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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Es ist bereits eine Brennstoffzellenvorrichtung vorgeschlagen worden, welche dazu vorgesehen ist, mit einem Erdgas betrieben zu werden Die Brennstoffzellenvorrichtung weist eine Brennstoffzelleneinheit und einen der Brennstoffzelleneinheit vorgeschalteten Anodengasprozessor auf, welcher dazu vorgesehen ist, das Erdgas zur Verwendung in der Brennstoffzelleneinheit aufzubereiten. Der Anodengasprozessor umfasst eine Entschwefelungseinheit, eine Oxidationseinheit und eine Reformereinheit.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einer Brennstoffzellenvorrichtung, welche dazu vorgesehen ist, mit einem Erdgas betrieben zu werden, mit einer Brennstoffzelleneinheit und einem der Brennstoffzelleneinheit vorgeschalteten Anodengasprozessor, welcher dazu vorgesehen ist, das Erdgas zur Verwendung in der Brennstoffzelleneinheit aufzubereiten, und welcher eine Entschwefelungseinheit, welche dazu vorgesehen ist, das Erdgas zu entschwefeln, eine Oxidationseinheit, welche zur Durchführung einer partiellen Oxidation vorgesehen ist, und eine Reformereinheit, welche dazu vorgesehen ist, zumindest ein Brenngas zu erzeugen, umfasst.
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Es wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung eine Rezirkulationseinheit aufweist, welche dazu vorgesehen ist, dem Anodengasprozessor zumindest einen Teil eines Anodenabgases der Brennstoffzelleneinheit zuzuführen.
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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 vorzugsweise 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/oder Kohlenstoffmonoxid, und zumindest eines Oxidationsmittels, insbesondere Sauerstoff, insbesondere in elektrische Energie umzuwandeln. Die zumindest eine Brennstoffzelle ist vorzugsweise als Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) ausgebildet. 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 einem „Anodengasprozessor“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, das Erdgas vor einer Zuleitung zu einer Anode der Brennstoffzelleneinheit für eine Verwendung innerhalb einer in der Brennstoffzelleneinheit ablaufenden Reaktion aufzubereiten. Insbesondere ist der Anodengasprozessor dazu vorgesehen, insbesondere ein Erdgas und/oder ein Brenngas und/oder ein brenngashaltiges Gasgemisch auf eine Reaktionstemperatur zu erwärmen und/oder das Erdgas in ein Brenngas und/oder ein Brenngasgemisch zu überführen. Insbesondere kann der Anodengasprozessor als eine bauliche Einheit ausgebildet sein. Unter einer „baulichen Einheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine vormontierbare und/oder vorzugsweise vormontierte Einheit verstanden werden, welche eine Mehrzahl von Untereinheiten, insbesondere die Entschwefelungseinheit, die Oxidationseinheit und die Reformereinheit, und/oder Komponenten, beispielsweise Fluidverbindungen und/oder Sensoren und/oder Wärmeübertrager, derart zusammenfasst, dass diese vorzugsweise als Ganzes in ein Gesamtsystem, insbesondere in ein Brennstoffzellensystem, einbringbar und/oder als Ganzes aus dem Gesamtsystem entfernbar sind. Die Untereinheiten und/oder Komponenten der baulichen Einheit können insbesondere mittels einer gemeinsamen Trägerstruktur, insbesondere mechanisch stabil, miteinander verbunden sein. Dabei ist die Trägerstruktur insbesondere von Rohrleitungen, die zu einer Fluidführung vorgesehen sind, verschieden ausgebildet.
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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- und/oder Molanteil an Schwefelverbindungen in dem Erdgas insbesondere unter einen festgelegten Grenzwert zu senken und vorzugsweise zumindest im Wesentlichen aus dem Erdgas zu entfernen. Unter einer „Reformereinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine chemischtechnische Einheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, zumindest einen kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoff, vorzugsweise ein Erdgas, mittels einer Dampfreformierung unter Zugabe von Wasserdampf zumindest teilweise in ein Brenngas, insbesondere Wasserstoff, und/oder ein brenngashaltiges Gasgemisch zu überführen. Unter einer „Oxidationseinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, das Erdgas insbesondere mittels Thermisch Partieller Oxidation und/oder Katalytisch Partieller Oxidation unter Zugabe von Sauerstoff, insbesondere Luftsauerstoff, zumindest teilweise in ein Brenngas, insbesondere Wasserstoff, und/oder ein brenngashaltiges Gasgemisch zu überführen. Die Oxidationseinheit ermöglicht insbesondere wenn während eines Startvorgangs eines Brennstoffzellensystems ein zu geringer Anteil an Wasserdampf für die Reformereinheit zur Verfügung steht, eine Gewinnung von Wasserstoff. Bei einem Vorhandensein einer ausreichenden Menge von Wasserdampf weist die Dampfreformierung mittels der Reformereinheit gegenüber der partiellen Oxidation mittels der Oxidationseinheit insbesondere eine größere Wasserstoffausbeute auf.
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Unter einer „Rezirkulationseinheit“ 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.
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Insbesondere umfasst die Rezirkulationseinheit zumindest eine Hohlleitung, beispielsweise zumindest eine Rohr- und/oder Schlauchleitung. Die Rezirkulationseinheit ist insbesondere dazu vorgesehen, dem Anodengasprozessor eingangsseitig einen insbesondere festgelegten Prozentsatz eines Volumenstroms, insbesondere zwischen 30 % und 90 %, eines insbesondere wasserdampfhaltigen und/oder wasserstoffhaltigen Abgases der Brennstoffzelleneinheit, insbesondere eines Anodenabgases, zuzuführen. Hierdurch kann der Entschwefelungseinheit vorteilhaft ein für die Entschwefelung des Erdgases benötigter Wasserstoff und/oder der Reformereinheit ein für eine Dampfreformierung benötigter Wasserdampf zugeführt werden.
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Durch eine derartige Ausgestaltung kann eine gattungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung mit vorteilhaften Betriebseigenschaften bereitgestellt werden. Insbesondere kann durch das Zusammenfassen der Entschwefelungseinheit, der Oxidationseinheit und der Reformereinheit zu dem Anodengasprozessor eine Baugröße der Brennstoffzellenvorrichtung und/oder ein Montageaufwand vorteilhaft reduziert werden. Ferner kann ein Aufbau eines Brennstoffzellensystems vorteilhaft vereinfacht werden, da eine Anzahl benötigter Medienzuführungen, insbesondere zu einer Zuführung von Erdgas und/oder Umgebungsluft, vorteilhaft reduziert werden. Des Weiteren kann der Entschwefelungseinheit ein für die Entschwefelung des Erdgases benötigter Wasserstoff und/oder der Reformereinheit ein für eine Dampfreformierung benötigter Wasserdampf mittels der Rezirkulationseinheit vorteilhaft einfach zugeführt werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Entschwefelungseinheit, die Oxidationseinheit und die Reformereinheit strömungstechnisch seriell miteinander verschaltet sind. Hierdurch kann ein vorteilhaft einfacher und/oder kostengünstiger Aufbau des Anodengasprozessors erreicht werden. Insbesondere kann eine Anzahl benötigter Fluidleitungen und/oder eine Anzahl von Fluidleitungsverzweigungen vorteilhaft verringert werden, wodurch eine Komplexität und/oder eine Fehleranfälligkeit vorteilhaft reduziert werden kann.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Entschwefelungseinheit der Oxidationseinheit strömungstechnisch vorgeschaltet und die Reformereinheit der Oxidationseinheit strömungstechnisch nachgeschaltet sind.
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Hierdurch kann eine Funktionalität und/oder Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung vorteilhaft gesteigert werden.
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Weist der Anodengasprozessor eine Mischeinheit auf, welche dazu vorgesehen ist, ein aus der Entschwefelungseinheit austretendes Fluid mit einer Umgebungsluft zu vermischen, kann insbesondere der Oxidationseinheit vorteilhaft einfach ein für einen Oxidationsprozess benötigter Luftsauerstoff zugeführt werden. Unter einer „Mischeinheit“ soll in diesem Zusammengang insbesondere eine Einheit mit zumindest zwei Fluideinlässen und einem Fluidauslass verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, eine Durchmischung von Fluiden, welche durch die zumindest zwei Fluideinlässe einleitbar sind, zu erreichen. Vorzugsweise weist die Mischeinheit jeweils einen Fluideinlass für das aus der Entschwefelungseinheit austretende Fluid und die Umgebungsluft auf. Vorzugsweise ist die Mischeinheit strömungstechnisch zwischen die Entschwefelungseinheit und die Oxidationseinheit geschaltet.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das Brennstoffzellensystem eine Umgebungsluftdosiereinheit aufweist, welche dazu vorgesehen ist, eine Umgebungsluftzuführung zu der Mischeinheit zu regulieren. Die Umgebungsluftdosiereinheit weist insbesondere zumindest ein Regelelement, beispielsweise zumindest ein Drosselelement und/oder zumindest einen regelbaren Verdichter, mittels dessen ein Durchfluss erhöhbar und/oder reduzierbar ist, auf. Hierdurch kann vorteilhaft eine Zuführung einer Umgebungsluft reguliert werden, wodurch insbesondere ein Oxidationsprozess innerhalb der Oxidationseinheit vorteilhaft geregelt werden kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Oxidationseinheit strömungstechnisch parallel zu der Entschwefelungseinheit und der Reformereinheit geschaltet ist. Die Entschwefelungseinheit und die Reformereinheit sind vorzugsweise strömungstechnisch seriell miteinander verschaltet, wobei die Entschwefelungseinheit der Oxidationseinheit strömungstechnisch vorgeschaltet ist. Hierdurch kann insbesondere während eines Startvorgangs der Brennstoffzellenvorrichtung vorteilhaft einfach ein Brenngas, insbesondere Wasserstoff, zum Betrieb der Brennstoffzelleneinheit gewonnen werden.
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Vorteilhaft 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 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. Hierdurch kann eine vorteilhaft lange Standzeit der Entschwefelungseinheit erreicht werden. Ferner kann eine vorteilhaft effektive Entschwefelung des Erdgases erreicht werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Entschwefelungseinheit, die Oxidationseinheit und die Reformereinheit mittels zumindest einer Fluidleitung unlösbar miteinander verbunden sind. Darunter, dass die Entschwefelungseinheit, die Oxidationseinheit und die Reformereinheit „unlösbar“ miteinander verbunden sind, soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass zumindest eine die Entschwefelungseinheit, die Oxidationseinheit und die Reformereinheit verbindende Fluidleitung frei von zerstörungsfrei und/oder werkzeuglos, insbesondere spezialwerkzeuglos, lösbaren Verbindungselementen ist. Insbesondere kann die zumindest eine Fluidleitung lediglich Schweiß- und/oder Hartlotverbindungen aufweisen. Hierdurch kann eine vorteilhaft zuverlässige und/oder dauerhafte Gasdichtheit erreicht werden.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung eine Wärmedämmung umfasst, welche die Entschwefelungseinheit und/oder die Oxidationseinheit und/oder die Reformereinheit, insbesondere zu einem Großteil, umschließt. Unter einer „Wärmedämmung“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein thermisch isolierendes Element verstanden werden, welches dazu vorgesehen ist, einen Austritt von Wärmeenergie, welche insbesondere durch exotherme Vorgänge innerhalb der Brennstoffzellenvorrichtung frei wird, aus der Brennstoffzellenvorrichtung zu reduzieren, insbesondere zumindest zu einem Großteil, und/oder zumindest weitgehend zu verhindern. Unter dem Ausdruck „zumindest zu einem Großteil“ soll dabei zumindest zu 60 %, vorteilhaft zumindest zu 70 %, vorzugsweise zumindest zu 80 % und besonders bevorzugt zumindest zu 90 % verstanden werden. Hierdurch kann eine vorteilhaft hohe thermische Integration der Brennstoffzellenvorrichtung erreicht werden. Insbesondere kann eine durch exotherme Vorgänge, insbesondere durch eine partielle Oxidation, entstehende Wärmeenergie vorteilhaft für endotherme Vorgänge, insbesondere für eine Dampfreformierung, innerhalb der Brennstoffzellenvorrichtung bereitgestellt werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung eine Gehäuseeinheit aufweist, welche die Entschwefelungseinheit und/oder die Oxidationseinheit und/oder die Reformereinheit zumindest im Wesentlichen umschließt. Unter einer „Gehäuseeinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Baueinheit verstanden werden, welche die Entschwefelungseinheit, die Oxidationseinheit und die Reformereinheit im montierten Zustand gegenüber einer Umgebung zumindest teilweise und vorzugsweise zumindest zu einem Großteil abdeckt und welche insbesondere mehrere Bauelemente umfassen kann. Darunter, dass die Gehäuseeinheit die Entschwefelungseinheit, die Oxidationseinheit und die Reformereinheit „zumindest im Wesentlichen umschließt“, soll insbesondere verstanden werden, dass die Gehäuseeinheit in einem montierten Zustand einen räumlichen Bereich umschließt und ein Gesamtflächeninhalt aller Ausnehmungen in einer Außenwand der Gehäuseeinheit insbesondere maximal 40 %, insbesondere höchstens 30 %, vorzugsweise maximal 20 % und besonders vorteilhaft höchstens 10 % eines Gesamtflächeninhalts der Außenwand der Gehäuseeinheit insbesondere unter Vernachlässigung der Ausnehmungen beträgt. Hierdurch können die Entschwefelungseinheit, die Oxidationseinheit und die Reformereinheit und/oder weitere Komponenten der Brennstoffzellenvorrichtung vorteilhaft insbesondere vor mechanischen Beschädigungen und/oder Verschmutzung geschützt werden. Ferner kann eine Montage und/oder ein Transport der Brennstoffzellenvorrichtung vorteilhaft vereinfacht werden.
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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 aufweisen.
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Zeichnung
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, 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.
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Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Brennstoffzelleneinheit, einem Anodengasprozessor, welcher eine Entschwefelungseinheit, eine Oxidationseinheit und eine Reformereinheit in einer seriellen Verschaltung umfasst, und einer Rezirkulationseinheit und
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2 eine schematische Darstellung einer alternativen Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Brennstoffzelleneinheit, einem Anodengasprozessor, bei welchem eine Oxidationseinheit parallel zu einer Entschwefelungseinheit und einer Reformereinheit geschaltet ist, und einer Rezirkulationseinheit.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung 10a mit einer Brennstoffzelleneinheit 12a und einem Anodengasprozessor 14a, welcher eine Entschwefelungseinheit 18a, eine Oxidationseinheit 20a und eine Reformereinheit 22a umfasst. Die Brennstoffzelleneinheit 12a ist hier vereinfacht als eine Brennstoffzelle 60a zur Erzeugung elektrischer Energie dargestellt. Alternativ ist jedoch auch eine Ausbildung einer Brennstoffzelleneinheit als ein Brennstoffzellenstack mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen denkbar. Die Brennstoffzelle 60a ist vorzugsweise als Festoxid-Brennstoffzelle ausgeführt. Die Brennstoffzelle 60a weist eine Anode 40a und eine Kathode 42a auf. Der Anodengasprozessor 14a ist dazu vorgesehen, ein Erdgas zu einer Verwendung in der Brennstoffzelle 60a aufzubereiten. Der Anodengasprozessor 14a ist der Anode 40a der Brennstoffzelle 60a vorgeschaltet.
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Der Anodengasprozessor 14a weist eine Gehäuseeinheit 54a auf, welche die Entschwefelungseinheit 18a, die Oxidationseinheit 20a und die Reformereinheit 22a vorzugsweise, mit Ausnahme von Durchführungen für Fluidleitungen, vollständig umschließt. Neben der Gehäuseeinheit 54a weist der Anodengasprozessor 14a eine Wärmedämmung 52a auf, welche dazu vorgesehen ist, ein Austreten von Wärmeenergie aus dem Anodengasprozessor 14a zu verhindern. Dazu umschließt die Wärmedämmung 52a die Entschwefelungseinheit 18a, die Oxidationseinheit 20a und die Reformereinheit 22a vorzugsweise vollständig. Die Wärmedämmung 52a ist vorzugsweise innerhalb der Gehäuseeinheit 54a angeordnet. Weitere nicht dargestellte Komponenten des Anodengasprozessors 14a, insbesondere Wärmeübertrager, können ebenfalls von der die Gehäuseeinheit 54a und/oder der Wärmedämmung 52a umschlossen sein.
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Die Entschwefelungseinheit 18a, die Oxidationseinheit 20a und die Reformereinheit 22a sind innerhalb des Anodengasprozessors 14a strömungstechnisch seriell miteinander verschaltet. Die Entschwefelungseinheit 18a ist dabei der Oxidationseinheit 20a strömungstechnisch vorgeschaltet, während die Reformereinheit 22a der Oxidationseinheit 20a strömungstechnisch nachgeschaltet ist. Die Entschwefelungseinheit 18a, die Oxidationseinheit 20a und die Reformereinheit 22a sind mittels einer Fluidleitung 56a unlösbar miteinander verbunden, wodurch eine zuverlässige und/oder dauerhafte Gasdichtheit innerhalb der Brennstoffzellenvorrichtung 10a erreicht wird. Alternativ können eine Entschwefelungseinheit, eine Oxidationseinheit und eine Reformereinheit in einem Anodengasprozessor jedoch auch über lösbare Fluidverbindungen miteinander verbunden sein.
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Die Brennstoffzellenvorrichtung 10a weist eine Erdgaszuleitung 44a und eine Umgebungsluftzuleitung 46a auf. Auf Grund des Aufbaus des Anodengasprozessors 14a kann auf weitere Zuleitungen verzichtet werden. Über die Erdgaszuleitung 44a wird der Brennstoffzellenvorrichtung 10a frisches Erdgas zugeführt. Über eine Erdgasdosiereinheit 28a wird dabei ein Zufluss des Erdgases in die Brennstoffzellenvorrichtung 10a reguliert. Das Erdgas wird zunächst dem Anodengasprozessor 14 zugeführt. Der Anodengasprozessor 14a weist eingangsseitig eine Mischeinheit 66a auf, in welcher das Erdgas mit einem rezirkulierten Anodenabgas der Brennstoffzelleneinheit 12a vermischt wird.
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Das Erdgas-Anodenabgasgemisch wird innerhalb des Anodengasprozessors 14a zunächst der Entschwefelungseinheit 18a zugeführt. Die Entschwefelungseinheit 18a ist dazu vorgesehen, Schwefelverbindungen aus dem zugeführten Erdgas zu entfernen, um Beschädigungen an der Brennstoffzelleneinheit 12a und/oder an der Reformereinheit 22a zu vermeiden. Die Entschwefelungseinheit 18a ist als eine Hydrodesulfierungseinheit 24a ausgebildet. Innerhalb der Entschwefelungseinheit 18a erfolgt die Entschwefelung des Erdgases in zwei Prozessschritten. In einem ersten Prozessschritt reagieren Schwefelkomponenten des Erdgases mit Wasserstoff zu Schwefelwasserstoff und schwefelfreien Kohlenwasserstoffen. In einem zweiten Prozessschritt wird der Schwefelwasserstoff durch Absorption, beispielsweise in einem Zinkoxid-Bett, aus dem Erdgas entfernt. Der Entschwefelungseinheit 18a ist eine weitere Mischeinheit 26a nachgeschaltet. Die weitere Mischeinheit 26a ist dazu vorgesehen, dem aus der Entschwefelungseinheit 18a ausgeleiteten und entschwefelten Erdgas Umgebungsluft beizumischen. Die Umgebungsluft wird der weiteren Mischeinheit 26a über die Umgebungsluftzuleitung 46a zugeführt. Eine erste Umgebungsluftdosiereinheit 30a ist dazu vorgesehen, einen Zufluss der Umgebungsluft zu der Mischeinheit 26a zu regulieren. Eine Zufuhr von Umgebungsluft zur weiteren Mischeinheit 26a erfolgt dabei insbesondere lediglich während eines Startvorgangs der Brennstoffzellenvorrichtung 10a. Eine weitere Umgebungsluftdosiereinheit 32a ist dazu vorgesehen, einen Zufluss der Umgebungsluft zu der Kathode 42a der Brennstoffzelle 60a zu regulieren.
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Der weiteren Mischeinheit 26a ist die Oxidationseinheit 20a nachgeschaltet. Die Oxidationseinheit 20a ist dazu vorgesehen, das Erdgas mittels partieller Oxidation unter Zugabe von Sauerstoff aus der Umgebungsluft teilweise in Wasserstoff zu überführen. Die der Oxidationseinheit 20a nachgeschaltete Reformereinheit 22a ist als eine Dampfreformereinheit 62a ausgebildet. Die Reformereinheit 22a ist dazu vorgesehen, mittels einer Dampfreformierung langkettige Kohlenwasserstoffe unter Zugabe von Wasserdampf zu Methan, Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid sowie Kohlenstoffdioxid aufzuspalten. Das so gewonnene Reformat wird der Anode 40 der Brennstoffzelleneinheit 12a zugeführt. Eine Übertragung von für die Dampfreformierung benötigter Wärmeenergie kann insbesondere über hier nicht dargestellte Wärmeübertrager erfolgen.
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Insbesondere während eines Startvorgangs der Brennstoffzellenvorrichtung 10a steht ein zu geringer Anteil an Wasserdampf für einen Betrieb der Reformereinheit 22a und/oder ein zu geringer Anteil an Wasserstoff für den Betrieb der Hydrodesulfierungseinheit 24a und der Brennstoffzelleneinheit 12a zur Verfügung. Die Oxidationseinheit 20a ermöglicht, insbesondere während des Startvorgangs der Brennstoffzellenvorrichtung 10a, eine Gewinnung von Wasserstoff unter Verwendung von Luftsauerstoff aus der Umgebungsluft. Der so gewonnene Wasserstoff wird zu einem Anlaufbetrieb der Brennstoffzelleneinheit 12a verwendet.
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Um der Entschwefelungseinheit 18a den für eine Entschwefelung des Erdgases benötigten Wasserstoff und der Reformereinheit 22a das für eine Dampfreformierung benötigte Wasser, insbesondere in Form von Wasserdampf, zuzuführen, umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 10a eine Rezirkulationseinheit 16a. Die Rezirkulationseinheit 16a umfasst einen Verdichter 48a und eine Fluidleitung 64a, über welche ein Teil eines Anodenabgases der Brennstoffzelleneinheit 12a zu der Mischeinheit 26a des Anodengasprozessors 14a geleitet und dort mit frisch zugeführtem Erdgas vermischt wird. Das Anodenabgas der Brennstoffzelleneinheit 12a enthält sowohl nicht in der Brennstoffzelleneinheit 12a umgesetztes Brenngas, insbesondere Wasserstoff, als auch durch eine Reaktion an der Anode 40a der Brennstoffzelleneinheit 12a entstehendes, insbesondere dampfförmiges, Wasser. In einem stabilen Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 10a erfolgt eine Gewinnung von Wasserstoff hauptsächlich innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 12a durch Katalyse des in der Reformereinheit 22a erzeugten Reformats.
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Ferner zeigt 1 eine der Brennstoffzelleneinheit 12a nachgeschaltete Brennereinheit 36a. Der Brennereinheit 36a wird ein Teil des Anodenabgases der Brennstoffzelleneinheit 12a zugeführt. Die Brennereinheit 36a dient dazu, in dem Anodenabgas der Brennstoffzelleneinheit 12a verbliebene brennbare Stoffe zu verbrennen. Über einen Wärmeübertrager 38a kann eine dabei erzeugte thermische Energie nutzbar gemacht werden. Ein für einen Betrieb der Brennereinheit 36a benötigter Sauerstoff wird der Brennereinheit 36a in Form eines Kathodenabgases zugeführt. Ferner weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10a einen Wechselrichter 34a auf, welcher eine durch die Brennstoffzelleneinheit 12a erzeugte Gleichspannung in eine Wechselspannung überführt.
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In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel 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 dem Ausführungsbeispiel der 2 ist der Buchstabe a durch den Buchstaben b ersetzt.
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2 zeigt eine alternative Ausgestaltung einer Brennstoffzellenvorrichtung 10b. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10b umfasst einen Anodengasprozessor 14b, welcher eine Entschwefelungseinheit 18b, eine Reformereinheit 22b und eine Oxidationseinheit 20b aufweist. Die Oxidationseinheit 20b ist parallel zu der Entschwefelungseinheit 18b und der Reformereinheit 22b geschaltet, welche strömungstechnisch seriell miteinander verschaltet sind. Die Oxidationseinheit 20b wird lediglich während eines Startvorgangs der Brennstoffzellenvorrichtung 10b betrieben. Während des Startvorgangs der Brennstoffzellenvorrichtung 10b wird der Oxidationseinheit 20b über eine Erdgas- und Umgebungsluftdosiereinheit 68b ein Erdgas-Umgebungsluftgemisch zugeführt. Mittels einer partiellen Oxidation wird das Erdgas-Umgebungsluftgemisch zumindest teilweise in Wasserstoff überführt. Der so gewonnene Wasserstoff wird zu einem Anlaufbetrieb der Brennstoffzelleneinheit 12b verwendet. In einem stabilen Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 10b erfolgt eine Gewinnung von Wasserstoff hauptsächlich innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 12b durch Katalyse eines in der Reformereinheit 22b erzeugte Reformats.
