DE102016215604A1

DE102016215604A1 - fuel cell device

Info

Publication number: DE102016215604A1
Application number: DE102016215604.7A
Authority: DE
Inventors: Rene Meise; Peter Horstmann; Tania Gonzalez Baquet; Timo Bosch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-08-19
Filing date: 2016-08-19
Publication date: 2018-02-22
Also published as: WO2018033287A1; EP3501054A1

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Brennstoffzellenvorrichtung (10), welche dazu vorgesehen ist, mit einem fluidischen Brennstoff (12) betrieben zu werden, mit einer Brennstoffzelleneinheit (14), mit einer Reformereinheit (16), welche zur Erzeugung zumindest eines Brenngases (46) für die Brennstoffzelleneinheit (14) vorgesehen ist, und mit einer Fluidfördereinheit (18), welche dazu vorgesehen ist, zumindest einen Teil eines Anodenabgases (22) der Brennstoffzelleneinheit (14) zu rezirkulieren. Es wird vorgeschlagen, dass die Fluidfördereinheit (18) in Fluidströmungsrichtung (20) betrachtet zwischen der Reformereinheit (16) und der Brennstoffzelleneinheit (14) angeordnet ist.The invention is based on a fuel cell device (10), which is intended to be operated with a fluid fuel (12), with a fuel cell unit (14), with a reformer unit (16), which is used to generate at least one fuel gas (46). is provided for the fuel cell unit (14), and with a fluid delivery unit (18) which is provided to recirculate at least a part of an anode exhaust gas (22) of the fuel cell unit (14). It is proposed that the fluid delivery unit (18), viewed in the fluid flow direction (20), is arranged between the reformer unit (16) and the fuel cell unit (14).

Description

Stand der TechnikState of the art

Es ist bereits eine Brennstoffzellenvorrichtung, welche dazu vorgesehen ist, mit einem fluidischen Brennstoff betrieben zu werden, mit einer Brennstoffzelleneinheit, mit einer Reformereinheit, welche zur Erzeugung zumindest eines Brenngases für die Brennstoffzelleneinheit vorgesehen ist, und mit einer Fluidfördereinheit, welche dazu vorgesehen ist, zumindest einen Teil eines Anodenabgases der Brennstoffzelleneinheit zu rezirkulieren, vorgeschlagen worden. It is already a fuel cell device, which is intended to be operated with a fluid fuel, with a fuel cell unit, with a reformer unit, which is provided for generating at least one fuel gas for the fuel cell unit, and with a fluid delivery unit, which is provided, at least to recirculate a portion of an anode exhaust gas of the fuel cell unit has been proposed.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Erfindung geht aus von einer Brennstoffzellenvorrichtung, welche dazu vorgesehen ist, mit einem fluidischen Brennstoff betrieben zu werden, mit einer Brennstoffzelleneinheit, mit einer Reformereinheit, welche zur Erzeugung zumindest eines Brenngases für die Brennstoffzelleneinheit vorgesehen ist, und mit einer Fluidfördereinheit, welche dazu vorgesehen ist, zumindest einen Teil eines Anodenabgases der Brennstoffzelleneinheit zu rezirkulieren.The invention is based on a fuel cell device, which is intended to be operated with a fluidic fuel, with a fuel cell unit, with a reformer unit, which is provided for generating at least one fuel gas for the fuel cell unit, and with a fluid delivery unit, which is provided for this purpose to recirculate at least a portion of an anode exhaust gas of the fuel cell unit.

Es wird vorgeschlagen, dass die Fluidfördereinheit in Fluidströmungsrichtung betrachtet zwischen der Reformereinheit und der Brennstoffzelleneinheit angeordnet ist.It is proposed that the fluid delivery unit is arranged, viewed in the fluid flow direction, between the reformer unit and the fuel cell unit.

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 Reaktionsenergie zumindest eines, insbesondere kontinuierlich zugeführten, Brenngases, insbesondere Wasserstoff, und zumindest eines Oxidationsmittels, insbesondere Sauerstoff, insbesondere in elektrische Energie umzuwandeln. Die zumindest eine Brennstoffzelle kann insbesondere als Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) 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. In this context, a "fuel cell unit" is to be understood as meaning in particular a unit having at least one fuel cell which is provided with at least one chemical reaction energy of at least one, in particular continuously supplied, fuel gas, in particular hydrogen, and at least one oxidant, in particular oxygen, in particular to convert electrical energy. The at least one fuel cell can be designed in particular as a solid oxide fuel cell (SOFC). 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 einem „fluidischen Brennstoff“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein gasförmiger oder flüssiger kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff verstanden werden. Insbesondere kann die Brennstoffzellenvorrichtung dazu vorgesehen sein, mit einem Erdgas betrieben zu werden. Unter einem „Erdgas“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Gas und/oder 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. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar die Brennstoffzellenvorrichtung mit einem anderen insbesondere gasförmigen Brennstoff und/oder flüssigen Brennstoff, beispielsweise LPG, Benzin oder Diesel, zu betreiben. A "fluidic fuel" is to be understood in this context in particular a gaseous or liquid hydrocarbon-containing fuel. In particular, the fuel cell device may be intended to be operated with a natural gas. In this context, a "natural gas" is to be understood as meaning in particular a gas and / or gas mixture, in particular a natural gas mixture, which preferably comprises at least one alkane, in particular methane, ethane, propane and / or butane. Furthermore, the natural gas may have further constituents, such as in particular carbon dioxide and / or nitrogen and / or oxygen and / or sulfur compounds. Alternatively or additionally, it is conceivable to operate the fuel cell device with another, in particular gaseous, fuel and / or liquid fuel, for example LPG, gasoline or diesel.

Unter einer „Reformereinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine chemisch-technische Einheit zu zumindest einer Aufbereitung zumindest eines kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffs, insbesondere durch eine Dampfreformierung und/oder durch eine partielle Oxidation und/oder durch eine autotherme Reformierung, insbesondere zur Gewinnung des zumindest einen Brenngases, insbesondere Wasserstoff, und/oder zum Aufbrechen höherkettiger Alkene verstanden werden. Ferner weist die Brennstoffzellenvorrichtung insbesondere einen Rezikulationskreis auf. Unter einem „Rezirkulationskreis“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Verbindungseinheit verstanden werden, die zu einem Transport von insbesondere flüssigen und/oder gasförmigen Stoffen und/oder Stoffgemischen vorgesehen ist. Insbesondere umfasst der Rezirkulationskreis eine Hohlleitung, beispielsweise zumindest eine Rohr- und/oder Schlauchleitung. Der Rezirkulationskreis ist insbesondere dazu vorgesehen, der Reformereinheit einen insbesondere festgelegten Prozentsatz eines für einen Reformationsprozess benötigten, insbesondere wasserdampfhaltigen Abgases der Brennstoffzelle, insbesondere eines Anodenabgases zuzuführen. Unter einer „Fluidfördereinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, zumindest ein Fluid, insbesondere ein Anodenabgas und/oder ein Anodenabgas-Brenngas-Gemisch, entlang des Rezirkulationskreises zu fördern. Insbesondere kann die Fluidfördereinheit als eine Pumpe, ein Ejektor und/oder als ein Gebläse ausgebildet sein. Die Fluidfördereinheit ist in Fluidströmungsrichtung betrachtet zwischen der Reformereinheit und der Brennstoffzelleneinheit angeordnet. Das Anodenabgas strömt ausgehend von einer Anode der Brennstoffzelleneinheit zusammen mit frisch zugeführtem Brennstoff zunächst in die Reformereinheit. Ein aus dem Anodenabgas und dem Brennstoff gewonnenes Reformat durchströmt zunächst die Fluidfördereinheit und wird der Anode der Brennstoffzellenvorrichtung zugeführt. Die Reformereinheit ist in Fluidströmungsrichtung betrachtet unmittelbar hinter der Brennstoffzelleneinheit angeordnet. Insbesondere sind in Fluidströmungsrichtung betrachtet zwischen der Brennstoffzelleneinheit und der Reformereinheit keine, das Anodenabgas thermisch und/oder chemisch beeinflussenden, Einheiten und/oder Baugruppen angeordnet. In this context, a "reformer unit" is intended in particular to be a chemical-technical unit for at least treating at least one hydrocarbon-containing fuel, in particular by steam reforming and / or partial oxidation and / or autothermal reforming, in particular for obtaining the at least one fuel gas , in particular hydrogen, and / or for breaking up higher-chain alkenes. Furthermore, the fuel cell device in particular has a recirculation circuit. In this context, a "recirculation circuit" is to be understood as meaning, in particular, a connection unit which is provided for transporting, in particular, liquid and / or gaseous substances and / or substance mixtures. In particular, the recirculation circuit comprises a hollow conduit, for example at least one pipe and / or hose line. The recirculation circuit is provided, in particular, for supplying to the reformer unit a particular specified percentage of an exhaust gas of the fuel cell, in particular an anode exhaust gas, required in particular for a reforming process, in particular water vapor. In this context, a "fluid delivery unit" is to be understood as meaning, in particular, a unit which is provided to convey at least one fluid, in particular an anode exhaust gas and / or an anode exhaust gas / fuel gas mixture, along the recirculation circuit. In particular, the fluid delivery unit can be designed as a pump, an ejector and / or as a blower. The fluid delivery unit is viewed in the fluid flow direction between the reformer unit and the fuel cell unit arranged. The anode exhaust gas, starting from an anode of the fuel cell unit, first flows into the reformer unit together with freshly supplied fuel. An obtained from the anode exhaust gas and the fuel reformate first flows through the fluid delivery unit and is supplied to the anode of the fuel cell device. The reformer unit is arranged immediately behind the fuel cell unit when viewed in the fluid flow direction. In particular, viewed in the fluid flow direction between the fuel cell unit and the reformer unit no, the anode exhaust gas thermally and / or chemically influencing units and / or assemblies are arranged.

Durch eine derartige Ausgestaltung kann eine gattungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung mit vorteilhaften Betriebseigenschaften bereitgestellt werden. Insbesondere kann durch die in Fluidströmungsrichtung betrachtete Anordnung der Fluidfördereinheit zwischen der Reformereinheit und der Brennstoffzelleneinheit, und der damit verbundenen Anordnung der Reformereinheit unmittelbar hinter der Brennstoffzelleneinheit das hohe Temperaturniveau des Anodenabgases vorteilhaft für einen Reformierungsprozess innerhalb der Reformereinheit genutzt werden. Hierdurch kann vorteilhaft eine Reduzierung einzukoppelnder Wärme erreicht werden, wodurch die Reformereinheit vorteilhaft kompakt ausgeführt werden kann. Im Vergleich zu einer aus dem Stand der Technik bekannten Brennstoffzellenvorrichtung, bei welcher eine Reformereinheit in Strömungsrichtung betrachtet zwischen einer Fluidfördereinheit und einer Brennstoffzelleneinheit angeordnet ist, ergibt sich der Vorteil, dass notwendigerweise durchzuführende Änderungen eines Temperaturniveaus eines Fluids innerhalb des Rezirkulationskreises betragsmäßig in Summe geringer ausfallen. Ferner kann das Risiko einer Rußbildung vorteilhaft verringert werden, da ein Reformereduktgemisch, welches höherkettige Kohlenwasserstoffe enthalten kann, nicht vorgewärmt werden muss. By such a configuration, a generic fuel cell device can be provided with advantageous operating characteristics. In particular, by arranging the fluid delivery unit between the reformer unit and the fuel cell unit, and the arrangement of the reformer unit immediately downstream of the fuel cell unit, as viewed in the fluid flow direction, the high temperature level of the anode exhaust gas can be advantageously used for a reforming process within the reformer unit. In this way, advantageously, a reduction of heat to be coupled in can be achieved, as a result of which the reformer unit can advantageously be made compact. Compared to a known from the prior art fuel cell apparatus, in which a reformer unit viewed in the flow direction between a fluid delivery unit and a fuel cell unit is arranged, there is the advantage that necessarily be carried out changes in a temperature level of a fluid within the recirculation circuit in terms of absolute value in sum. Furthermore, the risk of soot formation can be advantageously reduced since a reformer reduct mixture which may contain higher-chain hydrocarbons need not be preheated.

Ferner wird vorgeschlagen, eine Temperatur des Anodenabgases zwischen einem Austritt aus der Brennstoffzelleneinheit und einem Eintritt in die Reformereinheit um höchstens 15 %, vorzugsweise um höchstens 10 % und besonders bevorzugt um höchstens 5 % abnimmt. Insbesondere beträgt eine insbesondere negative Abweichung der Temperatur des Anodengases von einer Austrittstemperatur des Anodenabgases aus der Brennstoffzelleneinheit an jedem Punkt eines Fluidströmungspfades zwischen der Brennstoffzelleneinheit und der Reformereinheit maximal 15 %, vorzugsweise um höchstens 10 % und besonders bevorzugt um höchstens 5 %. Insbesondere beträgt eine Austrittstemperatur des Anodenabgases beim Austritt aus der Brennstoffzelleneinheit zumindest 650°C, vorzugsweise zumindest 700°C und besonders bevorzug zumindest 750°C. Insbesondere nimmt die Temperatur des Anodenabgases zwischen einem Austritt aus der Brennstoffzelleneinheit und einem Eintritt in die Reformereinheit zumindest im Wesentlichen lediglich aufgrund einer Zumischung von frischem Brennstoff ab. Eine Eintrittstemperatur des Anodenabgases und/oder des Anodenabgas-Brennstoff-Gemischs beträgt insbesondere zumindest 550°C, vorzugsweise zumindest 600°C und besonders bevorzugt zumindest 650°C. Hierdurch kann das hohe Temperaturniveau des Anodenabgases vorteilhaft für einen Reformierungsprozess innerhalb der Reformereinheit genutzt werden.It is also proposed that a temperature of the anode exhaust gas between an exit from the fuel cell unit and an entry into the reformer unit decreases by at most 15%, preferably by at most 10% and particularly preferably by at most 5%. In particular, a particular negative deviation of the temperature of the anode gas from an exit temperature of the anode exhaust gas from the fuel cell unit at each point of a fluid flow path between the fuel cell unit and the reformer unit is at most 15%, preferably at most 10% and more preferably at most 5%. In particular, an exit temperature of the anode exhaust gas at the outlet from the fuel cell unit is at least 650 ° C., preferably at least 700 ° C. and particularly preferably at least 750 ° C. In particular, the temperature of the anode exhaust gas decreases between an exit from the fuel cell unit and an entry into the reformer unit at least substantially only due to an admixture of fresh fuel. An inlet temperature of the anode exhaust gas and / or the anode exhaust gas-fuel mixture is in particular at least 550 ° C, preferably at least 600 ° C and particularly preferably at least 650 ° C. As a result, the high temperature level of the anode exhaust gas can be used advantageously for a reforming process within the reformer unit.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass eine Fluidleitung zwischen der Brennstoffzelleneinheit und der Reformereinheit frei von Temperiereinheiten ist. Unter einer „Temperiereinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine technische Einheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, ein Fluid, insbesondere ein Gas und/oder ein Gasgemisch, durch eine Zuführung und/oder einer Ableitung von thermischer Energie zu erwärmen und/oder zu kühlen. Insbesondere kann eine Temperiereinheit als ein Wärmeübertrager und/oder als eine elektrische und/oder chemische Heiz- und/oder Kühleinheit ausgebildet sein. Hierdurch kann die thermische Energie des Anodenabgases vorteilhaft verlustarm an die Reformereinheit übertragen werden.Furthermore, it is proposed that a fluid line between the fuel cell unit and the reformer unit is free of tempering units. In this context, a "tempering unit" should be understood to mean, in particular, a technical unit which is intended to heat and / or to supply a fluid, in particular a gas and / or a gas mixture, by supplying and / or dissipating thermal energy cool. In particular, a tempering unit can be designed as a heat exchanger and / or as an electrical and / or chemical heating and / or cooling unit. As a result, the thermal energy of the anode exhaust gas can advantageously be transferred to the reformer unit with little loss.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest eine Brennstoffzuleitung aufweist, welche dazu vorgesehen ist, den Brennstoff in Fluidströmungsrichtung betrachtet zwischen der Brennstoffzelleneinheit und der Reformereinheit einzuleiten. Vorzugsweise weist die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest eine Mischeinheit auf, welche dazu vorgesehen ist, den Brennstoff mit dem Anodenabgas zu vermischen und welche in Fluidströmungsrichtung betrachtet zwischen der Brennstoffzelleneinheit und der Reformereinheit angeordnet ist. Insbesondere ist die Mischeinheit innerhalb einer Fluidleitung, welche dazu vorgesehen ist, das Anodenabgas von der Brennstoffzelleneinheit zu der Reformereinheit zu leiten, angeordnet und/oder einstückig mit der Fluidleitung, welche dazu vorgesehen ist, das Anodenabgas von der Brennstoffzelleneinheit zu der Reformereinheit zu leiten, ausgebildet. Unter „einstückig“ soll insbesondere zumindest stoffschlüssig verbunden verstanden werden, beispielsweise durch einen Schweißprozess, einen Klebeprozess, einen Anspritzprozess und/oder einen anderen, dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Prozess, und/oder vorteilhaft in einem Stück geformt verstanden werden, wie beispielsweise durch eine Herstellung aus einem Guss und/oder durch eine Herstellung in einem Ein- oder Mehrkomponentenspritzverfahren und vorteilhaft aus einem einzelnen Rohling. Insbesondere ist die Brennstoffzuleitung dazu vorgesehen, den Brennstoff in die Mischeinheit einzuleiten. Hierdurch können eine vorteilhafte Zuführung des Brennstoffs und eine vorteilhafte Vermischung des Brennstoffs mit dem Anodenabgas erfolgen.Furthermore, it is proposed that the fuel cell device has at least one fuel feed line, which is intended to introduce the fuel viewed in the fluid flow direction between the fuel cell unit and the reformer unit. Preferably, the fuel cell device has at least one mixing unit which is provided to mix the fuel with the anode exhaust gas and which is arranged in the fluid flow direction between the fuel cell unit and the reformer unit. Specifically, the mixing unit is disposed within a fluid passage provided to guide the anode off gas from the fuel cell unit to the reformer unit and / or integrally formed with the fluid passage provided to guide the anode off gas from the fuel cell unit to the reformer unit , By "one piece" should be understood in particular at least materially connected connected, for example, by a welding process, a gluing process, a Anspritzprozess and / or another, the skilled person appear useful process, and / or advantageously formed in one piece, such as by a Manufacture from a casting and / or by a production in a one- or multi-component injection molding process and advantageously from a single blank. In particular, the fuel supply line is provided to the fuel in the mixing unit initiate. As a result, an advantageous supply of the fuel and an advantageous mixing of the fuel with the anode exhaust gas can take place.

Ferner wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest einen Wärmeübertrager aufweist, welcher in Fluidströmungsrichtung betrachtet hinter der Reformereinheit angeordnet und dazu vorgesehen ist, ein aus der Reformereinheit austretendes Fluid vor einem Eintritt in die Fluidfördereinheit zu kühlen. Unter einem „Wärmeübertrager“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, Wärme in Richtung eines Temperaturgefälles zwischen zumindest zwei insbesondere fluiden Stoffströmen zu übertragen, insbesondere in einem Gegenstrombetrieb, Kreuzstrombetrieb und/oder Gleichstromprinzip. Der Wärmeübertrager ist insbesondere dazu vorgesehen, Wärme von dem aus der Reformereinheit austretenden Fluid insbesondere auf ein Kühlfluid zu übertragen. Vorzugsweise weist die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest einen weiteren Wärmeübertrager auf, welcher in Fluidströmungsrichtung betrachtet hinter der Fluidfördereinheit angeordnet und dazu vorgesehen ist, ein aus der Fluidfördereinheit austretendes Fluid vor einem Eintritt in die Brennstoffzelleneinheit zu erwärmen. Der Wärmeübertrager ist insbesondere dazu vorgesehen, Wärme von einem Heizmedium auf das aus der Fluidfördereinheit austretende Fluid zu übertragen. Hierdurch kann eine vorteilhafte Temperierung von Fluidströmen innerhalb der Brennstoffzellenvorrichtung erfolgen.It is further proposed that the fuel cell device has at least one heat exchanger, which, viewed in the fluid flow direction, is arranged behind the reformer unit and is provided to cool a fluid emerging from the reformer unit from entering the fluid conveying unit. A "heat exchanger" should be understood in this context, in particular a unit which is intended to transfer heat in the direction of a temperature gradient between at least two particular fluid streams, in particular in a countercurrent operation, cross-flow operation and / or DC principle. The heat exchanger is in particular provided to transfer heat from the fluid emerging from the reformer unit, in particular, to a cooling fluid. Preferably, the fuel cell device has at least one further heat exchanger which, viewed in the fluid flow direction, is arranged behind the fluid delivery unit and is provided to heat a fluid emerging from the fluid delivery unit from entering the fuel cell unit. The heat exchanger is in particular provided to transfer heat from a heating medium to the fluid emerging from the fluid delivery unit. This allows an advantageous temperature control of fluid flows within the fuel cell device.

Des Weiteren wird ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung vorgeschlagen. Insbesondere kann das Brennstoffzellensystem eine Entschwefelungseinheit eine der Reformereinheit strömungstechnisch vorgeschaltete Entschwefelungseinheit aufweisen. Unter einer „Entschwefelungseinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, vorzugsweise durch zumindest ein physikalisches und/oder chemisches Adsorptionsverfahren und/oder Absorptionsverfahren, einen Volumen- oder Molanteil an Schwefelverbindungen in dem fluidischen Brennstoff unter einen festgelegten Grenzwert zu senken und vorzugsweise zumindest im Wesentlichen aus dem fluidischen Brennstoff zu entfernen. Hierdurch kann ein vorteilhaft kompaktes Brennstoffzellensystem bereitgestellt werden.Furthermore, a fuel cell system with at least one fuel cell device according to the invention is proposed. In particular, the fuel cell system may comprise a desulfurization unit of a desulfurization unit upstream of the reformer unit. In this context, a "desulfurization unit" should 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, with a volume or molar proportion of sulfur compounds in the fluid fuel below a specified limit value to be lowered and preferably at least substantially removed from the fluidic fuel. As a result, an advantageously compact fuel cell system can be provided.

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 den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.Further advantages emerge from the following description of the drawing. In the drawings, an embodiment of the invention is shown. The drawings, the description and the claims contain numerous features in combination. The person skilled in the art will expediently also consider the features individually and combine them into meaningful further combinations.

Es zeigen:Show it:

1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzellenvorrichtung, bei welcher eine Fluidfördereinheit in Fluidströmungsrichtung betrachtet zwischen einer Reformereinheit und einer Brennstoffzelleneinheit angeordnet ist. 1 a schematic representation of a fuel cell system with a fuel cell device, in which a fluid conveying unit viewed in the fluid flow direction between a reformer unit and a fuel cell unit is arranged.

Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 38 mit einer Brennstoffzellenvorrichtung 10. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 ist dazu vorgesehen, mit einem fluidischen Brennstoff 12, beispielsweise Erdgas, betrieben zu werden. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 weist eine Brennstoffzelleneinheit 14 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 14 ist hier vereinfacht als eine Brennstoffzelle 40 dargestellt. Zweckmäßig ist jedoch eine Ausbildung einer Brennstoffzelleneinheit als ein Brennstoffzellenstack mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen. Die Brennstoffzelleneinheit 14 weist eine Anode 42 und eine Kathode 44 auf. Der Anode 42 wird während eines Betriebs der Brennstoffzelleneinheit 14 ein aus dem Brennstoff 12 gewonnenes Brenngas 46, insbesondere Wasserstoff, zugeführt. Der Kathode 44 wird während eines Betriebs der Brennstoffzelleneinheit 14 ein Kathodengas 48, insbesondere Luftsauerstoff, zugeführt. Das Brennstoffzellensystem 38 weist eine der Brennstoffzelleneinheit 14 strömungstechnisch vorgeschaltete Entschwefelungseinheit 50 auf. Die Entschwefelungseinheit 50 ist dazu vorgesehen, den Brennstoff 12 zumindest im Wesentlichen zu entschwefeln. Zur Gewinnung des Brenngases 46 weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine der Entschwefelungseinheit 50 strömungstechnisch nachgeschaltete Reformereinheit 16 auf. Der Brennstoff 12 wird während eines Betriebs der Brennstoffzelleneinheit 14 über eine Versorgungsleitung 52 in das Brennstoffzellensystem 38 eingespeist. Der Brennstoff 12 wird mittels eines Verdichters 54 gefördert. Das Kathodengas 48 wird über eine weitere Versorgungsleitung 56 in das Brennstoffzellensystem 38 eingespeist. Das Kathodengas 48 wird mittels eines Verdichters 58 gefördert. Vor Eintritt in die Kathode 44 der Brennstoffzelleneinheit 14 wird das Kathodengas 48 mittels eines Wärmeübertragers 60 erwärmt. 1 shows a schematic representation of a fuel cell system 38 with a fuel cell device 10 , The fuel cell device 10 is intended to be with a fluidic fuel 12 , for example natural gas, to be operated. The fuel cell device 10 has a fuel cell unit 14 on. The fuel cell unit 14 is simplified here as a fuel cell 40 shown. However, it is expedient to design a fuel cell unit as a fuel cell stack with a multiplicity of fuel cells. The fuel cell unit 14 has an anode 42 and a cathode 44 on. The anode 42 is during operation of the fuel cell unit 14 one out of the fuel 12 recovered fuel gas 46 , in particular hydrogen, supplied. The cathode 44 is during operation of the fuel cell unit 14 a cathode gas 48 , in particular atmospheric oxygen supplied. The fuel cell system 38 has one of the fuel cell unit 14 fluidically upstream desulfurization 50 on. The desulfurization unit 50 is meant to be the fuel 12 at least essentially to desulphurise. For the production of the fuel gas 46 has the fuel cell device 10 one of the desulfurization unit 50 fluidically downstream reformer unit 16 on. The fuel 12 is during operation of the fuel cell unit 14 via a supply line 52 in the fuel cell system 38 fed. The fuel 12 is by means of a compressor 54 promoted. The cathode gas 48 is via another supply line 56 in the fuel cell system 38 fed. The cathode gas 48 is by means of a compressor 58 promoted. Before entering the cathode 44 the fuel cell unit 14 becomes the cathode gas 48 by means of a heat exchanger 60 heated.

Ferner weist das Brennstoffzellensystem 38 einen Nachbrenner 62 auf. Der Nachbrenner 62 ist der Brennstoffzelleneinheit 14 strömungstechnisch nachgeschaltet. Dem Nachbrenner 62 wird ein Teil eines Anodenabgases 22 der Brennstoffzelleneinheit 14 zugeführt. Der Nachbrenner 62 ist dazu vorgesehen, in dem Anodenabgas 22 der Brennstoffzelleneinheit 14 verbliebene brennbare Stoffe, insbesondere nicht umgesetzten Wasserstoff, zu verbrennen. Ein für einen Betrieb des Nachbrenners 62 benötigter Sauerstoff wird dem Nachbrenner 62 in Form eines Kathodenabgases 64 der Brennstoffzelleneinheit 14 zugeführt. Ein Abgas 66 des Nachbrenners 62 wird aus dem Brennstoffzellensystem 38 ausgeleitet. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 weist ferner einen Rezirkulationskreis 68 auf, welcher zu einer teilweisen Rezirkulation des wasserstoff- und wasserhaltigen Anodenabgases 22 der Brennstoffzelleneinheit 14 vorgesehen ist. Furthermore, the fuel cell system 38 an afterburner 62 on. The afterburner 62 is the fuel cell unit 14 downstream flow. The afterburner 62 becomes a part of an anode exhaust gas 22 the fuel cell unit 14 fed. The afterburner 62 is intended to be in the anode exhaust gas 22 the fuel cell unit 14 remaining flammable substances, especially unreacted hydrogen to burn. One for an operation of the afterburner 62 required oxygen becomes the afterburner 62 in the form of a cathode exhaust gas 64 the fuel cell unit 14 fed. An exhaust 66 of the afterburner 62 gets out of the fuel cell system 38 discharged. The fuel cell device 10 also has a recirculation circuit 68 which leads to a partial recirculation of the hydrogen and hydrogen-containing anode exhaust gas 22 the fuel cell unit 14 is provided.

Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 weist eine Fluidfördereinheit 18 auf, welche innerhalb des Rezirkulationskreises 68 angeordnet ist. Die Fluidfördereinheit 18 ist dazu vorgesehen zumindest ein Fluid innerhalb des Rezirkulationskreises 68 zu fördern. Insbesondere ist die Fluidfördereinheit 18 als ein Rezirkulationsgebläse ausgebildet. Die Fluidfördereinheit 18 ist in Fluidströmungsrichtung 20 innerhalb des Rezirkulationskreises 68 betrachtet zwischen der Reformereinheit 16 und der Brennstoffzelleneinheit 14 angeordnet. Die Reformereinheit 16 ist in Fluidströmungsrichtung 20 betrachtet unmittelbar hinter der Brennstoffzelleneinheit 14 angeordnet. Eine Temperatur des Anodenabgases 22 zwischen einem Austritt aus der Brennstoffzelleneinheit 14 und einem Eintritt in die Reformereinheit 16 nimmt um höchstens 15 % ab. Eine Fluidleitung 24 zwischen der Brennstoffzelleneinheit 14 und der Reformereinheit 16 ist frei von Temperiereinheiten, wie beispielsweise Wärmeübertragern und/oder Heiz- oder Kühleinheiten.The fuel cell device 10 has a fluid delivery unit 18 on which within the recirculation circuit 68 is arranged. The fluid delivery unit 18 is provided at least one fluid within the recirculation circuit 68 to promote. In particular, the fluid delivery unit 18 designed as a recirculation fan. The fluid delivery unit 18 is in the fluid flow direction 20 within the recirculation circuit 68 considered between the reformer unit 16 and the fuel cell unit 14 arranged. The reformer unit 16 is in the fluid flow direction 20 considered immediately behind the fuel cell unit 14 arranged. A temperature of the anode exhaust gas 22 between an exit from the fuel cell unit 14 and an entry into the reformer unit 16 decreases by a maximum of 15%. A fluid line 24 between the fuel cell unit 14 and the reformer unit 16 is free of tempering units, such as heat exchangers and / or heating or cooling units.

Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 weist eine Brennstoffzuleitung 26 auf, welche dazu vorgesehen ist, den zuvor entschwefelten Brennstoff 12 in Fluidströmungsrichtung 20 betrachtet zwischen der Brennstoffzelleneinheit 14 und der Reformereinheit 16 einzuleiten. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 weist ferner eine Mischeinheit 28 auf, welche dazu vorgesehen ist, den über die Brennstoffzuleitung 26 zugeführten Brennstoff 12 mit dem Anodenabgas 22 zu vermischen und welche in Fluidströmungsrichtung 20 betrachtet zwischen der Brennstoffzelleneinheit 14 und der Reformereinheit 16 angeordnet ist. Des Weiteren weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10 einen Wärmeübertrager 30 auf, welcher in Fluidströmungsrichtung 20 betrachtet hinter der Reformereinheit 16 angeordnet und dazu vorgesehen ist, ein aus der Reformereinheit 16 austretendes Fluid 32 vor einem Eintritt in die Fluidfördereinheit 18 zu kühlen. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 weist ferner einen weiteren Wärmeübertrager 34 auf, welcher in Fluidströmungsrichtung 20 betrachtet hinter der Fluidfördereinheit 18 angeordnet und dazu vorgesehen ist, ein aus der Fluidfördereinheit 18 austretendes Fluid 36 vor einem Eintritt in die Brennstoffzelleneinheit 14 zu erwärmen.The fuel cell device 10 has a fuel supply line 26 which is intended to the previously desulfurized fuel 12 in the fluid flow direction 20 considered between the fuel cell unit 14 and the reformer unit 16 initiate. The fuel cell device 10 also has a mixing unit 28 on, which is intended, the on the fuel supply line 26 supplied fuel 12 with the anode exhaust gas 22 to mix and which in the fluid flow direction 20 considered between the fuel cell unit 14 and the reformer unit 16 is arranged. Furthermore, the fuel cell device 10 a heat exchanger 30 on, which in the fluid flow direction 20 considered behind the reformer unit 16 arranged and intended, one from the reformer unit 16 leaking fluid 32 before entering the fluid delivery unit 18 to cool. The fuel cell device 10 also has another heat exchanger 34 on, which in the fluid flow direction 20 considered behind the fluid delivery unit 18 arranged and provided for, one from the fluid delivery unit 18 leaking fluid 36 before entering the fuel cell unit 14 to warm up.

Während eines Betriebs der Brennstoffzelleneinheit 14 tritt das Anodenabgas 22 mit einer Temperatur von circa 750°C aus der Anode 42 der Brennstoffzelleneinheit 14 aus. Die Anode 42 der Brennstoffzelleneinheit 14 ist strömungstechnisch unmittelbar mit der Reformereinheit 16 verbunden. Ein Teil des Anodenabgases 22, insbesondere circa 70 % des Anodenabgases 22, wird dem Nachbrenner 62 zugeführt. Ein weiterer Teil des Anodenabgases 22, insbesondere circa 30 % des Anodenabgases 22, wird in der Mischeinheit 28 mit über die Brennstoffzuleitung 26 zugeführtem Brennstoff 12 vermischt und unmittelbar der Reformereinheit 16 zugeführt. Eine Eintrittstemperatur des Anodenabgas-Brennstoff-Gemischs in die Reformereinheit 16 beträgt circa 660°C. Ein aus der Reformereinheit 16 austretendes Fluid 32, insbesondere ein Reformat, weist eine Temperatur von circa 550°C auf. Das aus der Reformereinheit 16 austretende Fluid 32 wird vor einem Eintritt in die Fluidfördereinheit 18 durch den Wärmeübertrager 30 auf circa 140°C gekühlt. Ein aus der Fluidfördereinheit 18 austretendes Fluid 36 wird vor einem Eintritt in die Brennstoffzelleneinheit 14, insbesondere vor einem Eintritt in die Anode 42 der Brennstoffzelleneinheit 14, durch den weiteren Wärmeübertrager 34 auf eine benötigte Prozesstemperatur von circa 700°C erwärmt.During operation of the fuel cell unit 14 occurs the anode exhaust gas 22 at a temperature of about 750 ° C from the anode 42 the fuel cell unit 14 out. The anode 42 the fuel cell unit 14 is fluidically directly with the reformer unit 16 connected. Part of the anode exhaust 22 , in particular about 70% of the anode exhaust gas 22 , becomes the afterburner 62 fed. Another part of the anode exhaust gas 22 , in particular about 30% of the anode exhaust gas 22 , is in the mixing unit 28 with over the fuel supply line 26 supplied fuel 12 mixed and immediately the reformer unit 16 fed. An inlet temperature of the anode exhaust gas-fuel mixture in the reformer unit 16 is about 660 ° C. One from the reformer unit 16 leaking fluid 32 , in particular a reformate, has a temperature of about 550 ° C. That from the reformer unit 16 exiting fluid 32 is prior to entry into the fluid delivery unit 18 through the heat exchanger 30 cooled to about 140 ° C. One from the fluid delivery unit 18 leaking fluid 36 is prior to entry into the fuel cell unit 14 , in particular before entering the anode 42 the fuel cell unit 14 , through the further heat exchanger 34 heated to a required process temperature of about 700 ° C.

Claims

Fuel cell device, which is provided with a fluidic fuel ( 12 ) with a fuel cell unit ( 14 ), with a reformer unit ( 16 ), which for generating at least one fuel gas ( 46 ) for the fuel cell unit ( 14 ), and with a fluid delivery unit ( 18 ), which is intended to at least a part of an anode exhaust gas ( 22 ) of the fuel cell unit ( 14 ), characterized in that the fluid delivery unit ( 18 ) in the fluid flow direction ( 20 ) considered between the reformer unit ( 16 ) and the fuel cell unit ( 14 ) is arranged.

Fuel cell device according to claim 1, characterized in that the reformer unit ( 16 ) in the fluid flow direction ( 20 ) considered immediately behind the fuel cell unit ( 14 ) is arranged.

Fuel cell device according to claim 1 or 2, characterized in that a temperature of the anode exhaust gas ( 22 ) between an exit from the fuel cell unit ( 14 ) and entry into the reformer unit ( 16 ) decreases by a maximum of 15%.

Fuel cell device according to one of the preceding claims, characterized in that a fluid line ( 24 ) between the fuel cell unit ( 14 ) and the reformer unit ( 16 ) is free from tempering units.

Fuel cell device according to one of the preceding claims, characterized by at least one fuel supply line ( 26 ), which is intended to supply the fuel ( 12 ) in the fluid flow direction ( 20 ) considered between the fuel cell unit ( 14 ) and the reformer unit ( 16 ).

Fuel cell unit according to one of the preceding claims, characterized by a mixing unit ( 28 ), which is intended to supply the fuel ( 12 ) with the anode exhaust gas ( 22 ) and which in the fluid flow direction ( 20 ) considered between the fuel cell unit ( 14 ) and the reformer unit ( 16 ) is arranged.

Fuel cell device according to one of the preceding claims, characterized by at least one heat exchanger ( 30 ), which in the fluid flow direction ( 20 ) looks behind the reformer unit ( 16 ) and is intended to remove one from the reformer unit ( 16 ) escaping fluid ( 32 ) before entering the fluid delivery unit ( 18 ) to cool.

Fuel cell device according to one of the preceding claims, characterized by at least one further heat exchanger ( 34 ), which in the fluid flow direction ( 20 ) behind the fluid delivery unit ( 18 ) and is provided to one from the fluid delivery unit ( 18 ) escaping fluid ( 36 ) before entering the fuel cell unit ( 14 ) to heat.

Fuel cell system with at least one fuel cell device ( 10 ) according to any one of the preceding claims.