DE102016223436A1 - Apparatus and method for operating a fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems (1) mit einem Brennstoff (27), welches Brennstoffzellensystem (1) zumindest eine Hochtemperaturbrennstoffzelle (10) mit zumindest einer in einem Kathodenraum (12) angeordneten Kathode (11), mit zumindest einer in einem Anodenraum (14) angeordneten Anode (13) sowie mit einem zwischen Kathodenraum (12) und Anodenraum (14) vorhandenen Elektrolyten (15) umfasst, wobei in einem Anodengaskreislauf (20) aus dem Anodenraum (14) der wenigstens einen Hochtemperaturbrennstoffzelle (10) rückgeführtes Anodenabgas (25) mit Brennstoff (27) gemischt und als Anodenzugas (30) mit zumindest einer Gasfördereinrichtung (50) einem Anodengaswärmeübertrager (70) zugeführt wird, in welchem das Anodenzugas (31) thermostatisiert wird, wobei weiters in zumindest einer Reformierungseinheit (60, 61) im Anodengaskreislauf (20) der Brennstoff (27) reformiert wird. Die zumindest eine Reformierungseinheit (60, 61, 62, 63) ist in einem heißen Kreislaufabschnitt (210) des Anodengaskreislaufs (20) angeordnet, in welchem eine Anodengastemperatur (200) oberhalb der in der Reformierungseinheit (60, 61, 62, 63) erforderlichen Gleichgewichtstemperatur erreicht wird sowie die zumindest eine Gasfördereinrichtung (50) in einem kühlen Kreislaufabschnitt (220) des Anodengaskreislaufs (20) angeordnet ist, in welchem eine Anodengastemperatur (200) unterhalb jener im heißen Kreislaufabschnitt (210) erreicht wird.The invention relates to a method for operating a fuel cell system (1) with a fuel (27), which fuel cell system (1) at least one high-temperature fuel cell (10) having at least one in a cathode chamber (12) arranged cathode (11), with at least one in a Anodes (13) arranged anode space (14) and with a between cathode space (12) and anode space (14) existing electrolyte (15), wherein in an anode gas cycle (20) from the anode space (14) of at least one high-temperature fuel cell (10) recycled Anode exhaust gas (25) is mixed with fuel (27) and supplied as anode gas (30) with at least one gas conveyor (50) to an anode gas heat exchanger (70) in which the anode gas (31) is thermostated, wherein further in at least one reforming unit (60, 61) in the anode gas circuit (20) of the fuel (27) is reformed. The at least one reforming unit (60, 61, 62, 63) is disposed in a hot circulation section (210) of the anode gas loop (20) in which an anode gas temperature (200) is above that required in the reforming unit (60, 61, 62, 63) Equilibrium temperature is reached and the at least one gas conveyor (50) in a cool circuit section (220) of the Anodengaskreislaufs (20) is arranged, in which an anode gas temperature (200) below that in the hot circuit section (210) is reached.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoff, welches Brennstoffzellensystem zumindest eine Hochtemperaturbrennstoffzelle mit zumindest einer in einem Kathodenraum angeordneten Kathode, mit zumindest einer in einem Anodenraum angeordneten Anode sowie mit einem zwischen Kathodenraum und Anodenraum vorhandenen Elektrolyten umfasst, wobei in einem Anodengaskreislauf aus dem Anodenraum der wenigstens einen Hochtemperaturbrennstoffzelle rückgeführtes Anodenabgas mit Brennstoff gemischt und dieses Gemisch als Anodenzugas mit zumindest einer Gasfördereinrichtung einem Anodengaswärmeübertrager zugeführt wird, in welchem das Anodenzugas thermostatisiert wird, wobei weiters in zumindest einer Reformierungseinheit im Anodengaskreislauf der Brennstoff reformiert wird. Ebenso werden im Rahmen der Erfindung Vorrichtungen zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoff angegeben. The invention relates to a method for operating a fuel cell system with a fuel, which fuel cell system comprises at least one high-temperature fuel cell with at least one disposed in a cathode compartment cathode, at least one arranged in an anode compartment anode and an existing between the cathode compartment and anode compartment electrolyte, wherein in an anode gas circulation from the anode space of the at least one high-temperature fuel cell recycled anode exhaust gas mixed with fuel and this mixture is fed as an anode gas with at least one gas conveyor an anode gas heat exchanger in which the anode gas is thermostated, wherein further reformed in at least one reforming unit in the anode gas cycle of the fuel. Likewise, devices for operating a fuel cell system with a fuel are specified in the context of the invention.
Unter einer Hochtemperaturbrennstoffzelle versteht der Fachmann beispielsweise eine Schmelzkarbonatbrennstoffzelle (englisch: Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC), die bei Betriebstemperaturen etwa von 580°C bis 675°C arbeitet. Als Elektrolyt wird bei diesem Brennstoffzellentyp meist eine Alkalicarbonat-Mischschmelze aus Lithium- und Kaliumcarbonat verwendet. Ebenso handelt es sich bei Festoxidbrennstoffzellen (englisch: Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) um Hochtemperaturbrennstoffzellen. Festoxidbrennstoffzellen werden bei Betriebstemperaturen von etwa 650°C bis 1000°C betrieben. By a high-temperature fuel cell, the person skilled in the art understands, for example, a molten carbonate fuel cell (MCFC) which operates at operating temperatures of approximately from 580 ° C to 675 ° C. The electrolyte used in this type of fuel cell is usually an alkali metal carbonate mixed melt of lithium and potassium carbonate. Similarly, Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) are high temperature fuel cells. Solid oxide fuel cells are operated at operating temperatures of about 650 ° C to 1000 ° C.
Der Elektrolyt dieses Zelltyps besteht aus einem festen keramischen Werkstoff, der in der Lage ist, Sauerstoff Ionen zu leiten, für Elektronen jedoch isolierend wirkt. An beiden Seiten der Elektrolytschicht sind die Elektroden, Kathode und Anode, angebracht. Sie sind gasdurchlässige elektrische Leiter. Der sauerstoffionenleitende Elektrolyt ist beispielsweise als dünne Membran vorgesehen, um die Sauerstoff Ionen energiearm transportieren zu können, was jedoch nur bei den genannten hohen Temperaturen funktioniert. Die dem Elektrolyt abgewandte, äußere Seite der Kathode wird von Luft umgeben, die äußere Anodenseite von Brenngas. Ungenutzte Luft und ungenutztes Brenngas sowie Verbrennungsprodukte werden abgesaugt. The electrolyte of this cell type consists of a solid ceramic material capable of conducting oxygen ions but insulating for electrons. On both sides of the electrolyte layer are the electrodes, cathode and anode attached. They are gas-permeable electrical conductors. The oxygen-ion-conducting electrolyte is provided, for example, as a thin membrane in order to be able to transport the oxygen ions with low energy, which, however, only works at the aforementioned high temperatures. The remote from the electrolyte, the outer side of the cathode is surrounded by air, the outer anode side of fuel gas. Unused air and unused fuel gas and combustion products are extracted.
Brennstoffzellensysteme, die insbesondere als Hilfsstromversorgungseinrichtung in Kraftfahrzeugen oder als Stationärsysteme bzw. „stationäre Kraftwerke“ verwendet werden, und die üblicherweise zumindest eine Brennstoffzelle zum Erzeugen von elektrischem Strom aus Kathodenluft und Reformatgas umfassen, sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Eine derartige Brennstoffzelle ist dabei üblicherweise aus einer Vielzahl einzelner Brennstoffzellenelemente zusammengesetzt, die aufeinander gestapelt sind und als Brennstoffzellenstapel bezeichnet werden. Fuel cell systems, which are used in particular as auxiliary power supply devices in motor vehicles or as stationary systems or "stationary power plants", and which usually comprise at least one fuel cell for generating electric current from cathode air and reformate gas, are already known from the prior art. Such a fuel cell is usually composed of a plurality of individual fuel cell elements, which are stacked on each other and are referred to as a fuel cell stack.
Zum Erzeugen von Reformatgas sind derartige Brennstoffzellensysteme mit einem Reformer ausgestattet, der aus einem Kraftstoff, meist einem Kohlenwasserstoff wie beispielsweise Diesel oder Erdgas, und aus Reformerluft und/oder aus Wasserdampf das Reformatgas erzeugt. Das Reformatgas enthält dann Wasserstoffgas und Kohlenmonoxid. Das Brennstoffzellensystem kann außerdem mit einer Luftversorgungseinrichtung ausgestattet sein, die mittels einer Luftfördereinrichtung aus einer Umgebung des Brennstoffzellensystems Umgebungsluft ansaugt und diese beispielsweise in Reformerluft und Kathodenluft unterteilt. Die Reformerluft kann dann über eine Reformerluftleitung dem Reformer zugeführt werden, während die Kathodenluft über eine Kathodenluftleitung einer Kathodenseite der wenigstens einen Brennstoffzelle zugeführt werden kann. For producing reformate gas, such fuel cell systems are equipped with a reformer which generates the reformate gas from a fuel, usually a hydrocarbon such as diesel or natural gas, and from reformer air and / or water vapor. The reformate gas then contains hydrogen gas and carbon monoxide. The fuel cell system can also be equipped with an air supply device which sucks in ambient air by means of an air conveyor from an environment of the fuel cell system and subdivides these, for example, into reformer air and cathode air. The reformer air can then be supplied to the reformer via a reformer air line, while the cathode air can be supplied via a cathode air line to a cathode side of the at least one fuel cell.
Üblicherweise ist es bei einem derartigen Brennstoffzellensystem vorgesehen, mit Hilfe einer Rezirkulationsleitung Anodengas einer Anodenseite der wenigstens einen Brennstoffzelle in Richtung zum Reformer zu führen, um so Anodenabgas von der jeweiligen Brennstoffzelle zum Reformer zurückführen zu können. Zum Antreiben des Anodenabgases ist in der Rezirkulationsleitung üblicherweise eine Gasfördereinrichtung zum Fördern von heißem Anodenabgas angeordnet, wobei dazu meist eine Rezirkulationspumpe oder ein Anodengasgebläse verwendet wird. Usually, in such a fuel cell system, it is provided to guide anode gas of an anode side of the at least one fuel cell in the direction of the reformer by means of a recirculation line so as to be able to recycle anode exhaust gas from the respective fuel cell to the reformer. For driving the anode exhaust gas, a gas delivery device for conveying hot anode exhaust gas is usually arranged in the recirculation line, wherein a recirculation pump or an anode gas blower is usually used for this purpose.
Weiters sind bereits verschiedene Varianten der Brennstoffzuführung zur Anode einer Brennstoffzelle bekannt. Üblicherweise ist dabei in einem Anodengaskreislauf stromaufwärts des Reformers die Gasfördereinrichtung angeordnet. Somit wird das Anodenzugas, also das Gemisch aus rückgeführtem Anodenabgas und eingespeistem Brennstoff, in der Gasfördereinrichtung weiter gemischt und von dieser dem nachgelagerten Reformer zugeführt. Dabei ist es notwendig, hohe Anodeneintrittstemperaturen zu erzielen, um in der Brennstoffzelle bzw. in einem Brennstoffzellenstapel die Entstehung von Thermospannungen zu verhindern. Umgekehrt ist bei der für die Rezirkulation des Anodengases erforderlichen Gasfördereinrichtung zu beachten, dass die Eintrittstemperatur des Anodengases in die Gasfördereinrichtung nicht zu hoch wird, um Beschädigungen zu verhindern und ordnungsgemäßen Betrieb der Gasfördereinrichtung sicher zu stellen. Furthermore, various variants of the fuel supply to the anode of a fuel cell are already known. Usually, the gas delivery device is arranged in an anode gas circulation upstream of the reformer. Thus, the Anodenzugas, so the mixture of recycled anode exhaust gas and fed fuel, further mixed in the gas conveyor and fed from this the downstream reformer. It is necessary to achieve high anode inlet temperatures in order to prevent the formation of thermal stresses in the fuel cell or in a fuel cell stack. Conversely, in the gas conveying device required for the recirculation of the anode gas, it should be noted that the inlet temperature of the anode gas into the gas conveying device does not become too high to prevent damage and to ensure proper operation of the gas conveying device.
Nachteilig bei den bisher bekannten Brennstoffzellensystemen ist daher, dass für einen sicheren Betrieb der Gasfördereinrichtung das heiße Anodengas abgekühlt bzw. die Gasfördereinrichtung separat gekühlt werden muss und damit das Anodengas, welches mit einem Brennstoff gemischt und als Anodenzugas dem Reformer zugeführt wird, zu kalt für die Reformierung ist. Weshalb das Anodenzugas vor dem Reformer wieder erhitzt werden oder der Reformer mit einer externen Heizung beheizt werden muss, was aufwendig und energetisch ungünstig ist. A disadvantage of the fuel cell systems known hitherto is that the hot anode gas is cooled or the gas delivery device for safe operation of the gas delivery device must be cooled separately and thus the anode gas, which is mixed with a fuel and fed to the reformer as Anodenzugas too cold for the reforming. Why the anode gas must be reheated before the reformer or the reformer must be heated with an external heater, which is complicated and energetically unfavorable.
Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoff anzugeben, welches die geschilderten Nachteile des Standes der Technik vermeidet und bei dem ein ordnungsgemäßer sowie energetisch optimierter Betrieb des Brennstoffzellensystems gewährleistet ist. Weiters ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, entsprechende Vorrichtungen zum Betrieb eines solchen Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoff bereitzustellen. It is therefore the object of the present invention to provide a method for operating a fuel cell system with a fuel, which avoids the described disadvantages of the prior art and in which a proper and energetically optimized operation of the fuel cell system is ensured. It is a further object of the present invention to provide corresponding devices for operating such a fuel cell system with a fuel.
Die erstgenannte erfindungsgemäße Aufgabe betreffend ein Verfahren zum Betrieb eines gattungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoff, welches Brennstoffzellensystem zumindest eine Hochtemperaturbrennstoffzelle mit zumindest einer in einem Kathodenraum angeordneten Kathode, mit zumindest einer in einem Anodenraum angeordneten Anode sowie mit einem zwischen Kathodenraum und Anodenraum vorhandenen Elektrolyten umfasst, wobei in einem Anodengaskreislauf aus dem Anodenraum der wenigstens einen Hochtemperaturbrennstoffzelle rückgeführtes Anodenabgas mit Brennstoff gemischt und als Anodenzugas mit zumindest einer Gasfördereinrichtung einem Anodengaswärmeübertrager zugeführt wird, in welchem das Anodenzugas thermostatisiert wird, wobei weiters in zumindest einer Reformierungseinheit im Anodengaskreislauf der Brennstoff reformiert wird, wird dadurch gelöst, dass die zumindest eine Reformierungseinheit in einem heißen Kreislaufabschnitt des Anodengaskreislaufs angeordnet ist, in welchem heißen Kreislaufabschnitt im Brennstoffzellenbetrieb eine Anodengastemperatur oberhalb der in der Reformierungseinheit erforderlichen Gleichgewichtstemperatur erreicht wird, sowie die zumindest eine Gasfördereinrichtung in einem kühlen Kreislaufabschnitt des Anodengaskreislaufs angeordnet ist, in welchem kühlen Kreislaufabschnitt im Brennstoffzellenbetrieb eine Anodengastemperatur unterhalb der im heißen Kreislaufabschnitt herrschenden Temperatur erreicht wird. The first object according to the invention relates to a method for operating a generic fuel cell system with a fuel comprising fuel cell system at least one high-temperature fuel cell with at least one arranged in a cathode compartment cathode, at least one arranged in an anode compartment anode and an existing between the cathode compartment and anode compartment electrolyte in an anode gas cycle from the anode compartment of the at least one high-temperature fuel cell recycled anode exhaust gas mixed with fuel and is supplied as Anodenzugas with at least one gas conveyor an anode gas heat exchanger in which the anode gas is thermostated, wherein further reformed in at least one reforming unit in the Anodengaskreislauf the fuel, is achieved in that the at least one reforming unit is arranged in a hot circulation section of the anode gas cycle is in which hot cycle section in fuel cell operation, an anode gas temperature above the equilibrium temperature required in the reforming unit is reached, and the at least one gas conveyor is arranged in a cool circuit section of the Anodengaskreislaufs in which cool circuit section in fuel cell operation reaches an anode gas temperature below the prevailing in the hot circuit section temperature becomes.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können die üblicherweise bei einer Anodenrezirkulation auftretenden Zielkonflikte, nämlich möglichst hohe Anodeneintrittstemperaturen in den Brennstoffzellen zu gewährleisten, um Thermospannungen zu verhindern bzw. zu verringern und gleichzeitig die Anodengaseintrittstemperatur in eine Gasfördereinrichtung, beispielsweise ein Anodengasgebläse, möglichst niedrig zu halten, um das Material der Gasfördereinrichtung zu schonen und eine höhere Förderleistung bzw. größere Fördereffizienz zu erzielen, gemeinsam gelöst werden. Weiters wird für den Reformereinsatz gewährleistet, dass die für die Reformierung erforderlichen Betriebstemperaturen von zumindest 500°C ohne externe Beheizung erzielt werden, da der Reformer in einem heißen Kreislaufabschnitt angeordnet wird, in dem die für die Reformierung erforderliche Gleichgewichtstemperatur von etwa 470°C überschritten wird. Somit wird vorteilshaft die gewünschte Anodengaszusammensetzung für die Anodenreaktion im Anodenraum der Hochtemperaturbrennstoffzelle erreicht, ohne den Reformer extern beheizen zu müssen. With the method according to the invention, the target conflicts usually occurring in an anode recirculation, namely to prevent or reduce thermoelectric voltages in the fuel cells as possible, and at the same time keep the Anodengaseintrittstemperatur in a gas conveying device, such as an anode gas blower, as low as possible To save material of the gas conveyor and to achieve a higher flow rate or greater delivery efficiency, be solved together. Furthermore, it is ensured for the reformer use that required for the reforming operating temperatures of at least 500 ° C are achieved without external heating, since the reformer is placed in a hot cycle section in which the required for the reforming equilibrium temperature of about 470 ° C is exceeded , Thus, advantageously, the desired anode gas composition for the anode reaction in the anode compartment of the high-temperature fuel cell is achieved without having to externally heat the reformer.
Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen und Fortbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der Beschreibung dargelegt. Advantageous further refinements and developments of the invention are set forth in the subclaims and the description.
Besonders vorteilhaft kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in der zumindest einen Reformierungseinheit durch eine endotherme Dampfreformierung aus einem kohlenstoffhaltigen Gemisch enthaltend den Brennstoff sowie das rückgeführte Anodenabgas ein Reformatgas als Mischung von Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff hergestellt werden. Particularly advantageously, in a process according to the invention in the at least one reforming unit by an endothermic steam reforming of a carbonaceous mixture containing the fuel and the recirculated anode exhaust gas, a reformate gas can be prepared as a mixture of carbon monoxide and hydrogen.
Die Dampfreformierung (englisch: Steam Reforming) ist ein Verfahren zur Herstellung von Synthesegas bzw. Reformatgas, einer Mischung von Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff aus kohlenstoffhaltigen Energieträgern wie Erdgas, Leichtbenzin, Methanol, Biogas oder Biomasse. Die Dampfreformierung ist ein allothermer Prozess, bei dem Methan und Wasserdampf zu Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff umgesetzt werden, und der nach der folgenden Gleichung abläuft:
Zur Steigerung der Wasserstoffausbeute kann das entstehende Kohlenmonoxid in einer weiteren Reaktion, der Wassergas-Shift-Reaktion, zu Kohlendioxid und weiterem Wasserstoff umgesetzt werden:
Dazu wird heißer Wasserdampf mit dem zu reformierenden Gas (zum Beispiel Erdgas) oder mit verdampfter Flüssigkeit (zum Beispiel Leichtbenzin) vermischt und unter ständiger Energiezufuhr an einem heterogenen Katalysator in der Gasphase umgesetzt. For this purpose, hot steam is mixed with the gas to be reformed (for example natural gas) or with vaporized liquid (for example mineral spirits) and reacted with constant supply of energy to a heterogeneous catalyst in the gas phase.
Besonders zweckmäßig kann bei einem Verfahren gemäß der Erfindung sein, dass die Anodengastemperatur im heißen Kreislaufabschnitt des Anodengaskreislaufs, in welchem die zumindest eine Reformierungseinheit angeordnet ist, zumindest 500°C, bevorzugt zumindest 550°C, besonders bevorzugt zumindest 600°C, beträgt. In dieser Verfahrensvariante reicht die Anodengastemperatur im heißen Kreislaufabschnitt aus, um die dort angeordnete Reformierungseinheit zu beheizen und die erforderliche Temperatur für die Reformierung des Brennstoffs zu gewährleisten. It may be particularly useful in a method according to the invention that the anode gas temperature in the hot cycle section of the anode gas cycle, in which the at least a reforming unit is arranged, at least 500 ° C, preferably at least 550 ° C, more preferably at least 600 ° C, is. In this process variant, the anode gas temperature in the hot cycle section is sufficient to heat the reforming unit arranged there and to ensure the required temperature for the reforming of the fuel.
Ebenso von Vorteil kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren sein, dass die Anodengastemperatur im kühlen Kreislaufabschnitt des Anodengaskreislaufs, in welchem die zumindest eine Gasfördereinrichtung angeordnet ist, höchstens 470°C, bevorzugt höchstens 450°C, besonders bevorzugt höchstens 400°C, beträgt. Insbesondere wenn die Gasfördereinrichtung beispielsweise ein Anodengasgebläse ist, wird bei den vergleichsweise geringeren Temperaturen im kühlen Kreislaufabschnitt des Anodengaskreislaufs die Effizienz des Gebläses erhöht. Bei abnehmender Temperatur nimmt die Dichte des Gases zu und man braucht weniger Gebläseleistung, um den gleichen Massenstrom zu fördern. Die Standzeit der Gasfördereinrichtung wird dadurch vorteilhaft verlängert. Also advantageous in a method according to the invention may be that the anode gas temperature in the cool circulation section of the anode gas circulation, in which the at least one gas conveyor is arranged at most 470 ° C, preferably at most 450 ° C, more preferably at most 400 ° C. In particular, if the gas delivery device is, for example, an anode gas blower, the efficiency of the blower is increased at the comparatively lower temperatures in the cool circulation section of the anode gas circulation. As the temperature decreases, the density of the gas increases and less fan power is needed to deliver the same mass flow. The service life of the gas conveyor is thereby advantageously extended.
In einer bevorzugten Variante kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die zumindest eine Reformierungseinheit einen Reformer umfassen, der im Anodengaskreislauf in der Rezirkulationsleitung stromabwärts nach dem Anodengaswärmeübertrager sowie stromaufwärts vor der Gasfördereinrichtung angeordnet ist, wobei der zu reformierende Brennstoff dem heißen Anodenabgas in der Anodengasableitung vor dem Anodengaswärmeübertrager und/oder dem Anodenrecyclegas in der Rezirkulationsleitung vor dem Reformer zugeführt wird bzw. werden. In a preferred variant, in a method according to the invention, the at least one reforming unit may include a reformer located in the anode gas loop in the recirculation line downstream of the anode gas heat exchanger and upstream of the gas conveyor, wherein the fuel to be reformed is the hot anode exhaust gas in the anode gas drain upstream of the anode gas heat exchanger and / or the Anodenrecyclegas in the recirculation line is supplied before the reformer or be.
In dieser Variante kann die sonst notwendige lange Rezirkulationsstrecke des Anodengaskreislaufs eingespart werden, indem der Reformer direkt nach dem Anodengaswärmeübertrager bzw. unmittelbar stromabwärts nach einer T-förmigen Verzweigung der Anodenabgasleitung einerseits in die Anodengaszuleitung und andererseits in die Abgasleitung angeordnet ist. Der Reformer ist in dieser Variante vorteilhaft nicht mehr zusätzlich beheizt. Außerdem ist die Gasfördereinrichtung, beispielsweise das Anodengebläse, ebenfalls stromabwärts nach dem Reformer angeordnet. Die Zuführung von Brennstoff – vorzugsweise wird Erdgas als Brennstoff verwendet – erfolgt beispielsweise dem heißen Anodenabgas in der Anodengasableitung vor dem Anodengaswärmeübertrager. Vorteilhaft wird durch diese vergleichsweise frühe Beimischung des Brennstoffs in den Anodengaskreislauf stromaufwärts vor dem Reformer über die Leitungsstrecke bis zum Reformer eine gute Durchmischung mit Anodenabgas ermöglicht. Allerdings strömt bei dieser Art der Beimischung auch ein Teil des Brennstoffs in die Abgasleitung und gelangt damit nicht zum Reformer. In this variant, the otherwise necessary long recirculation path of the anode gas circulation can be saved by the reformer is arranged directly after the anode gas heat exchanger or immediately downstream of a T-shaped branching of the anode exhaust gas line on the one hand in the anode gas supply line and on the other hand in the exhaust pipe. The reformer is advantageously no longer additionally heated in this variant. In addition, the gas delivery device, such as the anode fan, is also located downstream of the reformer. The supply of fuel - preferably natural gas is used as fuel - takes place, for example, the hot anode exhaust gas in the anode gas discharge before the anode gas heat exchanger. Advantageously, a good mixing with anode exhaust gas is made possible by this comparatively early addition of the fuel into the anode gas circulation upstream of the reformer via the line to the reformer. However, with this type of admixture, part of the fuel also flows into the exhaust gas line and thus does not reach the reformer.
Alternativ oder in Ergänzung zur Beimischung des Brennstoffs in der Anodengasableitung kann der Brennstoff auch dem Anodenrecyclegas in der Rezirkulationsleitung vor dem Reformer zugeführt werden. Vorteilhaft gelangt somit der gesamte beigemischte Brennstoff in den Reformer. Allerdings ist dabei zu beachten, dass die Reformereintrittstemperatur des Anodenzugases aufgrund der Beimischung des kühleren Erdgases damit etwas geringer. Alternatively or in addition to the admixture of the fuel in the anode gas discharge, the fuel may also be supplied to the anode recycle gas in the recirculation line prior to the reformer. Advantageously, the entire admixed fuel thus enters the reformer. However, it should be noted that the reformer inlet temperature of the anode gas due to the admixture of the cooler natural gas so slightly lower.
Günstig an dieser Verfahrensvariante ist weiters, dass durch das Wegfallen der Reformerbeheizung auch die damit verbundenen Wärmeverluste deutlich verringert werden können. Die dadurch verbleibende Wärme steht für die Luftvorerwärmung kathodenseitig zur Verfügung. Dadurch ergibt sich eine höhere Kathodeneintrittstemperatur, die eine wesentliche Größe im Thermomanagement eines Brennstoffzellensystems ist. A further advantage of this method variant is that the heat losses associated therewith can be significantly reduced by eliminating the reformer heating. The remaining heat is available for preheating the cathode side. This results in a higher cathode inlet temperature, which is an important factor in the thermal management of a fuel cell system.
Das Temperaturniveau in der Rezirkulationsleitung des Anodengases ist mit Temperaturen beispielsweise unter 300°C geringer, damit sind auch die Wärmeverluste geringer. Das niedrigere Eintrittstemperaturniveau an der Gasfördereinrichtung bzw. am Anodengasgebläse führt zu einer höheren Effizienz des Gebläses. Außerdem ist dadurch für das Anodengasgebläse weniger Kühlleistung notwendig und seine thermische Beanspruchung wird verringert, was einen längeren, störungsfreien Betrieb der Gasfördereinrichtung erlaubt. The temperature level in the recirculation line of the anode gas is lower with temperatures, for example, below 300 ° C, so that the heat losses are lower. The lower inlet temperature level at the gas conveyor or at the anode gas blower leads to a higher efficiency of the blower. In addition, it is necessary for the anode gas blower less cooling power and its thermal stress is reduced, allowing a longer, trouble-free operation of the gas conveyor.
Aufgrund der höheren Reformereintrittstemperatur sind keine zusätzliche externe Reformerbeheizung bzw. keine Rohrleitungen oder regelbare Drosselklappen notwendig. Die Eintrittstemperatur des Anodenzugases in den Reformer ist höher und ausreichend für die Erreichung der Gleichgewichtstemperatur. Durch die fehlende Reformerbeheizung sinkt das Temperaturniveau im Anodenkreis. Das kann zwar zu niedrigeren Anodengaseintrittstemperaturen führen, die unter Umständen kritisch aufgrund von thermischen Spannungen für die Hochtemperaturbrennstoffzelle sein können, allerdings wird dieser Effekt durch die verringerten Wärmeverluste in der Rezirkulationsleitung ausgeglichen. Due to the higher reformer inlet temperature, no additional external reformer heating or pipelines or controllable throttle valves are necessary. The inlet temperature of the anode gas into the reformer is higher and sufficient to reach the equilibrium temperature. Due to the lack of reformer heating, the temperature level in the anode circuit drops. While this may result in lower anode gas inlet temperatures, which may be critical due to thermal stresses for the high temperature fuel cell, this effect is offset by the reduced heat losses in the recirculation line.
In einer weiteren vorteilhaften Variante kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die zumindest eine Reformierungseinheit einen katalytischen Reformerwärmeübertrager umfassen, in dem der Brennstoff reformiert wird, wobei der Reformerwärmeübertrager mit dem Anodengaswärmeübertrager kombiniert und in der Anodenzugasleitung vor dem Anodenraum angeordnet ist, wobei die kalte Wärmeübertragerseite und/oder die heiße Wärmeübertragerseite mit dem Reformerwärmeübertrager gekoppelt ist bzw. sind und der zu reformierende Brennstoff dem heißen Anodenabgas in der Anodengasableitung auf der heißen Wärmeübertragerseite vor dem Anodengaswärmeübertrager und/oder dem Anodenrecyclegas in der Rezirkulationsleitung auf der kalten Wärmeübertragerseite vor dem Anodengaswärmeübertrager zugeführt wird bzw. werden. In a further advantageous variant, in a method according to the invention, the at least one reforming unit comprise a catalytic reformer heat exchanger in which the fuel is reformed, the reformer heat exchanger is combined with the anode gas heat exchanger and arranged in the Anodenzugasleitung before the anode compartment, wherein the cold heat exchanger side and / or the hot heat exchanger side with the reformer heat exchanger and the fuel to be reformed is supplied to the hot anode exhaust gas in the anode gas exhaust on the hot heat exchanger side upstream of the anode gas heat exchanger and / or the anode recycle gas in the recirculation line on the cold heat exchanger side upstream of the anode gas heat exchanger.
Diese Verfahrensvariante unterscheidet sich von den zuvor genannten Varianten dadurch, dass Reformierungseinheit und Anodengaswärmeübertrager zu einem gemeinsamen Bauteil kombiniert sind. Dadurch wird eine höhere Reformereintrittstemperatur erzielt. Gleichzeitig können beide Pfade des Anodengaswärmeübertragers, also die kalte Wärmeübertragerseite und die heiße Wärmeübertragerseite, als Reformer ausgeführt werden, wodurch mehr Reformerfläche zur Verfügung steht und das Kombinationsbauteil kleiner ausgeführt werden kann. Es können aber auch entweder nur der Pfad der kalten Wärmeübertragerseite oder nur der Pfad der heißen Wärmeübertragerseite jeweils reformierend ausgeführt sein oder mit dem Reformerwärmeübertrager gekoppelt sein. This variant of the method differs from the previously mentioned variants in that the reforming unit and anode gas heat exchangers are combined to form a common component. As a result, a higher reformer inlet temperature is achieved. At the same time both paths of the Anodengaswärmeübertragers, so the cold heat exchanger side and the hot heat exchanger side can be performed as a reformer, creating more reformer surface is available and the combination component can be made smaller. However, either only the path of the cold heat exchanger side or only the path of the hot heat exchanger side can each be designed to be reforming or coupled to the reformer heat exchanger.
Die Anodengaseintrittstemperatur in die Gasfördereinrichtung ist niedriger mit den vorher beschriebenen Vorteilen des geringeren Verschleißes sowie einer höheren Fördereffizienz und einer geringeren benötigten Kühlleistung. Weiters ist aufgrund des geringeren auftretenden Druckverlusts die benötigte Antriebsleistung der Gasfördereinrichtung geringer. Die Rezirkulationsleitung kann vergleichsweise kurz ausgeführt werden und die Temperatur des darin strömenden Mediums ist gering, wodurch sich vorteilhaft nur geringe Abwärmeverluste über die Rezirkulationsleitung ergeben. The anode gas inlet temperature into the gas delivery device is lower with the previously described advantages of lower wear as well as higher delivery efficiency and lower required cooling capacity. Furthermore, due to the lower pressure loss occurring, the required drive power of the gas delivery device is lower. The recirculation line can be made comparatively short and the temperature of the medium flowing therein is low, which advantageously results in only small waste heat losses via the recirculation line.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann in einer Verfahrensvariante der katalytische Reformerwärmeübertrager im Anodengaswärmeübertrager integriert sein, wobei die kalte Wärmeübertragerseite und/oder die heiße Wärmeübertragerseite den Brennstoff katalytisch reformierend ausgebildet ist bzw. sind. In an advantageous development of the invention, the catalytic reformer heat exchanger can be integrated in the anode gas heat exchanger in a variant of the method, wherein the cold heat exchanger side and / or the hot heat exchanger side is or are formed catalytically reforming the fuel.
In einer weiteren alternativen Ausführung kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die zumindest eine Reformierungseinheit zumindest eine katalytische Reformeranode umfassen, die im Anodenraum der Hochtemperaturbrennstoffzelle angeordnet ist, wobei der Brennstoff der Rezirkulationsleitung des Anodengaskreislaufs zugeführt und im Anodenraum reformiert wird. Vorteilhaft kann in dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Reformer entfallen. Durch die katalytische Aktivität einer katalytischen Reformeranode kann die Reformierung des Anodenzugases auch vollständig im Anodenraum der Hochtemperaturbrennstoffzelle erfolgen. In a further alternative embodiment, in a method according to the invention, the at least one reforming unit comprise at least one catalytic reformer anode which is arranged in the anode chamber of the high-temperature fuel cell, wherein the fuel is supplied to the recirculation line of the anode gas cycle and reformed in the anode chamber. Advantageously, a reformer can be omitted in this variant of the method according to the invention. Due to the catalytic activity of a catalytic reformer anode, the reforming of the anode gas can also take place completely in the anode space of the high-temperature fuel cell.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann bei einem Verfahren die Anode der Hochtemperaturbrennstoffzelle als katalytische Reformeranode ausgebildet sein. Durch die katalytische Aktivität der Brennstoffzellenanode kann die Reformierung auch vollständig an der Anode der Hochtemperaturbrennstoffzelle ablaufen. Zu beachten ist dabei, dass aufgrund der endothermen Reformierungsreaktion hohe thermische Spannungen an der Anode auftreten können. Weiters können Brennstoffverunreinigungen wie beispielsweise Schwefel die katalytische Aktivität der Reformeranode beeinträchtigen. Durch den Einsatz von besonders robusten Reformeranoden, die weitestgehend inert gegenüber Katalysatorgiften des Anodenzugases bzw. des Brennstoffs sind, können auch in dieser Verfahrensvariante ausreichende Standzeiten für den Betrieb der Hochtemperaturbrennstoffzelle gewährleistet werden. In a preferred embodiment of the invention, in one method, the anode of the high temperature fuel cell may be formed as a catalytic reformer anode. Due to the catalytic activity of the fuel cell anode, the reforming can also take place completely at the anode of the high-temperature fuel cell. It should be noted that due to the endothermic reforming reaction high thermal stresses can occur at the anode. Furthermore, fuel contaminants such as sulfur can affect the catalytic activity of the reformer anode. Through the use of particularly robust reformer anodes, which are largely inert to catalyst poisons of anode gas or the fuel, sufficient service life for the operation of the high-temperature fuel cell can be ensured in this process variant.
Zweckmäßig können bei einem Verfahren gemäß der Erfindung mehrere Reformierungseinheiten gleicher oder unterschiedlicher Bauart jeweils in heißen Kreislaufabschnitten des Anodengaskreislaufs angeordnet sein. Beispielsweise können im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Reformer, ein katalytischer Reformerwärmeübertrager und/oder eine katalytische Reformeranode, die im Anodenraum der Hochtemperaturbrennstoffzelle angeordnet ist, gemeinsam im Anodenkreislauf eingesetzt werden und jeweils reformierend wirken. Suitably, in a method according to the invention, a plurality of reforming units of the same or different design can be arranged in each case in hot circulation sections of the anode gas cycle. For example, in the context of the method according to the invention, a reformer, a catalytic reformer heat exchanger and / or a catalytic reformer anode, which is arranged in the anode chamber of the high-temperature fuel cell, are used together in the anode circuit and each have a reforming effect.
Die zuvor genannte Aufgabe der vorliegenden Erfindung, entsprechende Vorrichtungen zum Betrieb eines gattungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoff bereitzustellen, welches Brennstoffzellensystem zumindest eine Hochtemperaturbrennstoffzelle mit zumindest einer in einem Kathodenraum angeordneten Kathode, mit zumindest einer in einem Anodenraum angeordneten Anode sowie mit einem zwischen Kathodenraum und Anodenraum vorhandenen Elektrolyten umfasst, wobei in einem Anodengaskreislauf zur Rückführung von Anodenabgas aus dem Anodenraum eine Brennstoffzuleitung zur Beimischung von Brennstoff zum Anodengas mündet, wobei zumindest eine Gasfördereinrichtung zum Fördern des Gemischs als Anodenzugas in einen Anodengaswärmeübertrager, welcher in den Anodengaskreislauf verschalten ist, vorgesehen ist, sowie welches Brennstoffzellensystem weiterhin zumindest eine Reformierungseinheit zum Reformieren des Brennstoffs im Anodengaskreislauf umfasst, wird von einer Vorrichtung gelöst, bei welcher Vorrichtung die zumindest eine Reformierungseinheit in einem heißen Kreislaufabschnitt des Anodengaskreislaufs angeordnet ist, in welchem heißen Kreislaufabschnitt im Betrieb des Brennstoffzellensystems eine Anodengastemperatur oberhalb der in der Reformierungseinheit erforderlichen Gleichgewichtstemperatur eingestellt ist sowie die zumindest eine Gasfördereinrichtung in einem kühlen Kreislaufabschnitt des Anodengaskreislaufs angeordnet ist, in welchem kühlen Kreislaufabschnitt im Betrieb des Brennstoffzellensystems eine Anodengastemperatur unterhalb der im heißen Kreislaufabschnitt herrschenden Anodengastemperatur eingestellt ist. The aforementioned object of the present invention to provide corresponding devices for operating a generic fuel cell system with a fuel, which fuel cell system at least one high-temperature fuel cell with at least one arranged in a cathode compartment cathode, with at least one arranged in an anode compartment anode and with an existing between cathode compartment and anode compartment Electrolyte comprises, wherein in a Anodengaskreislauf for returning anode exhaust gas from the anode compartment opens a fuel supply for admixing fuel to the anode gas, wherein at least one gas conveying means for conveying the mixture as anode gas into an anode gas heat exchanger, which is connected in the anode gas circuit is provided, and which Fuel cell system further comprises at least one reforming unit for reforming the fuel in the Anodengaskreislauf is dissolved by a device st, in which device the at least one reforming unit in a hot cycle section the anode cycle gas is arranged in which hot cycle section during operation of the fuel cell system is set an anode gas temperature above the equilibrium temperature required in the reforming and the at least one gas conveyor is arranged in a cool circuit section of the anode gas circulation, in which cool circuit section during operation of the fuel cell system an anode gas temperature below the is set in the hot cycle section prevailing anode gas temperature.
Sinngemäß gelten die zuvor für die unterschiedlichen erfindungsgemäßen Verfahren genannten Vorteile und Wirkungen auch für die entsprechenden Vorrichtungen zum Betrieb eines gattungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoff. Analogously, the advantages and effects mentioned above for the different methods according to the invention also apply to the corresponding devices for operating a generic fuel cell system with a fuel.
Vorteilhaft kann bei einer Vorrichtung gemäß der Erfindung die zumindest eine Reformierungseinheit für eine endotherme Dampfreformierung ausgelegt sein, wobei die Anodengastemperatur im heißen Kreislaufabschnitt des Anodengaskreislaufs, in welchem die zumindest eine Reformierungseinheit angeordnet ist, zumindest 500°C, bevorzugt zumindest 550°C, besonders bevorzugt zumindest 600°C, beträgt. Advantageously, in a device according to the invention, the at least one reforming unit can be designed for endothermic steam reforming, wherein the anode gas temperature in the hot circulation section of the anode gas circulation, in which the at least one reforming unit is arranged at least 500 ° C, preferably at least 550 ° C, particularly preferred at least 600 ° C, is.
Zweckmäßig kann bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zumindest eine Reformierungseinheit einen Reformer umfassen, der im Anodengaskreislauf in der Rezirkulationsleitung stromabwärts nach dem Anodengaswärmeübertrager sowie stromaufwärts vor der Gasfördereinrichtung angeordnet ist, wobei die Brennstoffzuleitung in die Anodengasableitung vor dem Anodengaswärmeübertrager und/oder in die Rezirkulationsleitung vor dem Reformer mündet. Expediently, in a device according to the invention, at least one reforming unit may comprise a reformer which is arranged in the anode gas circulation in the recirculation line downstream of the anode gas heat exchanger and upstream of the gas conveyor, the fuel feed into the anode gas discharge before the anode gas heat exchanger and / or into the recirculation line before the reformer ,
In einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung kann bei einer Vorrichtung die zumindest eine Reformierungseinheit einen katalytischen Reformerwärmeübertrager umfassen, wobei der Reformerwärmeübertrager mit dem Anodengaswärmeübertrager kombiniert oder in diesen integriert ist und in der Anodenzugasleitung vor dem Anodenraum angeordnet ist, wobei die kalte Wärmeübertragerseite und/oder die heiße Wärmeübertragerseite katalytisch reformierend ausgebildet oder mit dem Reformerwärmeübertrager gekoppelt ist bzw. sind und die Brennstoffzuleitung in die Anodengasableitung vor dem Anodengaswärmeübertrager und/oder in die Rezirkulationsleitung vor dem Reformerwärmeübertrager mündet. In a further embodiment variant of the invention, in a device the at least one reforming unit may comprise a catalytic reformer heat exchanger, wherein the reformer heat exchanger is combined with or integrated into the anode gas heat exchanger and located in the anode gas line upstream of the anode space, the cold heat exchanger side and / or the hot one Heat exchanger side formed catalytically reforming or is coupled to the reformer heat exchanger or are and the fuel supply into the Anodengasableitung before the anode gas heat exchanger and / or in the recirculation line before the reformer heat exchanger opens.
In einer alternativen Variante der Erfindung kann bei einer Vorrichtung die zumindest eine Reformierungseinheit zumindest eine katalytische Reformeranode umfassen, die im Anodenraum der Hochtemperaturbrennstoffzelle angeordnet ist, wobei vorzugsweise die Anode der Hochtemperaturbrennstoffzelle als katalytische Reformeranode ausgebildet ist, wobei die Brennstoffzuleitung in die Rezirkulationsleitung des Anodengaskreislaufs mündet. In an alternative variant of the invention, in a device the at least one reforming unit may comprise at least one catalytic reformer anode which is arranged in the anode chamber of the high-temperature fuel cell, wherein the anode of the high-temperature fuel cell is preferably designed as a catalytic reformer anode, wherein the fuel feed line opens into the recirculation line of the anode gas cycle.
Gemäß der Erfindung sind somit verschiedene Varianten des Anodengaskreislaufs bzw. unterschiedliche Ausführungen der Anordnung von Reformierungseinheit/Gasfördereinrichtung/Anodengaswärmeübertrager möglich, wie auch in der nachfolgenden Figurenbeschreibung ausgeführt wird. According to the invention, different variants of the anode gas circulation or different embodiments of the arrangement of reforming unit / gas delivery means / anode gas heat exchangers are thus possible, as is also carried out in the following description of the figures.
Grundsätzlich ist in allen Varianten sowohl des Verfahrens, als auch der Vorrichtung zum Betrieb des gattungsgemäßen Brennstoffzellensystems zumindest eine Reformierungseinheit vorgesehen, die aber beispielsweise als katalytischer Reformerwärmeübertrager oder als katalytische Reformeranode auch mit anderen Bauteilen kombiniert sein kann. Eine Reformierungseinheit ist notwendig, um die gewünschte Anodengaszusammensetzung sicherzustellen bzw. zu verhindern, dass es in der Brennstoffzelle zu einer unkontrollierten Reformierung kommt, die aufgrund ihres endothermen Charakters zu Thermospannungen und damit Beschädigungen der Brennstoffzelle führen könnte. In principle, at least one reforming unit is provided in all variants of both the method and the apparatus for operating the generic fuel cell system, which, however, can also be combined with other components as a catalytic reformer heat exchanger or as a catalytic reformer anode. A reforming unit is necessary to ensure the desired anode gas composition or to prevent it in the fuel cell to an uncontrolled reforming, which could lead to thermal stresses and thus damage the fuel cell due to their endothermic nature.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Erläuterung von in den Zeichnungen jeweils schematisch dargestellten, nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen. Die folgenden Ausführungen zu den Figurenbeschreibungen betreffen jeweils gleichsam Verfahren, als auch Vorrichtungen zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems. In den Zeichnungen zeigen jeweils in Darstellungen als vereinfachtes Verfahrensfließbild: Further details, features and advantages of the invention will become apparent from the following description of the drawings in each case schematically illustrated, non-limiting embodiments. The following explanations regarding the description of the figures relate to processes as well as devices for operating a fuel cell system. In the drawings, in each case representations as a simplified process flow diagram:
Beispielhaft ist in
Festoxidbrennstoffzellen
Hat das Sauerstoffmolekül die Grenzfläche zwischen Kathode und Elektrolyt erreicht, nimmt es zwei Elektronen auf, wird damit zum Ion und kann die Barriere durchdringen. An der Grenze zur Anode
Gemäß der in
Das Gemisch aus rückgeführtem Anodenabgas
In der Rezirkulationsleitung
In der in
Aus diesem Grund, bzw. um die eingangsseitig am Reformer
Die Anodengastemperatur
Nach Passieren der vergleichsweise heißen Wärmeübertragerseite
Besonders vorteilhaft ist hier an der in
Die Anodengastemperatur
Nach Passieren der vergleichsweise heißen Wärmeübertragerseite
Die Temperatur 200 des Anodenzugases
Der Anodenraum
Um dies zu verhindern, musste bisher Wasserdampf in einem Verdampferwärmetauscher erzeugt und gegebenenfalls dem System zugeführt werden, wodurch sich allerdings zusätzliche Investitions- und Betriebskosten sowie unerwünschte Druckverluste aufgrund der erforderlichen Vielzahl an Konditioniervorrichtungen ergeben. To prevent this, steam had previously been generated in an evaporator heat exchanger and possibly fed to the system, which, however, results in additional investment and operating costs and undesirable pressure losses due to the required number of conditioning devices.
In
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AUPS244802A0 (en) * | 2002-05-21 | 2002-06-13 | Ceramic Fuel Cells Limited | Fuel cell system |
US20070196704A1 (en) * | 2006-01-23 | 2007-08-23 | Bloom Energy Corporation | Intergrated solid oxide fuel cell and fuel processor |
US8795912B2 (en) * | 2009-06-16 | 2014-08-05 | Shell Oil Company | Systems and processes for operating fuel cell systems |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2020037347A1 (en) * | 2018-08-23 | 2020-02-27 | Avl List Gmbh | Fuel cell system and method for operating the same |
CN112514123A (en) * | 2018-08-23 | 2021-03-16 | Avl李斯特有限公司 | Fuel cell system and method for operating the same |
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