in particular mean that the object fulfills and / or executes this specific function in at least one application and / or operating state. In this context, a "desulfurization unit" is to be understood as meaning in particular a unit which is provided, preferably by means of at least one physical and / or chemical adsorption method and / or absorption method, with a volume or molar proportion of sulfur compounds in the natural gas below a defined limit value lower and preferably at least substantially remove from the natural gas.

Unter einer „Reformereinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine chemisch-technische Einheit zu zumindest einer Aufbereitung zumindest eines kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoffs, insbesondere durch eine Dampfreformierung und/oder durch eine partielle Oxidation und/oder durch eine autotherme Reformierung, insbesondere zur Gewinnung des zumindest eines Synthesegases, verstanden werden. Vorzugsweise ist die Reformereinheit als Dampfreformereinheit ausgebildet. Insbesondere kann die Reformereinheit einstückig mit der Brennstoffzelleneinheit ausgebildet sein. Unter „einstückig“ soll insbesondere zumindest stoffschlüssig verbunden verstanden werden, beispielsweise durch einen Schweißprozess, einen Klebeprozess, einen Anspritzprozess und/oder einen anderen, dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Prozess, und/oder vorteilhaft in einem Stück geformt verstanden werden, wie beispielsweise durch eine Herstellung aus einem Guss und/oder durch eine Herstellung in einem Ein- oder Mehrkomponentenspritzverfahren und vorteilhaft aus einem einzelnen Rohling.In this context, a "reformer unit" is intended in particular to be a chemical-technical unit for at least treating at least one hydrocarbon-containing fuel, in particular by steam reforming and / or partial oxidation and / or autothermal reforming, in particular for obtaining the at least one synthesis gas to be understood. Preferably, the reformer unit is designed as a steam reformer unit. In particular, the reformer unit may be formed integrally with the fuel cell unit. By "one piece" should be understood in particular at least materially connected connected, for example, by a welding process, a gluing process, a Anspritzprozess and / or another, the skilled person appear useful process, and / or advantageously formed in one piece, such as by a Manufacture from a casting and / or by a production in a one- or multi-component injection molding process and advantageously from a single blank.

Unter einem „Rezirkulationspfad“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Verbindungseinheit verstanden werden, die zu einem Transport von insbesondere flüssigen und/oder gasförmigen Stoffen und/oder Stoffgemischen vorgesehen ist. Insbesondere umfasst der zumindest eine erste Rezirkulationspfad und/oder der zumindest eine zweite Rezirkulationspfad zumindest eine Hohlleitung, beispielsweise zumindest eine Rohr- und/oder Schlauchleitung. Der zumindest eine erste Rezirkulationspfad ist insbesondere dazu vorgesehen, der Reformereinheit einen insbesondere festgelegten Prozentsatz, insbesondere zwischen 30 % und 90 %, eines für einen Reformationsprozess benötigten, insbesondere wasserdampfhaltigen Abgases der Brennstoffzelle, insbesondere eines Anodenabgases, mittelbar, insbesondere über zumindest eine Einheit der Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere die Entschwefelungseinheit, und/oder unmittelbar zuzuführen. Der zumindest eine zweite Rezirkulationspfad ist insbesondere dazu vorgesehen, der Entschwefelungseinheit einen insbesondere festgelegten Prozentsatz eines für einen Entschwefelungsprozess benötigten Brenngases, insbesondere Wasserstoff, mittelbar, insbesondere über zumindest eine Einheit der Brennstoffzellenvorrichtung, und/oder unmittelbar zuzuführen. Insbesondere können der zumindest eine erste Rezirkulationspfad und der zumindest eine zweite Rezirkulationspfad miteinander identisch ausgebildet sein, so dass insbesondere lediglich ein Rezirkulationspfad existiert.In this context, a "recirculation path" is to be understood as meaning, in particular, a connection unit which is provided for transporting, in particular, liquid and / or gaseous substances and / or substance mixtures. In particular, the at least one first recirculation path and / or the at least one second recirculation path comprises at least one Hollow pipe, for example, at least one pipe and / or hose line. The at least one first recirculation path is provided, in particular, for the reformer unit to have a particularly fixed percentage, in particular between 30% and 90%, of an exhaust gas of the fuel cell, in particular an anode exhaust gas, required in particular for a reforming process, in particular via at least one unit of the fuel cell device , in particular the desulfurization unit, and / or to be supplied directly. The at least one second recirculation path is provided, in particular, to supply the desulphurisation unit with a particular specified percentage of a fuel gas, in particular hydrogen, required for a desulphurisation process, and / or directly via at least one unit of the fuel cell device. In particular, the at least one first recirculation path and the at least one second recirculation path can be formed identical to one another, so that in particular only one recirculation path exists.

Durch eine derartige Ausgestaltung kann eine gattungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung mit vorteilhaften Betriebseigenschaften bereitgestellt werden. Insbesondere kann durch eine Kombination einer Rezirkulation eines Abgases, insbesondere eines Anodenabgases, mit einer Entschwefelung ein vorteilhaft hoher Wirkungsgrad der Brennstoffzellenvorrichtung bei gleichzeitig vorteilhaft langer Standzeit erreicht werden. By such a configuration, a generic fuel cell device can be provided with advantageous operating characteristics. In particular, by means of a combination of a recirculation of an exhaust gas, in particular an anode exhaust gas, with desulfurization, it is possible to achieve an advantageously high efficiency of the fuel cell device with a simultaneously advantageously long service life.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Entschwefelungseinheit als eine Hydrodesulfierungseinheit ausgebildet. Unter einer „Hydrodesulfierungseinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Entschwefelungseinheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, das Erdgas unter Zugabe von Wasserstoff unter einen vorbestimmten Grenzwert und vorzugsweise zumindest weitgehend zu entschwefeln. Insbesondere reagieren dabei in einem ersten Prozessschritt Schwefelkomponenten des Erdgases mit dem Wasserstoff zu Schwefelwasserstoff und/oder zu schwefelfreien Kohlenwasserstoffen. In einem zweiten Prozessschritt kann der Schwefelwasserstoff insbesondere durch eine Absorption, beispielsweise in einem Zinkoxid-Bett, in einer festen Sulfidverbindung gebunden werden. Insbesondere können der erste Prozessschritt und der zweite Prozessschritt innerhalb einer räumlichen Einheit und/oder in zumindest zwei räumlich voneinander getrennten Einheiten erfolgen. Hierdurch kann eine vorteilhaft lange Standzeit der Entschwefelungseinheit und damit der gesamten Brennstoffzellenvorrichtung erreicht werden.In a preferred embodiment of the invention, the desulfurization unit is designed as a Hydrodesulfierungseinheit. In this context, a "hydrodesulphating unit" is to be understood as meaning, in particular, a desulphurisation unit which is intended to desulphurize the natural gas with the addition of hydrogen below a predetermined limit value and preferably at least substantially. In particular, in a first process step, sulfur components of the natural gas react with the hydrogen to form hydrogen sulphide and / or sulfur-free hydrocarbons. In a second process step, the hydrogen sulfide can be bound in particular by absorption, for example in a zinc oxide bed, in a solid sulfide compound. In particular, the first process step and the second process step can take place within a spatial unit and / or in at least two spatially separate units. In this way, an advantageously long service life of the desulfurization unit and thus of the entire fuel cell device can be achieved.

Ferner wird vorgeschlagen, dass der zumindest eine zweite Rezirkulationspfad dazu vorgesehen ist, den zumindest einen Teil des Brenngases zwischen zumindest einem Ausgang der Reformereinheit und zumindest einem Eingang der Brennstoffzelleneinheit zu entnehmen und insbesondere der Entschwefelungseinheit zuzuführen. Insbesondere kann der zumindest eine zweite Rezirkulationskreis zumindest einen Fluidausgang der Reformereinheit fluidtechnisch insbesondere unmittelbar mit zumindest einem Fluideingang der Entschwefelungseinheit verbinden. Insbesondere kann das der Entschwefelungseinheit zugeführte Brenngas vor einem Eintritt in die Entschwefelungseinheit mit dem Erdgas vermischt werden. Unter einem „Eingang“ einer Einheit soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Fluideingang verstanden werden, welcher dazu vorgesehen ist, ein Fluid entlang einer Hauptfluidrichtung in die Einheit einzuleiten. Unter einem „Ausgang“ einer Einheit soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Fluidausgang verstanden werden, welcher dazu vorgesehen ist, ein Fluid entlang einer Hauptfluidrichtung aus der Einheit auszuleiten. Hierdurch kann der Entschwefelungseinheit auf vorteilhaft einfache Weise ein für einen Entschwefelungsprozess benötigter Wasserstoff zugeführt werden.It is also proposed that the at least one second recirculation path is provided to remove the at least one part of the fuel gas between at least one output of the reformer unit and at least one input of the fuel cell unit and in particular to supply the desulfurization unit. In particular, the at least one second recirculation circuit can fluidly connect at least one fluid outlet of the reformer unit, in particular directly, to at least one fluid inlet of the desulfurization unit. In particular, the fuel gas supplied to the desulfurization unit may be mixed with the natural gas prior to entering the desulfurization unit. In this context, an "input" of a unit should be understood as meaning, in particular, a fluid inlet which is intended to introduce a fluid into the unit along a main fluid direction. In this context, an "outlet" of a unit should be understood as meaning, in particular, a fluid outlet which is provided to discharge a fluid from the unit along a main fluid direction. As a result, the desulfurization unit can be supplied in an advantageously simple manner with a hydrogen required for a desulphurisation process.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der zumindest eine zweite Rezirkulationspfad dazu vorgesehen ist, der Entschwefelungseinheit zumindest einen Teil des, insbesondere brenngashaltigen, Abgases der Brennstoffzelleneinheit zuzuführen. Insbesondere kann der zumindest eine zweite Rezirkulationskreis einen Fluidausgang der Brennstoffzelleneinheit, insbesondere einen Anodenausgang, fluidtechnisch insbesondere unmittelbar mit einem Fluideingang der Entschwefelungseinheit verbinden. Insbesondere kann das der Entschwefelungseinheit zugeführte Abgas, insbesondere Anodenabgas, vor einem Eintritt in die Entschwefelungseinheit mit dem Erdgas vermischt werden. Hierdurch kann der Entschwefelungseinheit auf vorteilhaft einfache Weise ein für einen Entschwefelungsprozess benötigter Wasserstoff, welcher insbesondere in einem Anodenabgas enthalten ist, zugeführt werden.In a further embodiment of the invention it is proposed that the at least one second recirculation path is provided to supply the desulfurization unit at least part of the, in particular fuel gas-containing, exhaust gas of the fuel cell unit. In particular, the at least one second recirculation circuit can fluidly connect a fluid outlet of the fuel cell unit, in particular an anode outlet, in particular directly to a fluid inlet of the desulfurization unit. In particular, the exhaust gas supplied to the desulfurization unit, in particular anode exhaust gas, can be mixed with the natural gas before it enters the desulfurization unit. As a result, the desulfurization unit can be supplied in an advantageously simple manner with a hydrogen required for a desulfurization process, which is contained in particular in an anode exhaust gas.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der zumindest eine erste Rezirkulationspfad und der zumindest eine zweite Rezirkulationspfad zumindest abschnittsweise miteinander identisch sind. Darunter, dass der zumindest eine erste Rezirkulationspfad und der zumindest eine zweite Rezirkulationspfad „zumindest abschnittsweise miteinander identisch“ sind, soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass der zumindest eine erste Rezirkulationspfad und der zumindest eine zweite Rezirkulationspfad zumindest über einen Teilabschnitt ihrer Erstreckung und/oder über ihre gesamte Erstreckung hinweg eine gemeinsame Fluidverbindung aufweisen. Hierdurch kann eine vorteilhafte Gasführung innerhalb des zumindest einen ersten Rezirkulationspfads und/oder des zumindest einen zweiten Rezirkulationspfads erreicht werden. Ferner können Komponenten eingespart werden.Furthermore, it is proposed that the at least one first recirculation path and the at least one second recirculation path are identical to each other at least in sections. The fact that the at least one first recirculation path and the at least one second recirculation path are "at least partially identical with each other" should be understood in this context to mean that the at least one first recirculation path and the at least one second recirculation path at least over a partial section of their extension and / or or have a common fluid connection over their entire extent. This allows an advantageous gas flow within the at least one first Rezirkulationspfads and / or the at least one second recirculation path can be achieved. Furthermore, components can be saved.

Weisen der zumindest eine erste Rezirkulationspfad und der zumindest eine zweite Rezirkulationspfad zumindest ein gemeinsames Abzweigelement auf, von welchem ausgehend, der zumindest eine erste Rezirkulationspfad und der zumindest eine zweite Rezirkulationspfad separat verlaufen, kann eine vorteilhafte Gasführung erreicht werden. Insbesondere kann über den separat verlaufenden ersten Rezirkulationspfad vorteilhaft zumindest ein Teil eines Anodenabgases einem Punkt zugeführt werden welcher, insbesondere strömungstechnisch, der Reformereinheit vorgelagert ist. Über den separat verlaufenden zweiten Rezirkulationspfad kann vorteilhaft zumindest ein Teil eines Brenngases, insbesondere als Bestandteil eines Anodenabgases, einem Punkt zugeführt werden welcher, insbesondere strömungstechnisch, der Entschwefelungseinheit vorgelagert ist.If the at least one first recirculation path and the at least one second recirculation path have at least one common branch element, starting from which the at least one first recirculation path and the at least one second recirculation path run separately, an advantageous gas guidance can be achieved. In particular, at least part of an anode exhaust gas can advantageously be supplied via the separately extending first recirculation path to a point which, in particular in terms of flow, precedes the reformer unit. Advantageously, at least part of a fuel gas, in particular as part of an anode exhaust gas, can be supplied via the separately extending second recirculation path to a point which, upstream of the desulfurization unit in particular, is fluidically arranged.

Wenn der zumindest eine erste Rezirkulationspfad und/oder der zumindest eine zweite Rezirkulationspfad zumindest ein Drosselelement aufweist, welches dazu vorgesehen ist, einen Gasdurchfluss in dem zumindest einen ersten Rezirkulationspfad und/oder in dem zumindest einen zweiten Rezirkulationspfad einzustellen, kann eine vorteilhafte Verteilung von Gasströmen in dem zumindest einen erste Rezirkulationspfad und/oder dem zumindest einen zweite Rezirkulationspfad erreicht werden. Unter einem „Drosselelement“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Element verstanden werden, welches dazu vorgesehen ist, insbesondere einen Fluiddurchfluss innerhalb einer Fluidleitung zu hemmen und/oder zu beschränken. Insbesondere kann das zumindest eine Drosselelement manuell und/oder zumindest teilautomatisch einstellbar sein und/oder einen unveränderlichen Durchflusswert aufweisen.If the at least one first recirculation path and / or the at least one second recirculation path has at least one throttle element which is intended to set a gas flow in the at least one first recirculation path and / or in the at least one second recirculation path, an advantageous distribution of gas flows in the at least one first recirculation path and / or the at least one second recirculation path can be achieved. In this context, a "throttle element" should be understood to mean, in particular, an element which is intended to inhibit and / or restrict, in particular, a fluid flow within a fluid line. In particular, the at least one throttle element can be manually and / or at least partially automatically adjustable and / or have a fixed flow rate value.

Ferner wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest einen Verdichter aufweist, welcher der Entschwefelungseinheit, insbesondere fluidtechnisch, nachgeschaltet und/oder innerhalb der Entschwefelungseinheit zwischengeschaltet ist. Unter einem „Verdichter“ soll in diesem Zusammengang insbesondere eine Arbeitsmaschine verstanden werden, welche insbesondere dazu vorgesehen ist, eine Fluidströmung zu erzeugen. Hierdurch kann eine vorteilhafte Fluidströmung, insbesondere innerhalb des zumindest einen ersten Rezirkulationspfads und/oder innerhalb des zumindest einen zweiten Rezikulationspfads erzeugt werden.It is also proposed that the fuel cell device has at least one compressor, which is downstream of the desulfurization unit, in particular fluidically, and / or interposed within the desulfurization unit. A "compressor" is to be understood in this connection in particular a working machine, which is in particular intended to generate a fluid flow. As a result, an advantageous fluid flow, in particular within the at least one first recirculation path and / or within the at least one second recirculation path can be generated.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Entschwefelungseinheit eine Kühleinheit aufweist, welche dazu vorgesehen ist, das zu entschwefelnde Erdgas zumindest zeitweise abzukühlen. Unter einer „Kühleinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, dem zu entschwefelnden Erdgas, insbesondere zwischen dem ersten Prozessschritt und dem zweiten Prozessschritt der Entschwefelung, thermische Energie zu entziehen. Insbesondere kann die Kühleinheit dazu mit einem Kühlmedium betrieben werden. Hierdurch kann eine Effizienz des zweiten Prozessschritts der Entschwefelung vorteilhaft gesteigert werden und/oder eine Standzeit eines der Entschwefelungseinheit nachgeschalteten Verdichters vorteilhaft gesteigert werden. Furthermore, it is proposed that the at least one desulphurisation unit has a cooling unit which is provided to cool the natural gas to be desulphurised at least temporarily. In this context, a "cooling unit" is to be understood as meaning, in particular, a unit which is intended to remove thermal energy from the natural gas to be desulphurised, in particular between the first process step and the second desulfurization step. In particular, the cooling unit can be operated with a cooling medium. As a result, an efficiency of the second desulfurization process step can advantageously be increased and / or a service life of a compressor downstream of the desulfurization unit can advantageously be increased.

Weist die Entschwefelungseinheit zumindest einen Wärmeübertrager auf, welcher dazu vorgesehen ist, das entschwefelte Erdgas zu erwärmen, kann das entschwefelte Erdgas insbesondere vor einem Eintritt in die Reformereinheit auf eine vorteilhaft hohe Temperatur gebracht werden. Insbesondere kann der zumindest eine Wärmeübertrager derart angeordnet sein, dass dieser eine thermische Energie des zu entschwefelnden Erdgases zumindest teilweise aufnimmt und diese an das entschwefelte Erdgas abgibt. Vorzugsweise erfolgt eine Erwärmung des entschwefelten Erdgases nach einer Verdichtung des entschwefelten Erdgases.If the desulphurisation unit has at least one heat exchanger, which is intended to heat the desulphurised natural gas, the desulphurised natural gas can be brought to an advantageously high temperature, in particular before it enters the reformer unit. In particular, the at least one heat exchanger can be arranged such that it at least partially absorbs a thermal energy of the natural gas to be desulfurized and releases it to the desulphurised natural gas. Preferably, heating of the desulphurised natural gas takes place after compression of the desulphurised natural gas.

Des Weiteren wird ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellenvorrichtung, welche dazu vorgesehen ist, mit einem Erdgas betrieben zu werden, vorgeschlagen mit einer Entschwefelungseinheit, welche dazu vorgesehen ist, das Erdgas zu entschwefeln, mit einer der Entschwefelungseinheit nachgeschalteten Reformereinheit, welche zur Erzeugung zumindest eines Brenngases vorgesehen ist, und mit einer Brennstoffzelleneinheit, wobei der Reformereinheit zumindest ein Teil eines Abgases der Brennstoffzelleneinheit und der Entschwefelungseinheit zumindest ein Teil des Brenngases zugeführt wird. Hierdurch kann ein vorteilhaft hoher Wirkungsgrad der Brennstoffzellenvorrichtung bei gleichzeitig vorteilhaft langer Standzeit erreicht werden.Furthermore, a method for operating a fuel cell device, which is intended to be operated with a natural gas, proposed with a desulfurization, which is intended to desulfurize the natural gas, with a downstream of the desulfurization unit reformer, which for generating at least one fuel gas is provided, and with a fuel cell unit, wherein the reformer unit at least a portion of an exhaust gas of the fuel cell unit and the desulfurization at least a portion of the fuel gas is supplied. In this way, an advantageously high efficiency of the fuel cell device can be achieved with a simultaneously advantageously long service life.

Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten abweichende Anzahl aufweisenThe fuel cell device according to the invention should not be limited to the application and embodiment described above. In particular, the fuel cell device according to the invention may have a different number from a number of individual elements, components and units mentioned herein for fulfilling a mode of operation described herein

Zeichnungdrawing

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind sechs Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.Further advantages emerge from the following description of the drawing. In the drawings, six embodiments of the invention are shown. The drawings, the description and the Claims contain numerous features in combination. The person skilled in the art will expediently also consider the features individually and combine them into meaningful further combinations.

Es zeigen:Show it:

1 eine schematische Teildarstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Brennstoffzelleneinheit, einer Entschwefelungseinheit und der Entschwefelungseinheit nachgeschalteten Reformereinheit, bei welcher ein Anodenabgas zur Entschwefelungseinheit zurückgeführt wird, 1 1 is a schematic partial representation of a fuel cell device with a fuel cell unit, a desulphurisation unit and a reformer unit connected downstream of the desulphurisation unit, in which an anode waste gas is returned to the desulphurisation unit,

2 eine alternative Brennstoffzellenvorrichtung, bei welcher ein Verdichter zwischen einer Hydrierungseinheit und einer Adsorbtionseinheit einer Entschwefelungseinheit angeordnet ist und ein Anodenabgas zur Entschwefelungseinheit zurückgeführt wird, 2 an alternative fuel cell device in which a compressor is arranged between a hydrogenation unit and an adsorption unit of a desulfurization unit and an anode exhaust gas is returned to the desulfurization unit,

3 eine alternative Brennstoffzellenvorrichtung, mit einem Wärmeübertrager und einer Entschwefelungseinheit, welche eine Kühleinheit aufweist, 3 an alternative fuel cell device, comprising a heat exchanger and a desulfurization unit, which has a cooling unit,

4 eine alternative Brennstoffzellenvorrichtung, mit einer Brennstoffzelleneinheit, einer Entschwefelungseinheit und der Entschwefelungseinheit nachgeschalteten Reformereinheit, bei welcher ein Anodenabgas zur Entschwefelungseinheit und zur Reformereinheit zurückgeführt wird, 4 an alternative fuel cell device, comprising a fuel cell unit, a desulfurization unit and the desulfurization unit downstream reformer unit, in which an anode exhaust gas is returned to the desulfurization unit and the reformer unit,

5 eine alternative Brennstoffzellenvorrichtung, bei welcher ein Verdichter zwischen einer Hydrierungseinheit und einer Adsorbtionseinheit einer Entschwefelungseinheit angeordnet ist und ein Anodenabgas zur Entschwefelungseinheit und zu einer Reformereinheit zurückgeführt wird, 5 an alternative fuel cell device in which a compressor is arranged between a hydrogenation unit and an adsorption unit of a desulfurization unit and an anode exhaust gas is returned to the desulfurization unit and to a reformer unit,

6 eine alternative Brennstoffzellenvorrichtung, mit einer Brennstoffzelleneinheit, einer Entschwefelungseinheit und der Entschwefelungseinheit nachgeschalteten Reformereinheit, bei welcher ein Anodenabgas zur Entschwefelungseinheit und ein Brenngas zur Reformereinheit zurückgeführt wird, 6 an alternative fuel cell device, comprising a fuel cell unit, a desulfurization unit and the desulfurization unit downstream reformer unit, in which an anode exhaust gas is returned to the desulfurization unit and a fuel gas to the reformer unit,

7 eine Regelung für einen Erdgaszufluss für eine der Brennstoffzellenvorrichtungen aus den 1 bis 6 und 7 a regulation for a natural gas inflow for one of the fuel cell devices from the 1 to 6 and

8 eine alternative Regelung für einen Erdgaszufluss für eine der Brennstoffzellenvorrichtungen aus den 1 bis 6. 8th an alternative control for a natural gas inflow for one of the fuel cell devices from the 1 to 6 ,

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments

1 zeigt eine schematische Teildarstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung 10a mit einer Brennstoffzelleneinheit 12a, einer Entschwefelungseinheit 14a und einer Reformereinheit 16a. Die Reformereinheit 16a ist der Entschwefelungseinheit 14a nachgeschaltet. Die Brennstoffzelleneinheit 12a ist hier vereinfacht als eine Brennstoffzelle 36a zur Erzeugung elektrischer Energie dargestellt. Alternativ ist jedoch auch eine Ausbildung einer Brennstoffzelleneinheit als ein Brennstoffzellenstack mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen denkbar. Die Brennstoffzelle 36a ist vorzugsweise als Festoxid-Brennstoffzelle ausgeführt. Die Brennstoffzelle 36a weist eine Anode 38a und eine hier nicht dargestellte Kathode auf. 1 shows a schematic partial view of a fuel cell device 10a with a fuel cell unit 12a , a desulphurisation unit 14a and a reformer unit 16a , The reformer unit 16a is the desulfurization unit 14a downstream. The fuel cell unit 12a is simplified here as a fuel cell 36a shown for generating electrical energy. Alternatively, however, a design of a fuel cell unit as a fuel cell stack with a plurality of fuel cells is conceivable. The fuel cell 36a is preferably designed as a solid oxide fuel cell. The fuel cell 36a has an anode 38a and a cathode, not shown here.

Die Brennstoffzellenvorrichtung 10a ist dazu vorgesehen, mit einem Erdgas betrieben zu werden. Das Erdgas wird der Brennstoffzellenvorrichtung 10a über ein Ventil 40a zugeführt. Das Erdgas durchfließt zunächst die Entschwefelungseinheit 14a. Die Entschwefelungseinheit 14a ist dazu vorgesehen, Schwefelverbindungen aus dem zugeführten Erdgas zu entfernen, um Beschädigungen an der Brennstoffzelleneinheit 12a und/oder an der Reformereinheit 16a zu vermeiden. Die Entschwefelungseinheit 14a ist als eine Hydrodesulfierungseinheit 22a ausgebildet. Die Entschwefelungseinheit 14a umfasst eine Hydrierungseinheit 42a und eine Adsorbtionseinheit 44a. Die Hydrierungseinheit 42a und die Adsorbtionseinheit 44a können sowohl zu einer räumlichen Entschwefelungseinheit 14a zusammengefasst als auch räumlich voneinander getrennt angeordnet sein. Innerhalb der Entschwefelungseinheit 14a erfolgt die Entschwefelung des Erdgases in zwei Prozessschritten. In einem ersten Prozessschritt, welcher innerhalb der Hydrierungseinheit 42a stattfindet, reagieren Schwefelkomponenten des Erdgases mit Wasserstoff zu Schwefelwasserstoff und schwefelfreien Kohlenwasserstoffen. In einem zweiten Prozessschritt, welcher innerhalb der Adsorbtionseinheit 44a stattfindet, wird der Schwefelwasserstoff durch Absorption beispielsweise in einem Zinkoxid-Bett aus dem Erdgas entfernt werden. The fuel cell device 10a is intended to be run on natural gas. The natural gas becomes the fuel cell device 10a via a valve 40a fed. The natural gas first flows through the desulfurization unit 14a , The desulfurization unit 14a is intended to remove sulfur compounds from the supplied natural gas to damage the fuel cell unit 12a and / or at the reformer unit 16a to avoid. The desulfurization unit 14a is as a hydrodesulfating unit 22a educated. The desulfurization unit 14a comprises a hydrogenation unit 42a and an adsorption unit 44a , The hydrogenation unit 42a and the Adsorbtionseinheit 44a can both become a spatial desulfurization unit 14a be summarized as well as spatially separated from each other. Inside the desulfurization unit 14a Desulphurisation of the natural gas takes place in two process steps. In a first process step, which within the hydrogenation unit 42a takes place, sulfur components of the natural gas react with hydrogen to hydrogen sulfide and sulfur-free hydrocarbons. In a second process step, which within the Adsorbtionseinheit 44a takes place, the hydrogen sulfide will be removed by absorption, for example in a zinc oxide bed from the natural gas.

Der Entschwefelungseinheit 14a ist ein Verdichter 30a nachgeschaltet, welcher dazu vorgesehen ist, eine Gasströmung zu erzeugen und somit einen sicheren Gastransport und insbesondere eine ausreichende Durchströmung aller Komponenten der Brennstoffzellenvorrichtung 10a zu gewährleisten.The desulphurisation unit 14a is a compressor 30a downstream, which is intended to generate a gas flow and thus a secure gas transport and in particular a sufficient flow through all the components of the fuel cell device 10a to ensure.

Zur Erzeugung eines Brenngases, insbesondere Wasserstoff und/oder Kohlenomoxid, wird der Reformereinheit 16a das entschwefelte Erdgas zugeführt, welches durch eine Reformierung, hier durch eine Dampfreformierung, in das Brenngas überführt wird. Die Reformereinheit 16a ist über eine Fluidverbindung 46a mit der Brennstoffzelleneinheit 12a, insbesondere mit der Anode 38a der Brennstoffzelle 36a, verbunden, über welche das Brenngas der Brennstoffzelleneinheit 12a zugeführt wird. For generating a fuel gas, in particular hydrogen and / or carbon monoxide, the reformer unit 16a supplied to the desulfurized natural gas, which is converted by a reforming, here by a steam reforming, in the fuel gas. The reformer unit 16a is via a fluid connection 46a with the fuel cell unit 12a , in particular with the anode 38a the fuel cell 36a , via which the fuel gas of the fuel cell unit 12a is supplied.

Ferner zeigt die 1 eine der Brennstoffzelleneinheit 12a nachgeschaltete Brennereinheit 48a. Der Brennereinheit 48a wird ein Teil eines Anodenabgases der Brennstoffzelleneinheit 12a zugeführt. Die Brennereinheit 48a dient dazu, in einem Anodenabgas der Brennstoffzelleneinheit 12a verbliebene brennbare Stoffe zu verbrennen. Über einen nicht dargestellten Wärmetauscher kann eine dabei erzeugte thermische Energie nutzbar gemacht werden. Die Brennereinheit 48a wird über eine nicht dargestellte Versorgungseinheit mit Luft versorgt. Furthermore, the shows 1 one of the fuel cell unit 12a downstream burner unit 48a , The burner unit 48a becomes a part of an anode exhaust gas of the fuel cell unit 12a fed. The burner unit 48a serves to in an anode exhaust of the fuel cell unit 12a to burn remaining flammable substances. About a heat exchanger, not shown, a thermal energy generated thereby can be harnessed. The burner unit 48a is supplied via a supply unit, not shown, with air.

Um der Entschwefelungseinheit 14a den für eine Entschwefelung des Erdgases benötigten Wasserstoff und der Reformereinheit 16a das für eine Dampfreformierung benötigte Wasser, insbesondere in Form von Wasserdampf, zuzuführen, umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 10a einen ersten Rezirkulationspfad 18a und einen zweiten Rezirkulationspfad 20a. Der erste Rezirkulationspfad 18a und der zweite Rezirkulationspfad 20a sind identisch zueinander und weisen eine gemeinsame Fluidleitung 50a auf. Über die gemeinsame Fluidleitung 50a wird ein Teil des Anodenabgases der Brennstoffzelleneinheit 12a zu einem Fluideingang 52a der Entschwefelungseinheit 14a zurückgeführt und dort mit der Brennstoffzellenvorrichtung 10a frisch zugeführtem Erdgas vermischt. Das Anodenabgas der Brennstoffzelleneinheit 12a enthält sowohl nicht in der Brennstoffzelleneinheit 12 umgesetztes Brenngas, insbesondere Wasserstoff, als auch durch eine Reaktion an der Anode 38a der Brennstoffzelleneinheit 12a entstehendes, insbesondere dampfförmiges, Wasser.To the desulfurization unit 14a the hydrogen needed for desulfurization of the natural gas and the reformer unit 16a supplying the water required for steam reforming, in particular in the form of water vapor, comprises the fuel cell device 10a a first recirculation path 18a and a second recirculation path 20a , The first recirculation path 18a and the second recirculation path 20a are identical to each other and have a common fluid line 50a on. About the common fluid line 50a becomes a part of the anode exhaust gas of the fuel cell unit 12a to a fluid inlet 52a the desulfurization unit 14a returned and there with the fuel cell device 10a freshly supplied natural gas mixed. The anode exhaust of the fuel cell unit 12a does not contain both in the fuel cell unit 12 reacted fuel gas, in particular hydrogen, as well as by a reaction at the anode 38a the fuel cell unit 12a resulting, in particular vaporous, water.

In den 2 bis 8 sind fünf weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen und die Zeichnungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung des anderen Ausführungsbeispiels, insbesondere der 1, verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in der 1 nachgestellt. In den Ausführungsbeispielen der 2 bis 8 ist der Buchstabe a durch die Buchstaben b bis f ersetzt.In the 2 to 8th five further embodiments of the invention are shown. The following descriptions and the drawings are essentially limited to the differences between the embodiments, wherein with respect to the same designated components, in particular with respect to components with the same reference numerals, in principle to the drawings and / or the description of the other embodiment, in particular 1 , can be referenced. To distinguish the embodiments of the letter a is the reference numerals of the embodiment in the 1 readjusted. In the embodiments of the 2 to 8th the letter a is replaced by the letters b to f.

2 zeigt eine schematische Teildarstellung einer alternativen Ausführungen einer Brennstoffzellenvorrichtung 10b mit einer Brennstoffzelleneinheit 12b, einer Entschwefelungseinheit 14b und einer Reformereinheit 16b. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10b entspricht in ihrer Funktion der in der 1 dargestellten Brennstoffzellenvorrichtung 10a. 2 shows a schematic partial view of an alternative embodiments of a fuel cell device 10b with a fuel cell unit 12b , a desulfurization unit 14b and a reformer unit 16b , The fuel cell device 10b corresponds in its function to that in the 1 shown fuel cell device 10a ,

Die Entschwefelungseinheit 14b ist als eine Hydrodesulfierungseinheit 22b ausgebildet. Die Entschwefelungseinheit 14b umfasst eine Hydrierungseinheit 42b und eine Adsorbtionseinheit 44b. Im Gegensatz zu der in 1 gezeigten Brennstoffzellenvorrichtung 10a ist ein Verdichter 30b zwischen der Hydrierungseinheit 42b und der Adsorbtionseinheit 44b angeordnet.The desulfurization unit 14b is as a hydrodesulfating unit 22b educated. The desulfurization unit 14b comprises a hydrogenation unit 42b and an adsorption unit 44b , Unlike the in 1 shown fuel cell device 10a is a compressor 30b between the hydrogenation unit 42b and the adsorption unit 44b arranged.

In der 3 ist eine weitere Ausführung der Erfindung in einer schematischen Teildarstellung gezeigt. Die 3 zeigt einer Brennstoffzellenvorrichtung 10c mit einer Brennstoffzelleneinheit 12c, einer Entschwefelungseinheit 14c und einer Reformereinheit 16c. Die Entschwefelungseinheit 14c ist als eine Hydrodesulfierungseinheit 22c ausgebildet. Die Entschwefelungseinheit 14c umfasst eine Hydrierungseinheit 42c und eine Adsorbtionseinheit 44c. Da es sich bei dem innerhalb der Hydrierungseinheit 42c stattfindenden Prozessschritt um eine endotherme Reaktion handelt, wird der Hydrierungseinheit 42c thermische Energie 54c zugeführt. Zwischen der Hydrierungseinheit 42c und der Adsorbtionseinheit 44c ist eine Kühleinheit 32c angeordnet. Die Kühleinheit 32c ist dazu vorgesehen, das in der Hydrierungseinheit 42c erwärmte zu entschwefelnde Erdgas nach Austritt aus der Hydrierungseinheit 42c abzukühlen, wodurch eine Effizienz der Adsorbtionseinheit 44c gesteigert wird. Die Kühleinheit 32c kann von einem nicht dargestellten Heizwasserkreislauf, einem Trinkwarmwasser oder einem Luftstrom durchflossen werden, welcher die Wärme aufnimmt. Der Luftstrom kann insbesondere eine Prozessluft der Brennstoffzelle oder eine Verbrennungsluft der Brennereinheit enthalten. Ferner kann durch das Abkühlen des zu entschwefelndes Erdgases eine Lebensdauer eines der Entschwefelungseinheit 14c nachgeschalteten Verdichters 30c verlängert werden, da auch das aus der Adsorbtionseinheit 44c austretende entschwefelte Erdgas eine niedrigere Temperatur aufweist.In the 3 a further embodiment of the invention is shown in a schematic partial representation. The 3 shows a fuel cell device 10c with a fuel cell unit 12c , a desulfurization unit 14c and a reformer unit 16c , The desulfurization unit 14c is as a hydrodesulfating unit 22c educated. The desulfurization unit 14c comprises a hydrogenation unit 42c and an adsorption unit 44c , As is the case within the hydrogenation unit 42c The process step that takes place is an endothermic reaction, becomes the hydrogenation unit 42c thermal energy 54c fed. Between the hydrogenation unit 42c and the adsorption unit 44c is a cooling unit 32c arranged. The cooling unit 32c is intended to be in the hydrogenation unit 42c warmed up to be desulphurised natural gas after exiting the hydrogenation unit 42c to cool, resulting in an efficiency of Adsorbtionseinheit 44c is increased. The cooling unit 32c can be traversed by a Heizwasserkreislauf not shown, a hot water or air flow, which absorbs the heat. The air stream may in particular contain a process air of the fuel cell or a combustion air of the burner unit. Further, by cooling the natural gas to be desulphurized, a life of one of the desulfurization unit can be achieved 14c downstream compressor 30c be extended, as well as from the Adsorbtionseinheit 44c emerging desulfurized natural gas has a lower temperature.

Für die weiteren Prozesse innerhalb der Brennstoffzellenvorrichtung 10c, insbesondere für die ebenfalls endotherme Dampfreformierung innerhalb einer der Entschwefelungseinheit 14c nachgeschalteten Reformereinheit 16c, ist es vorteilhaft, das entschwefelte Erdgas vor einem Eintritt in die Reformereinheit 16c wieder zu erwärmen. Zu diesem Zweck weist die Entschwefelungseinheit 14c einen Wärmeübertrager 34c auf. Der Wärmeübertrager 34c arbeiten nach dem Gegenstromprinzip und ist derart verschaltet, dass er zum einem von dem aus der Hydrierungseinheit 42c austretenden zu entschwefelnden Erdgas und zum anderen von dem zuvor abgekühlten entschwefelten Erdgas durchströmt wird, dabei wird thermische Energie auf das entschwefelte Erdgas übertragen.For the other processes within the fuel cell device 10c , in particular for the likewise endothermic steam reforming within one of the desulfurization unit 14c downstream reformer unit 16c It is advantageous to desulfurized natural gas before entering the reformer unit 16c to warm again. For this purpose, the desulfurization unit 14c a heat exchanger 34c on. The heat exchanger 34c operate on the countercurrent principle and is connected in such a way that it is the one from the hydrogenation unit 42c On the other hand, the previously cooled down desulfurized natural gas flows through it, whereby thermal energy is transferred to the desulphurised natural gas.

4 zeigt eine alternative Ausführung einer Brennstoffzellenvorrichtung 10d, bei welcher ein erster Rezirkulationspfad 18d und einer zweiter Rezirkulationspfad 20d lediglich über einen Teilabschnitt 56d hinweg identisch zueinander sind. In diesem Teilabschnitt 56d weisen der erste Rezirkulationspfad 18d und der zweite Rezirkulationspfad 20d eine gemeinsame Fluidleitung 50 auf. Von einem Abzweigelement 58d ausgehend verlaufen der erste Rezirkulationspfad 18d und der zweite Rezirkulationspfad 20d separat. Dabei ist der erste Rezirkulationspfad 18d dazu vorgesehen, einer Reformereinheit 16d einen Teil eines Anodenabgases einer Brennstoffzelleneinheit 12d zuzuführen, und somit ein für eine Dampfreformation benötigtes Wasser bereitzustellen. Der zweite Rezirkulationspfad 20d ist dazu vorgesehen, einer als Hydrodesulfierungseinheit 22d ausgebildeten Entschwefelungseinheit 14d einen Teil des Anodenabgases der Brennstoffzelleneinheit 12d zuzuführen, und somit einen für eine Entschwefelung benötigten Wasserstoff bereitzustellen. 4 shows an alternative embodiment of a fuel cell device 10d in which a first recirculation path 18d and a second recirculation path 20d only over a section 56d are identical to each other. In this section 56d have the first recirculation path 18d and the second recirculation path 20d a common fluid line 50 on. From a branch element 58d starting from the first recirculation path 18d and the second recirculation path 20d separately. Here is the first recirculation path 18d intended to be a reformer unit 16d a part of an anode exhaust gas of a fuel cell unit 12d supply, and thus provide a required for steam reforming water. The second recirculation path 20d is intended to be used as a hydrodesulfating unit 22d trained desulfurization unit 14d a part of the anode exhaust gas of the fuel cell unit 12d supply, and thus provide a required for desulfurization hydrogen.

Um eine Gaszirkulation innerhalb der Brennstoffzellenvorrichtung 10d zu gewährleisten, umfasst diese einen Verdichter 30d. Der Verdichter 30d ist der Entschwefelungseinheit 14d nachgeschaltet. Der erste Rezirkulationspfad 18d leitet einen Teil des Anodenabgases an einen Fluideingang des Verdichters 30d, wo es mit einem aus der Entschwefelungseinheit 14d austretenden entschwefelten Erdgas vermischt wird und daraufhin der Reformereinheit 16d zugeleitet wird. Der zweite Rezirkulationspfad 20d leitet das Anodenabgas direkt zu einem Fluideingang 52d der Entschwefelungseinheit 14d, wo es mit frisch zugeführtem Erdgas vermischt wird.To a gas circulation within the fuel cell device 10d To ensure this includes a compressor 30d , The compressor 30d is the desulfurization unit 14d downstream. The first recirculation path 18d directs a portion of the anode exhaust gas to a fluid inlet of the compressor 30d where it comes with one from the desulfurization unit 14d emerging desulfurized natural gas is mixed and then the reformer unit 16d is forwarded. The second recirculation path 20d directs the anode exhaust gas directly to a fluid inlet 52d the desulfurization unit 14d where it is mixed with freshly supplied natural gas.

Der erste Rezirkulationspfad 18d weist ein Drosselelement 28d auf, welches dazu vorgesehen ist, zu verhindern, dass ein Druckverlust innerhalb des zweiten Rezirkulationspfads 20d gegenüber einem Druckverlust innerhalb des ersten Rezirkulationspfads 18d zu gering wird. Somit kann eine zuverlässige Durchströmung der Entschwefelungseinheit 14d gewährleistet werden. Je nach Druckverhältnissen innerhalb der Rezirkulationspfade 18d und 20d kann zusätzlich oder alternativ auch im Rezirkulationspfad 20d eine Drosseleinheit vorhanden sein.The first recirculation path 18d has a throttle element 28d which is intended to prevent a pressure loss within the second recirculation path 20d against a pressure loss within the first recirculation path 18d is too low. Thus, a reliable flow through the desulfurization 14d be guaranteed. Depending on the pressure conditions within the recirculation paths 18d and 20d may additionally or alternatively also in the recirculation path 20d a throttle unit may be present.

5 zeigt eine Brennstoffzellenvorrichtung 10e, welche gegenüber der in 4 gezeigten Brennstoffzellenvorrichtung 10d eine veränderte Anordnung bezüglich einer Hydrierungseinheit 42e, einer Adsorbtionseinheit 44e und eines Verdichters 30e aufweist. So ist der Verdichter 30e hier nicht einer Entschwefelungseinheit 14e nachgeschaltet, sondern zwischen die Hydrierungseinheit 42e und die Adsorbtionseinheit 44e der Entschwefelungseinheit 14e geschaltet. Über einen ersten Rezirkulationspfad 18e wird ein Teil des Anodenabgases einer Brennstoffzelleneinheit 12e an einen Fluideingang des Verdichters 30e zugeführt, wo es mit einem aus der Hydrierungseinheit 42e austretenden zu entschwefelten Erdgas vermischt wird und daraufhin über die Adsorbtionseinheit 44e der Reformereinheit 16d zugeleitet wird. Über einen zweiten Rezirkulationspfad 20e wird das Anodenabgas direkt zu einem Fluideingang 52e der Entschwefelungseinheit 14e geleitet, wo es mit frisch zugeführtem Erdgas vermischt wird. 5 shows a fuel cell device 10e , which opposite to in 4 shown fuel cell device 10d a modified arrangement with respect to a hydrogenation unit 42e , an adsorption unit 44e and a compressor 30e having. That's the compressor 30e not a desulphurisation unit here 14e downstream, but between the hydrogenation unit 42e and the Adsorbtionseinheit 44e the desulfurization unit 14e connected. Via a first recirculation path 18e becomes a part of the anode exhaust gas of a fuel cell unit 12e to a fluid inlet of the compressor 30e fed where it is with one from the hydrogenation unit 42e exiting to desulfurized natural gas is mixed and then on the Adsorbtionseinheit 44e the reformer unit 16d is forwarded. Via a second recirculation path 20e the anode exhaust gas goes directly to a fluid inlet 52e the desulfurization unit 14e where it is mixed with freshly supplied natural gas.

6 zeigt eine alternative Ausführung einer Brennstoffzellenvorrichtung 10f, bei welcher ein erster Rezirkulationspfad 18f und ein zweiter Rezirkulationspfad 20f vollständig separat voneinander ausgebildet sind. Der erste Rezirkulationspfad 18f ist dazu vorgesehen, einer Reformereinheit 16f einen Teil eines Anodenabgases der Brennstoffzelleneinheit 12f zuzuführen. Der zweiten Rezirkulationspfad 20f ist dazu vorgesehen, einer als Hydrodesulfierungseinheit 22f ausgebildeten Entschwefelungseinheit 14f einen Teil des Brenngases, insbesondere Wasserstoff, zuzuführen. Dazu entnimmt der zweite Rezirkulationspfad 20f einen Teil des Brenngases direkt zwischen einem Ausgang 24f der Reformereinheit 16f und zumindest einem Eingang 26f der Brennstoffzelleneinheit 12f und führt diesen einem Fluideingang 52f der Entschwefelungseinheit 14f zu. Der erste Rezirkulationspfad 18f und der zweite Rezirkulationspfad 20f weisen jeweils ein Drosselelement 28f auf, über welches ein Durchfluss in dem ersten Rezirkulationspfad 18f und dem zweiten Rezirkulationspfad 20f einstellbar ist. Um eine Gasströmung innerhalb des ersten Rezirkulationspfads 18f und innerhalb des zweiten Rezirkulationspfads 20f zu gewährleisten, weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10f einen Verdichter 30f auf, welcher zwischen die Entschwefelungseinheit 14f und die Reformereinheit 16f geschaltet ist. 6 shows an alternative embodiment of a fuel cell device 10f in which a first recirculation path 18f and a second recirculation path 20f are formed completely separate from each other. The first recirculation path 18f is intended to be a reformer unit 16f a part of an anode exhaust gas of the fuel cell unit 12f supply. The second recirculation path 20f is intended to be used as a hydrodesulfating unit 22f trained desulfurization unit 14f to supply a part of the fuel gas, in particular hydrogen. For this purpose, the second recirculation path takes 20f a part of the fuel gas directly between an output 24f the reformer unit 16f and at least one entrance 26f the fuel cell unit 12f and leads this a fluid inlet 52f the desulfurization unit 14f to. The first recirculation path 18f and the second recirculation path 20f each have a throttle element 28f via which a flow in the first recirculation path 18f and the second recirculation path 20f is adjustable. To a gas flow within the first recirculation path 18f and within the second recirculation path 20f to ensure the fuel cell device 10f a compressor 30f on which between the desulfurization unit 14f and the reformer unit 16f is switched.

Die 7 und 9 zeigen jeweils eine Möglichkeit eine Zuführung von Erdgas zu regulieren. Jede dieser Möglichkeiten ist jeweils auf alle in den 1 bis 6 gezeigten Ausführungsbeispiele von Brennstoffzellenvorrichtungen 10a, b, c, d, e, f anwendbar. The 7 and 9 each show a way to regulate a supply of natural gas. Each of these options is applicable to everyone in the 1 to 6 shown embodiments of fuel cell devices 10a , b, c, d, e, f applicable.

Bei der in der 7 gezeigten Variante läuft ein hier nicht gezeigter Verdichter 30a, b, c, d, e, f einer Brennstoffzellenvorrichtung 10a, b, c, d, e, f bei konstanter Drehzahl. Ein Zufluss von Erdgas wird über einen Durchflussmesser 60a, b, c, d, e, f erfasst. Anhand des erfassten Messwerts wird eine Durchflussmenge durch einen Regler 62a, b, c, d, e, f über ein Ventil 40a, b, c, d, e, f eingestellt. Anstelle eines Ventils kann hier alternativ auch ein Verdichter verwendet werden, über welchen eine Durchflussmenge einstellbar ist.When in the 7 shown variant runs a compressor not shown here 30a , b, c, d, e, f of a fuel cell device 10a , b, c, d, e, f at constant speed. An inflow of natural gas is via a flow meter 60a , b, c, d, e, f. Based on the acquired measured value, a flow rate is controlled by a controller 62a , b, c, d, e, f via a valve 40a , b, c, d, e, f are set. Instead of a valve, a compressor may alternatively be used here, via which a flow rate can be set.

Bei der in der 8 gezeigten Variante erfolgt eine Einstellung einer Durchflussmenge durch einen Regler 62a, b, c, d, e, f, welcher eine Drehzahl eines Verdichters 30a, b, c, d, e, f der Brennstoffzellenvorrichtung 10a, b, c, d, e, f in Abhängigkeit von durch einen Durchflussmesser 60a, b, c, d, e, f erfassten Messwerten regelt.When in the 8th shown variant, a setting of a flow rate is performed by a controller 62a , b, c, d, e, f, which is a speed of a compressor 30a , b, c, d, e, f of the fuel cell device 10a , b, c, d, e, f as a function of a flow meter 60a , b, c, d, e, f controls measured values.

Claims

Fuel cell device, which is intended to be operated with a natural gas, with a desulfurization unit ( 14a ; 14b ; 14c ; 14d ; 14e ; 14f ), which is intended to desulphurise the natural gas, with one of the desulphurisation unit ( 14a ; 14b ; 14c ; 14d ; 14e ; 14f ) downstream reformer unit ( 16a ; 16b ; 16c ; 16d ; 16e ; 16f ), which is provided for generating at least one fuel gas, and with a fuel cell unit ( 12a ; 12b ; 12c ; 12d ; 12e ; 12f ), characterized by at least one first recirculation path ( 18a ; 18b ; 18c ; 18d ; 18e ; 18f ), which is intended for the reformer unit ( 16a ; 16b ; 16c ; 16d ; 16e ; 16f ) in at least one operating state at least part of an exhaust gas of the fuel cell unit ( 12a ; 12b ; 12c ; 12d ; 12e ; 12f ), and at least one second recirculation path ( 20a ; 20b ; 20c ; 20d ; 20e ; 20f ) which is provided to the desulphurisation unit ( 14a ; 14b ; 14c ; 14d ; 14e ; 14f ) supply at least a portion of the fuel gas in at least one operating state.

Fuel cell device according to claim 1, characterized in that the desulphurisation unit ( 14a ; 14b ; 14c ; 14d ; 14e ; 14f ) as a hydrodesulfating unit ( 22a ; 22b ; 22c ; 22d ; 22e ; 22f ) is trained.

Fuel cell device according to claim 1 or 2, characterized in that the at least one second recirculation path ( 20f ) is provided, the at least a portion of the fuel gas between at least one output ( 24f ) of the reformer unit ( 16f ) and at least one input ( 26f ) of the fuel cell unit ( 12f ) refer to.

Fuel cell device according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one second recirculation path ( 20a ; 20b ; 20c ; 20d ; 20e ) is provided to the desulphurisation unit ( 14a ; 14b ; 14c ; 14d ; 14e ) at least a part of the exhaust gas of the fuel cell unit ( 12a ; 12b ; 12c ; 12d ; 12e ).

Fuel cell device according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one first recirculation path ( 18a ; 18b ; 18c ; 18d ; 18e ) and the at least one second recirculation path ( 20a ; 20b ; 20c ; 20d ; 20e ) are at least partially identical to each other.

Fuel cell device according to claim 5, characterized in that the at least one first recirculation path ( 18d ; 18e ) and the at least one second recirculation path ( 20d ; 20e ) at least one common branch element ( 58d ; 58e ), starting from which, the at least one first recirculation path ( 18d ; 18e ) and the at least one second recirculation path ( 20d ; 20e ) run separately.

Fuel cell device according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one first recirculation path ( 18a ; 18b ; 18c ; 18d ; 18e ; 18f ) and / or the at least one second recirculation path ( 20a ; 20b ; 20c ; 20d ; 20e ; 20f ) at least one throttle element ( 28a ; 28b ; 28c ; 28d ; 28e ; 28f ), which is provided to a gas flow in the at least one first recirculation path ( 18a ; 18b ; 18c ; 18d ; 18e ; 18f ) and / or in the at least one second recirculation path ( 20a ; 20b ; 20c ; 20d ; 20e ; 20f ).

Fuel cell device according to one of the preceding claims, characterized by at least one compressor ( 30a ; 30b ; 30c ; 30d ; 30e ; 30f ), which of the desulfurization unit ( 14a ; 14b ; 14c ; 14d ; 14e ; 14f ) and / or within the desulfurization unit ( 14a ; 14b ; 14c ; 14d ; 14e ; 14f ) is interposed.

Fuel cell device according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one desulfurization unit ( 14c ) a cooling unit ( 32c ), which is intended to cool the natural gas to be desulphurised at least temporarily.

Fuel cell device according to claim 9, characterized in that the at least one desulphurisation unit ( 14c ) at least one heat exchanger ( 34c ), which is intended to heat the desulfurized natural gas.

Method for operating a fuel cell device ( 10a ; 10b ; 10c ; 10d ; 10e ; 10f ), which is intended to be operated with a natural gas, with a desulfurization unit ( 14a ; 14b ; 14c ; 14d ; 14e ; 14f ), which is intended to desulphurise the natural gas, with one of the desulphurisation unit ( 14a ; 14b ; 14c ; 14d ; 14e ; 14f ) downstream reformer unit ( 16a ; 16b ; 16c ; 16d ; 16e ; 16f ), which is provided for generating at least one fuel gas, and with a fuel cell unit ( 12a ; 12b ; 12c ; 12d ; 12e ; 12f ), in particular according to one of the preceding claims, characterized in that the reformer unit ( 16a ; 16b ; 16c ; 16d ; 16e ; 16f ) at least a part of an exhaust gas of the fuel cell unit ( 12a ; 12b ; 12c ; 12d ; 12e ; 12f ) and the desulfurization unit ( 14a ; 14b ; 14c ; 14d ; 14e ; 14f ) at least a portion of the fuel gas is supplied.