DE102016009968A1

DE102016009968A1 - The fuel cell system

Info

Publication number: DE102016009968A1
Application number: DE102016009968.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Knoop
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2016-08-16
Filing date: 2016-08-16
Publication date: 2018-02-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (3), mit einer Anodenseite (5) und einer Kathodenseite (4), mit einem Gasspeicher (11), wobei das gespeicherte Gas ein Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gemisch ist, mit einem Brenner (10), mit einer Zuleitung (12) zwischen dem Gasspeicher (11) und der Anodenseite (5) der Brennstoffzelle (3), und mit einer Ableitung (14) zwischen der Anodenseite (5) der Brennstoffzelle (3) und dem Brenner (10). Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Turbine (16) vorgesehen ist, welche über eine Abgasleitung (15) mit dem Brenner (10) verbunden ist, und welche über eine Turbinenabgasleitung (17) zumindest mittelbar mit der Umgebung verbunden ist.The invention relates to a fuel cell system (1) having at least one fuel cell (3), with an anode side (5) and a cathode side (4), with a gas reservoir (11), wherein the stored gas is a hydrogen / hydrocarbon mixture, with a Burner (10), with a feed line (12) between the gas reservoir (11) and the anode side (5) of the fuel cell (3), and with a derivative (14) between the anode side (5) of the fuel cell (3) and the burner (10). The fuel cell system according to the invention is characterized in that a turbine (16) is provided, which is connected via an exhaust pipe (15) to the burner (10), and which is at least indirectly connected to the environment via a turbine exhaust line (17).

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Nutzung eines gasförmigen Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gemischs nach der im Oberbegriff von Anspruch 9 näher definierten Art. Letztlich betrifft die Erfindung außerdem die Verwendung eines derartigen Brennstoffzellensystems und/oder eines derartigen Verfahrens.The invention further relates to a method for using a gaseous hydrogen / hydrocarbon mixture according to the type defined in more detail in the preamble of claim 9. Finally, the invention also relates to the use of a such fuel cell system and / or such a method.

Den gattungsgemäßen Stand der Technik beschreibt die EP 2 361 446 B1 . Das dort beschriebene Verfahren und die dort beschriebene Vorrichtung beschreiben letzten Endes ein Brennstoffzellensystem für den stationären Einsatz in der Art eines Blockheizkraftwerks. Das System wird mit einem Gemisch aus Wasserstoff und Erdgas bzw. Wasserstoff und Methan betrieben und wird in der Art verwendet, dass dieses Gasgemisch zuerst einer Brennstoffzelle zugeleitet wird. In der Brennstoffzelle wird dann der Wasserstoffanteil in dem Gasgemisch in elektrische Energie umgewandelt. Das Restgas, welches überwiegend aus Erdgas bzw. Methan besteht, da der Wasserstoff ja in der Brennstoffzelle verbraucht worden ist, wird dann einem Brenner zugeleitet und erzeugt Wärme für eine Nahwärmeanwendung. Das System wird dabei typischerweise wärmegesteuert geführt, sodass also die benötigte Wärmemenge, beispielsweise zur Beheizung und zur Bereitstellung von Warmwasser in einem Wohngebiet, bereitgestellt wird. Der Wasserstoffanteil in dem hierfür benötigten Gas wird in elektrische Energie in der Brennstoffzelle umgewandelt, um so zusätzlich zu der gewollten Wärmeerzeugung elektrischen Strom zu bekommen.The generic prior art describes the EP 2 361 446 B1 , The method described there and the device described there ultimately describe a fuel cell system for stationary use in the manner of a combined heat and power plant. The system is operated with a mixture of hydrogen and natural gas or hydrogen and methane and is used in such a way that this gas mixture is first fed to a fuel cell. In the fuel cell, the hydrogen content in the gas mixture is then converted into electrical energy. The residual gas, which consists predominantly of natural gas or methane, since the hydrogen has indeed been consumed in the fuel cell, is then fed to a burner and generates heat for a local heat application. The system is typically thermally controlled, so that the required amount of heat, for example, for heating and to provide hot water in a residential area, is provided. The hydrogen content in the gas required for this purpose is converted into electrical energy in the fuel cell, so as to obtain electric power in addition to the desired heat generation.

Da die Bereitstellung von elektrischer Leistung heutzutage eine immer größer werdende Rolle spielt, ist häufig das Problem gegeben, dass mehr elektrische Leistung aus der Brennstoffzelle gewünscht wird, beispielsweise wenn in einem regenerativen Energieverbund aufgrund von Windstille und mangelndem Sonnenschein die elektrische Leistung nicht über andere regenerative Quellen bereitgestellt werden kann. In diesem Fall würde dann bei der Anlage gemäß dem gattungsgemäßen Stand der Technik ungewollt viel Wärme entstehen, welche entsprechend weggekühlt werden muss. Auch im Falle einer Miniaturisierung der Anlage, beispielsweise für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug, wäre das Problem gegeben, dass im Verhältnis zur bereitgestellten elektrischen Leistung zum Antrieb des Kraftfahrzeugs übermäßig viel Wärme anfällt, welche in den meisten Betriebssituationen höchst unerwünscht ist und weggekühlt werden müsste.Since the provision of electric power is becoming increasingly important nowadays, there is often the problem that more electric power is desired from the fuel cell, for example, when in a regenerative energy network due to calm and lack of sunshine, electric power does not have other regenerative sources can be provided. In this case, undesirably much heat would then arise in the system according to the generic state of the art, which must be correspondingly cooled away. Even in the case of a miniaturization of the system, for example, for use in a motor vehicle, the problem would be that in relation to the electrical power provided to drive the motor vehicle excessively high heat is obtained, which is highly undesirable in most operating situations and should be cooled away.

Zum weiteren allgemeinen Stand der Technik kann auf die JP 2002-213695 A verwiesen werden, welche eine Anwendung eines Gasgemischs zeigt, bei welchem über eine Membran der Wasserstoff abgetrennt und der Brennstoffzelle zugeführt wird, während auch hier das Restgas, also Kohlenwasserstoffgemische wie beispielsweise Methan, Propan und ähnliches, wieder zurückgeleitet und anderweitig verwendet wird. Der Nachteil hier besteht im Einsatz der für Wasserstoff selektiv durchlässigen Membran, welche entsprechend aufwändig in der Herstellung und im Betrieb ist, und welche typischerweise nur bei vergleichsweise hohen Drücken des Gases zuverlässig funktioniert, sodass ein nicht unerheblicher Energieaufwand für das Verdichten des Gases aufgewendet werden muss.For further general state of the art can on the JP 2002-213695 A to be referenced, which shows an application of a gas mixture in which the hydrogen is separated via a membrane and the fuel cell is supplied, while also the residual gas, ie hydrocarbon mixtures such as methane, propane and the like, is returned and used elsewhere. The disadvantage here is the use of the selectively permeable to hydrogen membrane, which is correspondingly expensive to manufacture and in operation, and which typically works reliably only at relatively high pressures of the gas, so that a considerable amount of energy for the compression of the gas must be expended ,

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, den gattungsgemäßen Stand der Technik in der Art weiterzubilden, dass die genannten Nachteile vermieden werden können.The object of the present invention is to develop the generic prior art in the way that the disadvantages mentioned can be avoided.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zur Nutzung eines Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gemischs gemäß dem Anspruch 9 gelöst. Eine besonders vorteilhafte Verwendung des Brennstoffzellensystems und/oder des Verfahrens ergibt sich außerdem aus den Merkmalen im Anspruch 10.This object is achieved by a fuel cell system with the features in claim 1. Advantageous embodiments and further developments emerge from the subclaims dependent thereon. The object is further achieved by a method for using a hydrogen / hydrocarbon mixture according to claim 9. A particularly advantageous use of the fuel cell system and / or the method also results from the features in claim 10.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ist vergleichbar wie das Brennstoffzellensystem im gattungsgemäßen Stand der Technik aufgebaut. Es kann, anders als das dort beschriebene Brennstoffzellensystem, sowohl stationär als auch mobil eingesetzt werden. Es weist dafür eine Brennstoffzelle und einen Gasspeicher auf, wobei das gespeicherte Gas vergleichbar wie im gattungsgemäßen Stand der Technik ein Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gemisch ist. Das Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gemisch kann neben Wasserstoff beispielsweise Methan oder auch Propan oder ähnliches enthalten. Aus dem Stand der Technik ist Stadtgas bekannt. Dieses besteht aus Wasserstoff, Methan, Stickstoff und Kohlenmonoxid, wobei der Wasserstoffanteil bei etwa 50% liegt. Stadtgas ist mittlerweile überwiegend durch Erdgas ersetzt worden. Erdgas besteht je nach Herkunft zu über 90% aus Methan. Erdgas kann eine gewisse Menge an Wasserstoff beigemischt werden, beispielsweise wenn dieser mit Überschussstrom regenerativ erzeugt wird. Langfristig ist hier der bereits beim Stadtgas realisierte Anteil von 50% denkbar. Momentan ist eine Beimischung von 5% Wasserstoff im Erdgas zulässig. Das dann vorliegende Gasgemisch aus Wasserstoff und Erdgas kann über die für das Erdgas üblichen Transportwege transportiert werden. So kann beispielsweise bei der Erzeugung von Wasserstoff im Bereich von Offshore-Windkraftanlagen der Wasserstoff in einen Bereich transportiert werden, in dem elektrische Leistung benötigt wird. Der Transport über ohnehin vorhandene Erdgasleitungen ist dabei sehr viel kostengünstiger und greift weniger stark in die Umwelt ein, als dies der Bau von Überland-Stromleitungen tut.The fuel cell system according to the invention is comparable to the fuel cell system constructed in the generic state of the art. Unlike the fuel cell system described there, it can be used both stationary and mobile. It has for a fuel cell and a gas storage, the stored gas is comparable to the generic state of the art, a hydrogen / hydrocarbon mixture. The hydrogen / hydrocarbon mixture can contain, in addition to hydrogen, for example methane or else propane or the like. City gas is known from the prior art. This consists of hydrogen, methane, nitrogen and carbon monoxide, wherein the hydrogen content is about 50%. Urban gas has meanwhile been largely replaced by natural gas. Depending on its source, natural gas consists of more than 90% methane. Natural gas can be admixed with a certain amount of hydrogen, for example if it is regeneratively produced with surplus electricity. In the long term, the share of 50% already realized in city gas is conceivable here. Currently an admixture of 5% hydrogen in natural gas is permitted. The then existing gas mixture of hydrogen and natural gas can be transported via the usual transport routes for natural gas. For example, in the production of hydrogen in the area of offshore wind turbines, the hydrogen can be in one area be transported, in which electrical power is needed. The transport over already existing natural gas pipelines is much more cost-effective and intervenes less strongly in the environment than does the construction of overland power lines.

Um nun mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem primär elektrische Leistung bereitstellen zu können, wird erfindungsgemäß das Abgas des Brenners über eine Abgasleitung von dem Brenner in eine Turbine geleitet und dort entspannt, wonach das Turbinenabgas über eine Turbinenabgasleitung zumindest mittelbar in die Umgebung gelangt. Über eine solche Turbine kann aus der Druckenergie in dem Restgas nach der Anodenseite der Brennstoffzelle und der in dem Brenner bei der Verbrennung des Restgases erzeugten Wärme mechanische Energie erzeugt werden. Die Turbine kann dann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung in Wirkverbindung mit einer Elektromaschine stehen und kann diese generatorisch betreiben, um so elektrische Leistung nicht nur aus der Umsetzung des Wasserstoffs in der Brennstoffzelle, sondern auch aus der Verbrennung des Restgases in dem Brenner zu erhalten. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem liefert also elektrische Leistung aus dem Großteil des Energieinhalts des Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gemischs.In order to be able to provide primarily electric power with the fuel cell system according to the invention, the exhaust gas of the burner is passed via an exhaust pipe from the burner in a turbine and relaxed there, after which the turbine exhaust gas passes at least indirectly through a turbine exhaust gas into the environment. By means of such a turbine, mechanical energy can be generated from the pressure energy in the residual gas downstream of the anode side of the fuel cell and the heat generated in the burner during the combustion of the residual gas. The turbine can then be according to an advantageous development in operative connection with an electric machine and can operate them as a generator so as to obtain electrical power not only from the conversion of the hydrogen in the fuel cell, but also from the combustion of the residual gas in the burner. The fuel cell system according to the invention thus provides electrical power from most of the energy content of the hydrogen / hydrocarbon mixture.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann außerdem ein Kühlmedienwärmetauscher zwischen der Turbinenabgasleitung und einer Kühlmedienleitung angeordnet sein, über welchen in dem entspannten Abgas der Turbine befindliche Restwärme genutzt werden kann, beispielsweise zum Aufheizen eines Kühlsystems, was insbesondere bei einer Fahrzeuganwendung zu einem schnelleren Start der Brennstoffzelle beiträgt. Ferner kann die Wärme in diesem Anwendungsfall für die Beheizung des Fahrzeuginnenraums genutzt werden. Bei einem stationären System kann die Wärme beispielsweise zu Heizzwecken verwendet werden, wobei das Brennstoffzellensystem primär stromgeführt betrieben wird, sodass die anfallende Restwärme zwar als Überschusswärme genutzt werden kann, jedoch nicht primär das Ziel der Nutzung des Brennstoffzellensystems ist.In an advantageous development of the fuel cell system according to the invention, a cooling medium heat exchanger can also be arranged between the turbine exhaust line and a cooling medium line, via which in the expanded exhaust gas of the turbine residual heat can be used, for example for heating a cooling system, which in particular in a vehicle application to a faster start Fuel cell contributes. Furthermore, the heat can be used in this application for the heating of the vehicle interior. In a stationary system, the heat can be used, for example, for heating purposes, the fuel cell system is primarily powered by electricity, so that the resulting residual heat can be used as excess heat, but not primarily the goal of using the fuel cell system.

Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann es außerdem vorsehen, dass die Turbine mit einer Luftfördereinrichtung zur Luftversorgung der Kathodenseite der Brennstoffzelle in Triebverbindung steht. Ein solcher Antrieb der Luftfördereinrichtung zur Luftversorgung der Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems über die Turbine ist bei dem beschriebenen Aufbau besonders effizient, da im Bereich des Brenners durch den Anteil an Kohlenwasserstoffen in dem Gasgemisch in fast jedem Fall genug heißes Abgas zur Verfügung gestellt wird, um die Turbine so anzutreiben, dass diese eine ausreichende mechanische Leistung zum Antrieb der Luftfördereinrichtung bereitstellt. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee können dabei auch die Luftfördereinrichtung, die Turbine und die elektrische Maschine gemeinsam in mechanischer Triebverbindung stehen. So kann bei Bedarf sogar durch die elektrische Maschine im motorischen Betrieb der Antrieb der Luftfördereinrichtung erfolgen bzw. dieser unterstützt werden, falls die Turbine keine ausreichende Energie zur Verfügung stellt. Dieser Fall wird jedoch typischerweise nur dann auftreten, wenn das Brennstoffzellensystem gestartet wird bzw. wenn eine unerwartet geringe Menge an Kohlenwasserstoff in dem Gemisch vorliegt.Another very advantageous embodiment of the fuel cell system according to the invention, it may also provide that the turbine is in drive connection with an air conveyor for supplying air to the cathode side of the fuel cell. Such a drive of the air conveying device for supplying air to the fuel cell of the fuel cell system via the turbine is particularly efficient in the described construction, since in the region of the burner by the proportion of hydrocarbons in the gas mixture in almost every case enough hot exhaust gas is provided to the turbine to drive so that it provides sufficient mechanical power to drive the air conveyor. According to an advantageous development of the idea, the air conveying device, the turbine and the electric machine can also be in mechanical drive connection together. Thus, if required, even by the electric machine in motor operation, the drive of the air conveyor can take place or be supported, if the turbine does not provide sufficient energy available. However, this case will typically only occur when the fuel cell system is started or when there is an unexpectedly low level of hydrocarbon in the mixture.

In jedem Fall ist das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem so in der Lage, hochflexibel zu reagieren und Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gemische umzusetzen, welche eine sehr stark schwankende Zusammensetzung haben, da im Bereich der Brennstoffzelle der Wasserstoff genutzt wird und im Bereich der Turbine das Kohlenwasserstoff-Gas. Selbst eine Verwendung mit reinem Wasserstoff oder mit reinem Erdgas oder Methan ist hier denkbar.In any case, the fuel cell system according to the invention is thus able to react highly flexible and implement hydrogen / hydrocarbon mixtures, which have a very widely varying composition, since the hydrogen is used in the fuel cell and the hydrocarbon gas in the region of the turbine. Even use with pure hydrogen or with pure natural gas or methane is conceivable here.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist die Kathodenseite der Brennstoffzelle dabei über eine Abluftleitung mit dem Brenner verbunden. Eine solche Abluftleitung kann die durch die Kathodenseite der Brennstoffzelle strömende Luft dem Brenner zuleiten. Dies hat den Vorteil, dass über die Luftfördereinrichtung die Luft für die Kathodenseite ohnehin verdichtet ist und so in den Bereich des Brenners gelangt. Eine eigene Luftverdichtung für den Brenner kann damit eingespart werden. Typischerweise ist die Luft nach der Brennstoffzelle zwar an Sauerstoff abgereichert, hat jedoch immer noch einen ausreichend hohen Sauerstoffgehalt, um in dem Brenner eine vollständige Verbrennung zu ermöglichen.According to an advantageous development of the fuel cell system according to the invention, the cathode side of the fuel cell is connected to the burner via an exhaust air line. Such an exhaust duct may pass the air flowing through the cathode side of the fuel cell to the burner. This has the advantage that the air for the cathode side is compressed anyway via the air conveying device and thus reaches the area of the burner. A separate air compression for the burner can be saved with it. Typically, the air after the fuel cell is depleted in oxygen, but still has a high enough oxygen content to allow complete combustion in the burner.

Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der Idee kann es ferner vorgesehen sein, dass ein Zuluftwärmetauscher zwischen einer Zuluftleitung zwischen der Luftfördereinrichtung und der Kathodenseite der Brennstoffzelle und der Ableitung oder vorzugsweise der Abluftleitung angeordnet ist. Hierüber wird erreicht, dass die Zuluft nach der Luftfördereinrichtung abgekühlt wird, was für den Betrieb der Brennstoffzelle, insbesondere wenn diese als PEM-Brennstoffzelle ausgebildet ist, ein entscheidender Vorteil ist. Gleichzeitig wird Wärme auf die Abluft oder das Abgas übertragen und gelangt so in den Bereich vor den Brenner. Durch diese Vorwärmung des Brennergases steht der Turbine ein höheres, thermisches Gefälle zur Verfügung, ohne dass hierfür mehr Brennstoff benötigt wird. Durch die höhere Temperatur in dem Brenner und damit die höhere Temperatur der heißen Abgase des Brenners wird ein verbesserter Betrieb der Turbine und damit eine Leistungssteigerung ermöglicht.According to a further very favorable embodiment of the idea, it can further be provided that a Zuluftwärmetauscher between a supply air line between the air conveyor and the cathode side of the fuel cell and the discharge or preferably the exhaust duct is arranged. This ensures that the supply air is cooled after the air conveyor, which is a key advantage for the operation of the fuel cell, especially if it is designed as a PEM fuel cell. At the same time heat is transferred to the exhaust air or the exhaust gas and thus reaches the area in front of the burner. As a result of this preheating of the burner gas, the turbine has a higher, thermal gradient without the need for more fuel. Due to the higher temperature in the burner and thus the higher temperature of the burner's hot exhaust gases an improved operation of the turbine and thus an increase in performance allows.

Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung kann alternativ oder ergänzend hierzu ein Abgaswärmetauscher, auch Rekuperator genannt, zwischen der Turbinenabgasleitung und bevorzugt der Abluftleitung angeordnet sein. Auch hier lässt sich nach der Turbine in dem Turbinenabgas verbliebene thermische Restenergie zurückgewinnen, insbesondere indem die Abluft nach der Brennstoffzelle, welche dem Brenner zugeführt wird oder auch das Abgas aus der Anodenseite der Brennstoffzelle, vorgewärmt wird und so die Temperatur in dem Brenner und damit in dem Abgas des Brenners entsprechend anhebt.According to a further very advantageous embodiment, alternatively or additionally, an exhaust gas heat exchanger, also called a recuperator, may be arranged between the turbine exhaust gas line and preferably the exhaust air line. Here too, residual thermal energy remaining in the turbine exhaust gas after the turbine can be recovered, in particular by preheating the exhaust air after the fuel cell which is fed to the burner or also the exhaust gas from the anode side of the fuel cell and thus the temperature in the burner and thus in correspondingly raises the exhaust gas of the burner.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es zur Nutzung eines gasförmigen Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gemischs vorgesehen, dass das Gemisch einer Anodenseite der Brennstoffzelle zugeleitet wird, und dass das Restgas einem Brenner zugeleitet wird, in dem es verbrannt wird. Insbesondere kann zur Verbrennung dabei Abluft aus der Kathodenseite der Brennstoffzelle genutzt werden. Erfindungsgemäß ist die Nutzung des heißen Abgases des Brenners über eine Turbine vorgesehen, welche in bevorzugter Verwendung des Verfahrens zum Antreiben einer elektrischen Maschine, insbesondere einer generatorisch betriebenen elektrischen Maschine, genutzt wird. Hierdurch ergeben sich die Nutzungsvorteile und -möglichkeiten, welche im Rahmen der Erläuterung des für ein solches Verfahren geeigneten Brennstoffzellensystems oben bereits beschrieben worden sind.In the method according to the invention, it is provided for the use of a gaseous hydrogen / hydrocarbon mixture that the mixture is fed to an anode side of the fuel cell, and that the residual gas is fed to a burner, in which it is burned. In particular, exhaust air from the cathode side of the fuel cell can be used for combustion. According to the invention, the use of the hot exhaust gas of the burner via a turbine is provided which is used in preferred use of the method for driving an electric machine, in particular a generator-operated electric machine. This results in the use advantages and possibilities, which have already been described above in the context of the explanation of the fuel cell system suitable for such a method.

Das Brennstoffzellensystem und das Verfahren lassen sich sowohl im stationären Bereich als auch im mobilen Bereich einsetzen. Besonders bevorzugt soll jedoch die Anwendung im mobilen Bereich sein, sodass es gemäß einer vorteilhaften Verwendung des Brennstoffzellensystems und/oder des Verfahrens vorgesehen ist, dass über das Brennstoffzellensystem bzw. das Verfahren Antriebsleistung für das Fahrzeug bereitgestellt wird. Die Antriebsleistung kann dabei idealerweise als elektrische Antriebsleistung bereitgestellt werden, indem die Turbine eine elektrische Maschine als Generator antreibt. Prinzipiell wäre es jedoch auch denkbar, die im Bereich der Turbine anfallende mechanische Leistung direkt zum Vortrieb des Fahrzeugs zu nutzen. Das Fahrzeug würde in diesem Fall durch die Turbine als Vorrichtung zur Bereitstellung von mechanischer Antriebsleistung angetrieben und könnte ergänzend hierzu über die von der Brennstoffzelle produzierte elektrische Leistung elektrisch angetrieben werden, sodass letzten Endes ein Hybridantrieb zwischen einer Brennstoffzelle und einer Turbine entsteht, welcher idealerweise über eine entsprechende elektrische Energiespeichereinrichtung verfügt, sodass auch beim Abbremsen anfallende Energie wieder zwischengespeichert und zur Beschleunigung genutzt werden kann.The fuel cell system and the method can be used both in the stationary area as well as in the mobile area. However, the application in the mobile area should be particularly preferred, so that it is provided according to an advantageous use of the fuel cell system and / or the method that is provided via the fuel cell system or the method drive power for the vehicle. The drive power can ideally be provided as electrical drive power by the turbine drives an electric machine as a generator. In principle, however, it would also be conceivable to use the mechanical power generated in the region of the turbine directly for propulsion of the vehicle. The vehicle would in this case be driven by the turbine as a device for providing mechanical drive power and could additionally be electrically driven by the electrical power produced by the fuel cell, so that ultimately a hybrid drive between a fuel cell and a turbine arises, which ideally via a corresponding electrical energy storage device has, so that even when braking energy accumulating again stored and can be used for acceleration.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sowie des Verfahrens und der Nutzung ergeben sich ferner aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt ist.Further advantageous embodiments of the fuel cell system according to the invention and of the method and the use also result from the exemplary embodiment, which is illustrated in more detail below with reference to the figures.

Dabei zeigen:Showing:

1 ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung; und 1 a principle indicated vehicle with a fuel cell system according to the invention; and

2 eine alternative Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung. 2 an alternative embodiment of a fuel cell system according to the invention.

In der Darstellung der 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 in einem prinzipmäßig angedeuteten Fahrzeug 2 zu erkennen. Das Brennstoffzellensystem 1 soll zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung für das Fahrzeug 2 ausgebildet sein. Es umfasst im Kern eine Brennstoffzelle 3, welche idealerweise als PEM-Brennstoffzelle aufgebaut ist. Die Brennstoffzelle selbst besteht dabei aus mehreren Einzelzellen und bildet einen sogenannten Brennstoffzellenstack bzw. -stapel. Die Brennstoffzelle 3 weist eine Kathodenseite 4 und eine Anodenseite 5 auf. Der Kathodenseite 4 wird Luft über eine Luftfördereinrichtung 6, idealerweise einen Strömungsverdichter, zugeführt. Die heiße verdichtete Luft wird über einen Zuluftwärmetauscher 7 abgekühlt, in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel idealerweise durch die Abluft aus der Kathodenseite 4 der Brennstoffzelle 3. Nachdem die Zuluft über eine Zuluftleitung 8 von der Luftfördereinrichtung 6 durch den Zuluftwärmetauscher 7 in die Kathodenseite 4 der Brennstoffzelle 3 eingeströmt ist, wird in der Brennstoffzelle 3 ein Teil des Sauerstoffs in der Luft umgesetzt. Die Abluft gelangt dann über eine Abluftleitung 9, welche wiederum den Zuluftwärmetauscher 7 durchströmt, zu einem mit 10 bezeichneten Brenner, auf welchen später noch näher eingegangen wird.In the presentation of the 1 is a fuel cell system 1 in a vehicle indicated in principle 2 to recognize. The fuel cell system 1 intended to provide electrical drive power to the vehicle 2 be educated. It basically comprises a fuel cell 3 , which is ideally constructed as a PEM fuel cell. The fuel cell itself consists of several individual cells and forms a so-called fuel cell stack or stack. The fuel cell 3 has a cathode side 4 and an anode side 5 on. The cathode side 4 Air is transferred via an air conveyor 6 , ideally a flow compressor, supplied. The hot compressed air is via a Zuluftwärmetauscher 7 cooled, in the embodiment shown here ideally by the exhaust air from the cathode side 4 the fuel cell 3 , After the supply air via a supply air line 8th from the air conveyor 6 through the Zuluftwärmetauscher 7 in the cathode side 4 the fuel cell 3 has flowed, is in the fuel cell 3 a part of the oxygen is converted in the air. The exhaust air then passes through an exhaust duct 9 , which in turn the Zuluftwärmetauscher 7 flows through, to one with 10 designated burner, which will be discussed later in more detail.

Der Anodenseite 5 der Brennstoffzelle 3 wird ein Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gemisch aus einem Gasspeicher 11 zugeführt. Der Gasspeicher 11 kann dabei idealerweise als Druckgasspeicher ausgebildet sein, beispielsweise mit mehreren einzelnen Druckgasbehältern, in welchen das Gasgemisch bei hohen Nenndrücken von beispielsweise 20 bis 70 MPa gespeichert ist. Über eine Zuleitung 12 mit einer darin angeordneten Druckregel- und Dosiereinheit 13 wird dieses Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gemisch der Kathodenseite 5 der Brennstoffzelle 3 zugeführt. In der Brennstoffzelle 3 wird dabei der Wasserstoff in dem Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gemisch weitgehend aufgebraucht. Das Restgas, welches überwiegend Kohlenwasserstoff-Gas ist, gelangt dann über eine Ableitung 14 zu dem Brenner 10, und wird in diesem zusammen mit der Abluft aus der Kathodenseite 4 der Brennstoffzelle 3 thermisch umgesetzt. Der Brenner 10 kann dabei als reiner Flammenbrenner, jedoch auch als Porenbrenner oder ähnliches ausgebildet sein. Über eine Abgasleitung 15 strömt das heiße Abgas aus dem Brenner 10 in eine Turbine 16 und wird in dieser Turbine 16 entspannt, bevor das entspannte Abgas der Turbine 16 über eine Turbinenabgasleitung 17 in der Darstellung der 1 direkt in die Umgebung des Fahrzeugs 2 abgegeben wird. In Triebverbindung mit der Turbine 16 ist eine elektrische Maschine 18 angeordnet, welche idealerweise durch die im Bereich der Turbine 16 anfallende mechanische Leistung generatorisch betrieben wird, um so zusätzlich zu der Brennstoffzelle 3 elektrische Leistung bereitzustellen. In der Darstellung der 1 ist neben der mechanischen Triebverbindung zwischen der Turbine 16 und der elektrischen Maschine 18 außerdem eine mechanische Triebverbindung dieser beiden Elemente 16, 18 zur Luftfördereinrichtung 4 gegeben, sodass auch diese durch die im Bereich der Turbine 16 anfallende Leistung mit angetrieben wird. Sollte in bestimmten Situationen im Bereich der Turbine 16 keine oder zu wenig Leistung zum Antrieb der Luftfördereinrichtung 6 anfallen, beispielsweise beim Start des Brennstoffzellensystems 1, oder wenn, was prinzipiell auch denkbar wäre, ausschließlich Wasserstoff in dem Gasspeicher 11 ist, dann kann über die elektrische Maschine 18 im motorischen Betrieb auch der Antrieb der Luftfördereinrichtung von dieser unterstützt oder alleine übernommen werden.The anode side 5 the fuel cell 3 becomes a hydrogen / hydrocarbon mixture from a gas reservoir 11 fed. The gas storage 11 can ideally be designed as a compressed gas storage, for example, with several individual gas cylinders, in which the gas mixture is stored at high nominal pressures, for example, 20 to 70 MPa. Via a supply line 12 with a pressure regulating and dosing unit arranged therein 13 becomes this hydrogen / hydrocarbon mixture of the cathode side 5 the fuel cell 3 fed. In the fuel cell 3 is the hydrogen in the hydrogen / hydrocarbon Mixture largely used up. The residual gas, which is predominantly hydrocarbon gas, then passes through a derivative 14 to the burner 10 , and is in this together with the exhaust air from the cathode side 4 the fuel cell 3 thermally converted. The burner 10 can be designed as a pure flame burner, but also as a pore burner or the like. Via an exhaust pipe 15 the hot exhaust gas flows out of the burner 10 in a turbine 16 and will in this turbine 16 relaxed before the turbine's expanded exhaust 16 via a turbine exhaust gas line 17 in the presentation of the 1 directly into the environment of the vehicle 2 is delivered. In drive connection with the turbine 16 is an electrical machine 18 arranged, which ideally by those in the area of the turbine 16 resulting mechanical power is operated as a generator, in addition to the fuel cell 3 provide electrical power. In the presentation of the 1 is in addition to the mechanical drive connection between the turbine 16 and the electric machine 18 also a mechanical drive connection of these two elements 16 . 18 to the air conveyor 4 given, so that too by the in the area of the turbine 16 resulting power is driven with. Should be in certain situations in the area of the turbine 16 no or too little power to drive the air conveyor 6 incurred, for example, when starting the fuel cell system 1 , or if, which in principle would be conceivable, only hydrogen in the gas storage 11 is, then can over the electric machine 18 be supported in motor operation and the drive of the air conveyor of this or taken alone.

Das Fahrzeug 2 kann nun seinen Gasspeicher 11 mit einem Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenwasserstoff-Gas betanken. Prinzipiell wäre es auch denkbar, insbesondere wenn keine geeignete Tankstelle vorhanden ist, ausschließlich Wasserstoff oder ausschließlich Erdgas zu tanken, da auch dann ein Betrieb möglich ist, einerseits über die Bereitstellung der elektrischen Leistung über die Brennstoffzelle 3 bzw. andererseits über eine ausschließliche Bereitstellung der elektrischen Leistung über die Turbine 16 und die elektrische Maschine 18. Alles in allem ermöglicht der Aufbau die Nutzung unterschiedlicher Tankstellen, sodass die Notwendigkeit ausschließlich an Wasserstofftankstellen zu tanken, wie es bei herkömmlichen Brennstoffzellenfahrzeugen gegeben ist, entfallen kann. Ferner ist es möglich, Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Gemische zu verwenden, was die Möglichkeit schafft, aus überschüssiger elektrischer Energie Wasserstoff herzustellen und dieses vermischt mit dem Erdgas sehr einfach zu transportieren, da das Brennstoffzellensystem 1 gemäß der Erfindung vor allem ein solches Gemisch problemlos und ideal umsetzen kann.The vehicle 2 can now its gas storage 11 refuel with a mixture of hydrogen and hydrocarbon gas. In principle, it would also be conceivable, in particular if no suitable filling station is present, exclusively to fill up with hydrogen or exclusively natural gas, since operation is also possible on the one hand via the provision of the electrical power via the fuel cell 3 or on the other hand, an exclusive provision of electrical power through the turbine 16 and the electric machine 18 , All in all, the structure allows the use of different gas stations, so that the need to refuel exclusively at hydrogen refueling stations, as is the case with conventional fuel cell vehicles, can be omitted. Further, it is possible to use hydrogen / hydrocarbon mixtures, which makes it possible to produce hydrogen from excess electrical energy and to mix it with the natural gas very easily because the fuel cell system 1 According to the invention, especially such a mixture can easily and ideally implement.

In der Darstellung der 2 ist eine abgewandelte Ausführungsvariante des Brennstoffzellensystems 1 zu erkennen. Der Aufbau unterscheidet sich dabei in einigen Details, auf welche nachfolgend eingegangen wird. In den Bereichen, in denen sich der Aufbau nicht unterscheidet, wurden dieselben Bezugszeichen verwendet, sodass dies nicht nochmals erläutert werden muss.In the presentation of the 2 is a modified embodiment of the fuel cell system 1 to recognize. The structure differs in some details, which will be discussed below. In the areas where the structure is not different, the same reference numerals have been used, so this need not be explained again.

Die Darstellung des Brennstoffzellensystems 1 gemäß der Ausführungsvariante nach 2 ermöglicht dabei eine bessere Nutzung der Energie. Zusätzlich zu dem Zuluftwärmetauscher 7, welcher die dem Brenner 10 zuströmende Abluft erwärmt, ist es hier ferner vorgesehen, dass über einen Abgaswärmetauscher 19 ein Wärmeübertrag von der Turbinenabgasleitung 17 auf die Luft in der Abluftleitung 9 erfolgt. Dieser Abgaswärmetauscher 19 nutzt also die in der Turbinenabgasleitung vorliegende Restwärme, um zusätzlich die Abluft in der Abluftleitung 9 weiter zu erwärmen und damit letztlich die Temperatur des Brenners 10 und der aus dem Brenner 10 strömenden Abgase weiter zu erhöhen. Ergänzend oder alternativ hierzu kann außerdem ein Kühlmedienwärmetauscher 20 vorhanden sein, welcher zwischen der Turbinenabluftleitung 17 und einer Kühlmedienleitung 21 angeordnet ist. Über diesen Kühlmedienwärmetauscher kann die verbleibende Restenergie in dem Abgas der Turbine 16, welches durch die Turbinenabgasleitung 17 in die Umgebung abströmt, weiter genutzt werden. Bei einer Fahrzeuganwendung kann der Kühlmedienwärmetauscher 20 beispielsweise Teil des Kühlsystems sein. Er ermöglicht so ein schnelles Aufheizen des Kühlsystems für einen Kaltstart des Brennstoffzellensystems 1 in dem Fahrzeug 2 und/oder erlaubt die Beheizung des Fahrzeuginnenraums. Bei stationären Anwendungen kann hier auch Wärme genutzt werden, beispielsweise zur Erwärmung der Umgebung des Brennstoffzellensystems 1 oder zum Eintrag der Wärme in ein Wärmespeichersystem, welches beispielsweise ergänzend über thermische Solarkollektoren erwärmt wird.The representation of the fuel cell system 1 according to the embodiment according to 2 allows a better use of energy. In addition to the fresh air heat exchanger 7 which is the burner 10 heated incoming exhaust air, it is further provided here that via an exhaust gas heat exchanger 19 a heat transfer from the turbine exhaust line 17 to the air in the exhaust duct 9 he follows. This exhaust gas heat exchanger 19 thus uses the existing in the turbine exhaust gas residual heat, in addition to the exhaust air in the exhaust duct 9 continue to heat and thus ultimately the temperature of the burner 10 and the one from the burner 10 flowing exhaust gases continue to increase. Additionally or alternatively, a cooling medium heat exchanger may also be used 20 be present, which between the turbine exhaust line 17 and a cooling media line 21 is arranged. About this cooling medium heat exchanger, the remaining residual energy in the exhaust gas of the turbine 16 passing through the turbine exhaust line 17 flows into the environment, continue to be used. In a vehicle application, the cooling medium heat exchanger 20 for example, be part of the cooling system. It thus enables a quick heating of the cooling system for a cold start of the fuel cell system 1 in the vehicle 2 and / or allows the heating of the vehicle interior. In stationary applications, heat can also be used here, for example to heat the environment of the fuel cell system 1 or for the entry of heat in a heat storage system, which is heated, for example, supplementary thermal solar collectors.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 2361446 B1 [0002]
JP 2002-213695 A [0004]

Claims

Fuel cell system ( 1 ) with at least one fuel cell ( 3 ), with an anode side ( 5 ) and a cathode side ( 4 ), with a gas storage ( 11 ), wherein the stored gas is a hydrogen / hydrocarbon mixture, with a burner ( 10 ), with a supply line ( 12 ) between the gas storage ( 11 ) and the anode side ( 5 ) of the fuel cell ( 3 ), and with a derivative ( 14 ) between the anode side ( 5 ) of the fuel cell ( 3 ) and the burner ( 10 ), characterized in that a turbine ( 16 ) is provided, which via an exhaust pipe ( 15 ) with the burner ( 10 ), and which via a turbine exhaust gas line ( 17 ) is at least indirectly connected to the environment.

Fuel cell system ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the turbine ( 16 ) in mechanical drive connection with an electrical machine ( 18 ) stands.

Fuel cell system ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the turbine ( 16 ) with an air conveyor ( 6 ) for supplying air to the cathode side ( 4 ) of the fuel cell ( 3 ) is in mechanical drive connection.

Fuel cell system ( 1 ) according to claim 2 and 3, characterized in that a mechanical drive connection between the electric machine ( 18 ), the air conveyor ( 6 ) and the turbine ( 16 ) is provided.

Fuel cell system ( 1 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the cathode side ( 4 ) of the fuel cell ( 3 ) via an exhaust duct ( 9 ) with the burner ( 10 ) connected is.

Fuel cell system ( 1 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that a Zuluftwärmetauscher ( 7 ) between an air supply line ( 8th ) between the air conveyor ( 6 ) and the cathode side ( 4 ) of the fuel cell ( 3 ) and the derivative ( 14 ) or preferably the exhaust duct ( 9 ) is arranged.

Fuel cell system ( 1 ) according to one of claims 1 to 6, characterized in that an exhaust gas heat exchanger ( 19 ) between the turbine exhaust gas line ( 17 ) and the derivative ( 14 ) or preferably the exhaust duct ( 9 ) is arranged.

Fuel cell system ( 1 ) according to one of claims 1 to 7, characterized in that a cooling medium heat exchanger ( 20 ) between the turbine exhaust gas line ( 17 ) and a cooling medium line ( 21 ) is arranged.

Method for using a gaseous hydrogen / hydrocarbon mixture, which is an anode side ( 5 ) a fuel cell ( 3 ), and whose residual gas is a burner ( 10 ), characterized in that with the hot exhaust gases of the burner ( 10 ) a turbine ( 16 ) is applied.

Use of a fuel cell system ( 1 ) according to one of claims 1 to 8 and / or the method according to claim 9 for the provision of drive power, preferably electrical drive power, in a vehicle ( 2 ).