DE102015222960A1

DE102015222960A1 - fuel cell device

Info

Publication number: DE102015222960A1
Application number: DE102015222960.2A
Authority: DE
Inventors: Norbert Domaschke; Friedrich Kneule; Timo Bosch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-11-20
Filing date: 2015-11-20
Publication date: 2017-05-24

Abstract

Es wird eine Brennstoffzellenvorrichtung vorgeschlagen mit zumindest einer ersten Funktionseinheit (12a; 12b), welche eine deutlich geringere Lebensdauer als eine Brennstoffzelleneinheit (14a; 14b) aufweist und dazu vorgesehen ist, in zumindest einem Betriebszustand von einem Gasstrom durchflossen zu werden, mit zumindest einer zweiten Funktionseinheit (16a; 16b), welche zumindest im Wesentlichen funktionsgleich zu der ersten Funktionseinheit (12a; 12b) ausgebildet ist, und mit einer Umschalteinheit (18a; 18b), welche bei Erreichen eines Lebensdauerendes der ersten Funktionseinheit (12a; 12b) zu einer Umlenkung des Gasstroms durch die zweite Funktionseinheit (16a; 16b) hindurch vorgesehen ist.A fuel cell device is proposed with at least one first functional unit (12a, 12b) which has a significantly shorter service life than a fuel cell unit (14a, 14b) and is intended to be flowed through by a gas flow in at least one operating state, with at least one second Functional unit (16a, 16b), which is at least substantially functionally identical to the first functional unit (12a, 12b), and with a switching unit (18a, 18b), which upon reaching a lifetime end of the first functional unit (12a, 12b) to a deflection the gas flow through the second functional unit (16a, 16b) is provided.

Description

Stand der TechnikState of the art

Es ist bereits eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Funktionseinheit, insbesondere einer Reformereinheit oder einer Entschwefelungseinheit, welche eine deutlich geringere Lebensdauer als eine Brennstoffzelle aufweist und dazu vorgesehen ist, in zumindest einem Betriebszustand von einem Gasstrom, insbesondere von einem Erdgasstrom, durchflossen zu werden, vorgeschlagen worden. Aufgrund der geringeren Lebensdauer der Funktionseinheit gegenüber einer Brennstoffzelleneinheit, ist während der Lebensdauer der Brennstoffzelleneinheit ein Austausch der Funktionseinheit notwendig.It is already a fuel cell device with a functional unit, in particular a reformer unit or a desulfurization unit, which has a significantly lower life than a fuel cell and is intended to be traversed in at least one operating condition of a gas stream, in particular from a natural gas stream. Due to the shorter life of the functional unit compared to a fuel cell unit, an exchange of the functional unit is necessary during the lifetime of the fuel cell unit.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es wird eine Brennstoffzellenvorrichtung mit zumindest einer ersten Funktionseinheit, welche eine deutlich geringere Lebensdauer als eine Brennstoffzelleneinheit aufweist und dazu vorgesehen ist, in zumindest einem Betriebszustand von einem Gasstrom durchflossen zu werden, mit zumindest einer zweiten Funktionseinheit, welche zumindest im Wesentlichen funktionsgleich zu der ersten Funktionseinheit ausgebildet ist, und mit einer Umschalteinheit, welche bei Erreichen eines Lebensdauerendes der ersten Funktionseinheit zu einer Umlenkung des Gasstroms durch die zweite Funktionseinheit hindurch vorgesehen ist, vorgeschlagen.It is a fuel cell device having at least a first functional unit, which has a significantly lower life than a fuel cell unit and is intended to be traversed in at least one operating condition of a gas stream, with at least one second functional unit, which at least substantially functionally identical to the first functional unit is formed, and with a switching unit, which is provided upon reaching a lifetime end of the first functional unit to a deflection of the gas flow through the second functional unit, proposed.

Unter einer „Brennstoffzellenvorrichtung“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein, insbesondere funktionstüchtiger, Bestandteil, insbesondere eine Konstruktions- und/oder Funktionskomponente, eines Brennstoffzellensystems verstanden werden. Unter einem „Brennstoffzellensystem“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein System zu einer stationären und/oder mobilen Gewinnung, insbesondere elektrischer und/oder thermischer, Energie unter Verwendung zumindest einer Brennstoffzelleneinheit verstanden werden. Unter einer „Brennstoffzelleneinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit mit zumindest einer Brennstoffzelle verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, zumindest eine chemische Energie 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 kann insbesondere als Festoxid-Brennstoffzelle 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.In this context, a "fuel cell device" is to be understood as meaning in particular a constituent, in particular a functional component, in particular a design and / or functional component of a fuel cell system. In this context, a "fuel cell system" is to be understood as meaning, in particular, a system for stationary and / or mobile extraction, in particular electrical and / or thermal, energy using at least one fuel cell unit. A "fuel cell unit" in this context is to be understood in particular as a unit having at least one fuel cell which is provided with at least one chemical energy of at least one, in particular continuously supplied, fuel gas, in particular hydrogen and / or carbon monoxide, and at least one oxidant, in particular To convert oxygen, especially into electrical energy. The at least one fuel cell may be formed in particular as a solid oxide fuel cell. 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.

Unter einer „Funktionseinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche insbesondere dazu vorgesehen ist, zumindest einen Beitrag zu einer Aufbereitung, Vorbereitung, Erfassung, Messung und/oder Analyse eines die Funktionseinheit durchfließenden Gasstroms zu leisten. Insbesondere ist der Gasstrom zumindest im Wesentlichen von einem gasförmigen kohlenwasserstoffhaltigen Energieträger, beispielsweise von einem Erdgas, gebildet. Unter der Wendung „zumindest im Wesentlichen funktionsgleich“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass die erste Funktionseinheit und die zweite Funktionseinheit dazu vorgesehen sind, bei einer Aufbereitung, Vorbereitung, Erfassung, Messung und/oder Analyse eines die jeweilige Funktionseinheit durchfließenden Gasstroms einen qualitativ und/oder quantitativ zumindest weitgehend identischen Beitrag zu leisten. Insbesondere können sich die erste Funktionseinheit und die zweite Funktionseinheit hinsichtlich eines generellen Aufbaus, ihrer Abmessungen und/oder hinsichtlich ihrer Einzelkomponenten voneinander unterscheiden.In this context, a "functional unit" should be understood as meaning, in particular, a unit which is provided, in particular, for making at least a contribution to processing, preparation, detection, measurement and / or analysis of a gas flow flowing through the functional unit. In particular, the gas stream is at least essentially formed by a gaseous hydrocarbon-containing energy carrier, for example by a natural gas. The term "at least substantially functionally identical" should in this context be understood in particular to mean that the first functional unit and the second functional unit are provided with a qualitative standard in a preparation, preparation, acquisition, measurement and / or analysis of a gas flow flowing through the respective functional unit and / or quantitatively at least largely identical contribution. In particular, the first functional unit and the second functional unit may differ from one another with respect to a general structure, their dimensions and / or with regard to their individual components.

Darunter, dass die erste Funktionseinheit eine „deutlich geringere Lebensdauer“ als eine Brennstoffzelleneinheit aufweist, soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass eine Lebensdauer einer dem Fachmann bekannten Brennstoffzelleneinheit, insbesondere einer Brennstoffzelleneinheit zu einer Verwendung in der Gebäudetechnik, zumindest doppelt so lang ist wie die Lebensdauer der ersten Funktionseinheit. Die zweite Funktionseinheit weist insbesondere eine zu der Lebensdauer der ersten Funktionseinheit zumindest weitgehend identische Lebensdauer auf.In this context, the fact that the first functional unit has a "significantly shorter service life" than a fuel cell unit should be understood in particular to mean that a service life of a fuel cell unit known to the person skilled in the art, in particular a fuel cell unit for use in building technology, is at least twice as long the life of the first functional unit. The second functional unit has, in particular, a service life that is at least largely identical to the service life of the first functional unit.

Unter einer „Umschalteinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere der ersten Funktionseinheit und der zweiten Funktionseinheit strömungstechnisch vorgeschaltete Einheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, in zumindest einem Betriebszustand von dem Gasstrom durchflossen zu werden und den Gasstrom zumindest teilweise oder vollständig der ersten Funktionseinheit und/oder der zweiten Funktionseinheit zuzuleiten. Insbesondere ist die Umschalteinheit dazu vorgesehen, zu einer Umlenkung des Gasstroms bei Erreichen eines Lebensdauerendes der ersten Funktionseinheit oder zu einem festgelegten Zeitpunkt vor einem Lebensdauerendes der ersten Funktionseinheit manuell betätigt zu werden. Alternativ ist es ebenso denkbar, dass die Umschalteinheit dazu vorgesehen ist, bei Erreichen eines Lebensdauerendes der ersten Funktionseinheit oder zu einem festgelegten Zeitpunkt vor einem Lebensdauerendes der ersten Funktionseinheit eine Umlenkung des Gasstroms automatisch herbeizuführen. Insbesondere kann bei einer automatisch herbeigeführten Umlenkung des Gasstroms eine Restlebensdauer der ersten Funktionseinheit beispielsweise mittels eines Betriebsstundenzählers und/oder mittels eines Betriebsparameters der ersten Funktionseinheit automatisch durch die Umschalteinheit ermittelt werden. Insbesondere kann die Umschalteinheit zumindest ein mechanisches, elektromechanisches und/oder elektromagnetisches Umschaltventil umfassen.In this context, a "switching unit" should be understood as meaning, in particular, the first functional unit and the second functional unit upstream of the gas flow and at least partially or completely flowing through the gas flow in at least one operating state and / or or the second functional unit. In particular, the switching unit is provided to a deflection of the gas stream upon reaching a lifetime end of the first Function unit or to be manually operated at a predetermined time before a life end of the first functional unit. Alternatively, it is also conceivable that the switching unit is provided to bring about a reversal of the gas flow automatically on reaching a lifetime end of the first functional unit or at a fixed time before a life end of the first functional unit. In particular, in the case of an automatically induced diversion of the gas flow, a remaining service life of the first functional unit can be determined automatically by the switching unit, for example by means of an operating hours counter and / or by means of an operating parameter of the first functional unit. In particular, the switching unit may comprise at least one mechanical, electromechanical and / or electromagnetic switching valve.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine gattungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung mit vorteilhaften Betriebseigenschaften bereitgestellt werden. Insbesondere kann ein Austausch einer Funktionseinheit zum Ende einer Lebensdauer der Funktionseinheit vorteilhaft entfallen, wodurch eine vorteilhaft lange Standzeit der Brennstoffzellenvorrichtung ermöglicht werden kann. Ferner können ein Wartungsaufwand, eine Wartungsdauer und/oder Wartungskosten vorteilhaft reduziert werden. Des Weiteren kann durch die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung eine vorteilhaft kompakte Bauweise eines Brennstoffzellensystems erreicht werden, da ein räumlicher Zugang zu den Funktionseinheiten konstruktiv gering gehalten werden kann.The embodiment according to the invention makes it possible to provide a generic fuel cell device with advantageous operating characteristics. In particular, an exchange of a functional unit at the end of a service life of the functional unit can advantageously be dispensed with, as a result of which an advantageously long service life of the fuel cell device can be made possible. Furthermore, a maintenance effort, a maintenance period and / or maintenance costs can be advantageously reduced. Furthermore, an advantageously compact design of a fuel cell system can be achieved by the fuel cell device according to the invention, since a spatial access to the functional units can be kept structurally low.

Ferner wird vorgeschlagen, dass die Umschalteinheit, in einem ersten Betriebszustand dazu vorgesehen ist, den Gasstrom lediglich der ersten Funktionseinheit zuzuführen und in einem zweiten Betriebszustand dazu vorgesehen ist, den Gasstrom zumindest der zweiten Funktionseinheit zuzuführen. Insbesondere ist die Umschalteinheit dazu vorgesehen, innerhalb der Lebendauer der ersten Funktionseinheit den Gasstrom lediglich der ersten Funktionseinheit zuzuführen. Insbesondere ist die Umschalteinheit in dem ersten Betriebszustand dazu vorgesehen, einen Durchfluss des Gasstroms durch die zweite Funktionseinheit zumindest weitgehend und vorzugsweise vollständig zu verhindern. In dem zweiten, umgeschalteten Betriebszustand, nach Ablauf einer Lebensdauer der ersten Funktionseinheit, ist die Umschalteinheit insbesondere dazu vorgesehen, den Gasstrom zumindest der zweiten Funktionseinheit zuzuführen. Insbesondere kann die Umschalteinheit derart angeordnet und/oder ausgebildet sein, dass der Gasstrom in dem zweiten Betriebszustand der Umschalteinheit sowohl die erste Funktionseinheit als auch die zweite Funktionseinheit durchfließt. Hierdurch können während des ersten Betriebszustands funktionsbeeinträchtigende Einflüsse auf die zweite Funktionseinheit zumindest weitgehend vermieden werden. Ferner kann nach Ende einer Lebensdauer der ersten Funktionseinheit ein vorteilhaftes Umschalten auf die zweite Funktionseinheit erfolgen.Furthermore, it is proposed that the switching unit, in a first operating state, be provided for supplying the gas flow only to the first functional unit and, in a second operating state, to supply the gas flow to at least the second functional unit. In particular, the switching unit is provided to supply the gas flow only to the first functional unit within the life of the first functional unit. In particular, the switching unit is provided in the first operating state to at least largely and preferably completely prevent a flow of the gas flow through the second functional unit. In the second, switched-over operating state, after a lifetime of the first functional unit has expired, the switching unit is provided, in particular, for supplying the gas flow to at least the second functional unit. In particular, the switching unit can be arranged and / or designed such that the gas flow flows through both the first functional unit and the second functional unit in the second operating state of the switching unit. This can be at least largely avoided during the first operating condition dysfunctional influences on the second functional unit. Furthermore, after the end of a service life of the first functional unit, an advantageous switching to the second functional unit can take place.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die erste Funktionseinheit und die zweite Funktionseinheit als zumindest im Wesentlichen funktionsgleiche Reaktoreinheiten ausgebildet sind. Unter einer „Reaktoreinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine chemisch-technische Einheit verstanden werden, welche zu einer Aufbereitung, Reinigung und/oder zumindest teilweisen Umwandlung des Gasstroms vorgesehen ist. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die erste Funktionseinheit und die zweite Funktionseinheit als Reformereinheiten ausgebildet sind. Unter einer „Reformereinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine chemisch-technische Einheit verstanden werden, welche zu zumindest einer, insbesondere teilweisen oder vollständigen, Aufbereitung des Gasstroms, insbesondere durch eine Dampfreformierung und/oder durch eine partielle Oxidation und/oder durch eine autotherme Reformierung, insbesondere zur Gewinnung zumindest eines Brenngases, insbesondere Wasserstoff und/oder Kohlenstoffmonoxid, vorgesehen ist. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die erste Funktionseinheit und die zweite Funktionseinheit als Entschwefelungseinheiten ausgebildet sind. 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 Gasstrom insbesondere unter einen festgelegten Grenzwert zu senken und vorzugsweise zumindest im Wesentlichen aus dem Gasstrom zu entfernen. Insbesondere können die Funktionseinheiten als eine Hydrodesulfierungseinheiten ausgebildet sein. Unter einer „Hydrodesulfierungseinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Entschwefelungseinheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, den Gasstrom unter Zugabe von Wasserstoff unter einen vorbestimmten Grenzwert und vorzugsweise zumindest weitgehend zu entschwefeln. Insbesondere reagieren dabei in einem ersten Prozessschritt Schwefelkomponenten des Gasstroms 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 über einen vorteilhaft langen Zeitraum eine vorteilhaft zuverlässige Aufbereitung des Gasstroms erfolgen.Furthermore, it is proposed that the first functional unit and the second functional unit are designed as at least substantially functionally identical reactor units. In this context, a "reactor unit" is to be understood as meaning, in particular, a chemical-technical unit which is intended for treatment, purification and / or at least partial conversion of the gas stream. In a preferred embodiment of the invention it is proposed that the first functional unit and the second functional unit are designed as reformer units. In this context, a "reformer unit" is to be understood as meaning in particular a chemical-technical unit which is used for at least one, in particular partial or complete, treatment of the gas stream, in particular by steam reforming and / or partial oxidation and / or autothermal reforming , in particular for obtaining at least one fuel gas, in particular hydrogen and / or carbon monoxide, is provided. In a further preferred embodiment of the invention, it is proposed that the first functional unit and the second functional unit are designed as desulfurization units. In this context, a "desulfurization unit" is to be understood as meaning in particular a unit which is provided, preferably by at least one physical and / or chemical adsorption method and / or absorption method, a volume and / or molar proportion of sulfur compounds in the gas stream, in particular one to reduce set limit and preferably at least substantially remove it from the gas stream. In particular, the functional units may be designed as a hydrodesulfating units. In this context, a "hydrodesulfurization unit" is to be understood as meaning, in particular, a desulfurization unit which is intended to desulfurize the gas stream while adding hydrogen below a predetermined limit value and preferably at least substantially. In particular, in a first process step, sulfur components of the gas stream react with the hydrogen to form hydrogen sulphide and 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. This can be done over a beneficial long period of an advantageous reliable treatment of the gas flow.

Ferner wird vorgeschlagen, dass die erste Funktionseinheit und die zweite Funktionseinheit strömungstechnisch seriell angeordnet sind. Unter der Wendung „strömungstechnisch seriell angeordnet“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass die Brennstoffzellenvorrichtung in zumindest einem Betriebszustand, insbesondere nach Umlenkung des Gasstroms durch die Umschalteinheit, zumindest einen Strömungspfad aufweist, entlang dessen der Gasstrom sowohl die erste Funktionseinheit als auch die zweite Funktionseinheit durchfließt. Hierdurch kann auch nach einer Umlenkung des Gasstroms vorteilhaft eine Restfunktionalität der ersten Funktionseinheit genutzt werden.It is also proposed that the first functional unit and the second functional unit are arranged fluidically in series. In this context, the term "flow-wise serially arranged" should be understood in particular to mean that the Fuel cell device in at least one operating state, in particular after deflection of the gas flow through the switching unit, at least one flow path along which the gas flow flows through both the first functional unit and the second functional unit. As a result, a residual functionality of the first functional unit can advantageously also be used after a deflection of the gas flow.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die erste Funktionseinheit und die zweite Funktionseinheit strömungstechnisch parallel angeordnet sind. Unter der Wendung „strömungstechnisch parallel angeordnet“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest zwei voneinander getrennte Strömungspfade umfasst, entlang derer der Gasstrom insbesondere in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Umschalteinheit, die erste Funktionseinheit oder die zweite Funktionseinheit durchfließt. Hierdurch kann vorteilhaft ein nahezu gleichbleibender Druckverlust über die Brennstoffzellenvorrichtung erreicht werden.In a further embodiment of the invention, it is proposed that the first functional unit and the second functional unit are arranged fluidically in parallel. In this context, the phrase "fluidically arranged in parallel" should be understood to mean that the fuel cell device comprises at least two separate flow paths along which the gas flow flows, in particular as a function of an operating state of the switching unit, the first functional unit or the second functional unit. As a result, an almost constant pressure loss over the fuel cell device can advantageously be achieved.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Umschalteinheit zumindest ein Umschaltelement aufweist, welches zur Herstellung einer irreversiblen Umlenkung des Gasstroms vorgesehen ist. Hierdurch kann vorteilhaft insbesondere ein versehentliches und/oder fälschliches Umlenken des Gasstroms auf eine bereits verbrauchte Funktionseinheit vermieden werden. Furthermore, it is proposed that the switching unit has at least one switching element which is provided for producing an irreversible deflection of the gas stream. As a result, in particular, an inadvertent and / or incorrect deflection of the gas flow to an already used functional unit can advantageously be avoided.

Zudem wird ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Brennstoffzelleneinheit und zumindest einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung vorgeschlagen. Durch die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung kann eine vorteilhaft kompakte Bauweise des Brennstoffzellensystems erreicht werden, da ein räumlicher Zugang zu den Funktionseinheiten der Brennstoffzellenvorrichtung konstruktiv gering gehalten werden kann.In addition, a fuel cell system with at least one fuel cell unit and at least one fuel cell device according to the invention is proposed. By virtue of the fuel cell device according to the invention, an advantageously compact construction of the fuel cell system can be achieved, since a spatial access to the functional units of the fuel cell device can be kept structurally low.

Des Weiteren wird ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellenvorrichtung mit zumindest einer ersten Funktionseinheit, welche dazu vorgesehen ist, in zumindest einem Betriebszustand von einem Gasstrom durchflossen zu werden, und mit zumindest einer zweiten Funktionseinheit, welche zumindest im Wesentlichen funktionsgleich zu der ersten Funktionseinheit ausgebildet ist, wobei der Gasstrom bei Erreichen eines Lebensdauerendes der ersten Funktionseinheit zu der zweiten Funktionseinheit umgelenkt wird, vorgeschlagen. Hierdurch kann insbesondere ein Austausch einer Funktionseinheit zum Ende einer Lebensdauer der Funktionseinheit vorteilhaft entfallen, wodurch eine vorteilhaft lange Standzeit der Brennstoffzellenvorrichtung ermöglicht werden kann. Ferner können ein Wartungsaufwand, eine Wartungsdauer und/oder Wartungskosten vorteilhaft reduziert werden. Furthermore, a method for operating a fuel cell device having at least one first functional unit, which is intended to be traversed by a gas stream in at least one operating state, and at least one second functional unit, which is at least substantially functionally identical to the first functional unit, wherein the gas flow is deflected upon reaching a lifetime end of the first functional unit to the second functional unit proposed. As a result, in particular replacement of a functional unit at the end of a service life of the functional unit can advantageously be dispensed with, as a result of which an advantageously long service life of the fuel cell apparatus can be made possible. Furthermore, a maintenance effort, a maintenance period and / or maintenance costs can be advantageously reduced.

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.The 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 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.Further advantages emerge from the following description of the drawing. In the drawing, two embodiments of the invention are shown. The drawing, 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 Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzellenvorrichtung, welche zwei seriell angeordnete Funktionseinheiten aufweist, 1 1 is a schematic representation of a fuel cell system with a fuel cell device, which has two serially arranged functional units,

2 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einer alternativen Brennstoffzellenvorrichtung, welche zwei parallel angeordnete Funktionseinheiten aufweist, 2 1 is a schematic representation of a fuel cell system with an alternative fuel cell device, which has two functional units arranged in parallel,

3 eine beispielhafte Umschalteinheit für eine Brennstoffzellenvorrichtungen gemäß 1 oder 2 in einer Ausgangsstellung, 3 an exemplary switching unit for a fuel cell devices according to 1 or 2 in a starting position,

4 die Umschalteinheit aus 3 in einer Endstellung, 4 the switching unit off 3 in an end position,

5 eine alternative beispielhafte Umschalteinheit für eine Brennstoffzellenvorrichtungen gemäß 1 oder 2 in einer Ausgangsstellung und 5 an alternative exemplary switching unit for a fuel cell devices according to 1 or 2 in a starting position and

6 die alternative Umschalteinheit aus 5 in einer Endstellung. 6 the alternative switching unit 5 in an end position.

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 22a mit einer Brennstoffzelleneinheit 14a und einer Brennstoffzellenvorrichtung 10a. Die Brennstoffzelleneinheit 14a kann insbesondere eine Mehrzahl von hier nicht dargestellten Festoxid-Brennstoffzellen umfassen. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10a weist eine ersten Funktionseinheit 12a auf, welche eine deutlich geringere Lebensdauer als die Brennstoffzelleneinheit 14a aufweist. Die erste Funktionseinheit 12a ist dazu vorgesehen, in zumindest einem Betriebszustand von einem Gasstrom, insbesondere einem Erdgasstrom, durchflossen zu werden. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10a weist des Weiteren eine zweite Funktionseinheit 16a auf, welche funktionsgleich zu der ersten Funktionseinheit 12a ausgebildet ist. Ferner weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10a eine Umschalteinheit 18a auf, welche bei Erreichen eines Lebensdauerendes der ersten Funktionseinheit 12a zu einer Umlenkung des Gasstroms durch die zweite Funktionseinheit 16a hindurch vorgesehen ist. 1 shows a schematic representation of a fuel cell system 22a with a fuel cell unit 14a and a fuel cell device 10a , The fuel cell unit 14a may in particular comprise a plurality of solid oxide fuel cells, not shown here. The fuel cell device 10a has a first functional unit 12a on which a much lower Life as the fuel cell unit 14a having. The first functional unit 12a is intended to be traversed in at least one operating state of a gas stream, in particular a natural gas stream. The fuel cell device 10a also has a second functional unit 16a on, which are functionally identical to the first functional unit 12a is trained. Furthermore, the fuel cell device 10a a switching unit 18a which, upon reaching a lifetime end of the first functional unit 12a to a deflection of the gas flow through the second functional unit 16a is provided through.

Die Umschalteinheit 18a ist in einem ersten Betriebszustand dazu vorgesehen, den Gasstrom lediglich der ersten Funktionseinheit 12a zuzuführen und ist in einem zweiten Betriebszustand dazu vorgesehen, den Gasstrom zumindest der zweiten Funktionseinheit 16a zuzuführen. Die erste Funktionseinheit 12a und die zweite Funktionseinheit 16a sind als funktionsgleiche Reaktoreinheiten ausgebildet. Vorzugsweise sind die erste Funktionseinheit 12a und die zweite Funktionseinheit 16a als Reformereinheiten oder als Entschwefelungseinheiten ausgebildet. Die erste Funktionseinheit 12a und die zweite Funktionseinheit 16a sind strömungstechnisch seriell angeordnet.The switching unit 18a is provided in a first operating state, the gas flow only the first functional unit 12a supply and is provided in a second operating state, the gas flow at least the second functional unit 16a supply. The first functional unit 12a and the second functional unit 16a are designed as functionally identical reactor units. Preferably, the first functional unit 12a and the second functional unit 16a designed as reformer units or desulfurization units. The first functional unit 12a and the second functional unit 16a are fluidically arranged serially.

In einem ersten Betriebszustand wird lediglich die erste Funktionseinheit 12a von dem Gasstrom durchflossen. Ein Einströmen des Gasstroms in die zweite Funktionseinheit 16a wird durch die Umschalteinheit 18a verhindert. Der Gasstrom wird über einen parallel zu der zweiten Funktionseinheit 16a verlaufenden Strömungspfad 24a an der zweiten Funktionseinheit 16a vorbeigeleitet. Bei Erreichen des Lebensdauerendes der ersten Funktionseinheit 12a wird der parallel zu der zweiten Funktionseinheit 16a verlaufende Strömungspfad 24a durch die Umschalteinheit 18a verschlossen und ein Einströmen des Gasstroms in die zweite Funktionseinheit 16a ermöglicht. In diesem Betriebszustand werden sowohl die erste Funktionseinheit 12a als auch die zweite Funktionseinheit 16a von dem Gasstrom durchflossen. In a first operating state, only the first functional unit becomes 12a flowed through by the gas stream. An inflow of the gas stream into the second functional unit 16a is through the switching unit 18a prevented. The gas flow is via a parallel to the second functional unit 16a running flow path 24a at the second functional unit 16a bypasses. Upon reaching the end of life of the first functional unit 12a becomes parallel to the second functional unit 16a running flow path 24a through the switching unit 18a closed and an influx of the gas stream in the second functional unit 16a allows. In this operating state, both the first functional unit 12a as well as the second functional unit 16a flowed through by the gas stream.

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 verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in 1 nachgestellt. In dem Ausführungsbeispiel der 2 ist der Buchstabe a durch den Buchstaben b ersetzt.In 2 a further embodiment of the invention is shown. The following descriptions and the drawings are essentially limited to the differences between the exemplary embodiments, with reference in principle also being made to the drawings and / or the description of the other exemplary embodiment with respect to identically named components, in particular with regard to components having the same reference numbers. To distinguish the embodiments, the letter a is the reference numerals of the embodiment in 1 readjusted. In the embodiment of 2 the letter a is replaced by the letter b.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 22b mit einer Brennstoffzelleneinheit 14b und einer alternativen Brennstoffzellenvorrichtung 10b. Die Brennstoffzelleneinheit 14b kann insbesondere eine Mehrzahl von hier nicht dargestellten Festoxid-Brennstoffzellen umfassen. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10b weist eine erste Funktionseinheit 12b auf, welche eine deutlich geringere Lebensdauer als die Brennstoffzelleneinheit 14b aufweist. Die erste Funktionseinheit 12b ist dazu vorgesehen, in zumindest einem Betriebszustand von einem Gasstrom, insbesondere einem Erdgasstrom, durchflossen zu werden. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10b weist des Weiteren eine zweiten Funktionseinheit 16b auf, welche funktionsgleich zu der ersten Funktionseinheit 12b ausgebildet ist. Ferner weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10b eine Umschalteinheit 18b auf, welche bei Erreichen eines Lebensdauerendes der ersten Funktionseinheit 12b zu einer Umlenkung des Gasstroms durch die zweite Funktionseinheit 16b hindurch vorgesehen ist. 2 shows a schematic representation of a fuel cell system 22b with a fuel cell unit 14b and an alternative fuel cell device 10b , The fuel cell unit 14b may in particular comprise a plurality of solid oxide fuel cells, not shown here. The fuel cell device 10b has a first functional unit 12b on, which has a significantly lower life than the fuel cell unit 14b having. The first functional unit 12b is intended to be traversed in at least one operating state of a gas stream, in particular a natural gas stream. The fuel cell device 10b also has a second functional unit 16b on, which are functionally identical to the first functional unit 12b is trained. Furthermore, the fuel cell device 10b a switching unit 18b which, upon reaching a lifetime end of the first functional unit 12b to a deflection of the gas flow through the second functional unit 16b is provided through.

Die Umschalteinheit 18b ist in einem ersten Betriebszustand dazu vorgesehen, den Gasstrom lediglich der ersten Funktionseinheit 12b zuzuführen und ist in einem zweiten Betriebszustand dazu vorgesehen, den Gasstrom lediglich der zweiten Funktionseinheit 16b zuzuführen. Die erste Funktionseinheit 12b und die zweite Funktionseinheit 16b sind als funktionsgleiche Reaktoreinheiten ausgebildet. Vorzugsweise sind die erste Funktionseinheit 12b und die zweite Funktionseinheit 16b als Reformereinheiten oder als Entschwefelungseinheiten ausgebildet. Die erste Funktionseinheit 12b und die zweite Funktionseinheit 16b sind strömungstechnisch parallel angeordnet.The switching unit 18b is provided in a first operating state, the gas flow only the first functional unit 12b supply and is provided in a second operating state, the gas flow only the second functional unit 16b supply. The first functional unit 12b and the second functional unit 16b are designed as functionally identical reactor units. Preferably, the first functional unit 12b and the second functional unit 16b designed as reformer units or desulfurization units. The first functional unit 12b and the second functional unit 16b are fluidically arranged in parallel.

In einem ersten Betriebszustand wird lediglich die erste Funktionseinheit 12b von dem Gasstrom durchflossen. Ein Einströmen des Gasstroms in die strömungstechnisch parallel zu der ersten Funktionseinheit 12b angeordneten zweite Funktionseinheit 16b wird durch die Umschalteinheit 18b verhindert. Bei Erreichen des Lebensdauerendes der ersten Funktionseinheit 12b wird ein Einströmen des Gasstroms in die zweite Funktionseinheit 16b ermöglicht und ein Einströmen des Gasstroms in die erste Funktionseinheit 12b unterbunden. In diesem Betriebszustand wird lediglich die zweite Funktionseinheit 16b von dem Gasstrom durchflossen.In a first operating state, only the first functional unit becomes 12b flowed through by the gas stream. An inflow of the gas stream in the fluidic parallel to the first functional unit 12b arranged second functional unit 16b is through the switching unit 18b prevented. Upon reaching the end of life of the first functional unit 12b becomes an inflow of the gas stream into the second functional unit 16b allows and an inflow of the gas flow in the first functional unit 12b prevented. In this operating state, only the second functional unit 16b flowed through by the gas stream.

3 und 4 zeigen eine beispielhafte Ausgestaltung einer Umschalteinheit 18a, 18b. Die Umschalteinheit 18a, 18b ist zu einer manuellen Betätigung vorgesehen. Die Umschalteinheit 18a, 18b umfasst eine Ventilbasis 26a, 26b mit einem Gewinde 28a, 28b, einen Ventilriegel 30a, 30b mit Bolzen 32a, 32b, eine längenflexible Rohreinheit 34a, 34b sowie eine Verstelleinheit 36a, 36b mit Gewinde 38a, 38b. Die längenflexible Rohreinheit 34a, 34b ist gasdicht an der Ventilbasis 26a, 26b befestigt. In der in 3 gezeigten Ausgangsstellung des Ventilriegels 30a, 30b ist ein erster Strömungspfad 40a, 40b zur erster Funktionseinheit 12a, 12b hin geöffnet. Bei Erreichen des Lebensdauerendes der ersten Funktionseinheit 12a, 12b wird durch Anziehen der Verstelleinheit 36a, 36b der Ventilriegel 30a, 30b soweit verschoben, dass der erste Strömungspfad 40a, 40b geschlossen und ein zweiter Strömungspfad 42a, 42b zur zweiten Funktionseinheit 16a, 16b geöffnet wird (vgl. 4). 3 and 4 show an exemplary embodiment of a switching unit 18a . 18b , The switching unit 18a . 18b is intended for manual operation. The switching unit 18a . 18b includes a valve base 26a . 26b with a thread 28a . 28b , a valve latch 30a . 30b with bolts 32a . 32b , a length-flexible pipe unit 34a . 34b as well as an adjustment unit 36a . 36b with thread 38a . 38b , The flexible pipe unit 34a . 34b is gas-tight at the valve base 26a . 26b attached. In the in 3 shown starting position of the valve bolt 30a . 30b is a first flow path 40a . 40b to the first functional unit 12a . 12b opened. Upon reaching the end of life of the first functional unit 12a . 12b is by tightening the adjustment 36a . 36b the valve latch 30a . 30b so far postponed that the first flow path 40a . 40b closed and a second flow path 42a . 42b to the second functional unit 16a . 16b is opened (cf. 4 ).

5 und 6 zeigen eine beispielhafte Ausgestaltung einer alternativen Umschalteinheit 18a, 18b. Die alternative Umschalteinheit 18a, 18b ist zu einer manuellen Betätigung vorgesehen. Die alternative Umschalteinheit 18a, 18b umfasst eine Ventilbasis 26a, 26b mit einem Gewinde 28a, 28b, eine längenflexible Rohreinheit 34a, 34b sowie eine Verstelleinheit 36a, 36b mit Gewinde 38a, 38b. Die längenflexible Rohreinheit 34a, 34b ist gasdicht an der Ventilbasis 26a, 26b befestigt. Ferner weist die alternative Umschalteinheit 18a; 18b ein Umschaltelement 20a; 20b auf, welches zur Herstellung einer irreversiblen Umlenkung des Gasstroms vorgesehen ist. Insbesondere ist die alternative Umschalteinheit 18a, 18b zu einem irreversiblen Öffnen eines Strömungspfads 44a, 44b der zweiten Funktionseinheit 16a, 16b vorgesehen. In der in 5 gezeigten Ausgangsstellung des Umschaltelements 20a, 20b ist der Strömungspfad 44a, 44b zur durch eine Membran 46a, 46b verschlossen. Bei Erreichen des Lebensdauerendes der ersten Funktionseinheit 12a, 12b wird durch Anziehen der Verstelleinheit 36a, 36b das Umschaltelement 20a, 20b soweit verschoben, dass die Membran 46a, 46b durchstoßen und der Strömungspfad 44a, 44b zur zweiten Funktionseinheit 16a, 16b geöffnet wird (vgl. 6). 5 and 6 show an exemplary embodiment of an alternative switching unit 18a . 18b , The alternative switching unit 18a . 18b is intended for manual operation. The alternative switching unit 18a . 18b includes a valve base 26a . 26b with a thread 28a . 28b , a length-flexible pipe unit 34a . 34b as well as an adjustment unit 36a . 36b with thread 38a . 38b , The flexible pipe unit 34a . 34b is gas-tight at the valve base 26a . 26b attached. Furthermore, the alternative switching unit 18a ; 18b a switching element 20a ; 20b on, which is intended to produce an irreversible deflection of the gas stream. In particular, the alternative switching unit 18a . 18b to irreversibly open a flow path 44a . 44b the second functional unit 16a . 16b intended. In the in 5 shown starting position of the switching element 20a . 20b is the flow path 44a . 44b through a membrane 46a . 46b locked. Upon reaching the end of life of the first functional unit 12a . 12b is by tightening the adjustment 36a . 36b the switching element 20a . 20b so far moved that the diaphragm 46a . 46b pierced and the flow path 44a . 44b to the second functional unit 16a . 16b is opened (cf. 6 ).

Claims

Fuel cell device with at least one first functional unit ( 12a ; 12b ), which has a significantly lower lifetime than a fuel cell unit ( 14a ; 14b ) and is intended to be traversed by a gas stream in at least one operating state, with at least one second functional unit ( 16a ; 16b ), which at least substantially functionally identical to the first functional unit ( 12a ; 12b ) is formed, and with a switching unit ( 18a ; 18b ), which upon reaching a lifetime end of the first functional unit ( 12a ; 12b ) to a deflection of the gas flow through the second functional unit ( 16a ; 16b ) is provided therethrough.

Fuel cell device according to claim 1, characterized in that the switching unit ( 18a ; 18b ), is provided in a first operating state, the gas flow only the first functional unit ( 12a ; 12b ) and is provided in a second operating state, the gas flow at least the second functional unit ( 16a ; 16b )

Fuel cell device according to claim 1 or 2, characterized in that the first functional unit ( 12a ; 12b ) and the second functional unit ( 16a ; 16b ) are formed as at least substantially functionally identical reactor units.

Fuel cell device according to one of the preceding claims, characterized in that the first functional unit ( 12a ; 12b ) and the second functional unit ( 16a ; 16b ) are designed as reformer units.

Fuel cell device according to one of the preceding claims, characterized in that the first functional unit ( 12a ; 12b ) and the second functional unit ( 16a ; 16b ) are designed as desulfurization units.

Fuel cell device according to one of the preceding claims, characterized in that the first functional unit ( 12a ) and the second functional unit ( 16a ) are arranged serially in terms of flow.

Fuel cell device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the first functional unit ( 12b ) and the second functional unit ( 16b ) are arranged fluidically parallel.

Fuel cell device according to one of the preceding claims, characterized in that the switching unit ( 18a ; 18b ) at least one switching element ( 20a ; 20b ), which is provided for producing an irreversible deflection of the gas stream.

Fuel cell system with at least one fuel cell unit ( 14a ; 14b ) and at least one fuel cell device ( 10a ; 10b ) according to any one of the preceding claims.

Method for operating a fuel cell device ( 10a ; 10b ), in particular according to one of claims 1 to 8, with at least one first functional unit ( 12a ; 12b ), which is intended to be traversed by a gas stream in at least one operating state, and at least one second functional unit ( 16a ; 16b ), which at least substantially functionally identical to the first functional unit ( 12a ; 12b ) is trained, characterized in that the gas stream upon reaching a lifetime end of the first functional unit ( 12a ; 12b ) to the second functional unit ( 16a ; 16b ) is deflected.