DE102017200995A1 - Fuel cell device and method for starting the fuel cell device - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Brennstoffzellenvorrichtung, welche dazu vorgesehen ist, mit Erdgas (12) betrieben zu werden, mit einer Brennstoffzelleneinheit (14), einem der Brennstoffzelleneinheit (14) vorgeschalteten Anodengasprozessor (16), welcher dazu vorgesehen ist, das Erdgas (12) zur Verwendung in der Brennstoffzelleneinheit (14) aufzubereiten, und mit einer Brennereinheit (18), welche während eines Normalbetriebs der Brennstoffzelleneinheit (14) dazu vorgesehen ist, in einem Anodenabgas (20) der Brennstoffzelleneinheit (14) verbliebene brennbare Stoffe zu verbrennen.Es wird vorgeschlagen, dass die Brennereinheit (18) während eines Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit (14) zu einer Erwärmung der Brennstoffzelleneinheit (14) auf eine Nennbetriebstemperatur vorgesehen ist.The invention is based on a fuel cell device, which is intended to be operated with natural gas (12), with a fuel cell unit (14), an anode gas processor (16) connected upstream of the fuel cell unit (14) and designed to supply the natural gas (12 ) for use in the fuel cell unit (14), and a burner unit (18) provided during a normal operation of the fuel cell unit (14) for combusting combustibles remaining in an anode exhaust gas (20) of the fuel cell unit (14) It is proposed that the burner unit (18) during a startup of the fuel cell unit (14) is provided for heating the fuel cell unit (14) to a nominal operating temperature.

Description

Stand der TechnikState of the art

Es ist bereits eine Brennstoffzellenvorrichtung, welche dazu vorgesehen ist, mit Erdgas betrieben zu werden, mit einer Brennstoffzelleneinheit, einem der Brennstoffzelleneinheit vorgeschalteten Anodengasprozessor, welcher dazu vorgesehen ist, das Erdgas zur Verwendung in der Brennstoffzelleneinheit aufzubereiten, und mit einer Brennereinheit, welche während eines Normalbetriebs der Brennstoffzelleneinheit dazu vorgesehen ist, in einem Anodenabgas der Brennstoffzelleneinheit verbliebene brennbare Stoffe zu verbrennen, bekannt.It is already a fuel cell device which is intended to be operated with natural gas, with a fuel cell unit, an anode gas processor upstream of the fuel cell unit, which is intended to prepare the natural gas for use in the fuel cell unit, and with a burner unit, which during normal operation the fuel cell unit is provided to burn combustible substances remaining in an anode exhaust gas of the fuel cell unit.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Erfindung geht aus von einer Brennstoffzellenvorrichtung, welche dazu vorgesehen ist, mit Erdgas betrieben zu werden, mit einer Brennstoffzelleneinheit, einem der Brennstoffzelleneinheit vorgeschalteten Anodengasprozessor, welcher dazu vorgesehen ist, das Erdgas zur Verwendung in der Brennstoffzelleneinheit aufzubereiten, und mit einer Brennereinheit, welche während eines Normalbetriebs der Brennstoffzelleneinheit dazu vorgesehen ist, in einem Anodenabgas der Brennstoffzelleneinheit verbliebene brennbare Stoffe zu verbrennen.The invention is based on a fuel cell device, which is intended to be operated with natural gas, with a fuel cell unit, an anode gas processor upstream of the fuel cell unit, which is intended to prepare the natural gas for use in the fuel cell unit, and with a burner unit which during a normal operation of the fuel cell unit is provided to burn remaining in an anode exhaust gas of the fuel cell unit combustible substances.

Es wird vorgeschlagen, dass die Brennereinheit während eines Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit zu einer Erwärmung der Brennstoffzelleneinheit auf eine Nennbetriebstemperatur vorgesehen ist.It is proposed that the burner unit is provided during a startup of the fuel cell unit for heating the fuel cell unit to a nominal operating temperature.

Unter einer „Brennstoffzellenvorrichtung“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Vorrichtung zu einer stationären und/oder mobilen Gewinnung insbesondere elektrischer und/oder thermischer Energie unter Verwendung zumindest einer Brennstoffzelleneinheit verstanden werden. Unter einem „Erdgas“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Gas und/oder ein Gasgemisch, insbesondere ein Naturgasgemisch, verstanden werden, welches vorzugsweise zumindest ein Alkan, insbesondere Methan, Ethan, Propan und/oder Butan, umfasst. Ferner kann das Erdgas weitere Bestandteile aufweisen, wie insbesondere Kohlenstoffdioxid und/oder Stickstoff und/oder Sauerstoff und/oder Schwefelverbindungen. Unter einer „Brennstoffzelleneinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit mit zumindest einer Brennstoffzelle verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, zumindest eine chemische Reaktionsenergie zumindest eines, insbesondere kontinuierlich zugeführten, Brenngases, insbesondere Wasserstoff und/oder Kohlenstoffmonoxid, und zumindest eines Kathodengases, insbesondere Sauerstoff, insbesondere in elektrische Energie umzuwandeln. Die zumindest eine Brennstoffzelle ist vorzugsweise als Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) ausgebildet. Vorzugsweise umfasst die zumindest eine Brennstoffzelleneinheit eine Vielzahl von Brennstoffzellen, welche insbesondere in einem Brennstoffzellenstack angeordnet sind. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt.In this context, a "fuel cell device" is to be understood as meaning, in particular, a device for stationary and / or mobile extraction of, in particular, electrical and / or thermal energy using at least one fuel cell unit. In this context, a "natural gas" is to be understood as meaning, in particular, a gas and / or a gas mixture, in particular a natural gas mixture, which preferably comprises at least one alkane, in particular methane, ethane, propane and / or butane. Furthermore, the natural gas may have further constituents, such as in particular carbon dioxide and / or nitrogen and / or oxygen and / or sulfur compounds. A "fuel cell unit" in this context is to be understood in particular as a unit having at least one fuel cell which is provided with at least one chemical reaction energy of at least one, in particular continuously supplied, fuel gas, in particular hydrogen and / or carbon monoxide, and at least one cathode gas, in particular To convert oxygen, especially into electrical energy. The at least one fuel cell is preferably designed as a solid oxide fuel cell (SOFC). Preferably, the at least one fuel cell unit comprises a plurality of fuel cells, which are arranged in particular in a fuel cell stack. By "provided" is intended to be understood in particular specially programmed, designed and / or equipped. The fact that an object is intended for a specific function should in particular mean that the object fulfills and / or executes this specific function in at least one application and / or operating state.

Unter einem „Anodengasprozessor“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, das Erdgas vor einer Zuleitung zu einer Anode der Brennstoffzelleneinheit für eine Verwendung innerhalb einer in der Brennstoffzelleneinheit ablaufenden Reaktion aufzubereiten. Insbesondere ist der Anodengasprozessor dazu vorgesehen, insbesondere ein Erdgas und/oder ein Brenngas und/oder ein brenngashaltiges Gasgemisch auf eine Reaktionstemperatur zu erwärmen und/oder das Erdgas in ein Brenngas und/oder ein Brenngasgemisch zu überführen. Insbesondere kann der Anodengasprozessor als eine bauliche Einheit ausgebildet sein. Unter einer „baulichen Einheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine vormontierbare und/oder vorzugsweise vormontierte Einheit verstanden werden, welche eine Mehrzahl von Untereinheiten, insbesondere die Entschwefelungseinheit, die Oxidationseinheit und die Reformereinheit, und/oder Komponenten, beispielsweise Fluidverbindungen und/oder Sensoren und/oder Wärmeübertrager, derart zusammenfasst, dass diese vorzugsweise als Ganzes in ein Gesamtsystem, insbesondere in ein Brennstoffzellensystem, einbringbar und/oder als Ganzes aus dem Gesamtsystem entfernbar sind.In this context, an "anode gas processor" is to be understood as meaning, in particular, a unit which is provided to condition the natural gas upstream of a supply line to an anode of the fuel cell unit for use within a reaction taking place in the fuel cell unit. In particular, the anode gas processor is provided in particular to heat a natural gas and / or a fuel gas and / or a fuel gas-containing gas mixture to a reaction temperature and / or to convert the natural gas into a fuel gas and / or a fuel gas mixture. In particular, the anode gas processor can be designed as a structural unit. In this context, a "constructional unit" is to be understood in particular as a preassembled and / or preferably preassembled unit which has a plurality of subunits, in particular the desulfurization unit, the oxidation unit and the reformer unit, and / or components, for example fluid connections and / or sensors / or heat exchanger, summarized in such a way that they are preferably as a whole in an overall system, in particular in a fuel cell system, introduced and / or removed as a whole from the overall system.

Unter einem „Normalbetrieb der Brennstoffzelleneinheit“ soll in diesem Zusammenhang ein Betriebszustand verstanden werden in welchem die Brennstoffzelleneinheit ihre Nennbetriebstemperatur aufweist und eine maximale elektrische Leistung abgeben kann. Unter einem „Anfahren der Brennstoffzelleneinheit“ soll insbesondere ein Prozess verstanden werden, welcher insbesondere dazu vorgesehen ist, die Brennstoffzelleneinheit auf ihre Nennbetriebstemperatur zu erwärmen. Der Brennereinheit wird während eines Normalbetriebs der Brennstoffzelleneinheit zumindest ein Teil eines Anodenabgases der Brennstoffzelleneinheit zugeführt. Die Brennereinheit ist dazu vorgesehen, in dem Anodenabgas der Brennstoffzelleneinheit verbliebene brennbare Stoffe, insbesondere nicht umgesetzten Wasserstoff, und/oder Kohlenmonoxid zu verbrennen. Ein für einen Betrieb der Brennereinheit benötigter Sauerstoff wird der Brennereinheit in Form eines Kathodenabgases der Brennstoffzelleneinheit zugeführt. Während eines Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit ist die Brennereinheit dazu vorgesehen, zumindest einen Beitrag zu einer Erwärmung der Brennstoffzelleneinheit auf ihre Nennbetriebstemperatur zu leisten. Während eines Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit wird der Brennereinheit zumindest ein von einem Anodenabgas verschiedener Brennstoff und ein für ein für eine Verbrennung notweniger Sauerstoff zugeführt. Eine durch die Verbrennung gewonnene thermische Energie wird zumindest teilweise indirekt oder direkt der Brennstoffzelleneinheit zu einer Erwärmung zugeführt. Alternativ oder zusätzlich kann die Brennereinheit zumindest einen elektrischen Heizer umfassen, welcher dazu vorgesehen ist, während eines Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit einen Beitrag zu einer Erwärmung der Brennstoffzelleneinheit auf ihre Nennbetriebstemperatur zu leisten. Eine durch den elektrischen Heizer gewonnene thermische Energie wird zumindest teilweise indirekt oder direkt der Brennstoffzelleneinheit zu einer Erwärmung zugeführt.A "normal operation of the fuel cell unit" is to be understood in this context as an operating state in which the fuel cell unit has its rated operating temperature and can deliver a maximum electrical power. A "start-up of the fuel cell unit" is to be understood in particular to mean a process which is provided, in particular, for heating the fuel cell unit to its nominal operating temperature. During normal operation of the fuel cell unit, at least part of an anode exhaust gas is supplied to the burner unit of the fuel cell unit. The burner unit is intended to burn combustible substances remaining in the anode exhaust gas of the fuel cell unit, in particular unreacted hydrogen, and / or carbon monoxide. An oxygen required for an operation of the burner unit is supplied to the burner unit in the form of a cathode exhaust gas of the fuel cell unit. During startup of the fuel cell unit the burner unit is provided to make at least a contribution to a heating of the fuel cell unit to its nominal operating temperature. During startup of the fuel cell unit, the burner unit is supplied with at least one of an anode exhaust gas different fuel and a necessary for a combustion of oxygen. A thermal energy obtained by the combustion is at least partially supplied indirectly or directly to the fuel cell unit for heating. Alternatively or additionally, the burner unit may comprise at least one electric heater, which is provided to contribute to a heating of the fuel cell unit to its nominal operating temperature during startup of the fuel cell unit. A thermal energy obtained by the electric heater is at least partially supplied indirectly or directly to the fuel cell unit for heating.

Durch eine derartige Ausgestaltung kann eine gattungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung mit vorteilhaften Betriebseigenschaften bereitgestellt werden. Insbesondere kann durch die Verwendung der Brennereinheit sowohl als Nachbrenner während eines Normalbetriebs der Brennstoffzelleneinheit als auch als Startbrenner während eines Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit vorteilhaft auf einen separaten Startbrenner verzichtet werden. Hierdurch können eine vorteilhafte Kosten- und/oder Platzersparnis erreicht werden und/oder ein Wartungsaufwand vorteilhaft reduziert werden.By such a configuration, a generic fuel cell device can be provided with advantageous operating characteristics. In particular, by using the burner unit both as an afterburner during a normal operation of the fuel cell unit and as a starting burner during a startup of the fuel cell unit can advantageously be dispensed with a separate start burner. As a result, an advantageous cost and / or space savings can be achieved and / or a maintenance effort can be advantageously reduced.

Ferner wird vorgeschlagen, dass die Brennereinheit zumindest eine Erdgaszuleitung aufweist, welche dazu vorgesehen ist, der Brennereinheit während eines Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit Erdgas zuzuführen. Insbesondere weist die Erdgaszuleitung zumindest ein insbesondere als Proportionalventil ausgebildetes Ventil auf, welches dazu vorgesehen ist, einen Volumenstrom des Erdgases zu der Brennereinheit zu regulieren. Insbesondere ist das Ventil dazu vorgesehen, während eines Anfahrens der Brennstoffzelleinheit geöffnet zu sein. Das Ventil ist insbesondere dazu vorgesehen während eines Normalbetriebs der Brennstoffzelleneinheit geschlossen zu sein. Insbesondere wird der Brennereinheit während eines Normalbetriebs der Brennstoffzelleneinheit kein Erdgas über die Erdgaszuleitung zugeführt. Insbesondere kann die Zuführung von Erdgas an die Brennereinheit während des Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit temperatur- und/oder zeitgesteuert erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann das Erdgas während eines Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit zunächst durch die Anode der Brennstoffzelleneinheit geleitet und anschließend der der Brennereinheit zugeführt werden. Hierdurch kann eine vorteilhaft einfache und/oder zuverlässige Versorgung der Brennereinheit während eines Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit mit einem Brennstoff erfolgen. Ferner kann die Brennereinheit durch die Zuführung von Erdgas vorteilhaft zum Anfahren der Brennstoffzelleneinheit gezündet werden.It is also proposed that the burner unit has at least one natural gas feed line, which is provided to supply natural gas to the burner unit during startup of the fuel cell unit. In particular, the natural gas feed line has at least one valve, in particular designed as a proportional valve, which is provided to regulate a volume flow of the natural gas to the burner unit. In particular, the valve is intended to be open during startup of the fuel cell unit. The valve is particularly intended to be closed during normal operation of the fuel cell unit. In particular, the burner unit is not supplied with natural gas via the natural gas feed line during normal operation of the fuel cell unit. In particular, the supply of natural gas to the burner unit during the startup of the fuel cell unit can be temperature-controlled and / or time-controlled. Alternatively or additionally, during startup of the fuel cell unit, the natural gas may first be passed through the anode of the fuel cell unit and subsequently supplied to the burner unit. As a result, an advantageously simple and / or reliable supply of the burner unit during startup of the fuel cell unit with a fuel can take place. Furthermore, the burner unit can be ignited by the supply of natural gas advantageously for starting the fuel cell unit.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest einen Wärmeübertrager aufweist, welcher dazu vorgesehen ist, eine thermische Energie eines Abgases der Brennereinheit zumindest teilweise auf ein einer Kathode der Brennstoffzelleneinheit zugeführtes Oxidationsgas zu übertragen. 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 Gleichstrombetrieb. Der Wärmeübertrager ist insbesondere dazu vorgesehen, Wärme von zumindest einem fluiden Stoffstrom, insbesondere einem Abgas der Brennereinheit, insbesondere auf das der Kathode der Brennstoffzelleneinheit zugeführte Oxidationsgas, zu übertragen. Insbesondere ist der Wärmeübertrager dazu vorgesehen, sowohl während eines Anfahrens als auch während eines Normalbetriebs der Brennstoffzelleneinheit von einem Abgas der Brennereinheit und einem Kathodengas durchströmt zu werden. Der Wärmeübertrager ist insbesondere dazu vorgesehen, während eines Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit Wärme von einem Abgas der Brennereinheit zu einer Erwärmung der Brennstoffzelleinheit auf ihre Nennbetriebstemperatur auf das Kathodengas zu übertragen. Während eines Normalbetriebs der Brennstoffzelleneinheit ist der Wärmeübertrager insbesondere dazu vorgesehen, das Kathodengas durch eine Übertragung von Wärme von einem Abgas der Brennereinheit auf eine Prozesstemperatur zu erwärmen. Hierdurch kann ein vorteilhaft einfaches und/oder effizientes Erwärmen der Brennstoffzelleneinheit auf eine Nennbetriebstemperatur während eines Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit und ein vorteilhaft einfaches und/oder effizientes Erwärmen des Kathodengases auf eine Prozesstemperatur während eines Normalbetriebs der Brennstoffzelleneinheit erreicht werden.In a preferred embodiment of the invention, it is proposed that the fuel cell device has at least one heat exchanger which is provided to at least partially transmit a thermal energy of an exhaust gas of the burner unit to an oxidizing gas supplied to a cathode of the fuel cell unit. In this context, a "heat exchanger" is to be understood as meaning, in particular, a unit which is intended to transfer heat in the direction of a temperature gradient between at least two, in particular fluid streams, in particular in a countercurrent operation, crossflow operation and / or direct current operation. The heat exchanger is in particular provided to transfer heat from at least one fluid stream, in particular an exhaust gas of the burner unit, in particular to the cathode of the fuel cell unit supplied oxidizing gas. In particular, the heat exchanger is intended to be traversed both during startup and during normal operation of the fuel cell unit of an exhaust gas of the burner unit and a cathode gas. The heat exchanger is in particular provided to transfer heat from an exhaust gas of the burner unit to a heating of the fuel cell unit to its nominal operating temperature to the cathode gas during startup of the fuel cell unit. During normal operation of the fuel cell unit, the heat exchanger is provided, in particular, for heating the cathode gas to a process temperature by transferring heat from an exhaust gas of the burner unit. In this way, an advantageously simple and / or efficient heating of the fuel cell unit to a nominal operating temperature during startup of the fuel cell unit and an advantageously simple and / or efficient heating of the cathode gas to a process temperature during normal operation of the fuel cell unit can be achieved.

Ferner wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung einen Rezirkulationskreis aufweist, welcher während eines Normalbetriebs der Brennstoffzelleneinheit dazu vorgesehen ist, dem Anodengasprozessor zumindest einen Teil eines Anodenabgases der Brennstoffzelleneinheit zuzuführen. Unter einem „Rezirkulationskreis“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Verbindungseinheit verstanden werden, die zu einem Transport von insbesondere flüssigen und/oder gasförmigen Stoffen und/oder Stoffgemischen vorgesehen ist. Insbesondere umfasst der Rezirkulationskreis zumindest eine Hohlleitung, beispielsweise zumindest eine Rohr- und/oder Schlauchleitung. Der Rezirkulationskreis ist insbesondere dazu vorgesehen, dem Anodengasprozessor eingangsseitig einen insbesondere festgelegten Prozentsatz eines Volumenstroms eines insbesondere wasserdampfhaltigen und/oder wasserstoffhaltigen und/oder kohlenmonoxidhaltigen Abgases der Brennstoffzelleneinheit, insbesondere eines Anodenabgases, zuzuführen. Hierdurch kann dem Anodengasprozessor für eine Aufbereitung des Erdgases benötigter Wasserdampf und/oder Wasserstoff zugeführt werden. Ferner kann eine Brennstoffnutzungsrate der Brennstoffzellenvorrichtung vorteilhaft erhöht werden.It is also proposed that the fuel cell device has a recirculation circuit which is provided during normal operation of the fuel cell unit to supply at least a portion of an anode exhaust gas of the fuel cell unit to the anode gas processor. In this context, a "recirculation circuit" is to be understood as meaning, in particular, a connection unit which is provided for transporting, in particular, liquid and / or gaseous substances and / or substance mixtures. In particular, the recirculation circuit comprises at least one hollow conduit, for example at least one pipe and / or hose line. The recirculation circuit is provided, in particular, for supplying to the anode gas processor on the input side a particular fixed percentage of a volumetric flow of an exhaust gas containing in particular water vapor and / or hydrogen and / or carbon monoxide in the fuel cell unit, in particular an anode exhaust gas. As a result, the steam and / or hydrogen required for the treatment of the natural gas can be supplied to the anode gas processor. Further, a fuel utilization rate of the fuel cell device can be advantageously increased.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Anodengasprozessor, eine Oxidationseinheit, welche zur Durchführung einer partiellen Oxidation vorgesehen ist, und eine Reformereinheit, welche zu einer zumindest teilweisen Reformierung des Erdgases vorgesehen ist, aufweist. Unter einer „Reformereinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine chemisch-technische Einheit zu zumindest einer Aufbereitung zumindest eines kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffs, insbesondere des Erdgases, insbesondere durch eine Dampfreformierung, durch eine partielle Oxidation, durch eine autotherme Reformierung und/oder durch eine Kombination einer Dampfreformierung mit einer CO2-Trockenreformierung, insbesondere zur Gewinnung eines Brenngases, insbesondere Wasserstoff, und/oder zum Aufbrechen höherkettiger Alkane verstanden werden. Unter einer „Oxidationseinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, das Erdgas insbesondere mittels Thermisch Partieller Oxidation und/oder Katalytisch Partieller Oxidation unter Zugabe von Sauerstoff, insbesondere Luftsauerstoff, zumindest teilweise in ein Brenngas, insbesondere Wasserstoff, und/oder ein brenngashaltiges Gasgemisch zu überführen. Die Oxidationseinheit ermöglicht insbesondere während eines Anfahrens der Brennstoffzellenvorrichtung während welchem ein zu geringer Anteil an Wasserdampf für die Reformereinheit zur Verfügung steht, eine Gewinnung von Wasserstoff. Bei einem Vorhandensein einer ausreichenden Menge von Wasserdampf weist die Dampfreformierung mittels der Reformereinheit gegenüber der partiellen Oxidation mittels der Oxidationseinheit insbesondere eine größere Wasserstoffausbeute auf. Ferner kann der Anodengasprozessor eine Entschweflungseinheit umfassen. Unter einer „Entschwefelungseinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, vorzugsweise durch zumindest ein physikalisches und/oder chemisches Adsorptionsverfahren und/oder Absorptionsverfahren, einen Volumen- und/oder Molanteil an Schwefelverbindungen in dem Erdgas insbesondere unter einen festgelegten Grenzwert zu senken und vorzugsweise zumindest im Wesentlichen aus dem Erdgas zu entfernen. Insbesondere kann die Entschwefelungseinheit als eine Hydrodesulfierungseinheit ausgebildet sein. Unter einer „Hydrodesulfierungseinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Entschwefelungseinheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, das Erdgas unter Zugabe von Wasserstoff unter einen vorbestimmten Grenzwert und vorzugsweise zumindest weitgehend zu entschwefeln. Insbesondere reagieren dabei in einem ersten Prozessschritt Schwefelkomponenten des Erdgases mit dem Wasserstoff zu Schwefelwasserstoff und zu schwefelfreien Kohlenwasserstoffen. In einem zweiten Prozessschritt kann der Schwefelwasserstoff insbesondere durch eine Absorption, beispielsweise in einem Zinkoxid-Bett, in einer festen Sulfidverbindung gebunden werden. Insbesondere ist die Entschwefelungseinheit der Oxidationseinheit strömungstechnisch vorgeschaltet und die Reformereinheit der Oxidationseinheit strömungstechnisch nachgeschaltet. Hierdurch kann eine vorteilhafte Aufbereitung des Erdgases erreicht werden.Furthermore, it is proposed that the anode gas processor, an oxidation unit, which is provided for performing a partial oxidation, and a reformer unit, which is provided for an at least partial reforming of the natural gas having. In this context, a "reformer unit" should in particular be a chemical-technical unit for at least treating at least one hydrocarbon-containing fuel, in particular natural gas, in particular by steam reforming, by partial oxidation, by autothermal reforming and / or by a combination of steam reforming are understood to mean a CO 2 dry reforming, in particular for obtaining a fuel gas, in particular hydrogen, and / or for breaking up higher-alkanes. In this context, an "oxidation unit" is to be understood as meaning in particular a unit which is provided to at least partially convert the natural gas, in particular by means of thermal partial oxidation and / or catalytic partial oxidation with the addition of oxygen, in particular atmospheric oxygen, into a fuel gas, in particular hydrogen. and / or to transfer a fuel gas-containing gas mixture. The oxidation unit makes it possible, in particular during startup of the fuel cell device during which too little a proportion of water vapor is available for the reformer unit, to obtain hydrogen. In the presence of a sufficient amount of water vapor, the steam reforming by means of the reformer unit in particular has a greater hydrogen yield compared with the partial oxidation by means of the oxidation unit. Further, the anode gas processor may include a desulfurization unit. In this context, a "desulfurization unit" is to be understood as meaning in particular a unit which is provided, preferably by at least one physical and / or chemical adsorption method and / or absorption method, a volume and / or molar proportion of sulfur compounds in the natural gas, in particular under one to reduce set limit and preferably at least substantially remove it from the natural gas. In particular, the desulfurization unit may be formed as a Hydrodesulfierungseinheit. In this context, a "hydrodesulphating unit" is to be understood as meaning, in particular, a desulphurisation unit which is intended to desulphurize the natural gas with the addition of hydrogen below a predetermined limit value and preferably at least substantially. In particular, in a first process step, sulfur components of the natural gas react with the hydrogen to form hydrogen sulphide and sulfur-free hydrocarbons. In a second process step, the hydrogen sulfide can be bound in particular by absorption, for example in a zinc oxide bed, in a solid sulfide compound. In particular, the desulfurization unit is upstream of the oxidation unit and downstream of the reformer unit of the oxidation unit. As a result, an advantageous treatment of the natural gas can be achieved.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass eine Anode der Brennstoffzelleneinheit und der Anodengasprozessor zumindest zeitweise im Wesentlichen resistent gegen eine Oxidation sind und/oder eine Oxidation einer Anode der Brennstoffzelleneinheit und des Anodengasprozessors zumindest weitgehend reversibel ist. Insbesondere kann dies durch eine geschickte Auswahl von Katalysator-Werkstoffen und/oder Funktionsschicht-Werkstoffen der Anode erreicht werden. Alternativ oder zusätzlich können die Funktionsschichten der Anode sehr dünn konzipiert werden, wodurch der negative Effekt der Volumenänderung bei Oxidation gemindert werden kann. Insbesondere kann während eines Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit Stickstoff in einen Anodenpfad eingeleitet werden, wenn die Anode der Brennstoffzelleneinheit und der Anodengasprozessor zu Beginn des Anfahrens keine reduzierende Atmosphäre benötigt. Alternativ kann während eines Anfahrens der Brennstoffzelleinheit insbesondere Luft in einen Anodenpfad eingeleitet und/oder ein in dem Anodenpfad befindliches Gas im Anodenpfad rezirkuliert werden, wenn die Anode der Brennstoffzelleneinheit und der Anodengasprozessor zu Beginn des Anfahrens resistent gegen eine Oxidation sind oder eine Oxidation der Anode und des Anodengasprozessors in späteren Phasen des Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit zumindest weitgehend reversibel ist. Hierdurch kann während eines Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit vorteilhaft auf eine Einleitung eines Schutz- oder Formiergases in einen Anodenpfad verzichtet werden, wodurch eine vorteilhafte Kostenersparnis und/oder ein vorteilhaft einfacher Aufbau der Brennstoffzellenvorrichtung erreicht werden kann.In a further preferred embodiment of the invention it is proposed that an anode of the fuel cell unit and the anode gas processor are at least temporarily substantially resistant to oxidation and / or oxidation of an anode of the fuel cell unit and the anode gas processor is at least largely reversible. In particular, this can be achieved by a skillful selection of catalyst materials and / or functional layer materials of the anode. Alternatively or additionally, the functional layers of the anode can be designed to be very thin, whereby the negative effect of the volume change upon oxidation can be reduced. In particular, during startup of the fuel cell unit, nitrogen may be introduced into an anode path when the anode of the fuel cell unit and the anode gas processor does not require a reducing atmosphere at the start of the startup. Alternatively, during startup of the fuel cell unit, in particular, air may be introduced into an anode path and / or a gas in the anode path may be recirculated in the anode path if the anode of the fuel cell unit and the anode gas processor are resistant to oxidation at the start of the startup or oxidation of the anode and the anode gas processor is at least largely reversible in later phases of the startup of the fuel cell unit. As a result, it is advantageously possible to dispense with the introduction of a protective gas or forming gas into an anode path during startup of the fuel cell unit, whereby an advantageous cost saving and / or an advantageously simple design of the fuel cell device can be achieved.

Ferner wird ein Verfahren zum Anfahren einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Brennstoffzelleneinheit und mit einer Brennereinheit, welche während eines Normalbetriebs der Brennstoffzelleneinheit dazu vorgesehen ist, in einem Anodenabgas der Brennstoffzelleneinheit verbliebene brennbare Stoffe zu verbrennen, vorgeschlagen bei welchem in zumindest einem Verfahrensschritt die Brennstoffzelleneinheit während eines Anfahrens mittels der Brennereinheit auf eine Nennbetriebstemperatur erwärmt wird. Durch die Verwendung der Brennereinheit sowohl als Nachbrenner während eines Normalbetriebs der Brennstoffzelleneinheit als auch als Startbrenner während eines Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit kann vorteilhaft auf einen separaten Startbrenner verzichtet werden. Hierdurch können eine vorteilhafte Kosten- und/oder Platzersparnis erreicht werden und/oder ein Wartungsaufwand vorteilhaft reduziert werden Furthermore, a method for starting up a fuel cell device with a fuel cell unit and with a burner unit, which is provided during a normal operation of the fuel cell unit to burn combustible substances remaining in an anode exhaust gas of the fuel cell unit, is proposed in which in at least one method step the fuel cell unit during a start the burner unit is heated to a nominal operating temperature. By using the burner unit both as an afterburner during normal operation of the fuel cell unit and as a starting burner during startup of the fuel cell unit can advantageously be dispensed with a separate start burner. As a result, an advantageous cost and / or space savings can be achieved and / or a maintenance effort can be advantageously reduced

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass zu Beginn eines Erwärmens der Brennstoffzelleneinheit Stickstoff oder Luft in einen Anodenpfad eingeleitet oder in dem Anodenpfad vorhandenes Gas rezirkuliert wird. Hierdurch kann ein Anfahren der Brennstoffzelleinheit vorteilhaft vereinfacht werden.Furthermore, it is proposed that, at the beginning of a heating of the fuel cell unit, nitrogen or air is introduced into an anode path or gas present in the anode path is recirculated. As a result, a startup of the fuel cell unit can be advantageously simplified.

Zudem wird vorgeschlagen, dass unmittelbar vor Eintritt eines Strombetriebs der Brennstoffzelleneinheit Erdgas und/oder Luft in einen Anodenpfad zudosiert wird. Hierdurch kann ein Anfahren der Brennstoffzelleinheit vorteilhaft vereinfacht werden.In addition, it is proposed that natural gas and / or air is metered into an anode path immediately before the start of a current operation of the fuel cell unit. As a result, a startup of the fuel cell unit can be advantageously simplified.

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.

Figurenlistelist of figures

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.Further advantages emerge from the following description of the drawing. In the drawing, two embodiments of the invention are shown. The drawing, the description and the claims contain numerous features in combination. The person skilled in the art will expediently also consider the features individually and combine them into meaningful further combinations.

Es zeigt:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Brennstoffzelleneinheit, einem Anodengasprozessor und einer Brennereinheit und
  • 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Anfahren der Brennstoffzellenvorrichtung.
It shows:
  • 1 a schematic representation of a fuel cell device with a fuel cell unit, an anode gas processor and a burner unit and
  • 2 a flowchart of a method for starting the fuel cell device.

Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung 10, welche dazu vorgesehen ist, mit Erdgas 12 betrieben zu werden. Alternativ kann die Brennstoffzellenvorrichtung 10 mit Methan betrieben werden. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 weist eine Brennstoffzelleneinheit 14 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 14 ist hier vereinfacht als eine Brennstoffzelle 42 dargestellt. Zweckmäßig ist jedoch eine Ausbildung einer Brennstoffzelleneinheit als ein Brennstoffzellenstack mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen. Die Brennstoffzelleneinheit 14 weist eine Anode 38 und eine Kathode 28 auf. Der Anode 38 wird während eines Normalbetriebs der Brennstoffzelleneinheit 14 ein aus dem Erdgas 12 gewonnenes Reformat 44 zugeführt. Der Kathode 28 wird während eines Normalbetriebs der Brennstoffzelleneinheit 14 ein Kathodengas 30, insbesondere Luftsauerstoff, zugeführt. 1 shows a schematic representation of a fuel cell device 10 , which is intended to be natural gas 12 to be operated. Alternatively, the fuel cell device 10 be operated with methane. The fuel cell device 10 has a fuel cell unit 14 on. The fuel cell unit 14 is simplified here as a fuel cell 42 shown. However, it is expedient to design a fuel cell unit as a fuel cell stack with a multiplicity of fuel cells. The fuel cell unit 14 has an anode 38 and a cathode 28 on. The anode 38 during normal operation of the fuel cell unit 14 one from natural gas 12 won reformat 44 fed. The cathode 28 becomes during normal operation of the fuel cell unit 14 a cathode gas 30, in particular atmospheric oxygen supplied.

Ferner weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10 einen Anodengasprozessor 16 auf, welcher dazu vorgesehen ist, das Erdgas 12 zur Verwendung in der Brennstoffzelleneinheit 14 aufzubereiten. Der Anodengasprozessor 16 ist der Anode 38 der Brennstoffzelleneinheit 14 strömungstechnisch vorgeschaltet. Der Anodengasprozessor 16 umfasst eine Oxidationseinheit 34 und eine Reformereinheit 36. Zusätzlich kann der Anodengasprozessor 16 eine hier nicht dargestellte Entschwefelungseinheit umfassen. Die Oxidationseinheit 34 und die Reformereinheit 36 sind innerhalb des Anodengasprozessors 16 strömungstechnisch seriell miteinander verschaltet. Die Reformereinheit 36 ist der Oxidationseinheit 34 strömungstechnisch nachgeschaltet. Die Oxidationseinheit 34 ist dazu vorgesehen, das Erdgas 12 mittels partieller Oxidation unter Zugabe von Sauerstoff aus der Umgebungsluft teilweise in Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid zu überführen. Die der Oxidationseinheit 34 nachgeschaltete Reformereinheit 36 ist insbesondere als eine Dampfreformereinheit ausgebildet. Die Reformereinheit 36 ist dazu vorgesehen, insbesondere mittels einer Dampfreformierung langkettige Kohlenwasserstoffe zu Methan, Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid sowie Kohlenstoffdioxid aufzuspalten. Das so gewonnene Reformat 44 wird der Anode 38 der Brennstoffzelleneinheit 14 zugeführt. Insbesondere während eines Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit 14 steht ein zu geringer Anteil an Wasserdampf für einen Betrieb der Reformereinheit 36 und/oder ein zu geringer Anteil an Wasserstoff für den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 14 zur Verfügung. Die Oxidationseinheit 34 ermöglicht, insbesondere während des Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit 14, eine Gewinnung von Wasserstoff unter Verwendung von Luftsauerstoff aus der Umgebungsluft. Der so gewonnene Wasserstoff kann zu einem Anlaufbetrieb der Brennstoffzelleneinheit 14 verwendet werden. Die Oxidationseinheit 34 und die Reformereinheit 36 weisen jeweils einen elektrischen Heizer 48, 50 auf. Das Erdgas 12 wird während eines Betriebs der Brennstoffzelleneinheit 14 über eine Versorgungsleitung 52 in die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eingespeist. Das Erdgas 12 wird mittels eines Verdichters 54 gefördert. Vor Eintritt in einen Anodengasprozessor 16 wird Erdgas 12 mittels eines Wärmeübertragers 56 auf eine Prozesstemperatur erwärmt. Das Kathodengas 30 wird über eine weitere Versorgungsleitung 58 in die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eingespeist. Das Kathodengas 30 wird mittels eines Verdichters 60 gefördert. Ferner weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine Luftzuleitung 62, welche dazu vorgesehen ist Luft 64 in einen Anodenpfad 40 einzuspeisen, und eine Schutzgaszuleitung 66, welche dazu vorgesehen ist, ein Schutzgas 68 in einen Anodenpfad 40 einzuspeisen, auf.Furthermore, the fuel cell device 10 an anode gas processor 16 which is intended to be the natural gas 12 for use in the fuel cell unit 14 prepare. The anode gas processor 16 is the anode 38 the fuel cell unit 14 fluidically upstream. The anode gas processor 16 includes an oxidation unit 34 and a reformer unit 36 , In addition, the anode gas processor 16 comprise a desulfurization unit, not shown here. The oxidation unit 34 and the reformer unit 36 are inside the anode gas processor 16 fluidically connected in series with each other. The reformer unit 36 is the oxidation unit 34 downstream flow. The oxidation unit 34 is meant to be the natural gas 12 partially converted by partial oxidation with the addition of oxygen from the ambient air in hydrogen and / or carbon monoxide. The oxidation unit 34 downstream reformer unit 36 is in particular designed as a steam reformer unit. The reformer unit 36 is intended to split in particular by means of steam reforming long-chain hydrocarbons to methane, hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide. The reformat gained in this way 44 becomes the anode 38 the fuel cell unit 14 fed. In particular, during startup of the fuel cell unit 14 is too low a proportion of water vapor for operation of the reformer unit 36 and / or too low a proportion of hydrogen for the operation of the fuel cell unit 14 to Available. The oxidation unit 34 allows, in particular during startup of the fuel cell unit 14 , a recovery of hydrogen using atmospheric oxygen from the ambient air. The hydrogen thus obtained may cause a startup operation of the fuel cell unit 14 be used. The oxidation unit 34 and the reformer unit 36 each have an electric heater 48 . 50 on. The natural gas 12 is during operation of the fuel cell unit 14 via a supply line 52 in the fuel cell device 10 fed. The natural gas 12 is by means of a compressor 54 promoted. Before entering an anode gas processor 16 becomes natural gas 12 by means of a heat exchanger 56 heated to a process temperature. The cathode gas 30 is via another supply line 58 in the fuel cell device 10 fed. The cathode gas 30 is by means of a compressor 60 promoted. Furthermore, the fuel cell device 10 an air supply 62 , which is intended to air 64 to feed into an anode path 40, and a protective gas supply line 66 , which is intended to be a protective gas 68 in an anode path 40 feed on.

Ferner umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine der Brennstoffzelleneinheit 14 nachgeschaltete Brennereinheit 18. Der Brennereinheit 18 wird während eines Normalbetriebs der Brennstoffzelleneinheit 14 ein Teil eines Anodenabgases 20 der Brennstoffzelleneinheit 14 zugeführt. Die Brennereinheit 18 ist dazu vorgesehen, in dem Anodenabgas 20 der Brennstoffzelleneinheit 14 verbliebene brennbare Stoffe, insbesondere nicht umgesetzten Wasserstoff, zu verbrennen. Ein für einen Betrieb der Brennereinheit 18 benötigter Sauerstoff wird der Brennereinheit 18 in Form eines Kathodenabgases 76 zugeführt. Die Brennereinheit 18 ist ferner während eines Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit 14 zu einer Erwärmung der Brennstoffzelleneinheit 14 auf eine Nennbetriebstemperatur vorgesehen ist. Die Brennereinheit 18 weist zumindest eine Erdgaszuleitung 22 auf, welche dazu vorgesehen ist, der Brennereinheit 18 während eines Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit 14 Erdgas 12 insbesondere unmittelbar zuzuführen. Während eines Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit 14 wird das Erdgas 12 der Brennereinheit 18, welche dazu vorgesehen ist, das Kathodengas 30 während des Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit 14 aufzuheizen, zugeführt. Über das aufgeheizte Kathodengas 30 wird die Brennstoffzelleneinheit 14, auf eine Nennbetriebstemperatur erwärmt. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 weist einen Wärmeübertrager 24 auf, welcher dazu vorgesehen ist, eine thermische Energie eines Abgases 26 der Brennereinheit 18 zumindest teilweise auf das der Kathode 28 der Brennstoffzelleneinheit 14 zugeführte Kathodengas 30 zu übertragen.Furthermore, the fuel cell device comprises 10 one of the fuel cell unit 14 downstream burner unit 18 , The burner unit 18 during normal operation of the fuel cell unit 14 a part of an anode exhaust gas 20 the fuel cell unit 14 fed. The burner unit 18 is intended to be in the anode exhaust gas 20 the fuel cell unit 14 remaining flammable substances, especially unreacted hydrogen to burn. One for operation of the burner unit 18 required oxygen is the burner unit 18 in the form of a cathode exhaust gas 76 fed. The burner unit 18 is also during startup of the fuel cell unit 14 to a heating of the fuel cell unit 14 is provided to a nominal operating temperature. The burner unit 18 has at least one natural gas feed 22 on which is provided, the burner unit 18 during startup of the fuel cell unit 14 natural gas 12 in particular to be supplied directly. During startup of the fuel cell unit 14 becomes the natural gas 12 the burner unit 18 , which is intended to the cathode gas 30 during startup of the fuel cell unit 14 to heat up, fed. About the heated cathode gas 30 becomes the fuel cell unit 14 , heated to a nominal operating temperature. The fuel cell device 10 has a heat exchanger 24 which is intended to a thermal energy of an exhaust gas 26 the burner unit 18 at least partially on the cathode 28 the fuel cell unit 14 supplied cathode gas 30 transferred to.

Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 weist ferner einen Rezirkulationskreis 32 auf, welcher zu einer teilweisen Rezirkulation des wasserstoff- und wasserhaltigen Anodenabgases 20 der Brennstoffzelleneinheit 14 vorgesehen ist. Der Rezirkulationskreis 32 ist insbesondere dazu vorgesehen, das Anodenabgas 20 der Brennstoffzelleneinheit 14 zumindest teilweise zur Vermischung mit dem Erdgas 12 zurückzuführen. Ferner ist ein Verdichter 46 in dem Rezirkulationskreis 32 angeordnet. Durch die Rezirkulation des Anodenabgases 20 kann Wasserdampf aus einem Reaktionsvorgang in der Brennstoffzelleneinheit 14 zur Reformierung des Erdgases 12 innerhalb der Reformereinheit 36 verwendet werden. Ferner kann nicht umgesetzter Wasserstoff in die Brennstoffzelleneinheit 14 zurückgeführt werden, wodurch ein Brennstoffnutzungsgrad erhöht werden kann.The fuel cell device 10 also has a recirculation circuit 32 which leads to a partial recirculation of the hydrogen and hydrogen-containing anode exhaust gas 20 the fuel cell unit 14 is provided. The recirculation circuit 32 is particularly intended to the anode exhaust gas 20 the fuel cell unit 14 at least partially for mixing with the natural gas 12 due. Further, a compressor 46 in the recirculation circuit 32 arranged. By the recirculation of the anode exhaust gas 20 can water vapor from a reaction process in the fuel cell unit 14 for reforming the natural gas 12 be used within the reformer unit 36. Further, unreacted hydrogen can be returned to the fuel cell unit 14, whereby a fuel efficiency can be increased.

2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Anfahren der Brennstoffzellenvorrichtung 10. In einer ersten Phase 70 des Verfahrens erfolgt eine Zündung der Brennereinheit 18. Der Brennereinheit 18 wird über die Erdgaszuleitung 22 Erdgas 12 zur Durchführung einer Verbrennung zugeleitet. Das Abgas 26 der Brennereinheit 18 wird dem Wärmeübertrager 24 zur Erwärmung des Kathodengases 30 zugeführt. Über die Schutzgaszuleitung 66 wird ein Schutzgas 68 zum Schutz vor Oxidationen in den Anodenpfad 40 eingeleitet. Eine Erwärmung des Anodenpfads 40 erfolgt über den elektrischen Heizer 48 der Reformereinheit 36. Sind die Anode 38 der Brennstoffzelleneinheit 14 und der Anodengasprozessor 16 zumindest zeitweise im Wesentlichen resistent gegen eine Oxidation und/oder ist eine Oxidation der Anode 38 der Brennstoffzelleneinheit 14 und des Anodengasprozessors 16 in weiteren Phasen des Verfahrens zumindest weitgehend reversibel, kann eine Einleitung eines Schutzgases 68 entfallen. Insbesondere kann während der ersten Phase 70 Stickstoff in den Anodenpfad 40 eingeleitet werden, wenn die Anode 38 der Brennstoffzelleneinheit 14 und der Anodengasprozessor 16 keine reduzierende Atmosphäre benötigt. Alternativ kann während der ersten Phase 70 Luft 64 in den Anodenpfad 40 eingeleitet und/oder ein in dem Anodenpfad 40 befindliches Gas im Anodenpfad 40 rezirkuliert werden. 2 shows a flowchart of a method for starting the fuel cell device 10 , In a first phase 70 of the method takes place ignition of the burner unit 18 , The burner unit 18 is via the natural gas supply 22 natural gas 12 to conduct a combustion. The exhaust 26 the burner unit 18 becomes the heat exchanger 24 for heating the cathode gas 30 fed. About the protective gas supply line 66 becomes a protective gas 68 for protection against oxidation in the anode path 40 initiated. A heating of the anode path 40 via the electric heater 48 the reformer unit 36 , Are the anode 38 the fuel cell unit 14 and the anode gas processor 16 at least temporarily substantially resistant to oxidation and / or oxidation of the anode 38 the fuel cell unit 14 and the anode gas processor 16 In further phases of the process, at least largely reversible, can be an introduction of a protective gas 68 omitted. In particular, during the first phase 70 Nitrogen can be introduced into the anode path 40 when the anode 38 the fuel cell unit 14 and the anode gas processor 16 no reducing atmosphere needed. Alternatively, during the first phase 70 air 64 in the anode path 40 introduced and / or in the anode path 40 located gas in the anode path 40 be recirculated.

In einer zweiten Phase 72 wird die Oxidationseinheit 34 mittels des elektrischen Heizers 50 auf eine Temperatur größer 300°C erwärmt. Ein Gemisch aus Erdgas 12 und Luft 64 wird in den Anodenpfad 40 eingespeist. Sobald die partielle Oxidation innerhalb der Oxidationseinheit 34 einsetzt, kann der der elektrische Heizer 50 ausgeschaltet werden und eine Zuleitung des Schutzgases 68 gegebenenfalls beendet werden. Der Verdichter 46 des Rezirkulationskreises 32 wird eingeschaltet und eine Rezirkulationsrate auf circa 50 % eingestellt.In a second phase 72 becomes the oxidation unit 34 by means of the electric heater 50 heated to a temperature greater than 300 ° C. A mixture of natural gas 12 and air 64 gets into the anode path 40 fed. Once the partial oxidation within the oxidation unit 34 The electric heater can be used 50 be switched off and a supply line of the protective gas 68 optionally terminated. The compressor 46 of the recirculation circuit 32 is switched on and set a recirculation rate to about 50%.

In einer dritten Phase 74 setzt ein Strombetrieb der Brennstoffzelleneinheit 14 ein. Die Brennereinheit 18 wird zunehmend durch die Zuführung von Anodenabgas 20 betrieben. Die Zuführung von Erdgas 12 zu der Brennereinheit 18 wird schrittweise reduziert und schließlich vollständig beendet.In a third phase 74 sets a current operation of the fuel cell unit 14 one. The burner unit 18 is increasingly due to the supply of anode exhaust gas 20 operated. The supply of natural gas 12 to the burner unit 18 is gradually reduced and finally completely finished.

Sind die Anode 38 der Brennstoffzelleneinheit 14 und der Anodengasprozessor 16 zumindest bis zu einer Temperatur resistent gegen eine Oxidation, bei welcher ein Strombetrieb der Brennstoffzelleneinheit 14 möglich ist, und/oder ist eine Oxidation der Anode 38 der Brennstoffzelleneinheit 14 und des Anodengasprozessor 16 während eines Strombetriebs zumindest weitgehend reversibel, können die erste Phase 70 und die zweite Phase 72 wie folgt zusammengelegt werden. Der Verdichter 46 des Rezirkulationskreises 32 wird eingeschaltet. Die elektrischen Heizer 48, 50 der Oxidationseinheit 34 und der Reformereinheit 36 werden gestartet. Unmittelbar vor Einsetzen des Strombetriebs werden Erdgas 12 und Luft 64 oder nur Erdgas 12 in den Anodenpfad 40 zudosiert, woraufhin unmittelbar die dritte Phase 74 einsetzt.Are the anode 38 the fuel cell unit 14 and the anode gas processor 16 at least to a temperature resistant to oxidation, in which a current operation of the fuel cell unit 14 is possible, and / or is an oxidation of the anode 38 the fuel cell unit 14 and the anode gas processor 16 During a current operation at least largely reversible, the first phase 70 and the second phase 72 be merged as follows. The compressor 46 of the recirculation circuit 32 is turned on. The electric heaters 48 . 50 the oxidation unit 34 and the reformer unit 36 are started. Immediately before the onset of electricity operation, natural gas is produced 12 and air 64 or just natural gas 12 metered into the anode path 40, whereupon immediately the third phase 74 starts.

Claims (9)

Brennstoffzellenvorrichtung, welche dazu vorgesehen ist, mit Erdgas (12) betrieben zu werden, mit einer Brennstoffzelleneinheit (14), einem der Brennstoffzelleneinheit (14) vorgeschalteten Anodengasprozessor (16), welcher dazu vorgesehen ist, das Erdgas (12) zur Verwendung in der Brennstoffzelleneinheit (14) aufzubereiten, und mit einer Brennereinheit (18), welche während eines Normalbetriebs der Brennstoffzelleneinheit (14) dazu vorgesehen ist, in einem Anodenabgas (20) der Brennstoffzelleneinheit (14) verbliebene brennbare Stoffe zu verbrennen, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennereinheit (18) während eines Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit (14) zu einer Erwärmung der Brennstoffzelleneinheit (14) auf eine Nennbetriebstemperatur vorgesehen ist.A fuel cell apparatus, which is adapted to be operated with natural gas (12), comprising a fuel cell unit (14), an anode gas processor (16) connected upstream of the fuel cell unit (14) and intended to supply the natural gas (12) for use in the fuel cell unit (14), and with a burner unit (18), which during normal operation of the fuel cell unit (14) is provided to burn combustible substances remaining in an anode exhaust gas (20) of the fuel cell unit (14), characterized in that the burner unit ( 18) is provided during a startup of the fuel cell unit (14) for heating the fuel cell unit (14) to a nominal operating temperature. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennereinheit (18) zumindest eine Erdgaszuleitung (22) aufweist, welche dazu vorgesehen ist, der Brennereinheit (18) während eines Anfahrens der Brennstoffzelleneinheit (14) Erdgas (12) zuzuführen.Fuel cell device after Claim 1 , characterized in that the burner unit (18) has at least one natural gas feed line (22) which is provided to supply natural gas (12) to the burner unit (18) during startup of the fuel cell unit (14). Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch zumindest einen Wärmeübertrager (24), welcher dazu vorgesehen ist, eine thermische Energie eines Abgases (26) der Brennereinheit (18) zumindest teilweise auf ein einer Kathode (28) der Brennstoffzelleneinheit (14) zugeführtes Kathodengas (30) zu übertragen.Fuel cell device after Claim 1 or 2 characterized by at least one heat exchanger (24) which is provided to at least partially transmit a thermal energy of an exhaust gas (26) of the burner unit (18) to a cathode gas (30) supplied to a cathode (28) of the fuel cell unit (14). Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Rezirkulationskreis (32), welche während eines Normalbetriebs der Brennstoffzelleneinheit (14) dazu vorgesehen ist, dem Anodengasprozessor (16) zumindest einen Teil eines Anodenabgases (20) der Brennstoffzelleneinheit (14) zuzuführen.Fuel cell device according to one of the preceding claims, characterized by a recirculation circuit (32) which is provided during normal operation of the fuel cell unit (14) to supply the anode gas processor (16) at least a portion of an anode exhaust gas (20) of the fuel cell unit (14). Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodengasprozessor(16), eine Oxidationseinheit (34), welche zur Durchführung einer partiellen Oxidation vorgesehen ist, und eine Reformereinheit (36), welche zu einer zumindest teilweisen Reformierung des Erdgases (12) vorgesehen ist, aufweist.Fuel cell device according to one of the preceding claims, characterized in that the anode gas processor (16), an oxidation unit (34), which is provided for performing a partial oxidation, and a reformer unit (36), which at least partially reforming the natural gas (12) is provided has. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anode (38) der Brennstoffzelleneinheit (14) und der Anodengasprozessor (16) zumindest zeitweise im Wesentlichen resistent gegen eine Oxidation sind und/oder eine Oxidation einer Anode (38) der Brennstoffzelleneinheit (14) und des Anodengasprozessors (16) zumindest weitgehend reversibel ist.Fuel cell device according to one of the preceding claims, characterized in that an anode (38) of the fuel cell unit (14) and the anode gas processor (16) are at least temporarily substantially resistant to oxidation and / or oxidation of an anode (38) of the fuel cell unit (14 ) and the anode gas processor (16) is at least largely reversible. Verfahren zum Anfahren einer Brennstoffzellenvorrichtung (10), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Brennstoffzelleneinheit (14) und mit einer Brennereinheit(18), welche während eines Normalbetriebs der Brennstoffzelleneinheit (14) dazu vorgesehen ist, in einem Anodenabgas (20) der Brennstoffzelleneinheit (14) verbliebene brennbare Stoffe zu verbrennen, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (14) während eines Anfahrens mittels der Brennereinheit (18) auf eine Nennbetriebstemperatur erwärmt wird.Method for starting up a fuel cell device (10), in particular according to one of the preceding claims, with a fuel cell unit (14) and with a burner unit (18) which is provided during normal operation of the fuel cell unit (14) in an anode exhaust gas (20) Fuel cell unit (14) remaining combustible materials to burn, characterized in that the fuel cell unit (14) is heated during startup by means of the burner unit (18) to a nominal operating temperature. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn eines Erwärmens der Brennstoffzelleneinheit (14) Stickstoff oder Luft (64) in einen Anodenpfad (40) eingeleitet oder in dem Anodenpfad (40) vorhandenes Gas rezirkuliert wird.Method according to Claim 7 characterized in that at the beginning of heating of the fuel cell unit (14), nitrogen or air (64) is introduced into an anode path (40) or gas present in the anode path (40) is recirculated. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar vor Eintritt eines Strombetriebs der Brennstoffzelleneinheit (14) Erdgas (12) und/oder Luft (64) in einen Anodenpfad (40) zudosiert wird.Method according to Claim 7 or 8th , characterized in that natural gas (12) and / or air (64) is metered into an anode path (40) immediately before entry of a current operation of the fuel cell unit (14).
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