DE102016215973A1 - fuel cell device - Google Patents

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Ralf Brandenburger
Timo Bosch
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Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Brennstoffzellenvorrichtung (10), welche dazu vorgesehen ist, mit zumindest im Wesentlichen reinem Wasserstoff (36) betrieben zu werden, mit einer Festoxidbrennstoffzelleneinheit (12), einem Rezirkulationskreis (14), welcher zu einer Rückführung eines wasserstoff- und wasserhaltigen Anodenabgases der Festoxidbrennstoffzelleneinheit (12) zu einer zumindest teilweisen Vermischung mit dem Wasserstoff (36) vorgesehen ist. Es wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung (10) eine Wasserabscheideeinheit (16) aufweist, welche innerhalb des Rezirkulationskreises (14) angeordnet ist und welche dazu vorgesehen ist, Wasser aus dem Anodenabgas abzuscheiden.The invention is based on a fuel cell device (10), which is intended to be operated with at least substantially pure hydrogen (36), with a solid oxide fuel cell unit (12), a recirculation circuit (14) which leads to a recycling of a hydrogen and water-containing anode exhaust gas of the solid oxide fuel cell unit (12) is provided for at least partial mixing with the hydrogen (36). It is proposed that the fuel cell device (10) has a Wasserabscheideeinheit (16), which is disposed within the recirculation circuit (14) and which is intended to separate water from the anode exhaust gas.

Description

Stand der TechnikState of the art

Es ist bereits eine Brennstoffzellenvorrichtung, welche dazu vorgesehen ist, mit zumindest im Wesentlichen reinem Wasserstoff betrieben zu werden, mit einer Festoxidbrennstoffzelleneinheit, einem Rezirkulationskreis, welcher zu einer Rückführung eines wasserstoff- und wasserhaltigen Anodenabgases der Festoxidbrennstoffzelleneinheit zu einer zumindest teilweisen Vermischung mit dem Wasserstoff vorgesehen ist, vorgeschlagen worden.It is already a fuel cell device, which is intended to be operated with at least substantially pure hydrogen, with a solid oxide fuel cell unit, a Rezirkulationskreis which is provided for recycling a hydrogen and water-containing anode exhaust gas of the solid oxide fuel cell unit to at least partially mixed with the hydrogen , has been proposed.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Erfindung geht aus von einer Brennstoffzellenvorrichtung, welche dazu vorgesehen ist, mit zumindest im Wesentlichen reinem Wasserstoff betrieben zu werden, mit einer Festoxidbrennstoffzelleneinheit, einem Rezirkulationskreis, welcher zu einer Rückführung eines wasserstoff- und wasserhaltigen Anodenabgases der Festoxidbrennstoffzelleneinheit zu einer zumindest teilweisen Vermischung mit dem Wasserstoff vorgesehen ist.The invention is based on a fuel cell device, which is intended to be operated with at least substantially pure hydrogen, with a solid oxide fuel cell unit, a recirculation circuit, which leads to a return of a hydrogen and water-containing anode exhaust gas of the solid oxide fuel cell unit to at least partial mixing with the hydrogen is provided.

Es wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung eine Wasserabscheideeinheit aufweist, welche innerhalb des Rezirkulationskreises angeordnet ist und welche dazu vorgesehen ist, Wasser aus dem Anodenabgas abzuscheiden.It is proposed that the fuel cell device has a Wasserabscheideeinheit which is disposed within the recirculation circuit and which is intended to separate water from the anode exhaust gas.

Unter einer „Brennstoffzellenvorrichtung“ soll insbesondere eine Vorrichtung verstanden werden, welche insbesondere einen, insbesondere funktionstüchtigen, Bestandteil, insbesondere eine Konstruktions- und/oder Funktionskomponente, eines Brennstoffzellensystems oder das gesamte Brennstoffzellensystem ausbildet. Unter einer „Festoxidbrennstoffzelleneinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit mit zumindest einer Festoxidbrennstoffzelle verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, zumindest eine chemische Energie zumindest eines, insbesondere kontinuierlich zugeführten, Brenngases, insbesondere Wasserstoff, und zumindest eines Oxidationsmittels, insbesondere Sauerstoff, insbesondere in elektrische Energie umzuwandeln. Zum Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung wird einer Anode der Festoxidbrennstoffzelleneinheit zumindest im Wesentlichen kontinuierlich zumindest im Wesentlichen reiner Wasserstoff als Brenngas zugeführt. Einer Kathode der Festoxidbrennstoffzelleneinheit wird zu einem Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung zumindest im Wesentlichen kontinuierlich ein Kathodengas, insbesondere Sauerstoff, vorzugsweise Luftsauerstoff, als Oxidationsmittel zugeführt. Vorzugsweise umfasst die zumindest eine Festoxidbrennstoffzelleneinheit eine Vielzahl von Brennstoffzellen, welche insbesondere in einem Brennstoffzellenstack angeordnet sind. Die Brennstoffzellenvorrichtung weist eine als Festoxidbrennstoffzelleneinheit ausgebildete Festoxidbrennstoffzelleneinheit auf. 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.A "fuel cell device" should in particular be understood to mean a device which, in particular, forms a component, in particular a functional component, in particular a design and / or functional component, of a fuel cell system or the entire fuel cell system. In this context, a "solid oxide fuel cell unit" is to be understood as meaning in particular a unit having at least one solid oxide 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 at least one oxidant, in particular oxygen, in particular to convert electrical energy. For operation of the fuel cell device, an anode of the solid oxide fuel cell unit is at least substantially continuously supplied with at least substantially pure hydrogen as the fuel gas. A cathode of the solid oxide fuel cell unit is at least substantially continuously supplied with a cathode gas, in particular oxygen, preferably atmospheric oxygen, as an oxidizing agent for operation of the fuel cell device. Preferably, the at least one solid oxide fuel cell unit comprises a plurality of fuel cells, which are arranged in particular in a fuel cell stack. The fuel cell device has a solid oxide fuel cell unit formed as a solid oxide fuel cell unit. 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 „Rezirkulationskreis“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Fluidverbindung verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, ein wasserstoff- und wasserhaltiges Anodenabgas der Festoxidbrennstoffzelleneinheit einer Mischstelle zuzuführen, an welcher das Anodenabgas mit dem zumindest im Wesentlichen reinen Wasserstoff vermischt wird. Insbesondere ist der Rezirkulationskreis dazu vorgesehen, der Festoxidbrennstoffzellenvorrichtung nicht umgesetzten Wasserstoff erneut anodenseitig zuzuführen. Insbesondere ist die Mischung des Anodenabgases und des Wasserstoffs dazu vorgesehen, der Festoxidbrennstoffzelleneinheit anodenseitig zugeführt zu werden. Unter einer „Wasserabscheideeinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine physikalisch-technische und/oder chemische Einheit verstanden werden, welche insbesondere dazu vorgesehen ist, dampfförmiges und/oder disperses Wasser zumindest zu einem Großteil aus einem gasförmigen Volumenstrom abzuscheiden. Die während eines Betriebs der Brennstoffzelleneinheit durch die Wasserabscheideeinheit aus dem Anodenabgas abgeschiedene Gesamtwassermenge entspricht zumindest im Wesentlichen und vorzugsweise exakt einer Gesamtmenge eines während des Betriebs der Brennstoffzelleneinheit anodenseitig erzeugten Produktwassers. Die Wasserabscheideeinheit weist insbesondere zumindest eine Abführleitung auf, welche dazu vorgesehen ist, das abgeschiedene Wasser zumindest im Wesentlichen vollständig aus der Brennstoffzellenvorrichtung auszuleiten. Die Wasserabscheideeinheit stellt, insbesondere neben einem Kathodenausgang mit sauerstoffarmer Luft, einen Medienauslass der Brennstoffzellenvorrichtung dar. Die Wasserabscheideeinheit ist insbesondere zwischen einem Anodenabgasauslass der Festoxidbrennstoffzelleneinheit und einer Mischstelle, an welcher das Anodenabgas mit dem zumindest im Wesentlichen reinen Wasserstoff vermischt wird, angeordnet. Vorzugsweise ist die Wasserabscheideeinheit als eine Kondensationseinheit ausgebildet ist, welche dazu vorgesehen ist, Wasser durch Kondensation aus dem Anodenabgas abzuscheiden. In this context, a "recirculation circuit" should be understood as meaning, in particular, a fluid connection which is intended to supply a hydrogen- and water-containing anode exhaust gas of the solid oxide fuel cell unit to a mixing point at which the anode exhaust gas is mixed with the at least substantially pure hydrogen. In particular, the recirculation circuit is intended to supply the unreacted hydrogen to the solid oxide fuel cell device again on the anode side. In particular, the mixture of the anode exhaust gas and the hydrogen is intended to be supplied to the solid oxide fuel cell unit on the anode side. A "Wasserabscheideeinheit" should be understood in this context, in particular a physical-technical and / or chemical entity, which is particularly intended to separate vaporous and / or disperse water, at least for the most part from a gaseous flow. The total amount of water separated from the anode exhaust gas by the water separation unit during operation of the fuel cell unit corresponds at least substantially and preferably exactly to a total amount of product water produced anode-side during operation of the fuel cell unit. The water separation unit has, in particular, at least one discharge line, which is provided to discharge the separated water at least substantially completely from the fuel cell device. The Wasserabscheideeinheit represents, in particular next to a cathode outlet with oxygen-poor air, a media outlet of the fuel cell device. The Wasserabscheideeinheit is in particular between an anode exhaust outlet of the solid oxide fuel cell unit and a mixing point at which the anode exhaust gas is mixed with the at least substantially pure hydrogen, respectively. Preferably, the Wasserabscheideeinheit is designed as a condensation unit, which is intended to separate water by condensation from the anode exhaust gas.

Durch eine derartige Ausgestaltung kann eine gattungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung mit verbesserten Eigenschaften hinsichtlich Brenngasausnutzung bereitgestellt werden. Insbesondere bei einem Betrieb einer Festoxidbrennstoffzelleneinheit kann das Anodenabgas der Festoxidbrennstoffzelleneinheit vorteilhaft entwässert und der verbleibende Wasserstoff der Anode der Festoxidbrennstoffzelleneinheit wieder zugeführt werden, wodurch eine vorteilhaft hohe Brenngasausnutzung erreicht werden kann. Ferner kann vorteilhaft auf einen Nachbrenner zur Verbrennung von nicht umgesetztem Wasserstoff im Anodenabgas verzichtet werden.By such a configuration, a generic fuel cell device having improved fuel gas utilization characteristics can be provided. Especially at In an operation of a solid oxide fuel cell unit, the anode exhaust gas of the solid oxide fuel cell unit can be advantageously dehydrated and the remaining hydrogen can be fed back to the anode of the solid oxide fuel cell unit, whereby advantageously high fuel gas utilization can be achieved. Furthermore, it can be advantageous to dispense with an afterburner for the combustion of unreacted hydrogen in the anode exhaust gas.

Ferner wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest eine Temperiereinheit aufweist, welche dazu vorgesehen ist, zumindest einen Teil der Wasserabscheideeinheit zu temperieren. Unter einer „Temperiereinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, die Wasserabscheideeinheit durch ein Zuführen und/oder durch ein Abführen von thermischer Energie auf eine benötigte Prozesstemperatur zu bringen und/oder eine benötigte Prozesstemperatur zumindest im Wesentlichen zu halten. Insbesondere ist die Temperiereinheit dazu vorgesehen, die Wasserabscheideeinheit auf eine Prozesstemperatur zu temperieren, bei welcher der Wasseranteil des Anodenabgases auskondensiert. Vorzugsweise ist die Temperiereinheit dazu vorgesehen ist, zumindest einen Teil der Wasserabscheideeinheit zu kühlen. Vorzugsweise ist die Temperiereinheit zumindest teilweise von einem Wärmeübertrager gebildet. 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 zumindest einem fluiden Stoffstrom, insbesondere einem Anodenabgas der Festoxidbrennstoffzelleneinheit, insbesondere auf ein Kühlfluid, welches in zumindest einem Betriebszustand der Temperiereinheit zugeführt ist, zu übertragen. Die Temperiereinheit ist zumindest teilweise thermisch mit der Wasserabscheideeinheit gekoppelt. Insbesondere ist die Temperiereinheit zumindest teilweise einstückig mit der Wasserabscheideeinheit 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 Einoder Mehrkomponentenspritzverfahren und vorteilhaft aus einem einzelnen Rohling. Hierdurch kann ein vorteilhaft zuverlässiges und/oder effektives Abscheiden von Wasser aus dem Anodenabgas erreicht werden. Insbesondere kann durch eine Temperierung der Wasserabscheideeinheit ein vorteilhaft zuverlässiges und/oder effektives Auskondensieren des Wassers aus dem Anodenabgas erreicht werden.It is also proposed that the fuel cell device has at least one tempering unit, which is intended to temper at least a part of the water separation unit. In this context, a "tempering unit" should be understood as meaning, in particular, a unit which is intended to bring the water separation unit to a required process temperature by supplying and / or discharging thermal energy and / or at least substantially to a required process temperature hold. In particular, the tempering unit is provided for tempering the water separation unit to a process temperature at which the water content of the anode exhaust gas condenses out. Preferably, the temperature control unit is intended to cool at least a portion of the Wasserabscheideeinheit. Preferably, the temperature control unit is at least partially formed by a heat exchanger. 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 at least one fluid material flow, in particular an anode exhaust gas of the solid oxide fuel cell unit, in particular to a cooling fluid which is supplied in at least one operating state of the temperature control unit. The tempering unit is at least partially thermally coupled to the Wasserabscheideeinheit. In particular, the tempering unit is at least partially formed integrally with the Wasserabscheideeinheit. 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 single or multi-component injection molding process and advantageously from a single blank. As a result, an advantageously reliable and / or effective separation of water from the anode exhaust gas can be achieved. In particular, can be achieved by tempering the Wasserabscheideeinheit an advantageously reliable and / or effective condensation of the water from the anode exhaust gas.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest eine Bypassleitung für eine Kathodengaszuführung aufweist, welche dazu vorgesehen ist, der Wasserabscheideeinheit zu einer Temperierung der Wasserabscheideeinheit zumindest eine Teilmenge eines Kathodengases zuzuführen. Unter einer „Bypassleitung“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Fluidleitung verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, zumindest einen Teil eines Kathodengasstroms von einer Kathodengaszuleitung, welche dazu vorgesehen ist, das Kathodengas einer Kathode der Festoxidbrennstoffzelleneinheit zuzuführen, abzuzweigen, über die Wasserabscheideeinheit, insbesondere über eine Temperiereinheit der Wasserabscheideeinheit, umzuleiten und der Kathode der Festoxidbrennstoffzelleneinheit zuzuführen. Hierdurch kann vorteilhaft einfach eine Kühlung der Wasserabscheideeinheit erreicht werden.Furthermore, it is proposed that the fuel cell device has at least one bypass line for a cathode gas supply, which is provided to supply at least a subset of a cathode gas to the Wasserabscheideeinheit to a temperature of the Wasserabscheideeinheit. A "bypass line" is to be understood in this context, in particular a fluid line, which is intended to branch off at least a portion of a cathode gas flow from a cathode gas supply, which is intended to supply the cathode gas to a cathode of the solid oxide fuel cell unit, via the Wasserabscheideeinheit, in particular via a temperature control unit of the Wasserabscheideeinheit, redirect and supply the cathode of the solid oxide fuel cell unit. This can advantageously be achieved simply cooling the Wasserabscheideeinheit.

Ferner wird vorgeschlagen, dass die Bypassleitung zumindest ein Ventil aufweist, welches dazu vorgesehen ist, einen der Wasserabscheideeinheit zugeführten Kathodengasvolumenstrom zu steuern und/oder zu regeln. Insbesondere ist das Ventil als ein insbesondere elektromagnetisch und/oder elektromotorisch Proportionalventil ausgebildet. Insbesondere ist das Ventil der Wasserabscheideeinheit, insbesondere der Temperiereinheit der Wasserabscheideeinheit, strömungstechnisch vorgeschaltet. Hierdurch kann ein der Wasserabscheideeinheit, insbesondere der Temperiereinheit der Wasserabscheideeinheit, zugeführter Kathodengasvolumenstrom vorteilhaft geregelt und/oder gesteuert werden. Insbesondere kann eine Kühlwirkung der Temperiereinheit vorteilhaft entkoppelt von einem der Kathode der Festoxidbrennstoffzelleneinheit zugeführten Kathodengasvolumenstrom geregelt werden.It is also proposed that the bypass line has at least one valve which is provided to control and / or regulate a cathode gas volume flow supplied to the water separation unit. In particular, the valve is designed as a particular electromagnetic and / or electric motor proportional valve. In particular, the valve of the Wasserabscheideeinheit, in particular the temperature control unit of the Wasserabscheideeinheit, upstream of flow. In this way, a cathode gas volume flow supplied to the water separation unit, in particular the temperature control unit of the water separation unit, can advantageously be regulated and / or controlled. In particular, a cooling effect of the temperature control unit can advantageously be regulated decoupled from a cathode gas volume flow supplied to the cathode of the solid oxide fuel cell unit.

Zudem wird ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung vorgeschlagen. Hierdurch kann ein Brennstoffzellensystem mit verbesserten Eigenschaften hinsichtlich Brenngasausnutzung bereitgestellt werden. Insbesondere bei einem Betrieb einer Festoxidbrennstoffzelleneinheit kann ein Anodenabgas der Festoxidbrennstoffzelleneinheit vorteilhaft entwässert und der verbleibende Wasserstoff der Anode der Festoxidbrennstoffzelleneinheit wieder zugeführt werden, wodurch eine vorteilhaft hohe Brenngasausnutzung erreicht werden kann. Ferner kann vorteilhaft auf einen Nachbrenner zur Verbrennung von nicht umgesetztem Wasserstoff im Anodenabgas verzichtet werden.In addition, a fuel cell system with at least one fuel cell device according to the invention is proposed. Thereby, a fuel cell system having improved fuel gas utilization characteristics can be provided. In particular, in an operation of a solid oxide fuel cell unit, an anode exhaust gas of the solid oxide fuel cell unit can be advantageously dehydrated and the remaining hydrogen of the anode of the solid oxide fuel cell unit can be fed back, whereby an advantageous high fuel gas utilization can be achieved. Furthermore, it can be advantageous to dispense with an afterburner for the combustion of unreacted hydrogen in the anode exhaust gas.

Ferner wird ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellenvorrichtung vorgeschlagen, welche dazu vorgesehen ist, mit zumindest im Wesentlichen reinem Wasserstoff betrieben zu werden, mit einer Festoxidbrennstoffzelleneinheit, einem Rezirkulationskreis, welcher zu einer Rückführung eines wasserstoff- und wasserhaltigen Anodenabgases der Festoxidbrennstoffzelleneinheit zu einer zumindest teilweisen Vermischung mit dem Wasserstoff vorgesehen ist, wobei Wasser innerhalb des Rezirkulationskreises aus dem Anodenabgas abgeschieden wird. Insbesondere wird das Wasser durch Kondensation aus dem Anodenabgas abgeschieden. Insbesondere wird das Wasser mittels einer als Kondensationseinheit ausgebildeten Wasserabscheideeinheit abgeschieden, welche mittels einer Zuführung eines Teils eines Kathodengasstroms temperiert, insbesondere gekühlt, wird. Hierdurch kann ein Anodenabgas der Festoxidbrennstoffzelleneinheit vorteilhaft entwässert und der verbleibende Wasserstoff der Anode der Festoxidbrennstoffzelleneinheit wieder zugeführt werden, wodurch eine vorteilhaft hohe Brenngasausnutzung erreicht werden kann. Ferner kann vorteilhaft auf einen Nachbrenner zur Verbrennung von nicht umgesetztem Wasserstoff im Anodenabgas verzichtet werden. Furthermore, a method for operating a fuel cell device is proposed, which is intended to be operated with at least substantially pure hydrogen, with a solid oxide fuel cell unit, a recirculation, which leads to a return of a hydrogen and water-containing anode exhaust gas of the solid oxide fuel cell unit to at least partial mixing the hydrogen is provided, wherein water is separated from the anode exhaust gas within the recirculation circuit. In particular, the water is separated by condensation from the anode exhaust gas. In particular, the water is separated off by means of a water separation unit designed as a condensation unit, which is tempered, in particular cooled, by means of a supply of a part of a cathode gas stream. As a result, an anode exhaust gas of the solid oxide fuel cell unit can advantageously be dewatered and the remaining hydrogen can be fed back to the anode of the solid oxide fuel cell unit, as a result of which advantageously high fuel gas utilization can be achieved. Furthermore, it can be advantageous to dispense with an afterburner for the combustion of unreacted hydrogen in the anode exhaust gas.

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 ein Ausführungsbeispiel 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, an embodiment of the invention 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 wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellenvorrichtung, welche eine Wasserabscheideeinheit zum Abscheiden von Wasser aus einem rezirkulierten Anodenabgas aufweist. 1 a schematic representation of a fuel cell system with a hydrogen-powered fuel cell device having a Wasserabscheideeinheit for separating water from a recirculated anode exhaust gas.

Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 28 mit einer Brennstoffzellenvorrichtung 10. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 ist dazu vorgesehen, mit zumindest im Wesentlichen reinem gasförmigem Wasserstoff 36 betrieben zu werden. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 weist eine Festoxidbrennstoffzelleneinheit 12 auf. Die Festoxidbrennstoffzelleneinheit 12 ist hier vereinfacht als eine Festoxidbrennstoffzelle 30 dargestellt. Zweckmäßig ist jedoch eine Ausbildung einer Festoxidbrennstoffzelleneinheit als ein Brennstoffzellenstack mit einer Vielzahl von Festoxidbrennstoffzellen. Die Festoxidbrennstoffzelle 30 weist eine Anode 32 und eine Kathode 34 auf. Der Anode 32 wird der Wasserstoff 36 als Brenngas zugeführt. Der Wasserstoff 36 wird über eine Versorgungsleitung 40 in das Brennstoffzellensystem 28 eingespeist. Ein einströmender Volumenstrom des Wasserstoffs 36 kann mittels eines Ventils 42 geregelt, gesteuert und/oder vollständig unterbrochen werden. Vorzugsweise ist das Ventil 42 elektromagnetisch betätigbar. Vor Eintritt in die Anode 32 der Festoxidbrennstoffzelleneinheit 12 wird der Wasserstoff 36 mittels einer Vorheizeinheit 46 auf eine Prozesstemperatur erwärmt. Der Kathode 34 wird ein Kathodengas 38, insbesondere Luftsauerstoff, zugeführt. Das Kathodengas 38 wir über eine weitere Versorgungsleitung 44 in das Brennstoffzellensystem 28 eingespeist. Das Kathodengas 38 wird mittels eines Verdichters 48 gefördert. Vor Eintritt in die Kathode 34 der Festoxidbrennstoffzelleneinheit 12 wird das Kathodengas 38 mittels einer weiteren Vorheizeinheit 50 auf eine Prozesstemperatur erwärmt. 1 shows a schematic representation of a fuel cell system 28 with a fuel cell device 10 , The fuel cell device 10 is intended to be provided with at least substantially pure gaseous hydrogen 36 to be operated. The fuel cell device 10 has a solid oxide fuel cell unit 12 on. The solid oxide fuel cell unit 12 is simplified here as a solid oxide fuel cell 30 shown. However, it is desirable to form a solid oxide fuel cell unit as a fuel cell stack having a plurality of solid oxide fuel cells. The solid oxide fuel cell 30 has an anode 32 and a cathode 34 on. The anode 32 becomes the hydrogen 36 fed as fuel gas. The hydrogen 36 is via a supply line 40 in the fuel cell system 28 fed. An inflowing volume flow of hydrogen 36 can by means of a valve 42 regulated, controlled and / or completely interrupted. Preferably, the valve 42 Electromagnetically actuated. Before entering the anode 32 the solid oxide fuel cell unit 12 becomes the hydrogen 36 by means of a preheating unit 46 heated to a process temperature. The cathode 34 becomes a cathode gas 38 , in particular atmospheric oxygen supplied. The cathode gas 38 we have another supply line 44 in the fuel cell system 28 fed. The cathode gas 38 is by means of a compressor 48 promoted. Before entering the cathode 34 the solid oxide fuel cell unit 12 becomes the cathode gas 38 by means of another preheating unit 50 heated to a process temperature.

Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 weist einen Rezirkulationskreis 14 auf, welcher zu einer Rückführung eines wasserstoff- und wasserhaltigen Anodenabgases 56 der Festoxidbrennstoffzelleneinheit 12 zu einer zumindest teilweisen Vermischung mit dem Wasserstoff 36 vorgesehen ist. Der Rezirkulationskreis 14 ist insbesondere dazu vorgesehen, in der Festoxidbrennstoffzelleneinheit 12 nicht umgesetzten Wasserstoff 54 mit dem Wasserstoff 36 zu vermischen und der Festoxidbrennstoffzelleneinheit 12 erneut anodenseitig zuzuführen. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 weist einen Verdichter 52 auf, welcher dazu vorgesehen ist, das Anodenabgas 56 durch den Rezirkulationskreis 14 zu fördern. Ferner weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine Wasserabscheideeinheit 16 auf, welche innerhalb des Rezirkulationskreises 14 angeordnet ist. Die Wasserabscheideeinheit 16 ist dazu vorgesehen, Wasser aus dem Anodenabgas 56 abzuscheiden. Die Wasserabscheideeinheit 16 ist zwischen einem Anodenabgasauslass 58 der Festoxidbrennstoffzelleneinheit 12 und einer Mischstelle 60 angeordnet, an welcher der Wasserstoff 54 des Anodenabgases 56 mit dem Wasserstoff 36 vermischt wird, angeordnet. The fuel cell device 10 has a recirculation circuit 14 which leads to a return of a hydrogen- and water-containing anode exhaust gas 56 the solid oxide fuel cell unit 12 to an at least partial mixing with the hydrogen 36 is provided. The recirculation circuit 14 is particularly intended to be in the solid oxide fuel cell unit 12 unreacted hydrogen 54 with the hydrogen 36 to mix and the solid oxide fuel cell unit 12 feed again on the anode side. The fuel cell device 10 has a compressor 52 which is intended to the anode exhaust gas 56 through the recirculation circuit 14 to promote. Furthermore, the fuel cell device 10 a Wasserabscheideeinheit 16 on which within the recirculation circuit 14 is arranged. The water separation unit 16 is intended to remove water from the anode exhaust gas 56 deposit. The water separation unit 16 is between an anode exhaust outlet 58 the solid oxide fuel cell unit 12 and a mixing point 60 arranged on which the hydrogen 54 of the anode exhaust gas 56 with the hydrogen 36 is mixed, arranged.

Die Wasserabscheideeinheit 16 ist als eine Kondensationseinheit 18 ausgebildet, welche dazu vorgesehen ist, Wasser durch Kondensation aus dem Anodenabgas 56 abzuscheiden. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 weist eine Temperiereinheit 20 auf, welche dazu vorgesehen ist, die Wasserabscheideeinheit 16 zu temperieren. Insbesondere ist die Temperiereinheit 20 dazu vorgesehen, die Wasserabscheideeinheit 16 auf eine Prozesstemperatur zu temperieren, bei welcher der Wasseranteil des Anodenabgases 56 auskondensiert. Die Temperiereinheit 20 ist dazu vorgesehen, zumindest einen Teil der Wasserabscheideeinheit 16 zu kühlen. Die Temperiereinheit 20 ist zumindest teilweise von einem Wärmeübertrager 22 gebildet. Das abgeschiedene Wasser wird über eine Abführleitung 62 aus dem Brennstoffzellensystem 28 ausgeleitet. The water separation unit 16 is as a condensation unit 18 formed, which is intended to water by condensation from the anode exhaust gas 56 deposit. The fuel cell device 10 has a tempering unit 20 which is intended to the Wasserabscheideeinheit 16 to temper. In particular, the tempering unit 20 intended to the Wasserabscheideeinheit 16 to temper to a process temperature at which the water content of the anode exhaust gas 56 condensed out. The temperature control unit 20 is intended to at least part of the Wasserabscheideeinheit 16 to cool. The temperature control unit 20 is at least partially from a heat exchanger 22 educated. The separated water is via a discharge line 62 from the fuel cell system 28 discharged.

Ferner weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine Bypassleitung 24 für eine Kathodengaszuführung auf, welche dazu vorgesehen ist, der Wasserabscheideeinheit 16 zu einer Temperierung zumindest eine Teilmenge des Kathodengases 38 zuzuführen. Die Bypassleitung 24 zweigt hinter dem Verdichter 48 von der Versorgungsleitung 44 ab. Die Bypassleitung 24 weist ein Ventil 26 auf, welches dazu vorgesehen ist, einen der Wasserabscheideeinheit 16 zugeführten Kathodengasvolumenstrom zu steuern und/oder zu regeln. Insbesondere ist das Ventil 26 als ein insbesondere elektromagnetisch und/oder elektromotorisch Proportionalventil ausgebildet. Insbesondere ist das Ventil 26 der Wasserabscheideeinheit 16, insbesondere der Temperiereinheit 20 der Wasserabscheideeinheit 16, strömungstechnisch vorgeschaltet.Furthermore, the fuel cell device 10 a bypass line 24 for a cathode gas supply, which is intended to the Wasserabscheideeinheit 16 for a temperature control at least a subset of the cathode gas 38 supply. The bypass line 24 branches behind the compressor 48 from the supply line 44 from. The bypass line 24 has a valve 26 which is intended to one of the Wasserabscheideeinheit 16 to control and / or regulate supplied cathode gas volume flow. In particular, the valve 26 designed as a particular electromagnetic and / or electric motor proportional valve. In particular, the valve 26 the Wasserabscheideeinheit 16 , in particular the temperature control unit 20 the Wasserabscheideeinheit 16 , fluidically upstream.

Während eines Betriebs der Brennstoffzellenvorrichtung 10 wird das Anodenabgas 56 zunächst der Vorheizeinheit 46 zugeführt, wobei zum Erwärmen des Wasserstoffs 36 vor Eintritt in die Anode 32 thermische Energie von dem Anodenabgas 56 auf den Wasserstoff 36 übertragen wird. Daraufhin wird das Anodenabgas 56 der Wasserabscheideeinheit 16 zugeführt, welche das Anodenabgas 56 zu weit kühlt, dass das Wasser aus dem Anodenabgas 56 auskondensiert. Das auskondensierte Wasser wird über die Abführleitung 62 ausgeleitet und der verbleibende Wasserstoff 54 wird der Mischstelle 60 zugeführt. Die weitere Vorheizeinheit 50 zum Erwärmen des Kathodengases 38 wird über ein Kathodenabgas 64 mit thermischer Energie versorgt. Verbleibende thermische Energie des Kathodenabgases 64 wird über einen Wärmeübertrager 66 nutzbar gemacht. During operation of the fuel cell device 10 becomes the anode exhaust gas 56 first the preheating unit 46 supplied, wherein for heating the hydrogen 36 before entering the anode 32 thermal energy from the anode exhaust gas 56 to the hydrogen 36 is transmitted. Thereafter, the anode exhaust gas 56 the Wasserabscheideeinheit 16 supplied, which is the anode exhaust gas 56 Too far cools the water from the anode exhaust gas 56 condensed out. The condensed water is through the discharge line 62 discharged and the remaining hydrogen 54 becomes the mixing point 60 fed. The further preheating unit 50 for heating the cathode gas 38 is via a cathode exhaust gas 64 supplied with thermal energy. Remaining thermal energy of the cathode exhaust gas 64 is via a heat exchanger 66 harnessed.

Claims (9)

Brennstoffzellenvorrichtung, welche dazu vorgesehen ist, mit zumindest im Wesentlichen reinem Wasserstoff (36) betrieben zu werden, mit einer Festoxidbrennstoffzelleneinheit (12), einem Rezirkulationskreis (14), welcher zu einer Rückführung eines wasserstoff- und wasserhaltigen Anodenabgases der Festoxidbrennstoffzelleneinheit (12) zu einer zumindest teilweisen Vermischung mit dem Wasserstoff (36) vorgesehen ist, gekennzeichnet durch, eine Wasserabscheideeinheit (16), welche innerhalb des Rezirkulationskreises (14) angeordnet ist und welche dazu vorgesehen ist, Wasser aus dem Anodenabgas abzuscheiden.Fuel cell device, which is provided with at least substantially pure hydrogen ( 36 ) with a solid oxide fuel cell unit ( 12 ), a recirculation circuit ( 14 ), which leads to a recycling of a hydrogen- and water-containing anode exhaust gas of the solid oxide fuel cell unit ( 12 ) to an at least partial mixing with the hydrogen ( 36 ), characterized by a Wasserabscheideeinheit ( 16 ), which within the Rezirkulationskreises ( 14 ) and which is intended to separate water from the anode exhaust gas. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserabscheideeinheit (16) als eine Kondensationseinheit (18) ausgebildet ist, welche dazu vorgesehen ist, Wasser durch Kondensation aus dem Anodenabgas abzuscheiden.Fuel cell device according to claim 1, characterized in that the Wasserabscheideeinheit ( 16 ) as a condensation unit ( 18 ), which is intended to separate water by condensation from the anode exhaust gas. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch zumindest eine Temperiereinheit (20), welche dazu vorgesehen ist, zumindest einen Teil der Wasserabscheideeinheit (16) zu temperieren.Fuel cell device according to claim 1 or 2, characterized by at least one temperature control unit ( 20 ), which is intended to at least a part of the Wasserabscheideeinheit ( 16 ) to temper. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiereinheit (16) zumindest teilweise von einem Wärmeübertrager (22) gebildet ist.Fuel cell device according to claim 3, characterized in that the temperature control unit ( 16 ) at least partially by a heat exchanger ( 22 ) is formed. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiereinheit (20) dazu vorgesehen ist, zumindest einen Teil der Wasserabscheideeinheit (16) zu kühlen. Fuel cell device according to claim 3 or 4, characterized in that the temperature control unit ( 20 ) is provided, at least part of the Wasserabscheideeinheit ( 16 ) to cool. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet, durch zumindest eine Bypassleitung (24) für eine Kathodengaszuführung, welche dazu vorgesehen ist, der Wasserabscheideeinheit (16) zu einer Temperierung zumindest eine Teilmenge eines Kathodengases zuzuführen.Fuel cell device according to one of the preceding claims, characterized by at least one bypass line ( 24 ) for a cathode gas supply, which is intended to the Wasserabscheideeinheit ( 16 ) to supply at least a subset of a cathode gas to a temperature. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (24) zumindest ein Ventil (26) aufweist, welches dazu vorgesehen ist, einen der Wasserabscheideeinheit (16) zugeführten Kathodengasvolumenstrom zu steuern und/oder zu regeln.Fuel cell device according to claim 6, characterized in that the bypass line ( 24 ) at least one valve ( 26 ), which is intended, one of the Wasserabscheideeinheit ( 16 ) to control and / or regulate supplied cathode gas volume flow. Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Fuel cell system with at least one fuel cell device ( 10 ) according to any one of the preceding claims. Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, welche dazu vorgesehen ist, mit zumindest im Wesentlichen reinem Wasserstoff (36) betrieben zu werden, mit einer Festoxidbrennstoffzelleneinheit (12), einem Rezirkulationskreis (14), welcher zu einer Rückführung eines wasserstoff- und wasserhaltigen Anodenabgases der Festoxidbrennstoffzelleneinheit (12) zu einer zumindest teilweisen Vermischung mit dem Wasserstoff (36) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser innerhalb des Rezirkulationskreises (14) aus dem Anodenabgas abgeschieden wird.Method for operating a fuel cell device ( 10 ) according to one of claims 1 to 8, which is provided with at least substantially pure hydrogen ( 36 ) with a solid oxide fuel cell unit ( 12 ), a recirculation circuit ( 14 ), which leads to a recycling of a hydrogen- and water-containing anode exhaust gas of the solid oxide fuel cell unit ( 12 ) to an at least partial mixing with the hydrogen ( 36 ) is provided, thereby characterized in that the water within the recirculation circuit ( 14 ) is separated from the anode exhaust gas.
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